采煤塌陷裂缝对包气带水分运移规律影响数值模拟研究

采煤塌陷裂缝,影响包气带水分运移规律,诱发矿区生态地质环境问题。当前研究集中于塌陷裂缝对包气带含水率影响,往往忽略塌陷裂缝对包气带水分运移方向及其速度的影响。为此,综合考虑裂缝宽度、裂缝密度和土壤质地类型,基于HYDRUS 2D建立采煤塌陷区包气带水分运移数值模型,研究采煤塌陷裂缝对包气带水分运移规律。结果表明:单一裂缝时,含水率差距与裂缝宽度呈正相关关系;土壤水分运移方向向裂缝处偏转,同一土壤深度越靠近裂缝的区域偏转角度越大,最大偏转角度和发生运移方向变化的区域大小随裂缝宽度变大而变大;裂缝边缘与远离裂缝区域的平均水分运移速度差值随裂缝宽度变大而变大;裂缝密度增高时,同一土壤深度含水率会随之降低,裂缝之间区域的最大偏转角度与发生偏转的区域变小;采煤塌陷裂缝影响下壤土的含水率高于风沙土、水分运移速度低于风沙土,但土壤质地类型不影响水分运移方向。

采煤塌陷裂缝对降雨后坡面土壤水分的影响

为探究采煤塌陷裂缝对坡面储蓄降水的影响，本文对降雨后不同坡向上裂缝两侧的不同土层水分动态变化特征进行了研究。结果表明：降雨主要补充坡面地表0～20cm土层土壤水分，且在雨后0～20cm土层土壤水分散失也较为严重；雨后阴坡土壤含水率最高，O—10cm、10～20cm和20～40cm土层土壤水分差异显著（P〈0．05）。降雨结束8d后，裂缝附近的土壤水分变化幅度较大，尤以坡面裂缝上部边缘处最为明显，裂缝处与远离裂缝的土壤水分之间差异显著（P〈0．05）；阳坡土壤水分损失最高，阳坡裂缝周边土壤水分平均损失量高达3．31％。可见，裂缝的出现会在一定程度上打破坡面储蓄降水的格局，加剧坡面局部土壤水分散失，这～点在植被恢复与建设过程中不容忽视。

陕北风沙滩地区采煤塌陷裂缝对包气带水分运移的影响:模型建立

陕北风沙滩地区高强度采煤对包气带水分运移产生影响。在区域调查的基础上,以榆树湾煤矿20108工作面开切眼附近裂缝为野外原位监测点,采用野外原位监测与室内数值模拟相结合的方法,建立采煤塌陷裂缝对包气带水分运移影响的水热耦合数学模型。利用野外原位监测数据对所建立的模型进行识别和验证,表明模型计算值与野外监测数据之间拟合较好,从而获取了相关的水热参数。利用此模型可定量回答裂缝对土壤水分运移的影响程度,揭示裂缝对土壤水分运移的影响机理,为陕北风沙滩地区保水采煤和生态恢复提供参考。

采煤塌陷裂缝区重构土壤水分特性研究

为了更好地指导塌陷裂缝区土壤重构,研发了一种便于监测塌陷裂缝区重构土壤水分的装置,结合西部地区采煤塌陷裂缝治理的需要,采用不同物料,设计了4种不同类型的土壤重构结构,通过试验模拟,分析不同类型重构土壤的水分入渗及含水量状况。

采煤塌陷裂缝对土壤速效养分的影响

以神东矿区采煤塌陷裂缝为研究对象，分析了阴坡以及阳坡塌陷裂缝对土壤碱解氮、速效磷、速效钾含量的影响。结果表明：裂缝对3种速效养分的影响均达到显著水平（P〈0．01），塌陷裂缝使原本由坡顶向坡底迁移的速效养分在裂缝处中断，大量流失，流失率范围为42．17％～10．53％，裂缝对阴坡的影响更大，表层土比下层土受影响更大，裂缝对碱解氮的影响程度大于速效磷大于速效钾。

