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《中国矿业大学(北京)》 2018年
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风沙区超大工作面地表及覆岩动态变形特征与自修复研究

陈超  
【摘要】:煤炭和土地都是人类赖以生存和发展的重要资源,煤炭资源开发在为国民经济发展发挥巨大作用的同时,也不可避免对土地生态造成剧烈的扰动和损伤。我国能源资源禀赋特征与社会经济发展阶段决定了煤炭作为主体能源的能源格局在今后相当长一定时期内不会改变,煤炭开发战略西移以及神东矿区良好的煤炭资源赋存条件促使神东矿区成为我国现阶段能源开发的核心区,大型煤炭基地集群化建设与超大工作面等高强度开采技术应用使得神东矿区煤炭开发力度不断增强。然而,神东风积沙矿区兼具生态阈值低、抗扰动能力差与煤炭开发强度大这一内在相互矛盾的显著特征。如何在保护生态环境的前提下实现煤炭资源的安全高产高效开采,同时做到煤炭开采造成的生态环境损伤尤其是土地生态损伤最小以达到采动损害控制乃至煤炭开采主动生态减损,实现生态脆弱矿区大型煤炭基地资源与环境协调开发,成为当前众多学者关注的焦点。矿区生态环境损伤尤其是土地生态损伤多发生在采动过程中,煤炭开采对岩土体以及土地生态的损害程度不仅取决于岩土体破坏的最终状态以及开采沉陷各种指标的最终结果(静态值),还取决于岩土层移动变形动态过程以及开采沉陷动态参数的变化过程(动态值),深入研究采动过程中采空区上覆岩土体动态变形过程及土地损伤自修复特征是正确认识煤炭开采对矿区生态环境作用机制的基础和前提,因此,开展超大工作面岩土体动态变形与土地损伤自修复研究十分必要。本文综合利用测绘学、采矿学、矿山压力与岩层控制、土地复垦与生态修复等理论知识,从微观尺度研究了超大工作面开采沉陷动态参数的演变特征及采动地裂缝动态分布特征,研究了采动地裂缝对土地的小尺度破坏特征,提出了基于地表动态移动变形参数演变特征的土地生态损伤监测优化策略;开展物理模拟实验,探明超大工作面快速开采条件下采空区上覆岩土层动态破坏及其自修复特征,分析岩层破断角以及覆岩破坏形态在开采沉陷盆地形成中的作用;基于已有研究,阐述动态地裂缝多周期发育特征的力学合理性,进而揭示动态地裂缝多周期发育特征的内在形成机制;基于系统研究视角,分别从宏观尺度与微观尺度研究岩土体破坏及生态损伤的自修复特征及其内在关联,从超大工作面采空区覆岩垮落形态动态演变特征与围岩采动应力应变的协同演化视角揭示开采沉陷盆地自修复特征的内在采矿驱动机制;根据土地生态损伤自修复特征,提出针对性的土地复垦与生态修复方法和策略。主要有以下认知:(1)揭示了风沙区超大工作面开采沉陷动态参数演变特征及采动地裂缝对土地的破坏特征:(1)开采沉陷动态参数对于研究采动过程中土地生态损伤的程度以及范围的确定具有重要作用,基于实测数据发现了超前影响距/角、最大下沉速度/滞后距在采动过程中符合指数函数型变化特征,其变化曲线具有明显拐点,充分采动程度对其影响较大,动态参数迅速变化阶段是土地生态损伤较为严重阶段,认为地表土地生态损伤的监测应根据地表移动变形动态参数变化进行优化,设置地表环境损伤重点监测区以及动态监测条带区,重点监测区位于开切眼至动态参数拐点位置,而动态监测条带区位于动态地裂缝条带区。(2)分析了超大工作面开采条件下采动地裂缝的形成过程,对采动地裂缝进行了分类并归纳了影响地裂缝形成的因素;利用GPS监测了采动过程中地裂缝动态分布特征,通过对动态地裂缝在水平方向开裂过程的监测以及边缘裂缝落差与相应测点沉陷值的对比,定量分析了采动地裂缝对土地的小尺度破坏特征;(2)研究了超大工作面开采岩土体动态移动变形过程与自修复特征:(1)超大工作面快速开采条件下,顶板破断岩块具有一定的偏态性,这是由于顶板岩体受采动应力的滞后性造成的。