露天矿地下开采反倾层状岩体边坡变形机理与稳定性研究

露天煤矿随着采矿工程的延深和地面到界，反倾层状岩体边坡的高度和边坡角都在逐年增大，尤其在露天矿边帮下方进行地下开采，开采引起围岩的变形破坏不仅改变了上覆岩层原始应力状态，而且降低了弱层（软弱结构面）的力学强度，从而使反倾层状岩体边坡的发生变形破坏。为此，本项目通过对边坡岩体进行地质演变史、岩体结构面及地应力场等地质环境的研究，分析成岩建造与构造改造、爆破开挖等形成的岩体缺陷与损伤，建立概化的三维工程地质模型。通过现场实测、模型试验、数值分析与理论分析，系统研究露天矿边帮下地下开采反倾层状岩体边坡的变形破坏机理，分析与总结地下开采条件下，不同开采深度、工作面回采方向与边坡变形的特性，探讨反倾层状岩体边坡变形的时效性与采区地表沉陷的关系，建立露天矿反倾层状岩体边坡稳定性评价与预测方法，提出露天矿边帮下方地下开采控制理论及应用技术体系。

露天煤矿随着采矿工程的延深和地面到界，露天矿边坡的高度和反倾层状岩体边坡倾角都在逐年增大，露天矿设计最终边坡高度一般为300m-500m，有的甚至达到700m，由此带来的露天煤矿高陡边坡稳定性问题日益突出。当露天开采到一定深度后，由露天转入地下开采，尤其是在露天矿边帮下方进行地下开采，采空区塌陷更加剧了边坡的变形。开采引起围岩的变形破坏不仅改变了上覆岩层原始应力状态，而且降低了弱层（软弱结构面）的力学强度，从而使反倾层状岩体边坡的发生变形破坏。为此，本项目在全面分析国内外有关露天矿地下开采反倾层状岩体边坡变形机理与稳定性研究的基础上，以抚顺西露天矿为背景，通过对边坡岩体进行地质演变史、岩体结构面及地应力场等地质环境的研究，分析成岩建造与构造改造、爆破开挖等形成的岩体缺陷与损伤，建立概化的三维工程地质模型，研究露天矿边帮下方地下开采反倾边坡变形破坏模式。采用Monte-Carlo法研究反倾层状岩体结构面特征，并对岩体宏观力学参数进行评价。针对各向异性卸荷边坡软弱岩体的时效变形行为与长期稳定性问题，开展了不同尺度的弱层与软弱结构面蠕变特性的试验研究，探讨在不同应力水平作用下的软弱岩体流变力学性态。建立了泥砂岩流变本构模型，并对模型参数进行识别。通过FLAC3D三维数值模拟露天矿地下开采条件下，不同坡角的反倾边坡的破坏模式以及边坡变形破坏过程中的应力分布规律和位移特征，探讨开采深度、工作面回采方向等与边坡变形的关系。通过对数值模结果与地表变形监测数据分析，建立边坡变形的时空效应与地表沉陷数学模型。探讨反倾层状岩体边坡变形的时效性与采区地表沉陷的关系，建立露天矿反倾层状岩体边坡稳定性评价与预测方法，提出露天矿边帮下方地下开采控制理论及应用技术体系。