西部黄土沟壑区采动地裂缝发育规律及治理技术研究
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摘要
随着东部矿区资源的日渐衰竭，煤炭西进战略已成现实，西部矿区地下资源开采造成的地裂缝灾害日益引起人们的关注。西部矿区具有埋藏浅、基岩薄、厚松散层覆盖、地形起伏大等特点，地裂缝受到地质采矿环境及地形地貌条件的双重胁迫作用，发育规律复杂。
本文针对西部黄土沟壑区采动地裂缝灾害，在现场实测的基础上，辅以土力学实验、岩石力学实验、数值模拟等实验手段，基于开采沉陷理论、覆岩破坏理论、坡体滑移理论，提出了采动地裂缝的分类方法，研究了采动地裂缝的发育规律，揭示了采动地裂缝的形成机理，建立了各种不同类型采动地裂缝的预测模型，提出了适合西部矿区采动地裂缝的综合治理技术措施，主要研究成果如下：
（1）以神东矿区典型黄土沟壑区为研究基地，在现场工程钻探、土力学实验、岩石力学实验的基础上，研究了黄土沟壑区松散层及覆岩物理力学性质；在大柳塔矿12208、22201、52304三个工作面建立了地表移动与地裂缝发育综合监测网络，分别研究了1-2、2-2、5-2三个不同埋深煤层开采的地表移动规律，以及地裂缝发育规律。
（2）在对西部黄土沟壑区采动地裂缝灾害统计分类的基础上，提出了采动地裂缝的分类方法。根据发育时段，分为采动过程中的临时性地裂缝和地表稳沉后的永久性地裂缝；根据形成机理，将采动地裂缝分为拉伸型、挤压型、塌陷型、滑动型4种类型，分析了各种裂缝的特征。
（3）结合开采沉陷、覆岩破坏及坡体滑移理论，揭示了不同类型采动地裂缝的力学机理，建立了预测模型。拉伸型地裂缝是由于地表的水平变形超过表土的极限拉伸应变而形成，一般在工作面边界处的地表拉伸区发育；挤压型地裂缝是由于表土受到压缩变形隆起而形成的，一般随着工作面推进在地表的动态压缩区发育；塌陷型地裂缝是由于覆岩整体破断直至地表塌陷而形成的，一般在工作面正上方，随着基本顶的破断动态发育；滑动型地裂缝是由于采动影响与坡体的滑移共同叠加形成的，仅当在沟谷下开采时发育。
（4）采用数值模拟方法，研究了沟谷地形条件下采动地裂缝的发育规律。针对沟谷地形下开采形成的滑动型地裂缝，采用UDEC数值模拟方法，研究了地表沟谷不同坡度、沟谷与工作面不同相对位置下的采动地裂缝动、静态发育规律。
（5）研究了西部黄土沟壑区采动地裂缝影响因素。采用现场实测及实验数据，分析了地裂缝发育与开采速度、基岩采厚比、地表变形、地形地貌等因素之间的关系，建立了西部黄土沟壑矿区采动地裂缝经验预测模型。
（6）针对采动过程中的临时性裂缝和地表稳沉后的永久性裂缝，研究了采动地裂缝差异化治理技术，提出了“深部充填-浅层覆土-植被建设”的采动地裂缝综合治理三步法，研制了超高水材料地裂缝充填系统；以晋陕蒙接壤区煤炭基地生态建设关键技术示范工程为试验基地，进行了地裂缝充填治理工程试验，为西部黄土沟壑区采动地裂缝灾害治理提供了技术支撑。
As the coal resource in eastern mining areas exhausting and coal westwardstrategy becoming reality, ground fissure disaster caused by underground miningarouses people's concern increasingly. Mining areas in western China havecharacteristic of shallow buried, simple strata, thick loose bed, landform undulatesterribly and so on. Because of the double stress effects of geological miningenvironment and topography condition, the development laws of ground fissures aremore complicated.
Aiming at the Ground fissure disaster caused by underground mining in loesshilly areas of western China, on the basis of field measurement, supplemented by soilmechanics experiments, rock mechanics experiments and numerical simulation, basedon theories of mining subsidence, strata damage and slope sliding, the classificationmethod of ground fissures due to underground mining was put forward, thedevelopment law was revealed, the formation mechanism was researched, all types ofground fissure prediction models were set up, and the comprehensive treatmenttechnical measures were proposed. The main results are as follows:
(1) Taking the typical loess hilly area Shendong mining area as research base, onthe basis of engineering drilling, soil mechanics experiment and rock mechanicsexperiment, the physical and mechanical properties of loose bed and overburden rockwere researched. Three comprehensive monitoring networks of surface movement andground fissure development were established above the working faces of12208,22201, and52304of Daliuta coal mine. Laws of surface movement and groundfissure development of three different depth coal seams1-2,2-2,5-2were researchedrespectively.
