煤矿采空区地表重力异常效应模拟研究

地下大规模采煤形成的空洞效应导致重力场发生变化,通过地面重力变化来反演采空区上方空洞特征及其演变对于煤矿安全生产和地面保护具有实际意义。长期以来,煤矿地下采空导致的地表重力异常效应因量级较小而被忽视。基于布格重力理论采用数值模拟方法得到采空区地表的重力异常分布特征,建立采空区深度、宽度、厚度及开采边界与地表重力异常分布的关系,并使用三阶紧致差分逼近算法得到采空区地表重力异常的一次差分曲线。通过加入随机误差模拟得到采空区地表重力异常值,采用不同拟合方法进行曲线平滑处理,依据其一次差分曲线的峰值来推断采空区的边界位置,为现有技术条件下利用重力变化反演煤矿采空区演变提供了可行性。

西部黄土矿区开采沉陷中的土岩耦合效应研究

西部黄土矿区巨厚黄土层对于开采沉陷特征具有显著影响。将黄土矿区开采沉陷划分为地下开挖、黄土层自重荷载效应下的基岩开采沉陷及其引起的黄土层变形两个模型相叠加,利用数值模拟分析这两者在开采沉陷中的耦合效应。结果表明,基岩开采沉陷引起的黄土层附加变形导致其体积变形,破坏了黄土层的整体结构,改变了黄土层施加于基岩上的自重荷载效应。这种荷载效应与开采宽度、采深、土层厚度相关,得到了黄土层等效荷载与开采宽深比(或采动充分程度)之间的关系,初步揭示出黄土矿区开采沉陷存在的土岩耦合效应。

黄土矿区采动引起的滑坡灾害风险评价

针对黄土沟壑区采煤引起的地质灾害问题,基于概率积分开采沉陷预计理论,结合地面坡度和地表水平变形构建黄土矿区滑坡风险评价模型,利用Arc GIS分级提取滑坡风险区域。结果表明,开采沉陷对矿区滑坡具有一定的诱导作用,且滑坡风险将随开采沉陷与地表变形量的增加而显著增大。

智利三联点南部含洋脊海洋板块俯冲过程的数值模拟

“三联点”是全球板块运动系统的重要组成部分.扩张的智利洋脊向南美板块俯冲形成了智利三联点,并造成了智利三联点以南数百千米范围内剧烈的地形变化.智利三联点区域的初始板块俯冲角度、洋脊扩张速率等因素的差异对南美板块岩石层热结构及地形起伏造成了显著影响.本文采用有限差分方法,构建了智利三联点区域洋脊俯冲的二维数值模型,模拟洋脊俯冲的动力学过程,探究扩张洋脊俯冲过程中的岩石层变形机制、地表热流的分布特征及其影响因素.结果表明,与俯冲速率相比,俯冲角度对地表热流的影响相对较大,较小俯冲角度(15°)情况下的计算热流分布与基于观测点的插值数据较为吻合,并且俯冲速率越大,上覆板块岩石层温度异常区的水平长度越大,其距海沟的距离最大可至190 km.我们的模拟结果支持智利三联点南部南极洲板块以低角度俯冲至南美大陆板块下方的观点.

底辟热流体上涌的数值模拟及其对早古生代青藏高原柴北缘祁连弧形成的启示

底辟流是研究地球内部物质循环与迁移的重要窗口,其动力学演化过程对于我们认识区域地质构造与演化具有重要意义.本文从热-结构力学的角度,建立三组不同的数值模型,研究底辟流上涌的动力学过程,分析底辟流半径、热-结构耦合、岩浆上涌通道对底辟流上涌过程的影响.该研究对认识早古生代祁连弧的形成过程具有重要启示.数值实验结果表明,底辟流半径越大底辟上涌速度越快;单个底辟很难直接上涌至上地壳底部,柴达木北缘超高压变质带和岩浆弧可能是由于多个底辟流持续上涌,最终发育稳定岩浆通道形成的,并且岩浆通道的形成对于超高压变质岩石的减压时间以及岩浆弧的形成时间均具有重要影响;具有稳定岩浆通道的单个底辟流从地幔深处90 km上涌至壳幔边界的过程中,在水平方向的侵蚀范围要比垂向侵蚀范围大一倍左右,研究结果表明安第斯型底辟流模型可以很好地描述早古生代柴达木北缘祁连弧的形成过程.

黄土矿区开采沉陷引起的土壤湿度变化特征研究

西部黄土覆盖区大规模地下采煤导致严重的地表沉陷及地理环境破坏。选取土壤湿度作为地理环境因子,利用彬长大佛寺矿区2007~2017年的遥感数据构建温度植被干旱指数(TVDI)模型,分析开采沉陷区和非采动影响区土壤湿度变化的基本特征。基于开采沉陷理论分析研究区域的水平变形和地表裂缝发育特征,通过土样实验获取沉陷区不同位置的土体密实度和含水量数据。遥感结果表明,矿区土壤湿度在1月较大,在7月较小,开采沉陷区的土壤湿度变化量相对于非采动影响区更高。经综合分析表明开采沉陷变形和裂缝发育引起土壤密实度降低,加剧地表水的吸收与蒸发效应,导致沉陷区土壤湿度呈现上述变化特征,初步揭示了黄土矿区开采沉陷对于土壤环境的扰动效应。