陕北黄土沟壑径流下采动水害机理与防控技术研究

发布时间：2017-09-03 06:21

  本文关键词：陕北黄土沟壑径流下采动水害机理与防控技术研究

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【摘要】：随着我国煤炭开发的重点向西北地区转移,纵横交错的黄土沟壑地貌与埋深浅、基岩薄的开采条件相互影响,尤其是在间歇性地表径流甚至暴雨的作用下,使煤层过沟开采诱发灾害出现了新的特征,形成了黄土沟壑区浅表层土体重力破坏-加速土壤侵蚀-采动突水(溃砂)这样一条完整的灾害链。本文以地处陕北黄土沟壑区的红柳林井田为例,以红柳林井田内肯铁令沟流域为主要研究对象,在综合水文地质与工程地质调查的基础上,采用理论分析、现场试验、室内试验、数值模拟分析、物理模拟分析和工程实践应用等研究方法,对陕北黄土沟壑径流下采动水害机理及其防控技术进行了系统的分析,并初步指导了工程实践。主要研究成果如下:(1)利用地面钻探、注水试验、压水试验、彩色钻孔电视、经验公式和离散元数值模拟等,综合研究了黄土沟壑下采动覆岩土破坏规律,结合《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中防水安全煤岩柱、防砂安全煤岩柱保护层厚度的规定,将黄土沟壑径流下采动水害划分为四种类型,即突水溃砂型、突水型、渗漏型和安全型。(2)依据室内重塑非饱和N2红土(保德组红土)土-水特征曲线试验成果,采用Van Genuchten模型,详细研究了干密度、体积含水率及基质吸力对非饱和保德组红土渗透特性的影响。试验结果表明:非饱和保德组红土渗透系数与体积含水率在半对数坐标系中呈现出近似直线关系,渗透系数随体积含水率的增大而增大,且密实状态非饱和保德组红土渗透系数对体积含水率的变化比较敏感;非饱和保德组红土渗透系数与基质吸力在半对数坐标系中呈现出指数函数关系,渗透系数随基质吸力的增大而减小,且结果同样表明密实状态非饱和保德组红土的渗透系数对干密度的变化比较敏感。(3)分析了黄土沟壑区重力破坏类型及机理,综合考虑了坡度、坡向、岩土性质、降雨等因素,提出了多因素影响下黄土沟壑区重力破坏的可能性计算公式,并以红柳林井田内肯铁令沟流域为例,分别对黄土边坡及保德组红土边坡在10mm降雨量下发生重力破坏的可能性进行了评价。(4)基于砂层单颗粒力学分析,提出了黄土沟壑径流下砂层采动突水溃砂机制。采用自制的试验设备,模拟研究了不同结构面宽度下松散层经过采煤上覆裂缝发生渗透变形破坏的类型和机制。结果表明:粘粒含量越大,土样发生突水溃砂临界水头越高;粘粒含量较大时,土样渗透变形破坏方式为渗水-潜蚀-突水溃砂,粘粒含量较小时,土样渗透变形破坏方式为直接发生突水溃砂;随着水砂的涌出,结构面被较大颗粒及粘性土封堵,试验出现阶段性突水溃砂现象,且突水溃砂临界水头随突水溃砂次数增加成指数型增大趋势;土样发生渗透变形破坏形成的坍塌漏斗的形态与土体性质有关。(5)针对黄土沟壑径流下采动水害类型,提出了差异化的系统水害治理模式。即综合控制水动力条件与控制砂源流动技术2种治理措施,在沟谷不同水害类型地区配套使用。并将此治理模式应用于红柳林煤矿南一盘区15207工作面,实现了安全过沟开采。
【关键词】：黄土沟壑 径流 突水溃砂 水动力 控制砂源
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD745
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• 英文摘要7-10
• Extended Abstract10-26
• 变量注释表26-28
• 1 绪论28-39
• 1.1 研究背景和意义28-29
• 1.2 国内外研究现状与存在问题29-36
• 1.3 研究内容和研究方法36-38
• 1.4 技术路线38
• 1.5 本章小结38-39
• 2 研究区自然地理与地质环境39-50
• 2.1 自然地理概况39-41
• 2.2 研究区地质背景41-44
• 2.3 研究区水文地质条件44-45
• 2.4 研究区覆岩工程地质特征45-48
• 2.5 本章小结48-50
• 3 黄土沟壑径流下采动覆岩（土）破坏及水害分区50-81
• 3.1 （近）浅埋煤层采动覆岩（土）破坏规律50-65
• 3.2 黄土沟壑径流下采动水害分区65-68
• 3.3 （近）浅埋煤层开采离散元数值模拟68-70
• 3.4 本章小结70-81
• 4 黄土沟壑区非饱和土重力破坏机理81-101
• 4.1 非饱和红土渗透特性试验81-91
• 4.2 黄土沟壑区重力破坏机理91-95
• 4.3 肯铁令沟流域重力破坏评价95-99
• 4.4 本章小结99-101
• 5 黄土沟壑径流下采动突水溃砂机理101-116
• 5.1 采动突水溃砂条件及影响因素分析101-103
• 5.2 采动突水溃砂机理分析103-106
• 5.3 采动突水溃砂物理模拟试验106-114
• 5.4 本章小结114-116
• 6 黄土沟壑径流区过沟开采工作面水害防控技术研究116-126
• 6.1 控制砂源流动技术方法116
• 6.2 地表水防治技术方法116-117
• 6.3 工作面综合防治水技术研究117-118
• 6.4 15207工作面过沟开采防治水技术118-125
• 6.5 本章小结125-126
• 7 结论126-130
• 7.1 主要结论126-128
• 7.2 主要创新性工作128
• 7.3 后续研究工作128-130
• 参考文献130-142
• 作者简历142-145
• 学位论文数据集145

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本文编号：783366