(2) On the basis of field investigation and observation, the ground fissuredisasters caused by underground mining were classified. According to the developingperiods, ground fissures could be classified into the temporary fissure during theprocess of mining and the permanent fissure after surface subsidence was steady.According to the formation mechanisms, ground fissures were divided into four types,such as stretching fissure, compressing fissure, collapsing fissure and sliding fissure.
(3) Combined with theories of mining subsidence, overlying rock destruction,and slope sliding, the formation mechanisms of all types of ground fissure due tounderground mining were researched, and the prediction models were established. Stretching fissure was formed due to the surface horizontal deformation exceeding themaximum tensile strain of topsoil, which developed in the surface tensile area of themining boundary. Compressing fissure was formed because of the topsoil’s upliftcaused by compression deformation, which developed in the dynamic compressionarea of surface with mining. Collapsing fissure was formed because of the breaking ofthe whole overburden rocks and surface, which developed just above the working facewith the dynamic breaking of the basic roof. Sliding fissure was formed because ofthe combined influence of mining and slope sliding, which developed only whenmining under valleys.
(4) Aiming at the sliding fissure developed when mining under valleys, usingnumerical simulation method of UDEC software, dynamic and static ground fissuredevelopment laws of different valley angles and different relative positions betweenvalley and working face were researched.
(5) The influencing factors of ground fissures due to underground mining in loesshilly areas were analyzed. The relationships among ground fissures and mining speed,the ratio of strata thickness and mining thickness, surface deformation, topographyand geomorphology were researched. After that the experience prediction modelswere established.
(6) Aiming at the temporary fissure in the process of mining and the permanentfissure after surface subsidence steadying, different treatment technologies of groundfissures were researched, and the―three-step‖method of deep filling, shallow soiling,and vegetation construction was put forward. Ground fissure filling system of superhigh water material was developed. Taking the ecological construction demonstrationproject in the coal base of the contiguous area of Shanxi-Shaanxi-inner Mongolia asthe experiment base, ground fissure filling treatment engineering test was put forward,which provided technical support to teatment of ground fissures in loess hilly areas ofwestern China.
本文针对西部黄土沟壑区采动地裂缝灾害，在现场实测的基础上，辅以土力学实验、岩石力学实验、数值模拟等实验手段，基于开采沉陷理论、覆岩破坏理论、坡体滑移理论，提出了采动地裂缝的分类方法，研究了采动地裂缝的发育规律，揭示了采动地裂缝的形成机理，建立了各种不同类型采动地裂缝的预测模型，提出了适合西部矿区采动地裂缝的综合治理技术措施，主要研究成果如下：
（1）以神东矿区典型黄土沟壑区为研究基地，在现场工程钻探、土力学实验、岩石力学实验的基础上，研究了黄土沟壑区松散层及覆岩物理力学性质；在大柳塔矿12208、22201、52304三个工作面建立了地表移动与地裂缝发育综合监测网络，分别研究了1-2、2-2、5-2三个不同埋深煤层开采的地表移动规律，以及地裂缝发育规律。
（2）在对西部黄土沟壑区采动地裂缝灾害统计分类的基础上，提出了采动地裂缝的分类方法。根据发育时段，分为采动过程中的临时性地裂缝和地表稳沉后的永久性地裂缝；根据形成机理，将采动地裂缝分为拉伸型、挤压型、塌陷型、滑动型4种类型，分析了各种裂缝的特征。
（3）结合开采沉陷、覆岩破坏及坡体滑移理论，揭示了不同类型采动地裂缝的力学机理，建立了预测模型。拉伸型地裂缝是由于地表的水平变形超过表土的极限拉伸应变而形成，一般在工作面边界处的地表拉伸区发育；挤压型地裂缝是由于表土受到压缩变形隆起而形成的，一般随着工作面推进在地表的动态压缩区发育；塌陷型地裂缝是由于覆岩整体破断直至地表塌陷而形成的，一般在工作面正上方，随着基本顶的破断动态发育；滑动型地裂缝是由于采动影响与坡体的滑移共同叠加形成的，仅当在沟谷下开采时发育。
（4）采用数值模拟方法，研究了沟谷地形条件下采动地裂缝的发育规律。针对沟谷地形下开采形成的滑动型地裂缝，采用UDEC数值模拟方法，研究了地表沟谷不同坡度、沟谷与工作面不同相对位置下的采动地裂缝动、静态发育规律。
（5）研究了西部黄土沟壑区采动地裂缝影响因素。采用现场实测及实验数据，分析了地裂缝发育与开采速度、基岩采厚比、地表变形、地形地貌等因素之间的关系，建立了西部黄土沟壑矿区采动地裂缝经验预测模型。
（6）针对采动过程中的临时性裂缝和地表稳沉后的永久性裂缝，研究了采动地裂缝差异化治理技术，提出了“深部充填-浅层覆土-植被建设”的采动地裂缝综合治理三步法，研制了超高水材料地裂缝充填系统；以晋陕蒙接壤区煤炭基地生态建设关键技术示范工程为试验基地，进行了地裂缝充填治理工程试验，为西部黄土沟壑区采动地裂缝灾害治理提供了技术支撑。
As the coal resource in eastern mining areas exhausting and coal westwardstrategy becoming reality, ground fissure disaster caused by underground miningarouses people's concern increasingly. Mining areas in western China havecharacteristic of shallow buried, simple strata, thick loose bed, landform undulatesterribly and so on. Because of the double stress effects of geological miningenvironment and topography condition, the development laws of ground fissures aremore complicated.
