黄土梁峁地形大采高煤层开采地表移动规律数值模拟研究

相较于平原地区,黄土梁峁地形下的煤层开采地表移动特征存在明显不同。为分析并揭示梁峁地形下煤层开采地表沉陷异常形变机理,结合现场实测与数值模拟手段,以山西某矿1313工作面为研究对象,对黄土梁峁地形大采高综放开采引起的地表沉陷进行了现场实测,分析了地表移动特征及相关参数取值;利用Rhino软件建立考虑地形的三维模型,导入离散单元法软件3DEC进行数值模拟计算,分析了开采过程中的岩层移动以及梁峁内部塑性破坏演变。研究表明:1313工作面地表移动剧烈,地表下沉起动距小于30 m,超前影响距为73 m,超前影响角为68.7°,走向边界角与上山边界角为40.3°,走向移动角与上山移动角为37.8°,以水平拉伸变形2 mm/m为移动边界的危险移动范围明显大于以下沉值10 mm确定的地表移动盆地范围;利用数值模拟分析黄土梁峁采动滑移过程发现,当工作面自开切眼沿走向回采30 m时,采空区周围岩体应力平衡被打破,顶板在自重以及上覆岩层的载荷作用下产生剪切破坏,采空区周边岩体发生塑性屈服,当工作面回采到120 m时,煤层处于非充分开采阶段,梁峁底部岩体剪切破坏带出现贯通现象,坡体在重力作用下发生向邻空侧的剪切滑移,相较于地表坡度15°的截面,地表坡度18°和22°的截面X轴负方向最大水平移动提升了107.3%与246.5%。

黄土高原三类窑洞民居及砖混农宅夏季室内热环境对比研究

为进一步了解窑洞民居夏季室内热环境状况,选取独立式、靠崖式、下沉式窑洞进行调研测试并与当地砖混农宅进行对比分析,研究其夏季室内外空气温度、相对湿度、壁面温度等影响热环境参数。结果表明窑洞民居室内热环境优于砖混农宅,窑洞室内温度波动小,相对湿度大,热环境能基本满足人体热舒适要求。通过剖析窑洞民居的空间布局与围护结构热工性能在创造室内热环境中的作用,发现窑洞相对封闭的空间及厚重围护结构较大的热惰性可有效抵御室外温度波动,使得内壁面温度稳定,是窑洞“夏凉”的主要原因;由于下沉式窑洞窗墙面积比小,室内空气温度更低;靠崖式和下沉式窑洞围护结构土层更厚,蓄水能力强,室内相对湿度更大。研究可为黄土高原窑居建筑生态经验传承及新民居建设提供理论支撑。

人水共生理念下传统窑洞聚落景观理水智慧研究——以陕北地区为例

中国传统聚落景观营建素有将人水共生作为古人聚居选址及农耕生产的理念和举措。因此,在聚落选址之初,古人对自然山水环境的寻找、观察及借用的用心程度甚至超过聚落后期的建设过程。为了更好地保护和传承半干旱区传统窑洞聚落景观理水智慧,避免本土理水营建技术的消失与断代,以陕北黄土高原区传统窑洞聚落为研究对象,从人水共生哲学思想出发,结合DIKW层次结构模型,构建传统聚落理水智慧解析路径与方法。从聚落选址布局理水智慧、人居营建理水智慧、农耕生产理水智慧和自然生态理水智慧4个方面,开展陕北传统窑洞聚落景观理水智慧的提取与体系构建。以期为当前我国半干旱地区乡村聚落生态人居景观营建和水基础设施建设提供理论与经验借鉴。

早期黄土洞穴识别理论与技术发展现状

黄土洞穴是黄土高原地区一种特殊但又普遍存在的地质灾害。黄土洞穴由于其空间特征复杂、发育位置隐蔽、影响因子繁多等因素,导致目前对其早期识别面临众多挑战。利用文献综述的方法,首先简要介绍了黄土洞穴的类型、发育特征和形成机理;然后,从传统人工现场调查、小流域洞穴快速识别及地下暗穴地球物理探测等方面对现有黄土洞穴早期识别方法进行总结,并对各种方法的优缺点和应用效果进行评述,指出黄土洞穴早期识别当前面临识别难度大、识别精度低、识别方法分散等诸多挑战。研究认为,三维测量建模内窥镜在识别洞穴内部构造、空间形态方面具有广阔前景;加强黄土物性规律基础研究和开发高效的解译软件、算法是提高现有地球物理探测精度和实现黄土洞穴精准建模的关键环节;建立“天-空-地表-地下”一体化的黄土洞穴早期识别体系是未来实现流域黄土洞穴快速精细化识别的最佳选择。研究成果可为今后黄土洞穴早期识别及黄土洞穴潜蚀引发的地质灾害的监测预警提供参考。

