N2红土隔水层采动裂缝发育规律研究

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西北大型煤炭基地新近系N2红土覆盖广,其在采动影响下易产生下行拉伸裂缝,但因N2红土黏土矿物含量高、亲水性强、塑性大,具有一定的弥合性,因此围绕N2红土裂缝弥合特性开展N2红土隔水层采动裂缝发育规律研究,对矿区实现地表潜水与生态环境保护具有重要意义。论文以榆神矿区某矿N2红土为研究对象,通过黏土矿物成分测试(XRD射线衍射试验)、N2红土裂缝弥合试验和物理相似模拟等实验室实验,结合理论分析(包括概率积分理论和弹塑性理论),并借助开采损害预计软件对N2红土隔水层采动裂缝发育规律展开研究。主要研究成果如下:(1)XRD射线衍射试验测定得出N2红土的黏土矿物中蒙脱石含量相对较高,其是影响N2红土膨胀性的主要因素之一;N2红土膨胀性测试发现蒙脱石含量占红土矿物总量的比值从7.3%增加至12.3%时,膨胀率从10.97%增长至15.31%,膨胀率随蒙脱石含量增长呈线性增大。通过相似材料配比试验,确定砂土比1:5、油土比1:6和添加砂土总质量8%的蒙脱石粉为1:200相似条件下的N2红土最优相似配比。(2)应用自主设计制作的物理相似模拟试验台,进行了N2红土采动裂缝发育规律相似模拟,模拟结果表明:位于采空区外侧拉伸区N2红土产生边界永久裂缝,裂缝发育过程经历了“产生→扩展→稳定”三个阶段,位于采空区内部(中性区和压缩区)的裂缝经历了“产生→扩展→闭合→稳定”四个阶段。(3)N2红土裂缝弥合试验表明:当裂缝宽度为2mm,蒙脱石含量由7.3%增加至12.3%时,对应的弥合率从26.65%提高至33.2%;当蒙脱石含量为定值8.9%,裂缝宽度由1mm增加至5mm时,对应的弥合率从39.2%下降至18.15%(即:N2红土的弥合能力随蒙脱石含量增长不断增强,随裂缝宽度增加逐渐减弱)。N2红土采动裂缝弥合实验表明:采动拉伸区边界永久裂缝仅靠遇水膨胀作用产生弥合,而采空区内部(中性区和压缩区)裂缝在采动产生的压缩变形和N2红土中黏土矿物遇水膨胀的共同作用下出现弥合,其闭合程度大于前者。(4)理论分析给出了N2红土采动裂缝发育深度预计公式,得出了裂缝深度与采高和水平变形呈正相关,与N2红土自身的极限抗拉伸变形呈负相关;弥合能力随裂缝宽度增加不断降低,随蒙脱石含量增加不断增强;采动不同影响区域N2红土裂缝弥合程度排序为:采空区内部压缩区>采空区内部中性区>采空区外侧拉伸区的结论。借助实例验证发现N2红土隔水层采动裂缝深度预计公式可靠,研究成果可为矿区实现保水开采和绿色开采提供参考和经验借鉴。
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