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中国煤炭学会学术期刊工作委员会

矿大(北京)胡振琪团队论述采动地裂缝未来研究难点与发展趋势

2018-04-26

  采动地裂缝是煤矿区典型的非线性力学灾害形式,是煤炭井工开采后采空区上覆岩层移动与表土层形变耦合的结果,其形成过程是一个复杂的岩土力学过程。地裂缝可对土地生态以及建(构)筑设施、交通线路与堤防设施等岩土工程设施造成不同程度的破坏,并引发次生矿山地质灾害,诱发一系列社会问题,严重威胁人民生命财产安全和矿区可持续发展。随着我国经济发展和煤炭资源大规模开发与战略西移,采动地裂缝问题更加突出,如榆神府煤矿区高强度开采使地裂缝等地质灾害广泛发育,自1993年以来,在94.47 km2采煤沉陷区内分布有地裂缝1802条(组),造成严重的水土流失、滑坡等地质灾害。


  采动地裂缝的形成过程可以简化为)岩层破断与移动阶段和)地表土体形变阶段两个阶段。


  关于煤矿区采动地裂缝形成机理的研究,目前多集中在拉伸型、滑动型、切落型、塌陷型等类型。大多数地裂缝是多个因素综合作用的结果,以其中某一因素为主导,地裂缝的分类原则应以其形成的主导因素为主。


  中国矿业大学(北京)胡振琪团队认为,切落型与塌陷型地裂缝本质上主要受岩土层剪切应力作用而形成,故将塌陷型归属为切落型地裂缝。因此,研究人员主要归纳分析了拉伸型、滑动型、切落型3类采动地裂缝形成机理的研究进展。


  地裂缝不仅受松散层物理力学特性影响,还受到岩层结构与岩性、采矿工艺、煤层赋存条件和地形地貌等地质采矿因素的耦合影响。此外,断层等特殊地质构造也有一定影响。


  分析认为,当前的研究成果可在一定程度上揭示采动地裂缝形成机理,但从研究进展的分析与讨论以及未来我国能源开发战略转移、煤炭开采技术变革方面,有如下认识:


  (1)不同岩土层介质间应力—应变演化机制是采动地裂缝形成过程的核心。大量研究表明基岩与松散层接触面间的摩擦力对土体形变有明显作用,但土体受应力作用后应力-应变机制尚有不明之处,需深入开展岩土体接触面摩擦力作用机制及其对上覆土体破坏程度的定量研究。


  (2)动态地裂缝“M”形或多个“开裂—闭合”形成过程存在力学合理性。需进一步改进现有监测方法,研发新的动态地裂缝监测装置,在不影响岩土体物理特性的同时尽量避免现场环境干扰,监测地裂缝性状演变特征及岩土体形变特征,综合运用多技术手段开展研究。


  (3)采动地裂缝受复杂地质采矿条件的影响,现有研究多基于一定的力学简化假设条件进行数学与力学推导,而未考虑多因素耦合影响效应,尤其未考虑到岩土体中非连续介质与连续介质的耦合影响,所采用的数学与力学理论有时并未能反映开采沉陷岩土体力学行为本质。因此,建立顾及多因素耦合影响效应的力学模型并与实测结果验证更具说服力。


  (4)采动地裂缝形成机理的数值模拟研究方法较多,它们的广泛应用能够起到一定作用,但每种方法都有其力学理论的限制,未来应综合利用现场实测、数值模拟、物理模拟、理论分析等多技术手段,可以尽量规避应用单一技术手段的部分缺陷,也可增加实验和理论分析结果与现场实际的吻合性,但应注意技术方法之间的兼容性和力学理论的一致性。


  (5)深部开采及西部生态脆弱矿区高强度开采条件下,采动地裂缝形成机理可能与传统开采方式下有所不同;浅部开采向深部开采转变条件下,地裂缝的类型将发生变化,其力学转变机制尚未引起重视;新开采技术的应用可能引起岩土体不同介质间应力应变演化机制的改变。上述问题值得未来研究关注。


  (6)采动地裂缝形成机理的实质是采矿驱动力引起的岩土体非线性变形,对矿区岩土工程设施及土地生态安全等造成严重威胁。深入开展采动地裂缝形成机理研究,进而采取针对性的防治措施,有助于实现矿区土地生态损伤分区差异化修复,这对于矿区采动损害控制以及土地复垦与生态修复等具有重要意义。


  这项研究得到了国家自然科学基金委员会—神华集团有限责任公司煤炭联合基金的资金支持,论文第一作者为课题组陈超博士研究生,论文题目为《我国采动地裂缝形成机理研究进展》,已于近期发表于《煤炭学报》2018年第3期。


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  责任编辑:宫在芹
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