陜北黃土溝壑徑流下采動(dòng)水害機(jī)理與防控技術(shù)研究.pdf

1、隨著我國煤炭開發(fā)的重點(diǎn)向西北地區(qū)轉(zhuǎn)移，縱橫交錯(cuò)的黃土溝壑地貌與埋深淺、基巖薄的開采條件相互影響，尤其是在間歇性地表徑流甚至暴雨的作用下，使煤層過溝開采誘發(fā)災(zāi)害出現(xiàn)了新的特征，形成了黃土溝壑區(qū)淺表層土體重力破壞-加速土壤侵蝕-采動(dòng)突水（潰砂）這樣一條完整的災(zāi)害鏈。
　　本文以地處陜北黃土溝壑區(qū)的紅柳林井田為例，以紅柳林井田內(nèi)肯鐵令溝流域?yàn)橹饕芯繉?duì)象，在綜合水文地質(zhì)與工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬分

2、析、物理模擬分析和工程實(shí)踐應(yīng)用等研究方法，對(duì)陜北黃土溝壑徑流下采動(dòng)水害機(jī)理及其防控技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，并初步指導(dǎo)了工程實(shí)踐。主要研究成果如下：
　?。?）利用地面鉆探、注水試驗(yàn)、壓水試驗(yàn)、彩色鉆孔電視、經(jīng)驗(yàn)公式和離散元數(shù)值模擬等，綜合研究了黃土溝壑下采動(dòng)覆巖土破壞規(guī)律，結(jié)合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中防水安全煤巖柱、防砂安全煤巖柱保護(hù)層厚度的規(guī)定，將黃土溝壑徑流下采動(dòng)水害劃分為四種類型，即突水潰砂型、

3、突水型、滲漏型和安全型。
　?。?）依據(jù)室內(nèi)重塑非飽和N2紅土（保德組紅土）土－水特征曲線試驗(yàn)成果，采用Van Genuchten模型，詳細(xì)研究了干密度、體積含水率及基質(zhì)吸力對(duì)非飽和保德組紅土滲透特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：非飽和保德組紅土滲透系數(shù)與體積含水率在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中呈現(xiàn)出近似直線關(guān)系，滲透系數(shù)隨體積含水率的增大而增大，且密實(shí)狀態(tài)非飽和保德組紅土滲透系數(shù)對(duì)體積含水率的變化比較敏感；非飽和保德組紅土滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力在半對(duì)數(shù)坐

4、標(biāo)系中呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)關(guān)系，滲透系數(shù)隨基質(zhì)吸力的增大而減小，且結(jié)果同樣表明密實(shí)狀態(tài)非飽和保德組紅土的滲透系數(shù)對(duì)干密度的變化比較敏感。
　　（3）分析了黃土溝壑區(qū)重力破壞類型及機(jī)理，綜合考慮了坡度、坡向、巖土性質(zhì)、降雨等因素，提出了多因素影響下黃土溝壑區(qū)重力破壞的可能性計(jì)算公式，并以紅柳林井田內(nèi)肯鐵令溝流域?yàn)槔?，分別對(duì)黃土邊坡及保德組紅土邊坡在10mm降雨量下發(fā)生重力破壞的可能性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
　?。?）基于砂層單顆粒力學(xué)分析，提

5、出了黃土溝壑徑流下砂層采動(dòng)突水潰砂機(jī)制。采用自制的試驗(yàn)設(shè)備，模擬研究了不同結(jié)構(gòu)面寬度下松散層經(jīng)過采煤上覆裂縫發(fā)生滲透變形破壞的類型和機(jī)制。結(jié)果表明：粘粒含量越大，土樣發(fā)生突水潰砂臨界水頭越高；粘粒含量較大時(shí)，土樣滲透變形破壞方式為滲水-潛蝕-突水潰砂，粘粒含量較小時(shí)，土樣滲透變形破壞方式為直接發(fā)生突水潰砂；隨著水砂的涌出，結(jié)構(gòu)面被較大顆粒及粘性土封堵，試驗(yàn)出現(xiàn)階段性突水潰砂現(xiàn)象，且突水潰砂臨界水頭隨突水潰砂次數(shù)增加成指數(shù)型增大趨勢(shì)；土樣