山区煤矿开采引起的高陡边坡失稳机理研究

我国大约有三分之一的煤矿位于山区，由于山区的地形起伏，开采沉陷对地表的影响远大于平原地区，山区煤矿都有过不同程度的采动滑坡，并在雨季伴有泥石流的发生，给当地的生态环境和人民的生命财产安全造成了严重影响，结合山区采动地表移动规律对山区高陡边坡稳定性及滑坡区域进行分析预测，对山区煤矿减少灾害、安全生产服务、矿区生态环境治理具有重要的现实意义。根据本项目的研究内容，取得如下进展和成果： （1）在数据预处理过程中，提出了应用二维哈希算法对地形图等高线点和高程点进行去重，解决了海量数据去重耗时长，占用内存大的问题。该算法可以代替传统的顺序去重法，亦可用于海量数据的快速查询，具有实际应用价值。 （2）从整理已有的山区地表移动观测资料入手，提出了滤波平滑处理具有大裂缝的非连续移动变形观测值的一种新的分析方法，通过应用本方法，经过滤波平滑处理后，将原实测数据的非连续性移动变形曲线变成连续曲线，从而应用连续性模型进行拟合，而这一连续性模型就是该地质采矿条件下的开采沉陷规律，实测值与平滑处理后值的差异正是地表采动裂缝等非连续移动变形值在该处的影响值，由此通过分析已有的观测资料数据，即可分析采动裂缝的形成条件，从而建立形成山区煤矿地表高陡边坡失稳的条件模型。 （3）根据山区地表移动变形特点，提出了开采后引起的山区地表滑移是由采动向量是R(x,y)所引起的附加滑移量，其沿地表坡体的倾角方向的分量Rα(x，y)决定了滑移向量ΔR(x,y)的大小，从而建立了开采产生的地表滑移正常同和水平移动的表达式，从而构建地表坡体产生破坏的条件，为山区煤矿开采高陡边坡失稳分析奠定理论基础。 （4）通过综合比较实测地表移动变形数据、地表损害情况、实测数据与预计数据较差及观测点附近的地形特征，分析了地形特征对地表移动变形的影响及地表损害与地表移动变形之间的相互关系。 （5）根据地表地形因子，采用摩尔-库伦准则建立的极限平衡法，建立了坡体失稳临界角计算模型，通过判别采动地表失稳倾角与地表坡度的大小关系，建立了地表潜在滑坡区预测分析方法，为采动滑坡预测提供了科学依据。 （6）应用有限元分析方法原理，采用弹性平面模型，根据山区地表移动预计结果，建立了预计地表水平移动下应力模拟方法，从而分析采动地表裂缝分布区域，提出了采动滑坡的分析和新的预测方法。 （7）根据研究结果，编制了采动坡体稳定性分析预测软件。 2100433B

本项目通过对山区地表移动观测资料及滑坡调查资料的分析，结合遥感影响像资料数据，研究山区高陡边坡滑坡（或崩塌）的地形特征参数，即坡高、坡长、坡度、坡向、采区地表及覆岩性质及结构特征。根据矿区井上下对照图分析采动程度、开采深度、开采厚度、工作面尺寸与坡体的相对位置，以及推进方向等采矿地质因素与山区高陡边坡变形的关系，确定引起高陡边坡失稳的相应地质采矿参数的临界值，即引起采动坡体滑坡或崩塌的条件，从而建立高陡边坡滑坡（崩塌）与开采深度、开采厚度、采区工作面尺寸、工作面推进方向、采动程度、覆岩性质、山区地形地貌特征、地表岩（土）层结构与特性的关系模型，即高陡边坡失稳的判别模型。本项目的研究对山区矿区生态环境治理、地质灾害防护和矿井安全生产具有重要意义。

主要研究内容包括：①由开采引起的岩层和地表移动的观测方法、规律和预计方法;②对地面及地下建(构)筑物、铁路、水体和井巷等煤柱的留设方法;③在建筑物下、铁路下、水体下和承压含水层上采煤以及井筒煤柱开采时的保护措施; ④开采沉陷区的土地复垦、环境保护。

边坡失稳是水利水电工程、交通工程和城市建设中常见的工程地质灾害，也是工程地质和岩土工程领域的研究热点。土质边坡失稳因周围土体约束的空间效应而呈现明显的三维特征，加固体的存在将进一步强化三维效应。由于数学模拟与力学分析方面的局限，二维分析方法仍是边坡稳定分析中的常用手段。本项目针对三维土质边坡的稳定性问题，采用模型试验和解析分析相结合的方法开展系统研究，探索土坡三维失稳的机理及其极限分析方法。通过三维边坡失稳的压载试验和离心试验确定其破坏机制和滑动面特征，分析土体参数的影响规律；基于所得滑动面，研究三维土质边坡稳定性的极限分析方法，进而提出考虑加固体刚度与强度作用的三维分析理论，结合模型试验探讨土坡与加固体共同作用机理。研究成果对于阐明三维边坡失稳与加固机制具有重要意义，提出的试验方法和设备可应用于相关研究，三维极限分析和加固评估方法的建立为边坡稳定的分析设计与减灾控制提供科学依据。

矿山开采引起的环境地质问题及其预测和防治对策研究 2100433B