Aiming at the Ground fissure disaster caused by underground mining in loesshilly areas of western China, on the basis of field measurement, supplemented by soilmechanics experiments, rock mechanics experiments and numerical simulation, basedon theories of mining subsidence, strata damage and slope sliding, the classificationmethod of ground fissures due to underground mining was put forward, thedevelopment law was revealed, the formation mechanism was researched, all types ofground fissure prediction models were set up, and the comprehensive treatmenttechnical measures were proposed. The main results are as follows:
(1) Taking the typical loess hilly area Shendong mining area as research base, onthe basis of engineering drilling, soil mechanics experiment and rock mechanicsexperiment, the physical and mechanical properties of loose bed and overburden rockwere researched. Three comprehensive monitoring networks of surface movement andground fissure development were established above the working faces of12208,22201, and52304of Daliuta coal mine. Laws of surface movement and groundfissure development of three different depth coal seams1-2,2-2,5-2were researchedrespectively.
(2) On the basis of field investigation and observation, the ground fissuredisasters caused by underground mining were classified. According to the developingperiods, ground fissures could be classified into the temporary fissure during theprocess of mining and the permanent fissure after surface subsidence was steady.According to the formation mechanisms, ground fissures were divided into four types,such as stretching fissure, compressing fissure, collapsing fissure and sliding fissure.
(3) Combined with theories of mining subsidence, overlying rock destruction,and slope sliding, the formation mechanisms of all types of ground fissure due tounderground mining were researched, and the prediction models were established. Stretching fissure was formed due to the surface horizontal deformation exceeding themaximum tensile strain of topsoil, which developed in the surface tensile area of themining boundary. Compressing fissure was formed because of the topsoil’s upliftcaused by compression deformation, which developed in the dynamic compressionarea of surface with mining. Collapsing fissure was formed because of the breaking ofthe whole overburden rocks and surface, which developed just above the working facewith the dynamic breaking of the basic roof. Sliding fissure was formed because ofthe combined influence of mining and slope sliding, which developed only whenmining under valleys.
(4) Aiming at the sliding fissure developed when mining under valleys, usingnumerical simulation method of UDEC software, dynamic and static ground fissuredevelopment laws of different valley angles and different relative positions betweenvalley and working face were researched.
(5) The influencing factors of ground fissures due to underground mining in loesshilly areas were analyzed. The relationships among ground fissures and mining speed,the ratio of strata thickness and mining thickness, surface deformation, topographyand geomorphology were researched. After that the experience prediction modelswere established.
(6) Aiming at the temporary fissure in the process of mining and the permanentfissure after surface subsidence steadying, different treatment technologies of groundfissures were researched, and the―three-step‖method of deep filling, shallow soiling,and vegetation construction was put forward. Ground fissure filling system of superhigh water material was developed. Taking the ecological construction demonstrationproject in the coal base of the contiguous area of Shanxi-Shaanxi-inner Mongolia asthe experiment base, ground fissure filling treatment engineering test was put forward,which provided technical support to teatment of ground fissures in loess hilly areas ofwestern China.
引文
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