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煤层隔水覆岩裂隙自愈演化和渗流容限机制

桑盛  
【摘要】:西北地区生态脆弱,植被生长依赖于浅表水的保持,煤炭开采将造成地表生态的恶化。浅表水保持的两个关键地质结构分别是:土壤与岩体阻隔层。植被生长在土壤中,且土壤是浅表水主要的存储与流动空间。在煤炭开采过程中局部上覆泥岩的含水率增加至饱和,使得弱胶结泥岩层内的裂隙逐渐闭合,岩体阻隔层仍然具有阻隔水的作用。本文综合运用实验测试、理论分析和数值模拟等方法,从满足植被生长所需浅表水的角度出发,确定了伊犁地区浅表水漏失容限,得到了上覆泥岩浸水后的力学变化特性,分析了泥岩裂隙的闭合机理和影响因素,建立了裂隙泥岩渗流—应力耦合模型,解析了泥岩层采动裂隙自愈演化对植被生长的影响。取得了如下研究成果:(1)考虑裂隙张闭的渗流实验系统具有测量范围广、时间长、稳定性好、不易堵塞、容许含固体颗粒流体进行实验的特点,满足实验需要。红砂岩裂隙渗透性在长时恒定围压下基本不变。含水率越高,泥岩试样的单轴抗压强度和弹性模量越小,粘弹性越明显。泥岩含水率与裂隙法向应力越大,含裂隙泥岩试样渗透系数衰减越明显。含裂隙泥岩试样的渗透系数随时间呈指数减小,减小幅度达到两个数量级以上。应力是裂隙自闭合的必要条件。当裂隙法向应力大于2.0~2.5MPa时,泥岩裂隙快速地完全闭合。水对泥岩的剥蚀作用、水对泥岩的软化作用和泥岩的蠕变都促进裂隙的闭合。(2)粗糙裂隙的闭合机理为裂隙壁面的相对位移。设计MATLAB程序提取实验岩样CT断层扫描信息并三维重构贯通裂隙,利用重构模型计算模拟裂隙闭合规律,计算结果与实验结果基本一致,前者略大于后者。裂隙粘弹性变形后的最终结果通过改变泥岩弹性模量的方式计算。计算显示泥岩的软化作用对裂隙闭合起主要作用,蠕变作用更进一步促进裂隙闭合。剥蚀作用后裂隙开度略有减小,但不发生量级变化,而水化和蠕变作用后的裂隙开度则减小一个量级以上。(3)裂隙泥岩渗流—应力耦合模型考虑了泥岩的软化、膨胀和裂隙开度变化等因素。裂隙开度变化对泥岩块体渗透系数的影响不容忽视。基于耦合模型,利用COMSOL Multiphysics和MATLAB平台模拟计算基质应力场和裂隙渗流场,计算误差小于5%。饱和泥岩基质的膨胀变形与其软化后受应力的弹性变形存在竞争关系。非贯通裂隙使更多的泥岩基质膨胀软化,对泥岩块体渗透系数的影响达到了一个数量级。(4)浅表水的漏失容限受地表土层类型、厚度、相互位置、饱和度以及降水的影响。当粉质亚粘土或粉质重粘土的厚度较大且分布在土覆层上部时,土壤含水量始终满足伊犁地区草地植被生长,不依赖于上覆岩层的隔水性。一定工况下,阻隔层裂隙自愈作用可减小上覆岩渗透系数,阻碍浅表水漏失,无过度失水和水源补给的情况下可促进地表植被恢复。必要的修复措施(包括灌溉、注浆等)可以有效减小或者防止地表植被的退化。论文有图78幅,表14个,参考文献203篇。


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