厚松散層厚堅(jiān)硬巖層下地表裂縫形成機(jī)理分析.pdf

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1、總第144期doi：10．3969／j．issn．1005—2798．2011．08．025厚松散層厚堅(jiān)硬巖層下地表裂縫形成機(jī)理分析劉智，肖民(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢430000)摘要：對(duì)厚松散層、厚堅(jiān)硬巖層給出了明確的定義；ft析了在采動(dòng)影響下地表裂縫的形成機(jī)理，總結(jié)了影響厚松散層地表裂縫破壞程度的主要影響因素，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，論證了厚堅(jiān)硬巖層對(duì)地表裂縫發(fā)展的控制作用。為地表建筑物保護(hù)，礦區(qū)環(huán)境保護(hù)提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：厚松散層；厚堅(jiān)硬巖層；地表裂縫；形成機(jī)理中圖分類號(hào)：TD3

2、25；TD322．4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1005．2798(2011)08—0058-03在我國西部地區(qū)厚黃土層厚堅(jiān)硬巖層覆蓋礦區(qū)和屬于早更新世的午城黃土。這類形成年代久遠(yuǎn)的占西部地區(qū)礦井開采面積的60％以上，涵蓋了陜老黃土土質(zhì)密實(shí)，顆粒均勻，無大孑L或略具大孔結(jié)西、山西、甘肅、寧夏等地區(qū)。其主要礦區(qū)有陜西澄構(gòu)，一般不具有濕陷性或僅具輕微濕陷性。合、蒲白、銅川、黃陵、旬耀、彬長(zhǎng)、子長(zhǎng)礦區(qū)，山西霍對(duì)于松散層多厚可以冠以“厚”，目前并沒有一州、汾西、離柳、大同、晉城、潞安礦區(qū)，甘肅的華亭礦個(gè)確切的定義。根據(jù)我

3、國大部分礦區(qū)的實(shí)際情況及區(qū)等。隨著這些地區(qū)的大規(guī)模開發(fā)，對(duì)環(huán)境和資源一些專家學(xué)者的研究，認(rèn)為：厚度超過50m的表土的損害愈來愈嚴(yán)重，使西部地區(qū)本來就十分脆弱的層可以稱作厚松散層；厚度超過100m的表土層，就生態(tài)環(huán)境雪上加霜。在巨厚黃土覆蓋層條件下，采可以稱作巨厚松散層J。動(dòng)引起地表塌陷及裂縫破壞，不但損壞地面建筑物，在我國工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB50218—94)中，而且造成大面積農(nóng)田損毀、森林植被破壞，水土流失巖石的堅(jiān)硬程度采用巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度()加劇、荒漠化程度提高。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，全國平均來衡量。當(dāng)無

4、條件取得(R)時(shí)，亦可實(shí)測(cè)巖石的點(diǎn)每采出1萬t煤造成地表塌陷面積0．2hm，而陜西載荷強(qiáng)度指數(shù)(，s(。))進(jìn)行換算(，s(。))指直徑蒲白、澄合、銅川礦區(qū)每采出1萬t煤造成地表塌陷50mm圓柱形試件徑向加壓時(shí)的點(diǎn)載荷強(qiáng)度)，R面積0．42hm。每年因采動(dòng)地表裂縫毀壞大量的與(Is、)的換算關(guān)系見下式：農(nóng)田、林木等，經(jīng)濟(jì)損失巨大。因此，厚松散層厚堅(jiān)Rc=22?8o．1os．(755o)(1)硬巖層條件下地表裂縫形成機(jī)理的研究對(duì)礦區(qū)環(huán)境R與定性劃分的巖石堅(jiān)硬程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見保護(hù)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。表1。1厚松散

5、層、厚堅(jiān)硬巖層的定義表1R與定性劃分的巖石堅(jiān)硬程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系j三：：!：三厚松散層是指第三系和第四系的含水土層，它堅(jiān)硬程度堅(jiān)硬巖較堅(jiān)硬巖較軟巖軟巖極軟巖是第三紀(jì)、第四紀(jì)以來所沉積成層、尚未固結(jié)的硬化成巖的疏散層沉積物，是堅(jiān)硬巖石經(jīng)過侵蝕、搬運(yùn)和依據(jù)沉積巖的特性及前人的研究成果認(rèn)沉積等一系列地質(zhì)作用和變化后形成的，其性質(zhì)由為：對(duì)于同一巖性在某一層位上，厚度超過15m，單于形成的時(shí)間、地點(diǎn)和環(huán)境的不同而有所差異。在軸抗壓強(qiáng)度超過40MPa時(shí)，可稱作為厚堅(jiān)硬巖層。一定壓力下受水浸濕，土結(jié)構(gòu)迅速破壞，并發(fā)生顯著2采動(dòng)

6、影響下地表裂縫的形成機(jī)理附加下沉的黃土稱濕陷性黃土，它主要屬于晚更新世的馬蘭黃土以及屬于全新世的黃土狀土。這類土采動(dòng)影響下，在采空區(qū)中央，采空區(qū)邊緣，以及為形成年代較晚的新黃土，土質(zhì)均勻或較為均勻，結(jié)煤壁前方等區(qū)域，由于控制地表移動(dòng)變形的關(guān)鍵層構(gòu)疏松，大孔發(fā)育，有較強(qiáng)烈的濕陷性。在一定壓力(厚堅(jiān)硬巖層)發(fā)生斷裂破壞，導(dǎo)致其上覆土體將發(fā)下受水浸濕，土結(jié)構(gòu)不破壞，并無顯著附加下沉的黃生不均勻的沉降，土體中將發(fā)生剪切破壞或拉伸破土稱非濕陷性黃土，一般屬于中更新世的離石黃土壞，因而產(chǎn)生裂縫。根據(jù)裂縫分布位置不同，主要

7、表收稿日期：2011-03-28作者簡(jiǎn)介：劉智(1982一)，男，陜西洋縣人，碩士，助理工程師，主要從事采動(dòng)損害及保護(hù)方面的研究。582011年8月劉智等：厚松散層厚堅(jiān)硬巖層下地表裂縫形成機(jī)理分析第20卷第8期現(xiàn)形態(tài)為：采空區(qū)中央的縱向裂縫、采空區(qū)邊界上橫載力，故傳遞到地表的移動(dòng)破壞強(qiáng)度就大，地面破壞向裂縫、與采空區(qū)邊界斜交裂縫。裂縫可以是貫穿比較嚴(yán)重。與采場(chǎng)上覆巖土體的，也可以是局部的。1)黃土層中垂直裂隙發(fā)育導(dǎo)致其抗拉伸能力低。厚松散層中(尤其是濕陷性黃土中)存在貫通性好的垂直裂縫，這些垂直裂縫在土層中形

8、成了結(jié)構(gòu)弱面，如圖1(a)所示。受采動(dòng)影響，這些弱面迅速擴(kuò)展溝通，形成了聯(lián)通性較強(qiáng)的溝通裂隙，這些(a)濕陷性黃土中的垂直裂隙(b)拉伸引起的地表裂縫。裂隙阻滯了土層中的移動(dòng)變形向外繼續(xù)傳遞，而變成集中釋放拉伸變形的載體并使得裂縫不斷地?cái)U(kuò)張加寬。在煤礦采空區(qū)附近，受采動(dòng)影響，存在拉應(yīng)力區(qū)，處于該區(qū)的弱面在拉伸變形作用下使得垂直裂隙溝通擴(kuò)張，在裂縫中釋放水平移動(dòng)與水平變形，形(c)剪切引起的地表裂縫(