陜北黃土溝壑徑流下采動水害機理與防控技術研究.pdf

1、隨著我國煤炭開發(fā)的重點向西北地區(qū)轉移，縱橫交錯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)災害出現了新的特征，形成了黃土溝壑區(qū)淺表層土體重力破壞-加速土壤侵蝕-采動突水（潰砂）這樣一條完整的災害鏈。
　　本文以地處陜北黃土溝壑區(qū)的紅柳林井田為例，以紅柳林井田內肯鐵令溝流域為主要研究對象，在綜合水文地質與工程地質調查的基礎上，采用理論分析、現場試驗、室內試驗、數值模擬分

2、析、物理模擬分析和工程實踐應用等研究方法，對陜北黃土溝壑徑流下采動水害機理及其防控技術進行了系統(tǒng)的分析，并初步指導了工程實踐。主要研究成果如下：
　?。?）利用地面鉆探、注水試驗、壓水試驗、彩色鉆孔電視、經驗公式和離散元數值模擬等，綜合研究了黃土溝壑下采動覆巖土破壞規(guī)律，結合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中防水安全煤巖柱、防砂安全煤巖柱保護層厚度的規(guī)定，將黃土溝壑徑流下采動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。
　?。?）依據室內重塑非飽和N2紅土（保德組紅土）土－水特征曲線試驗成果，采用Van Genuchten模型，詳細研究了干密度、體積含水率及基質吸力對非飽和保德組紅土滲透特性的影響。試驗結果表明：非飽和保德組紅土滲透系數與體積含水率在半對數坐標系中呈現出近似直線關系，滲透系數隨體積含水率的增大而增大，且密實狀態(tài)非飽和保德組紅土滲透系數對體積含水率的變化比較敏感；非飽和保德組紅土滲透系數與基質吸力在半對數坐

4、標系中呈現出指數函數關系，滲透系數隨基質吸力的增大而減小，且結果同樣表明密實狀態(tài)非飽和保德組紅土的滲透系數對干密度的變化比較敏感。
　?。?）分析了黃土溝壑區(qū)重力破壞類型及機理，綜合考慮了坡度、坡向、巖土性質、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算公式，并以紅柳林井田內肯鐵令溝流域為例，分別對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行了評價。
　?。?）基于砂層單顆粒力學分析，提

5、出了黃土溝壑徑流下砂層采動突水潰砂機制。采用自制的試驗設備，模擬研究了不同結構面寬度下松散層經過采煤上覆裂縫發(fā)生滲透變形破壞的類型和機制。結果表明：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，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，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，結構面被較大顆粒及粘性土封堵，試驗出現階段性突水潰砂現象，且突水潰砂臨界水頭隨突水潰砂次數增加成指數型增大趨勢；土樣