采矿振动扰动下岩溶塌陷的动力学机制

A lot of nonmetallic mineral resources distribute in Karst area, and disaster of Karst geological collapse happens frequently. This project aims at the problem of the environmental vibration aroused by the mining activities will lead to cumulative damage of engineering rock and make the engineering rock mechanical properties deteriorated, focus on the the variation mechanism of the physical and mechanical properties of covered soil and rock under the vibration load, to explore the attenuation law of the strength of Karst system in the condition of vibration disturbance. Through the field data collection,on-site monitoring and laboratory test,and the Karst model test under the vibration load of different frequencies and different intensities indoor, this project studies the attenuation law of the strength of vibration wave aroused by the mining activities , analysis the effect of rock and soil engineering mechanical properties aroused by environmental vibration. Based on the theory of limit equilibrium, building the comprehensive mechanical model of collapse of Karst system in the condition of environmental vibration in the mining activities, analysing the connection between the environmental vibration and impact factor of Karst collapse, combined with the indoor testing and numerical calculations to obtain the connection between the changes of mechanical strength and the further development of the Karst fissures and caves, to explore the generation mechanism and evolution mechanism of Karst collapse in the condition of mining vibration disturbance.

岩溶区分布大量的非金属矿产资源，且岩溶塌陷地质灾害频发。本课题针对采矿活动激发的环境振动会导致工程岩体损伤累积使工程岩体力学性能劣化的问题，重点研究振动荷载作用下覆盖土层以及岩体的物理、力学性质的变化机理，探讨振动扰动下岩溶体系的强度衰减规律。本课题通过现场数据采集、现场监测、室内试验以及在不同频率、不同强度的振动荷载下室内岩溶模型试验，研究采矿活动激发的振动波强度衰减规律，分析环境振动对采矿区岩土体工程力学性质的影响规律。基于极限平衡理论，建立采矿活动环境振动下岩溶体系的致塌综合力学模型，分析环境振动与岩溶塌陷的影响因子之间的联系，结合室内试验及数值计算取得力学强度的变化和岩溶裂隙及洞穴的进一步发育的联系，探索采矿振动扰动下岩溶塌陷的产生机理和演化机制。

岩溶在我国广为发育，并且其区域内还藏有大量的自然资源，资源在开采时不可避免的会对区域环境带来危害，尤其是近几十年来，采矿区岩溶地面塌陷等地质灾害频繁发生，给国家及当地民众带来严重损失。因此采矿振动扰动下岩溶塌陷的动力学机制研究已经成为环境岩土工程的一个重要课题。项目组围绕这一课题，在大量试验的基础上，进行了扰动下岩溶塌陷的动力学理论分析，取得以下主要成果：（1）总结环境振动下的衰减规律。通过振动数据及地质条件的对比分析、原理分析发现，爆破振动波的频率衰减与爆破振动波的传播距离有关；在不同性质的岩土体中频率衰减的规律也不同。而振动波传播速度却只与震动传播介质（即：岩土体性质）有关。采用萨道夫斯基修正公式来确定质点峰值振速的衰减规律，并借助origin软件的数据拟合功能，最终得出适合实验区域的质点峰值振速衰减规律的拟合方程。（2）总结地下水、岩土体结构与岩溶塌陷的关系。分析了土洞形成的机理及条件；并推导了土洞形成的起始条件中地下水位降幅的表达式。根据地面塌陷临界地下水位降幅表达式与三轴试验数据进行分析处理绘制地下水位降幅与回填土压实度的关系，确定了土洞塌陷处回填后避免再次出现塌陷的回填土的最小压实度。（3）进行环境振动下的建模分析。在自重应力作用下，土洞的形成改变了原有的应力分布状态，在土洞的顶部及两侧与岩石接触的地方，应力变化最为明显，同时，还因为土洞的形成，出现了临空面，使得模型的竖向位移变大；模型在施加所采集到的震动荷载后，其内部应力云图、位移云图都因为动荷载的作用，发生很大的变化，塑性区也不断扩大，且土岩接触面处塑性区扩大的较快，在长期累积的爆破震动荷载作用下可能还会继续增加，对采矿区地面稳定性具有不可忽视的威胁。（4）总结出采矿活动诱发的环境振动对岩溶塌陷的影响。综合矿区的工程地质条件、爆破振动采集数据，将爆破地震波的衰减规律引入到矿山地表塌陷的稳定性评价中，采用综合模糊评价法对矿区地表塌陷进行危险性评价，将古丹铅锌矿矿区划为63个评价单元，建立矿区的评价模型，将古丹铅锌矿按矿山地表塌陷危险性程度划分不稳定区、次稳定区和稳定区。.本课题研究矿区采矿爆破地震波频率和传播速度的衰减特征，总结环境振动的衰减规律；分析采矿爆破振动作用下地表塌陷的危险性，总结出采矿活动诱发的环境振动对岩溶塌陷的影响。其研究成果为合理采矿和减轻爆破振动引起的地表塌陷灾害提供依据。