采空区埋地管道摩擦力受力变形分析

本文以山西某输气管道煤矿采空塌陷为研究对象,通过建立管道穿越采空沉降区的力学模型及定量分析方法,计算管沟土体摩擦力产生的轴向拉伸应力,将其与管道屈服强度进行对比,分析黄土地区埋地输气管道在采空塌陷地质灾害影响下,受到周围土体的摩擦力后对管道产生的轴向拉伸作用及变化特征,在此基础上判定管道的安全状态,制定应急措施。在实际工程中,根据地面调查及受力分析计算结论,现场及时采取了开挖管沟解除土体约束等应急处置措施,避免了重力及摩擦力作用使管体发生屈服变形,有效控制了因煤矿采空塌陷对该条输气管道造成的安全危害。     

采空塌陷区管道成灾机理分析及工程防治措施

由地下采空造成地面突然塌陷而构成对管道工程的危害是最严重的管道地质灾害之一。通过对地下采空产生的地表移动和变形对管道的影响和损害的讨论,分析了采空塌陷对管道的危害特征。在分析矿区地表移动与覆岩的破坏规律和采场采动影响下覆岩破坏规律的基础上,研究了采空塌陷区管道成灾机理及影响因素。然后提出了采空区输气管道安全保护措施,对采空塌陷区的油气管道完整性管理工作具有指导意义。     

基于光纤传感及数字图像测试的管-土相互作用试验研究

我国城市化、工业化进程对地下管线的依赖性和需求越来越强,但是近年来相关的重大安全事故频发,亟待加强对管道破坏机理及管-土相互作用的研究。本文基于准分布式光纤布拉格光栅(FBG)技术,在室内开展了一系列平面应变模型试验,利用光纤应变传感器监测了地表加载作用下埋地管道的受力变形特征,据此提出了由应变测值反演管周土压力的计算方法;同时,利用粒子图像测速(PIV)技术获取了管道周边土体的变形规律,并和光纤监测结果进行了对比分析。试验结果表明:采用FBG传感技术,可以有效获取管周土压力分布及土体应变的演化过程;不同埋深率情况下管周土体的变形破坏模式有较大的不同,土拱效应随管道埋深增大而变得更加显著。相关结论为进一步认识埋地管道的灾变机理、提高监测预警水平,提供了一定的参考。     

地铁车站洞桩法施工对地层和刚性接头管线的影响

洞桩法能够较好地控制地层变形和对周边既有建（构）筑物的影响,目前已成为北京地铁暗挖车站施工的主流工法。以北京地铁10号线黄庄站工程为背景,基于地表和管线沉降的实测数据,建立“隧道-管道-土体”的三维有限元计算模型,研究了洞桩法车站施工对地层的影响,并从沉降、变形和管-土相互作用等方面系统研究了施工对邻近刚性接头管道的影响。研究结果表明,洞桩法车站施工中导洞和扣拱施工是关键工序,这两个工序引起的地表沉降占总沉降的90%以上;刚性接头管道的沉降、变形及管道-土体差异沉降与管道和隧道相对位置关系密切相关,主要受其正下方土体开挖影响;管道变形由整个管体共同承担,地层位移使管道产生弯曲和轴向变形,建议采用应变作为管道变形控制标准。     

不同沉降方式下埋地管道力学响应试验研究

地层塌陷和沉降引发的埋地管道事故频发,亟需开展不同沉降作用下力学响应试验研究。针对地层塌陷和沉降作用下油气埋地管道的管周应变、土压力和土体变形开展了系统研究。研究发现：地层塌陷和沉降过程中,受管顶土拱效应影响,管道应变及土压力随塌陷区扩展先增大后减小,随沉降区扩展而增大,塌陷和沉降区内,管道沿轴向呈两端凸起、中间下凹的“马鞍形”;管道变形受沉降影响更为显著,当塌陷和沉降量均为50 mm时,与地层塌陷相比,管道在沉降过程中顶部、底部和中部的最大应变值分别增加了18.8%、249%和273%;对比管周土压力增大和减小区域的面积之比λ可知,地层沉降较塌陷λ提高了78%,因此,管道在地层沉降过程中承受更大的作用力。基于修正Marston土压力计算模型,提出了地层沉降过程中管顶竖向土压力计算方法,并采用模型试验结果验证了该方法的准确性。     

覆盖型岩溶土洞对地下水升降作用的响应及其塌陷演化过程研究

福建省岩溶塌陷地质灾害发育,其发育程度仅次于滑坡、崩塌地质灾害。为研究岩溶塌陷的演化过程,本文以福建省典型覆盖型岩溶塌陷为研究对象,现场采取了覆盖层土样,在自制的物理模型箱中布设光纤光栅应变传感器、孔隙水压力计、沉降计等监测仪器获取不同条件下覆盖层土体的应力-应变信息,分析了覆盖层土体的响应情况,研究了典型覆盖层岩溶塌陷的发展演化过程。研究结果表明：(1)第四系覆盖层孔隙水位升降作用下,土层的孔隙水压力值基本呈等幅变化,底层土体变形最弱,顶层土体变形最大,两者的应变差值最大可达5倍。水位升降对土洞周围土体的破坏较小,土洞尚未形成。(2)岩溶水水位反复升降的过程中,孔隙水压力的增减与渗流水位变化同步;同一水平面上越靠近溶洞的土体产生的应变越大,且土层越高,应变差值越大,顶层土体应变差值达2000με。土洞顶板变形在水动力作用与真空吸蚀作用下不断向上发展,当变形发展超过临界土洞高度40 cm时,形成地面塌陷。(3)典型覆盖型岩溶塌陷演化过程可划分为土洞发育-覆盖层内部塌陷-地表塌陷3个不同阶段。(4)闽西南岩溶土洞塌陷大多发生于山间盆地河谷两侧地下水强径流排泄区,覆盖层厚度较大,多为第四系...     

