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西北沟壑下垫层N_2红土釆动破坏灾害演化机理研究

王启庆  
【摘要】:西北干旱-半干旱区浅表层水(河流湖泊水、沟壑径流水、第四系砂层潜水等),是维系区域生态地质环境(生态层)的珍贵水源,是煤层开采水资源保护的主体。根据区域浅表层水含隔水层地质结构,西北煤田煤层覆岩之上广泛分布新近系N_2红土,为浅表层水底部的直接隔水层或沟壑径流的下垫层,对浅表层水保护起到至关重要的作用,是关键隔水层。因此,研究N_2红土采动破坏灾害演化机理等,对西北保水采煤、生态环境保护具有重要意义。论文以陕北神南矿区芦草沟流域为研究背景,沟壑下垫层N_2红土为主要研究对象,在分析N_2红土区域分布特征、基本物理-水理-力学性基础上,采用室内试验测试、现场原位测试、数值模拟、物理相似模拟、理论分析及野外地质调查等,对N_2红土不同程度采动破坏特征及其隔水性能时效性变化规律进行了深入研究分析,揭示了沟壑下垫层N_2红土采动破坏灾害演化机理。取得如下成果:(1)测试分析了N_2红土地质组成及工程地质性质。N_2红土是一种区域性土,由粉质粘土、粘土组成,夹有多条褐红色团块状粘土,富含不规则的钙质结核,呈层状或星散状分布,结构面上覆有铁锰质薄膜。N_2红土天然可塑、硬塑至坚硬,粘土矿物中亲水性矿物蒙脱石、伊利石/蒙脱石混层含量高,亲水性强,具有较强的膨胀性,天然情况下N_2红土渗透性等级属弱透水~微透水,隔水性能良好。(2)提出了沟壑下垫层N_2红土三种釆动破坏类型:垮塌型、裂缝型和沉降型,阐释了三种破坏类型的基本特征。分析了研究区N_2红土釆动破坏特征,研究区煤层开采导水裂缝带普遍发育到N_2红土层,其破坏主要包括裂缝型和沉降型两种类型。(3)在分析研究区水文地质、工程地质条件的基础上,将研究区采动水害划分为四个区,即突水溃砂区、突水区、渗漏区及安全区,研究区内突水区分布面积较大,约占整个面积的50%。通过对研究区斜坡稳定性的评价,结合釆动水害评价结果分析,认为研究区东北的突水溃砂区斜坡失稳现象相对较少,提供沙源量较少,因此工作面开采虽会发生突水溃砂灾害,但灾害会以突水为主,溃砂量有限;而东南部突水溃砂区的斜坡失稳较为严重,能为突水溃砂提供足够沙源量。(4)通过三轴卸载渗透试验及钻孔压水试验结果分析,釆动沉降N_2红土虽无宏观贯通性裂缝,但受釆动影响(存在微观采动裂隙)隔水性有不同程度下降,渗透系数增加约1个数量级,渗透性等级由天然微透水~弱透水变为弱透水~中等透水。通过三轴蠕变试验,研究了釆动沉降N_2红土在应力恢复过程中发生蠕变变形、渗透性变化的过程,得到釆动沉降N_2红土随采后应力恢复蠕变特性呈非线性幂函数型;釆动沉降N_2红土渗透性随采后应力恢复逐渐变小,与应力水平(埋深)呈幂指函数关系。(5)研制了水土相互作用突水过程模拟试验装置,进行了釆动裂缝N_2红土水土相互作用突水过程模拟试验。结果表明,釆动裂缝N_2红土,在突水过程中,因水土相互作用较剧烈、且膨胀性强,贯通性裂缝伴随突水过程逐渐闭合,渗透性等级由强透水逐渐变为中等透水,其完全受损的隔水性能也呈现逐渐恢复的趋势。(6)通过分析采动破坏N_2红土渗透性演化特征,将研究区水害划分为:突水溃砂区、突水高危险区、突水低危险区、高渗漏区、低渗漏区及安全区。其中,受釆动破坏N_2红土渗透性演化影响最为明显的为突水低危险区和低渗漏区,表现为突水低危险区前期突水量大但衰减快,低渗漏区前期渗漏明显,后期水位降幅减小甚至有所恢复。


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