黄土丘陵区采煤塌陷裂缝对坡面土壤水分的影响

通过研究采煤塌陷裂缝对坡面土壤水分分布的影响,以及不同坡向上的裂缝周边土壤水分状况,以期找出坡面及不同坡向上的裂缝对土壤水分的影响机制。结果表明:不同坡向上的土壤水分状况阴坡>坡底平地>坡顶>阳坡;坡面下部水分状况比上部好,坡面上的采煤塌陷裂缝对裂缝上坡位土壤水分的影响大于下坡位;裂缝对裂缝处土壤水分影响最大,在不同土壤层次上土壤水分含量均是20—40 cm>10—20 cm>0—10 cm。

基于塌陷裂缝非连续均质的土壤水分扩散物理模拟

为研究被塌陷裂缝破坏的非连续均质土壤水分扩散情况,分别在水平土柱中设置0.5 mm、1 mm、5 mm、8 mm、11 mm、12 mm、15 mm宽度的裂缝模拟塌陷裂缝进行入渗试验。观测湿润锋值的变化,绘制含水率与Boltzmann参数、土壤水分扩散率的关系曲线,分析裂缝对水分扩散的影响。结果表明:湿润峰经过裂缝后锋面产生明显不一致性,土壤水分扩散方式转变为上升的垂向扩散与水平扩散两种方式并存的二维扩散;λ~θ关系曲线符合Boltzmann模型,裂缝增大了土壤水分扩散程度;通过单因素方差分析与偏相关分析,得出裂缝与土壤水分扩散率呈显著负相关,即随着裂缝的增大土壤水分的水平扩散率逐渐降低,分析土壤水分扩散率与含水率关系曲线,将试验结果分成四种情况评价裂缝对土壤水分扩散率的降低情况。研究成果为塌陷区土地复垦提供了参考。

采煤塌陷裂缝对沙蒿吸水来源影响试验研究

采煤塌陷引起的地裂缝不仅造成地质灾害,还会影响矿区植被的生长发育,破坏矿区生态系统。为深入探讨采煤塌陷裂缝对沙蒿吸水来源的定量影响,在神东矿区活鸡兔井田22312工作面选取了受采煤塌陷裂缝影响程度不同的3个试验区进行同位素标记水模拟降水试验。3个试验区根据沙蒿与裂缝的距离不同划分,其采煤塌陷情况分别为未开采区(试验样地内沙蒿距离裂缝大于50 m)、受采煤塌陷影响但无明显裂缝区(简称无明显裂缝区,试验样地内沙蒿距离裂缝大于5 m)以及裂缝区(试验样地内分布有宽度15 cm左右的裂缝通过,且距离沙蒿0~20 cm)。本次试验选择6株沙蒿作为研究对象,划分6个土壤剖面,采用液态水同位素分析仪LGR和Isoprime 100同位素比值质谱仪IRMS分别计算不同土层土壤水和植物样本木质部水的δ^(18)O和δ^(2)H同位素含量,并利用R脚本的MixSIAR贝叶斯混合模型量化降水后不同土层对沙蒿吸水的贡献,探讨土壤水分补给机制和植物水分来源。结果表明:(1)裂缝区的优先流比例为18.2%;(2)在未开采区,沙蒿吸收的59.7%的水分来自10~20 cm的土层;(3)在无裂缝区,沙蒿主要从40~60 cm土层(46.6%)和0~10 cm土层(39.4%)吸水;(4)在裂缝区,沙蒿吸收的85.9%的水分主要来自40~60 cm的土层。研究结果对揭示采煤塌陷裂缝区土壤水补给机制以及沙蒿吸水模式具有重要意义。