裂隙性黄土潜蚀洞穴形成机理模型试验研究

黄土台塬边缘裂隙性黄土中洞穴形成机理复杂,且与滑坡、崩塌等地质灾害的发生具有紧密联系,给塬边人民的生产生活造成严重威胁。针对裂隙性黄土中潜蚀洞穴如何形成这一科学问题,以陕西省泾阳县南塬地区典型黄土潜蚀洞穴为试验参考,利用可视化裂隙性黄土潜蚀洞穴形成机理模型试验装置,开展了4组不同初始裂隙开度条件下黄土潜蚀洞穴形成机理模型试验。研究表明:黄土裂隙在水流潜蚀下向黄土潜蚀洞穴的发展过程可分为水力侵蚀阶段、浸润淘蚀阶段和重力崩塌阶段;裂隙性黄土潜蚀洞穴的形成机理可概括为软化崩解-冲刷扩宽-淘蚀临空-重力崩塌;潜蚀输沙量和泥沙输运特征反映了裂隙性黄土渗流潜蚀的发展速率,可分为快速潜蚀阶段、波动降低阶段和缓慢稳定潜蚀阶段;裂隙开度、黄土可蚀性和极限凹槽深度是裂隙性黄土潜蚀洞穴形成的重要影响因子。研究成果对进一步揭示黄土潜蚀的致灾效应提供理论支撑。

晋北黄土沟壑区综放开采覆岩破坏规律研究

针对晋北黄土沟壑区煤层埋深浅、厚土层、薄基岩以及综放开采强扰动的问题,综合数值计算与现场实测2种方法探究采动覆岩破坏特征。模拟结果得出:强开采扰动条件下,采动破坏性影响将逐深向浅次第传递,随着工作面回采距离增加,采动岩层位移变形具有累积效应,采动破坏性影响存在纵向快速发展—纵向停滞横向扩展—纵向快速突破的发展过程,裂采比约为19.7。现场实测得到:10108工作面采动破坏性影响已突破基岩与土层的临界面,采动裂缝上下贯通,采空区上覆岩层已不具备阻隔水性能,采动覆岩破坏特征以高角度纵向裂隙为主,采动覆岩破坏高度将不小于198.2 m,裂采比将不小于22。综合研究结果表明:厚煤层综放开采造成上覆岩层破坏程度更加剧烈,导水断裂带较为发育,塑性强的黏性红土虽对采动裂隙的纵向发育具有抑制效应,但在工作面回采后一定时期无法自然弥合而丧失阻隔浅部松散层水和地表水,实测裂采比较之数值模拟结果与经验公式分别相差10.5%和9.5%,水体下采煤应及时制定合理的防治水技术措施。

黄土高原地区黄土洞穴的分类及发育规律

黄土高原地区广泛发育的黄土洞穴既是一种典型的水土流失现象,又是一种新的地质灾害。黄土洞穴具有多种类别,其分布的地域规律具有由黄土高原的西北向东南发育密度呈递减趋势;陇西地区黄土洞穴最发育,陇东地区较发育,陕北局部地区较发育。黄土洞穴在深度上具有表、浅、中、深、超深5个层次;其空间发育明显受地层厚度、土性、地质构造、微地形地貌、水文地质及气候条件等因素所控制。

黄土洞穴的环境灾害效应

黄土洞穴本身是一种地质灾害,对黄土地区的运输、管道、拦蓄水工程、厂房、民居等各类工业与民用建筑构成不同程度威胁;还可促发其它地质灾害的发生和发展,恶化黄土高原地区的生态环境和地质环境。文章根据野外和室内研究所积累的资料,对黄土洞穴的地质灾害效应以及环境变化效应进行了初步研究。其研究成果不仅为黄土洞穴工程灾害的防治提供科学依据,而且还可进一步了解黄土地区水土流失的发育规律及其第四纪以来的地质环境变化状况。

黄土窑洞病害调查及分析

黄土窑洞是目前世界上建筑面积最大的地下工程群体,研究黄土窑洞病害问题不仅具有工程背景,也有重要的人文和生态意义。基于大量的现场调查研究,归纳出了黄土窑洞病害类型,并分析了影响黄土窑洞病害的因素。

黄土地区窑洞的历史、现状及对未来发展的建议

通过大量的实地调查及查阅相关文献,对窑洞的历史发展、贡献和文化进行简要介绍,并明确了窑洞的分类。然后在调查清楚窑洞现状的基础上,对黄土窑洞未来的发展提出建议。

西北黄土窑洞减渗防塌措施的研究

黄土窑洞在我国北方分布极广,目前仍有四千万人居住在各种形式的黄土窑洞中。长期以来连阴雨是造成窑洞坍塌的主要原因。本文根据近代土壤水能量原理,结合室内外的实验研究,证明在黄土窑洞洞顶土层设置砂层,可以防止和减少土壤水分的下渗。

注浆法在黄土地区公路路基洞穴处理中的应用

研究了注浆法在黄土地区公路路基洞穴处理中的加固机理及技术指标。黄土地区公路中的洞穴对公路的安全运营常造成严重危害,同时对于这类洞穴的处理尚缺乏有效的方法。在大量调查和参考前人研究成果的基础上,将注浆法用于路基中洞穴的处理,提出了注浆法加固的主要设计参数,通过对施工现场黄土洞穴注浆处理效果分析,认为该方法具有良好的处理效果。

