本文關(guān)鍵詞：陜北黃土溝壑徑流下采動水害機理與防控技術(shù)研究

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【摘要】：隨著我國煤炭開發(fā)的重點向西北地區(qū)轉(zhuǎn)移,縱橫交錯的黃土溝壑地貌與埋深淺、基巖薄的開采條件相互影響,尤其是在間歇性地表徑流甚至暴雨的作用下,使煤層過溝開采誘發(fā)災(zāi)害出現(xiàn)了新的特征,形成了黃土溝壑區(qū)淺表層土體重力破壞-加速土壤侵蝕-采動突水(潰砂)這樣一條完整的災(zāi)害鏈。本文以地處陜北黃土溝壑區(qū)的紅柳林井田為例,以紅柳林井田內(nèi)肯鐵令溝流域為主要研究對象,在綜合水文地質(zhì)與工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,采用理論分析、現(xiàn)場試驗、室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬分析、物理模擬分析和工程實踐應(yīng)用等研究方法,對陜北黃土溝壑徑流下采動水害機理及其防控技術(shù)進行了系統(tǒng)的分析,并初步指導了工程實踐。主要研究成果如下:(1)利用地面鉆探、注水試驗、壓水試驗、彩色鉆孔電視、經(jīng)驗公式和離散元數(shù)值模擬等,綜合研究了黃土溝壑下采動覆巖土破壞規(guī)律,結(jié)合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中防水安全煤巖柱、防砂安全煤巖柱保護層厚度的規(guī)定,將黃土溝壑徑流下采動水害劃分為四種類型,即突水潰砂型、突水型、滲漏型和安全型。(2)依據(jù)室內(nèi)重塑非飽和N2紅土(保德組紅土)土-水特征曲線試驗成果,采用Van Genuchten模型,詳細研究了干密度、體積含水率及基質(zhì)吸力對非飽和保德組紅土滲透特性的影響。試驗結(jié)果表明:非飽和保德組紅土滲透系數(shù)與體積含水率在半對數(shù)坐標系中呈現(xiàn)出近似直線關(guān)系,滲透系數(shù)隨體積含水率的增大而增大,且密實狀態(tài)非飽和保德組紅土滲透系數(shù)對體積含水率的變化比較敏感;非飽和保德組紅土滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力在半對數(shù)坐標系中呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)關(guān)系,滲透系數(shù)隨基質(zhì)吸力的增大而減小,且結(jié)果同樣表明密實狀態(tài)非飽和保德組紅土的滲透系數(shù)對干密度的變化比較敏感。(3)分析了黃土溝壑區(qū)重力破壞類型及機理,綜合考慮了坡度、坡向、巖土性質(zhì)、降雨等因素,提出了多因素影響下黃土溝壑區(qū)重力破壞的可能性計算公式,并以紅柳林井田內(nèi)肯鐵令溝流域為例,分別對黃土邊坡及保德組紅土邊坡在10mm降雨量下發(fā)生重力破壞的可能性進行了評價。(4)基于砂層單顆粒力學分析,提出了黃土溝壑徑流下砂層采動突水潰砂機制。采用自制的試驗設(shè)備,模擬研究了不同結(jié)構(gòu)面寬度下松散層經(jīng)過采煤上覆裂縫發(fā)生滲透變形破壞的類型和機制。結(jié)果表明:粘粒含量越大,土樣發(fā)生突水潰砂臨界水頭越高;粘粒含量較大時,土樣滲透變形破壞方式為滲水-潛蝕-突水潰砂,粘粒含量較小時,土樣滲透變形破壞方式為直接發(fā)生突水潰砂;隨著水砂的涌出,結(jié)構(gòu)面被較大顆粒及粘性土封堵,試驗出現(xiàn)階段性突水潰砂現(xiàn)象,且突水潰砂臨界水頭隨突水潰砂次數(shù)增加成指數(shù)型增大趨勢;土樣發(fā)生滲透變形破壞形成的坍塌漏斗的形態(tài)與土體性質(zhì)有關(guān)。(5)針對黃土溝壑徑流下采動水害類型,提出了差異化的系統(tǒng)水害治理模式。即綜合控制水動力條件與控制砂源流動技術(shù)2種治理措施,在溝谷不同水害類型地區(qū)配套使用。并將此治理模式應(yīng)用于紅柳林煤礦南一盤區(qū)15207工作面,實現(xiàn)了安全過溝開采。
【關(guān)鍵詞】：黃土溝壑 徑流 突水潰砂 水動力 控制砂源
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TD745
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• 英文摘要7-10
• Extended Abstract10-26
• 變量注釋表26-28
• 1 緒論28-39
• 1.1 研究背景和意義28-29
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與存在問題29-36
• 1.3 研究內(nèi)容和研究方法36-38
• 1.4 技術(shù)路線38
• 1.5 本章小結(jié)38-39
• 2 研究區(qū)自然地理與地質(zhì)環(huán)境39-50
• 2.1 自然地理概況39-41
• 2.2 研究區(qū)地質(zhì)背景41-44
• 2.3 研究區(qū)水文地質(zhì)條件44-45
• 2.4 研究區(qū)覆巖工程地質(zhì)特征45-48
• 2.5 本章小結(jié)48-50
• 3 黃土溝壑徑流下采動覆巖（土）破壞及水害分區(qū)50-81
• 3.1 （近）淺埋煤層采動覆巖（土）破壞規(guī)律50-65
• 3.2 黃土溝壑徑流下采動水害分區(qū)65-68
• 3.3 （近）淺埋煤層開采離散元數(shù)值模擬68-70
• 3.4 本章小結(jié)70-81
• 4 黃土溝壑區(qū)非飽和土重力破壞機理81-101
• 4.1 非飽和紅土滲透特性試驗81-91
• 4.2 黃土溝壑區(qū)重力破壞機理91-95
• 4.3 肯鐵令溝流域重力破壞評價95-99
• 4.4 本章小結(jié)99-101
• 5 黃土溝壑徑流下采動突水潰砂機理101-116
• 5.1 采動突水潰砂條件及影響因素分析101-103
• 5.2 采動突水潰砂機理分析103-106
• 5.3 采動突水潰砂物理模擬試驗106-114
• 5.4 本章小結(jié)114-116
• 6 黃土溝壑徑流區(qū)過溝開采工作面水害防控技術(shù)研究116-126
• 6.1 控制砂源流動技術(shù)方法116
• 6.2 地表水防治技術(shù)方法116-117
• 6.3 工作面綜合防治水技術(shù)研究117-118
• 6.4 15207工作面過溝開采防治水技術(shù)118-125
• 6.5 本章小結(jié)125-126
• 7 結(jié)論126-130
• 7.1 主要結(jié)論126-128
• 7.2 主要創(chuàng)新性工作128
• 7.3 后續(xù)研究工作128-130
• 參考文獻130-142
• 作者簡歷142-145
• 學位論文數(shù)據(jù)集145

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本文編號：783366