地下采空引起的斜坡岩体损伤及变形破坏规律研究 ——以贵州省纳雍县马鬃岭变形体为例

论文摘要

我国是一个地质灾害频发地区,统计表明地质灾害的发生很大程度上与人类活动有关。矿山开采作为人类工程活动诱发地质灾害的主要因素,形成的地质灾害具有破坏力大、影响范围广、经济损失大等特点,尤以地下开采诱发的崩滑地质灾害最为严重,造成了多次灾难性事故。因此开展地下采空引起的斜坡岩体损伤及变形破坏演化规律研究,为边坡稳定性的综合评价以及煤矿的高效开采提供可靠依据,具有重要的理论价值和工程指导意义。本文通过以贵州省纳雍县鬃岭镇马鬃岭变形体为例,对研究区裂隙灰岩的强度特变形特性、宏观破坏模式、细观位移场及裂纹扩展贯通过程进行了研究和分析,研究了复杂应力路径下脆性岩石损伤演化规律。在此基础上,以UDEC为平台,用VC++语言开发了可供UDEC调用的动态链接库文件,建立了基于裂隙岩体损伤演化本构模型的马鬃岭斜坡简化模型,模拟了采动影响下裂隙岩质斜坡的破裂损伤范围演化过程,分析了斜坡破坏模式类型,阐述了斜坡损伤变形破坏演化规律。取得以下主要研究成果:（1）马鬃岭变形破坏是受地质因素和非地质因素的共同作用。地质灾害形成的直接原因是非地质因素中的煤层开采,采空区变形和塌陷引起坡体产生不均匀的变形调整,使得原本稳定的马鬃岭在自身不利内因的基础上产生变形破坏。坡体的破坏形式取决于地质因素中的地形地貌,“上硬下软”的地层组合使得坡体具有一定的自稳能力,导致坡体的破坏相对于煤层的开采存在滞后性,且能形成长大的竖向裂缝;三组结构面组成的岩体结构特征切割岩体呈块状,为坡体出现的滑坡、崩塌以及裂缝提供变形的边界条件。（2）采用三种应力路径模拟斜坡开采过程中不同位置岩石的损伤破裂特征。常规三轴加载即天然状态下的岩石强度最高,轴压增加卸围压即采空区顶板围岩的岩石强度最小。围压的大小与岩石的力学性质和变形特性有着密切的关系,围压的增加使围岩逐渐由脆性破坏向延性破坏过渡,临界围压为20MPa。卸荷造成破坏较加载更加严重和剧烈,卸荷造成岩石表面出现大量的沿轴向裂纹,因此,卸荷破坏往往造成岩石的复合拉压破坏,而卸荷破坏的的声发射计数远大于加载破坏。（3）本文提出裂隙岩体损伤演化本构模型以及Voronoi离散块体模型。从工程应用的角度系统地从位移矢量场、主应力矢量场、塑性屈服区以及破裂损伤区分布等不同角度分析和总结了围岩体破裂演化规律和特征。（4）采用底摩擦试验（定性）与UDEC模拟（定量）相结合的方法再现崩塌体从变形直至破坏的整个过程。结果表明中岭斜坡的变形破坏都是由于坡体下部煤炭开采及采空区塌陷导致的,其破坏模式为倾倒式崩塌。演化过程如下:1)由于斜坡底部煤矿开采,当形成了大范围的采空区,采空区上部顶板变形,顶板中部区域的岩体最先出现拉裂破坏,甚至塌陷,上覆坡体自重应力作用下煤柱发生压缩鼓胀,为上部坡体的变形破坏提供了空间,坡表区域开始出现拉裂缝,并随时间的发展追踪陡倾结构面向下扩展,促进了后缘拉裂缝向坡体深部扩展。2)坡体的不均匀变形引起整个坡体产生变形破坏,差异沉降会导致岩层之间沿陡倾结构面发生错动开裂,产生竖向裂缝。裂隙的发育破坏了上部岩石的整体性,由其是上部的硬质灰岩、泥岩,山顶发育有多条走向平行于临空面的裂缝。3)随着采空区坍陷的加剧,再加上长期的风化卸荷及溶蚀作用,裂隙不断发育扩大加深直至贯通,把上部岩体与基岩割离开来,分割出来的柱状岩体不断向外倾倒变形,形成危岩体,直至发生崩塌灾害。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
•   1.1 选题依据与研究意义
•     1.1.1 选题依据
•     1.1.2 研究意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 声发射的研究现状
•     1.2.2 岩石卸荷力学特性及损伤机理的研究现状
•     1.2.3 岩石损伤力学的研究现状
•     1.2.4 采动斜坡变形破坏演化规律研究
•   1.3 主要研究内容及技术路线
•     1.3.1 主要研究内容
•     1.3.2 技术路线
• 第2章 马鬃岭崩滑地质坏境条件
•   2.1 工程地质条件
•     2.1.1 地理位置