开切眼侧岩层破断角相对于工作面推进侧较大,导致岩土层破坏形态具有一定的偏态性,其根本原因则在于开切眼侧与工作面推进侧上覆岩层破断的力学机制不同。(2)超大工作面快速开采条件下岩层破断角较大,且采空区达到超充分采动状态,则更多的破断岩块跨落后压向采空区并堆积,采空区下部已破断岩块受挤压程度不断增大,导致更多的采动应力转移至采空区,而采空区周围煤岩柱体所受采动应力则相对降低,超大工作面开采条件下采动应力的重分布及再平衡与采空区上覆岩土层岩性及其组合是相互影响的耦合体,两者具有应力应变协同演化特征。(3)超大工作面快速开采条件下,采空区上覆岩层破断、垮落在初采阶段较为迅速、剧烈,但随着快速推进距离不断增大,工作面在采空区上覆岩土体变形破坏程度较小条件下即完成开采工作,岩土体移动变形时间相对减少,岩土层结构完整性得到提高,使得岩土层整体均匀沉陷面积增大并减少了采动覆岩移动变形时间,降低了岩土层损伤程度,实现了超大工作面快速推进条件下岩土层损伤主动“自修复”。(4)超大工作面快速开采条件下,破断岩块初始可垮落空间较大,破断、冒落岩块可相对自由排放于采空区,岩层层状特征减弱,垮落带之上层状特征较为明显,采空区冒落岩块排列堆积状态的有序性自下而上逐步提高。(5)在超大工作面快速推进过程中,岩层破断、垮落对地表动态下沉、水平变形、曲率变形等动态移动变形特征具有重要影响,尤其是对于下沉、水平变形、曲率变形的突变具有主导性的控制作用;地表动态移动变形值具有跳跃性变化特征,表明地表存在反复受到拉伸、压缩变形作用区,如换算至实际采矿地质背景中,当变形值超过地表土体强度极限时可引发地表土体的多次开裂与闭合;(6)超大工作面快速推进过程中各岩层最大下沉值与距底板距离呈高度线性相关,表明各岩层的运移过程具有较高的整体协调性,有利于岩层间离层裂隙的压实闭合,实现岩层损伤主动“自修复”;在开切眼及工作面侧煤岩柱体附近,各岩层下沉值存在一定分区特征,距地表较近的岩层下沉值较大,而距煤层底板较近的岩层下沉值反而相对较小。(3)系统分析了超大工作面开采岩土体损伤自修复特征及其内在采矿驱动机制,揭示了动态地裂缝多周期发育特征的形成机理:(1)基于已有研究,通过实验模拟发现,超大工作面快速开采条件下,采空区上覆岩土层裂隙具有明显的分区特征,工作面侧岩层裂隙相对于开切眼侧裂隙范围及程度较大,冒落带以上岩层裂隙具有快速闭合的―自修复‖特征且自修复区域范围较大;以裂缝角、移动角、拐点偏移距、主要影响角正切值等参数为指标,归纳分析了超大工作面开采沉陷盆地的自修复特征。(2)从岩层破断引起地表下沉速度变化的跳跃性特征入手,对采煤沉陷动态地裂缝―M‖型双周期发育特征的力学合理性进行分析,基于大量地表下沉速度动态变化与岩层尤其是关键层破断的相关性研究,认为采煤沉陷动态地裂缝不仅存在―M‖型双周期发育特征,在具备一定条件下可呈现多周期发育特征,采动地裂缝多周期发育特征实质上是破断岩块回转方向以及回转幅度的差异造成的。(3)利用材料力学以及弹性力学知识并结合岩层控制理论分析了超大工作面快速推进条件下岩层破断角发育特征,从岩层破断角发育特征角度分析了开采沉陷盆地自修复特征的原因,同时利用数值模拟,从采动应力应变场的应力应变协同演化视角揭示了开采沉陷盆地自修复特征的内在采矿驱动机制。根据野外观测,分析了采动地裂缝、土壤结皮的自然修复过程。(4)根据风沙区超大工作面开采岩层破坏、沉陷盆地以及土地生态损伤等自修复特征,针对性地提出了土地生态损伤分区差异化修复方法和边采边复方法。
【学位授予单位】:中国矿业大学(北京)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TD325

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