风沙区和黄土区采煤塌陷裂缝对土壤物理性质的影响研究

为了探明风沙区和黄土区采煤扰动塌陷后对土壤原有物理性质的影响。以陕西省神东矿区大柳塔镇(风沙土区)与内蒙古上湾镇(黄土区)采煤塌陷裂缝为研究对象,采用野外原位取样的方法,在两种土壤类型条件下,对比分析了不同裂缝宽度(7、32、54和68 cm)距裂缝不同距离(0、1、3和5 m)土壤的含水量、容重及机械组成的差异,结果表明:土壤含水率整体表现为随裂缝宽度和距裂缝距离的增加而减少的趋势;土壤容重整体表现为距裂缝距离的增加呈增大趋势;土壤砂粒、粘粒和粉粒的比例为7∶2∶1,其中,砂粒含量均占据主导地位,但其含量在风沙土和黄土中具有一定差异;而粘粒含量在风沙土和黄土中分别为13.38%~26.79%、13.13%~26.56%,变化幅度较大;粉粒含量均较低。综上所述,土壤机械组成表现出采煤塌陷区土壤物理性质质量较差,采煤塌陷裂缝会影响土壤物理性质的变化,局部土壤水分和颗粒物散失,这一点在矿区植被恢复与建设过程中不容忽视。

风沙区采煤塌陷不同裂缝宽度下土壤水分特性研究

为揭示风沙区采煤塌陷不同裂缝宽度下土壤水分变化特征,以神府-东胜煤田石圪台煤矿塌陷区为研究对象,对研究区内不同裂缝宽度条件下(1、2、3、4、8 cm)的土壤含水量、田间持水量、最大吸湿量和土壤饱和导水率等土壤水分特性指标与无裂缝区进行对比分析。结果表明:无裂缝区土壤含水量、田间持水量和最大吸湿量均大于裂缝区;土壤饱和导水率小于裂缝区。在裂缝区,随土壤裂缝宽度的增加,土壤含水量、田间持水量和最大吸湿量逐渐减小,土壤饱和导水率逐渐增大。说明风沙区采煤塌陷裂缝在一定程度上破坏土壤原有结构,降低土壤持水,贮水能力,加快土地沙化,导致环境恶化,应引起当地政府部门重视。

无人机低空遥感在黄土丘陵沟壑区地面塌陷研究中的应用

黄土丘陵沟壑区地面塌陷是造成地质环境破坏的重要影响因子,塌陷裂缝为地面塌陷的最主要表现形式。准确掌握塌陷裂缝的特征和发育规律是治理矿区环境破坏的重要基础。以准格尔旗东北部某矿区为研究对象,进行无人机低空遥感影像解译和实地踏勘进行研究比较,分析地表裂缝的特征,总结地裂缝的分布和发育规律。研究表明,地面塌陷类型主要为地表裂缝、塌陷槽、塌陷坑。地面裂缝极其发育,宽度在10~120 cm之间,长度均大于30 m,呈平行式阶梯状分布,错台高度一般在15~130 cm左右,最大2.5 m,整体以弧型为主兼有直线型。塌陷槽发育在工作面风巷外围,宽度约为1~10 m,可见深度达几米,长度延伸较长,最长达300 m。塌陷坑发育于巷道切眼位置,呈圆形,最大直径为73 m,深30 m。研究结果能够有效掌握地面塌陷的形态、分布规律及特征,为塌陷监测提供了较好的基础数据,为矿山生态修复提供有力技术支撑。

基于尖点突变模型的采空塌陷地表裂缝形成机理

地表裂缝的形成主要与上覆岩层移动规律有关,为了研究浅埋单一关键层煤层开采造成的地表塌陷型裂缝形成机理,本文通过建立关键层断裂的固支梁和"砌体梁"力学模型,利用尖点突变理论,从力学平衡和能量平衡的角度解释了关键层断裂的原因,推导出了关键层的初次断裂步距和周期断裂步距,分析了关键层断裂与地表裂缝形成之间的关系,利用文中推导出的公式求得大柳塔煤矿12208工作面关键层的周期断裂步距为14.9 m,与现场矿压实测周期来压步距12~15 m以及裂缝平均间距13.7 m相符。研究结果表明:关键层断裂是造成地表塌陷裂缝的主要原因,关键层断裂步距决定了裂缝间距。这对于研究类似采矿地质条件下的地表塌陷裂缝形成机理具有一定借鉴意义。

