青兰高速公路沿线北八特采空区地表沉陷机理及其数值模拟

论文摘要

本文以青兰高速公路邯郸至涉县段沿线北八特采空区为研究对象,通过野外调研和室内测试,研究了采空区地表沉陷特征、影响因素及其上覆松散层的塌陷机理,采用概率积分法计算地表沉陷变形并对其进行了数值模拟,进而运用GIS技术采用图层权重迭加的方法评判了采空区地表塌陷的危险程度。取得以下主要认识:⑴研究区多为小煤窑开采,地表塌陷主要表现为地裂缝和塌陷坑,沉陷盆地仅发育在少数小井周围,塌陷坑大都由地裂缝发展演化形成。⑵研究区地表塌陷的主要原因是由于采深较浅,冒落带和裂缝带可直达地表,上覆黄土松散层具有一定的结构强度,致使地表塌陷存在滞后现象。松散层黄土的垂直节理先形成拉裂缝,而后在地表水流作用下发生潜蚀、淘蚀,裂缝进一步扩大延伸,进而形成塌陷坑。研究区松散层土体微结构松散,孔隙率高,胶结力弱,粒间表现为直接接触关系,颗粒间及周围胶结物较少,遇水后碳酸盐类矿物易发生溶解,导致黄土结构强度丧失,继而引起黄土塌陷下沉。这是本文主要创新之处。⑶概率积分法计算地表沉陷变形与数值模拟结果表明,北八特地区最大沉陷量可达6353.42mm,最大剩余沉陷量可达953.01mm。沉陷变形预计总量及剩余量均超过我国现今高速公路路基容许值。两种方法计算结果相近,说明采用FLAG3D对采空区进行地表沉陷模拟是可行的。⑷地表塌陷危险性评判结果表明,除陷落柱范围以外,研究区内高速公路沿线及两侧区段基本处于危险与较危险区域范围内,高速公路在建设前应采取适当措施对采空区进行处理。⑸本文研究成果可进一步推广至具有相同或相似工程地质条件的采空区乃至整个黄土地区下伏煤矿采空区地表沉陷量的预测,对于今后我国高等级公路建设中跨越采空区的地基稳定性评价、处治方案设计,以及在已建设的高等级公路下伏煤层回采等均具有较好的理论指导意义和巨大的经济效益。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 采空区研究现状与文献综述
• 1.3.1 探测技术的研究
• 1.3.2 地表沉陷机理研究
• 1.3.3 地表沉陷的预计理论研究
• 1.3.4 地表沉陷危险性预测研究
• 1.3.5 采空区治理与监测技术研究
• 1.3.6 存在的问题
• 1.4 主要研究内容
• 1.5 本文创新性成果
• 2 采空区的地质采矿条件
• 2.1 自然地理概况
• 2.1.1 地形地貌
• 2.1.2 气候气象
• 2.1.3 河川水文
• 2.2 区域地质背景
• 2.2.1 地层岩性
• 2.2.2 地质构造
• 2.2.3 水文地质条件
• 2.2.4 区域地震
• 2.3 采空区工程地质条件
• 2.3.1 地层岩性
• 2.3.2 煤系地层工程地质特性
• 2.3.3 主采煤层顶底板岩性特征
• 2.3.4 水文地质特征
• 2.3.5 陷落柱特征
• 2.4 采空区煤矿开采历史及现状
• 2.4.1 国有煤矿概况
• 2.4.2 小煤窑开采概况
• 3 采空区地表沉陷特征及其机理研究
• 3.1 采空区地表沉陷的一般规律概述
• 3.1.1 覆岩破坏的基本概念
• 3.1.2 覆岩内部移动变形及破坏的一般规律
• 3.1.3 地表移动变形及破坏的一般规律
• 3.2 采空区地表沉陷特征
• 3.2.1 地表沉陷类型
• 3.2.2 不同区段地表沉陷特征
• 3.2.3 地表沉陷分布规律
• 3.3 采空区地表沉陷形成的影响因素
• 3.3.1 采矿条件影响因素
• 3.3.2 地质条件影响因素
• 3.4 采空区覆岩的物理力学性质
• 3.4.1 试验目的和试验项目
• 3.4.2 试验结果分析
• 3.5 采空区松散层黄土的物质组成
• 3.5.1 颗分试验结果与分析
• 3.5.2 矿物成分测定结果与分析
• 3.6 采空区松散层黄土的微结构特征
• 3.6.1 黄土微结构的一般特点
• 3.6.2 黄土的微结构特征与分析
• 3.7 采空区地表沉陷机理
• 3.7.1 宏观因素分析
• 3.7.2 地表沉陷的微观机理
• 3.7.3 地表沉陷形成的力学机制
• 3.8 小结
• 4 计算采空区地表沉陷的概率积分法
• 4.1 采空区地表移动和变形允许值的确定原则
• 4.1.1 地表沉陷对公路工程建设的危害性
• 4.1.2 地表移动和变形的允许范围
• 4.2 概率积分法的基本原理
• 4.2.1 单元计算与基本坐标系
• 4.2.2 地表移动和变形的计算原理
• 4.2.3 地表移动和变形计算公式
• 4.3 概率积分法的计算参数
• 4.3.1 峰峰矿区观测成果资料
• 4.3.2 地表沉陷计算参数的确定
• 4.4 高速公路纵断面地表移动和变形计算
• 4.4.1 地表移动和变形计算
• 4.4.2 地表移动和变形的剩余量估算
• 4.5 高速公路横断面地表移动和变形计算
• 4.5.1 地表移动和变形计算结果
• 4.5.2 地表移动和变形分析
• 4.6 小结
• 5 采空区地表沉陷数值模拟
• 5.1 采矿沉陷学的理论框架
• 5.1.1 增量弹性法则
• 5.1.2 屈服函数和势函数
• 5.1.3 塑性修正
• 5.2 采空区地表沉陷的数值模型
• 5.2.1 FLAC 简介
• 5.2.2 地质背景及数值计算模型
• 5.3 模型参数的试验测定
• 5.4 数值模拟结果分析
• 5.4.1 地表沉降变化规律
• 5.4.2 地表水平位移变化规律
• 5.4.3 高速公路横断面沉降变化规律
• 5.4.4 高速公路纵断面沉降变化规律
• 5.5 小结
• 6 采空区地表沉陷危险性综合评判
• 6.1 地表沉陷危险性评判方法
• 6.1.1 图层叠加分析方法简述
• 6.1.2 图层叠加分析方法的选择
• 6.2 地表沉陷危险程度分级及评价指标
• 6.2.1 地表沉陷危险程度的分级
• 6.2.2 地表沉陷危险程度的评价指标
• 6.3 地表沉陷危险性评价指标各因素隶属度函数
• 6.3.1 地表沉陷发育程度指标的隶属度函数
• 6.3.2 空洞发育程度指标的隶属度函数
• 6.4 地表沉陷危险性评价模型
• 6.4.1 评价模型的基本原理
• 6.4.2 专家权法计算结果
• 6.5 地表沉陷危险性综合评判结果
• 6.5.1 评价网格的划分
• 6.5.2 综合评判结果分析
• 6.6 小结
• 7 研究成果与建议
• 7.1 主要成果
• 7.2 存在的问题及进一步研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 附图版
• 在学期间发表的论文