松散砂层下采动破裂N2红土突水溃砂规律研究

来源 :中国矿业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhengafei1
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陕北侏罗系煤田是我国近年来煤炭资源开发利用的重点区域。N2红土位于松散砂层潜水含水层之下,是侏罗系煤炭开采的重要隔水层。由于浅埋侏罗系煤层开采强度大,厚度分布不一,开采易导致上覆隔水层N2红土层产生破裂,进而诱发突水溃砂灾害的发生。研究松散砂层下采动破裂N2红土突水溃砂发育过程及规律,对预防突水溃砂灾害具有重要意义。本文测试分析了红土物理力学性质、微观结构特征,研究了红土微观结构与宏观物理性质的关系,通过室内试验和数值模拟,研究了不同条件下突水溃砂的发育及演化特征,主要得到以下成果:(1)土的微观结构影响其宏观性质,通过对红土微观结构的分析,建立了红土的微观结构综合量化参数的表达式,并建立了红土的宏观物理性质密度和含水率与微观结构参数之间,以及渗透系数与微观结构参数之间的经验关系式,实现通过测量含水率、密度的变化,得到土样的微观结构和渗透系数的变化。(2)基于突水溃砂模型试验结果,分析得到采动破裂红土中的突水溃砂可以分为衰减型和增长型两种类型。对于衰减型溃砂,最终的溃砂终止主要是由于在裂缝通道的上部形成了应力支撑拱,裂缝内孔隙率随溃砂的发育逐渐减小至与裂缝周围土体近似,整个溃砂过程中溃出物的质量流量和模型内孔隙水压力均表现出先增大,后波动减小,最后趋于稳定的变化规律;而增长型溃砂在最后一个阶段则逐渐增长。衰减型溃出物累计总质量随时间呈对数函数型增长,增长型前期规律相同,但后期呈线性增长。(3)根据模型试验后测得的含水率、密度等物理性质,利用经验关系式计算了突水溃砂试验中模型不同位置土样的微观结构和渗透系数的变化,结果表明距离裂缝越近,微观结构的变化越明显,渗透系数的变化也越大;埋深越浅,微观结构的变化越明显,渗透系数的变化也越大,但总体来说与裂缝的距离对微观结构的影响更为明显。增长型溃砂的微观结构的改变和渗透系数的增长要明显大于衰减型。(4)随着裂缝倾角的增大、裂缝宽度的增加和土层厚度的减小,裂缝内流速达到稳定的时间越长、突水溃砂持续的时间也越长,突水溃砂越剧烈,极易发展为增长型溃砂。而当裂缝倾角变小、裂缝变窄,土层厚度增大时,裂缝容易被水砂流中的固体物质和冲刷携带的土颗粒淤堵,从而降低突水溃砂灾害发生的几率。
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