开采引起地表塌陷型裂缝的形成机理分析

为了研究地表塌陷型裂缝发育与地质采矿条件之间的关系,在对开采造成的地裂缝进行分类统计的基础上,针对塌陷型地裂缝,运用基于薄板理论的基本顶"O-X"破断原理,结合岩层控制的关键层理论,分析了薄基岩浅埋煤层开采造成的地表塌陷型裂缝的形成机理,研究了塌陷型地裂缝的动态发育规律,并通过工程实例,验证了模型的可靠性。研究表明,在基岩采厚比小于30的情况下,裂隙带直达地表,容易形成地裂缝,若基本顶以上不存在关键层,塌陷型地裂缝伴随着基本顶的破断同时发育,其形态与基本顶破断的"O"型圈形态相似;若存在关键层,受岩层破断角的影响,则会使塌陷型裂缝滞后于煤层开采进度,即存在塌陷型地裂缝滞后角,关键层到基本顶的距离越大,其值越大。

采煤影响下天山北麓潜水资源流失特征

天山博格达峰北麓山前丘陵区潜水资源为当地工农业以及居民生活用水的重要水源,针对该区日益严重的潜水资源流失问题,以铁厂沟河流域潜水含水层为研究对象,采用水文地质测绘、地面高密度直流电法勘探、水文地质钻探以及数值模拟等手段,对沿铁厂沟河流域潜水含水层空间展布与富水性特征、潜水资源的流失途径及流失量进行了研究与分析。结果表明:铁厂沟河与八道湾向斜北翼煤系地层交汇区第四系冲洪积层呈南(上游)厚北(下游)薄的特征,松散层底界标高沿河流方向呈逐渐降低趋势,与山前沟流冲洪积厚度及空间形态特征基本一致;通过抽水试验获得该区潜水含水层单位涌水量q为0.146 L/(s·m),渗透系数K为0.233 m/d,含水层富水性中等;潜水流场以地表塌陷坑为中心呈现出典型的降落漏斗形态,结合塌陷坑内存在流水声现象,分析该塌陷坑区域存在沟通潜水含水层与井下采空区的集中通道;采用FEFLOW数值模拟计算塌陷坑处的潜水漏失量86 m3/h,与井下涌水量实测值基本吻合,进一步验证了第四系潜水通过塌陷坑区集中通道补给井下采空区,使得井下采空区涌水维持稳定;煤矿开采是引发铁厂沟河中下游流域潜水资源流失的主要原因,采动后形成的塌陷裂缝是潜水流失的主要通道,针对塌陷裂缝的工程治理是保护潜水资源的主要途径。

杭来湾煤矿保护煤柱优化设计研究

缺少岩移参数的矿井对保护煤柱宽度的计算主要来自《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的经验公式,但是不同开采条件下保护煤柱的计算结果差异明显,如何合理留设保护煤柱对于提高矿井资源回收利用率和经济效益具有重要意义。杭来湾煤矿30109—30110工作面切眼地表上方有一处陵园,计划将敬天陵园压覆的区域留设保护煤柱,根据以往30101、30107、30108工作面采煤沉陷相关岩移参数,结合相邻回采工作的观测结果,对敬天陵园的最优保护煤柱宽度进行分析和探讨,对矿井今后保护煤柱的留设提供了新的思路和方法。

矿井地表水防治

随着矿井采掘深度的延伸及矿区周边小煤窑越层越界私挖乱采,各类保安煤柱频遭到破坏,地表山体、河道出现塌陷裂缝,导致地表水从塌陷坑、小煤窑井口灌入矿井造成水害事故。为消除隐患,近几年官地矿采取疏堵结合的措施对地表水害进行治理。

涿州市张沉村地质灾害特征及形成机理分析

通过地质灾害勘查工作,查明了地质环境条件,基本查明了张沉村地面塌陷、地裂缝地质灾害特征。进行了资料综合研究基本确定了地质灾害形成机理并进行了形成机理分析。本文详细介绍了张沉村地质环境条件,论述了地面塌陷、地裂缝地质灾害特征及其形成机理分析。

北油河以北河流煤柱裂缝专项处理技术

随着井下采煤工作的进行，对河流保安煤柱也产生了一定的影响。利用堵塞裂缝、修拦水墙、挖沟排洪、充填塌陷区、河流改道、增大煤柱等综合防治措施，有效控制和削弱了采矿对煤柱的破坏程度，取得了较好的防治治理效果。