•     2.1.2 地形地貌
•     2.1.3 地层岩性
•     2.1.4 地质构造
•     2.1.5 水文地质条件
•     2.1.6 新构造运动及地震条件
•     2.1.7 煤矿开采历史
•   2.2 斜坡基本情况概述
•   2.3 岩体结构面发育特征
•   2.4 变形破坏特征分析
•     2.4.1 裂缝发育分布特征
•     2.4.2 崩塌体特征
•   2.5 斜坡变形破坏主要影响因素分析
• 第3章 地下采矿引起的岩石损伤演化规律试验研究
•   3.1 试验设备及试验应力路径
•     3.1.1 实验设备
•     3.1.2 实验方案
•     3.1.3 声发射相关参数
•   3.2 不同应力路径试验结果分析
•     3.2.1 应力应变规律分析
•     3.2.2 岩石强度分析
•     3.2.3 岩石破坏特征分析
•     3.2.4 岩石力学参数分析
•   3.3 不同应力路径试验声发射特征
•     3.3.1 常规三轴压缩试验声发射特征
•     3.3.2 轴向压力恒定的匀速卸围压试验声发射特征
•     3.3.3 轴向压力增加的匀速卸围压试验声发射特征
•   3.4 基于声发射特征参数的岩石损伤破坏演化规律
•     3.4.1 岩石损伤变量
•     3.4.2 不同应力路径试验的岩石损伤特征
•   3.5 灰岩破裂前兆信息研究
•   3.6 本章小结
• 第4章 地下采矿引起的岩体损伤演化规律数值模拟
•   4.1 本构模型的二次开发
•     4.1.1 裂隙岩体断裂损伤本构模型计算流程
•     4.1.2 本构模型的程序实现
•     4.1.3 自定义模型文件的编写
•   4.2 裂隙岩体断裂损伤本构关系
•     4.2.1 裂纹起裂准则
•     4.2.2 损伤变量定义
•     4.2.3 裂隙岩体损伤张量
•   4.3 Voronoi随机裂隙网络模拟
•     4.3.1 Voronoi图数学原理
•     4.3.2 Voronoi离散块体模型特点
•   4.4 微观力学参数研究与数值模型构建
•     4.4.1 校准试验流程
•     4.4.2 微观力学参数的确定
•     4.4.3 数值模型的建立
•   4.5 不同本构模型下斜坡损伤演化规律研究
•     4.5.1 采动斜坡最大主应力场演化规律
•     4.5.2 采动斜坡最小主应力场演化规律
•     4.5.3 采动斜坡位移矢量场演化规律
•     4.5.4 采动斜坡塑性区扩展规律
•     4.5.5 破裂损伤区范围演化特征
•   4.6 本章小结
• 第5章 地下采矿引起的斜坡变形破坏演化机制分析
•   5.1 采动覆岩裂隙分布演化数值模拟研究
•     5.1.1 模型的基本几何参数
•     5.1.2 边界条件的确定
•     5.1.3 倾向方向数值模拟结果分析
•     5.1.4 走向方向数值模拟结果分析
•   5.2 变形破坏机制物理模拟
•     5.2.1 底摩擦试验方案设计
•     5.2.2 试验结果分析
•   5.3 采动斜坡变形破坏过程数值模拟
•     5.3.1 模型的建立
•     5.3.2 计算参数和计算方案
•     5.3.3 离散元分析结果
•   5.4 马鬃岭崩塌演化过程定性分析
•   5.5 对比分析
•   5.6 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王俊

导师: 赵建军

关键词: 矿山崩滑地质灾害,离散块体模型,本构模型二次开发,斜坡变形破坏机制,数值模拟,物理模拟

来源: 成都理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,地质学,矿业工程,工业通用技术及设备

单位: 成都理工大学

分类号: TD325.3;P642.2

DOI: 10.26986/d.cnki.gcdlc.2019.000827

总页数: 152

文件大小: 19505K

下载量: 118