薄基岩区煤层开采上覆土层变形破坏与渗流演化规律应用研究

论文摘要

我国诸多的煤田中广泛存在有薄基岩煤层区域,即裂隙带（甚至是垮落带）发育贯通基岩段岩层而进入新生界覆盖层中,此时薄基岩上覆的新生界土层,特别是粘性土层成为阻（隔）浅层地下水及地表水的关键结构。本文综合运用实验研究、理论分析等方法与手段,对薄基岩煤层开采上覆土层的变形破坏特征、判别方法、渗流规律及土层裂隙张开-闭合特征等进行了系统研究,取得了如下主要结论:（1）针对薄基岩上覆土层主要受自重载荷而产生竖直变形的特点,依据土体抗剪强度理论,首先推导出垂直应力、水平应力、剪应力与最大、最小主应力的关系,再通过建立沉降量与垂直应力、水平应力、剪应力的关系,最终推导出用沉降量表达的薄基岩上覆土层破坏判据为（？）,通过试验测试或数值分析等方法求取土层破坏沉降量并绘制破坏沉降曲线,即可判别土层的破坏状态,为分析薄基岩上覆土层的破坏状态提供新的思路与方法。（2）针对土层裂隙张开-闭合特征,并根据土层裂隙张开-闭合静态、动态表达式,建立了土层裂隙张开-闭合判别式（？）。有（？）,裂隙尺寸减小,土层裂隙趋于闭合;（？）,裂隙尺寸扩展,土层趋于破坏;（？）,裂隙尺寸稳定,土层保持稳定;Cw（t）=0,裂隙重新闭合。根据理论分析,认为土体的吸水膨胀速度、受力作用的压密速度、水流冲刷拓宽速度及三者的一阶导数决定了土层裂隙张开-闭合状态。（3）分析得到了薄基岩厚度由70 m减小至20 m时上覆土层裂隙发育密度、高度等的变化规律,研究认为对土层破坏有关键影响的是近垂直向发育的剪切/拉伸裂隙,薄基岩煤层开采基岩厚度的减小对上覆土层裂隙密度、高度发育的影响存在临界值;对于采厚6 m、覆盖层厚度180 m,基岩厚度临界值为30 m,即当基岩厚度大于30 m时,剪切/拉伸裂隙在土层中发育高度较小、裂隙密度为0.04条/m,当基岩厚度小于30 m时,离层裂隙发育高度达到地表,剪切/拉伸裂隙发育高度达到土层总高度的66%、裂隙密度增大至0.14条/m。（4）根据相似模拟试验与数值模拟结果,研究得到工作面中间区域的土层最容易形成渗流通道失去阻（隔）水作用,该区域含水层受煤层采动影响水流漏失量最大、土层中渗流场矢量分布最密集;基岩厚度为30.0 m时（采厚6 m、覆盖层180 m）,工作面中间区域土层中开始形成u=0 Pa等势线渗流区,渗流区竖直向下沟通至覆盖层中部区域,基岩厚度减小至20.0 m时,开采u=0 Pa等势线渗流区竖直向下沟通至采空区形成渗流通道。（5）通过土层裂隙张开-闭合测试试验,研究得到各试验因素对土层裂隙张开-闭合影响大小的顺序为:裂隙宽度>颗粒组成>土层厚度>土层含水率,其中裂隙宽度与颗粒组成是影响裂隙张开-闭合的主要因素,厚度是次要因素,而含水率对裂隙张开-闭合影响甚微;砂粒含量越多、裂隙宽度越大、厚度越小裂隙越容易扩展导致土层破坏,砂粒含量<50%且裂隙宽度≤1.0 mm时,土层裂隙发生闭合,砂粒含量>50%且裂隙宽度≥3.0 mm时,土层裂隙容易扩展导致土层破坏。该论文有图99幅,表41个,参考文献222篇。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• abstract
• 变量注释表
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 存在的主要问题
•   1.4 主要研究内容及方法
•   1.5 主要创新点
• 2 薄基岩上覆土层变形破坏与裂隙张开-闭合理论分析
•   2.1 薄基岩定义
•   2.2 薄基岩上覆土层应力状态
•   2.3 薄基岩上覆土层破坏判据
•   2.4 土层裂隙张开-闭合理论
•   2.5 本章小结
• 3 薄基岩上覆土层变形破坏特征分析
•   3.1 试验设计与方案
•   3.2 土层变形破坏特征
•   3.3 土层破坏判别方法
•   3.4 本章小结
• 4 薄基岩上覆土层渗流规律试验研究
•   4.1 试验设备与方案
•   4.2 相似模拟试验结果分析
•   4.3 土层渗流规律数值模拟
•   4.4 本章小结
• 5 土层裂隙张开-闭合试验研究
•   5.1 试验装置与方案
•   5.2 试验结果
•   5.3 试验结果直观分析
•   5.4 试验结果方差分析
•   5.5 本章小结
• 6 薄基岩区煤层开采粘土层阻水作用应用研究
•   6.1 薄基岩上覆土层阻水机理
•   6.2 矿区水文地质概况
•   6.3 粘土层破坏状态判别
•   6.4 粘土层阻水作用分析
•   6.5 本章小结
• 7 主要结论及展望
•   7.1 主要结论
•   7.2 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 博士论文

作者: 武光明

导师: 白海波

关键词: 薄基岩,土层变形破坏,煤炭开采,厚覆盖层,土层裂隙张开闭合

来源: 中国矿业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 中国矿业大学

分类号: TU43

DOI: 10.27623/d.cnki.gzkyu.2019.000254

总页数: 191

文件大小: 15080K

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