西部黄土高原窑洞民居发展中的环境工程问题

窑洞是我国黄土高原地区传统的民居形式之一 ,具有悠久的历史 ,由于具有冬暖夏凉、节约能源、节约土地的独特优点 ,从古到今得以延续和发展 ,并不断得到改进。但在黄土高原窑洞分布区存在着复杂的环境工程问题 ,如大风沙及沙漠化趋势、水土流失严重、生态环境失调 ,以及沟谷发育、滑坡、崩塌、泥石流等。因此 ,重视窑洞区域的环境工程问题 ,将现代化科学技术与传统民居相结合 ,有效地进行地质灾害的防治与治理具有重要意义 ,通过对窑洞民居的发展及其优势的研究 ,从建筑构造和地质条件探讨了窑洞民居的工程环境 。

黄土高原北部坍窑灾害的形成机理分析

对黄土高原北部黄土坍窑灾害的调查和室内试验分析表明 ,在该区不断发生的坍窑灾害实际上是黄土边坡滑塌的一种表现形式 ,其分布与黄土颗粒成分变化的地带性密切相关 ,坍窑灾害的形成主要受黄土本身的物质组成、结构及力学性质控制。本文在实例剖析的基础上 ,分析了黄土坍窑灾害的形成机理 ,并提出了针对性的防治对策。

湿陷性黄土地区土壤洞穴侵蚀模式研究

通过野外调查研究,认为土性、侵蚀通道、降雨以及黄土地区的地形地貌是形成土壤洞穴侵蚀不可或缺的四大要素。以水的作用途径、作用方式及其作用结果为主线,将土壤洞穴的形成模式概化为:冲蚀-贯通型模式、冲蚀-潜蚀-贯通型模式、湿陷-潜蚀-贯通型模式、冲蚀-潜蚀-湿陷-潜蚀-贯通型模式以及复合型模式等五大类型。

晋西黄土洞穴成因研究

在野外调查、室内实验基础上,对晋西黄土洞穴的成因进行了分析,研究表明:晋西黄土洞穴的形成是多种内外因素综合作用的结果,主要因素包括黄土的土性、微观结构、节理裂隙、地层结构厚度、水文气候、地形地貌等,其中黄土土性和微观结构是黄土洞穴形成的内因,节理裂隙和地层分布状况为洞穴发育提供了空间和物质基础,水成为黄土洞穴形成的源动力,地形地貌则控制着黄土洞穴的分布。

黄土地区公路暗穴顶板临界厚度的确定方法

针对西部黄土地区暗穴的发育会对公路路基、桥涵、公路隧道、路堑与路堤边坡及边坡支挡工程等的稳定性造成严重威胁的问题,在野外调查的基础上,对暗穴的分布规律、发育形态、破坏机制等进行了归纳与研究,提炼出几种破坏模式,结合黄土地区的土质特点,考虑了节理对黄土暗穴的影响,采用结构力学等方法,提出了一些确定顶板临界厚度的方法,并进行了对比讨论。通过对路基暗穴的安全厚度的正确估算,为研究公路暗穴有效防治措施提供了可靠的依据。

横向地震对黄土窑洞稳定性的影响

在黄土高原上,数千万人居住在窑洞中,且很多地区处于地震带上,进行黄土窑洞的地震反应分析有助于探讨如何提高其稳定性。基于对河南陕县黄土窑洞的调研和测绘,并提出"抗震稳定性系数",分析了多遇地震、罕遇地震情况下,窑洞的塑性区、最大剪应变随折减因子增大的发展变化情况,探讨了黄土窑洞的稳定性变化趋势。结果表明,不管是多遇地震还是罕遇地震,材料、几何参数均为平均值且折减因子为1的河南陕县的黄土窑洞,均不会出现塑性区,具有较高的抗震稳定性;在增大折减因子时,窑腿最先出现塑性区且塑性应变最大,是决定窑洞稳定性的关键部位。

模糊评判法在公路黄土洞穴发育程度分区中的应用

阐述了影响黄土洞穴形成的黄土湿陷性、崩解性、地质构造、节理裂隙、微地形地貌和水文及气候条件等工程地质特性和地质因素;在公路沿线地区,公路工程质量及人类活动也是黄土洞穴形成的影响因素。洞穴发育程度分区预测和评价极具复杂性、随机性和模糊性,为此,在对各影响因素分析的基础上,借助模糊综合评判法,对黄土区公路沿线洞穴发育程度分区进行了研究。与实际情况对比分析表明,预测评价结果合理可靠,可作为黄土区已建公路洞穴灾害的防治依据。

黄土洞穴侵蚀速率的现场试验研究

文章通过对三组人工和天然黄土洞穴进行了现场侵蚀速率试验,对比分析降水量对黄土斜坡洞穴侵蚀速率的影响,同时分析在相同时间段里进入洞穴的水量与该时间段内的侵蚀速率的变化关系。试验结果表明:人工黄土洞穴侵蚀速率随着水流量的增大而增大,而对于天然洞穴则相反;在相同时间段里,黄土天然洞穴的侵蚀速率随进入洞穴水量速度的增加反而减小,且黄土洞穴的侵蚀速率较水流量具有滞后现象。