基于InSAR监测数据的石膏矿采空塌陷特征分析——以邳州平台矿和希州矿为例

石膏是一种重要的矿产资源,但石膏矿的大量开采会产生严重的采空塌陷隐患。目前关于石膏矿采空塌陷的研究多集中于采空区矿柱和护顶层的稳定性等方面,有关矿区采空塌陷地表变形及监测预报方面的研究甚少,也缺乏有效的研究方法。针对石膏矿开采后地面变形特征及塌陷特征研究,通过对矿区InSAR监测数据进行地表变形分析,确定了采空塌陷前的地表变形特征。根据邳州平台矿和希州矿2007—2018年InSAR监测数据进行计算分析,可以看出地面塌陷前,地表存在早期缓慢变形,可根据变形量及范围判断塌陷类型及范围。对InSAR监测数据的计算和分析可为矿区地面塌陷地质灾害的监测、预报及防治提供数据资料与科学依据。     

基于InSAR监测数据的石膏矿采空塌陷特征分析——以邳州平台矿和希州矿为例

石膏是一种重要的矿产资源,但石膏矿的大量开采会产生严重的采空塌陷隐患。目前关于石膏矿采空塌陷的研究多集中于采空区矿柱和护顶层的稳定性等方面,有关矿区采空塌陷地表变形及监测预报方面的研究甚少,也缺乏有效的研究方法。针对石膏矿开采后地面变形特征及塌陷特征研究,通过对矿区InSAR监测数据进行地表变形分析,确定了采空塌陷前的地表变形特征。根据邳州平台矿和希州矿2007—2018年InSAR监测数据进行计算分析,可以看出地面塌陷前,地表存在早期缓慢变形,可根据变形量及范围判断塌陷类型及范围。对InSAR监测数据的计算和分析可为矿区地面塌陷地质灾害的监测、预报及防治提供数据资料与科学依据。     

地面塌陷分布式光纤感测模型试验研究

突发性地面塌陷对城市安全构成巨大威胁,掌握塌陷土体变形过程对地面塌陷事故的预测预报至关重要。基于分布式光频域反射（optical frequency domain reflectometry,简称 OFDR ）和粒子图像测速（particle image velocimetry,简称 PIV）技术,开展了地面塌陷模型试验,研究了塌陷过程中土体沉降的时空分布规律,并探究了不同应变感测光缆锚固方式对光纤监测结果的影响。结果表明：光纤应变监测曲线准确地反映了不同塌陷阶段上覆土体的变形状态,揭示了土体内部应变的演化机制;在光缆上设置圆片锚板,可以有效增强光缆与土体界面的耦合变形程度;在一定的埋置深度下,随着锚板尺寸的增大,光缆与土体间的变形协调性越好。研究结果显示,分布式应变传感技术在地面塌陷变形监测中具有较好的适用性,为该类地质灾害的早期识别提供了一种有力的工具。     

采空塌陷区地表建筑物变形特征分析及破坏机理研究

采空区建筑物的变形特性研究,一直是采空塌陷灾害的一个重要方向。本文以北京市房山区史家营乡大村涧村采空塌陷为背景,在充分分析采空区上方建筑物砖墙上裂缝形态及分布规律的基础上,从建筑物受力方面探讨了裂缝产生的原因,并采用数值模拟方法对采矿影响下建筑物的变形破坏机理进行浅析,研究结果不仅可为建筑物加固和维修提供依据,还可为采空塌陷区治理提供参考。     

无人机在矿区表土特征及地质灾害监测中的应用

随着无人机的出现和发展,各种传感器的小型化和智能化程度不断提高,装载传感器的无人机成为获得空间数据的高效工具。因其成本低、重访周期短、快速高效、质轻灵活、操作简便、影像获取时空精度高等特点,广泛应用于矿区土地损伤监测。以“无人机(UAV)、反演(Inversion)、土壤监测(Soil Monitoring)、地表塌陷(Surface Collapse)、地裂缝(Ground Fissure)”为关键词,通过总结Web of Science、知网、谷歌学术等检索系统中2010年1月—2021年5月发表的学术论文,对比分析无人机监测技术与其他监测技术的差别,综述无人机监测矿区重金属、土壤含水率、含盐量、地表塌陷、地裂缝及边坡稳定性的一般流程及数据处理方法,并概述无人机在矿区表土特征及地质灾害监测中的应用前景,认为未来可通过集成野外时序跟踪调查、高精度土壤质量监测技术、高空间分辨率无人机监测技术、数字模拟手段和典型工作面的试验监测与分析,研究工作面自开切眼至停采线动态推进中地质灾害与土壤质量演化耦合关系,构建采煤沉陷区土壤质量演化预测理论体系和时序演变模型。从而进一步探讨矿区土壤质量与地质灾害之间的关系,提出减缓、控制及提升矿区土壤质量的措施,为我国煤炭生产基地煤炭资源开采与生态环境的协调可持续发展提供技术支撑。      

佛山地铁塌陷InSAR时序监测及机理分析

2018年2月7日,位于广东省佛山市禅城区的地铁2号线在盾构施工中发生塌陷事故,造成11人死亡、1人失踪、8人受伤,直接经济损失超过5000万元。为深入分析此次事故成因,本文基于自2017年3月~2019年1月期间的56景Sentinel-1A数据,利用SBAS-InSAR技术获取了研究区的时空形变信息。结果发现塌陷区及其附近区域在监测期间存在持续的地面沉降,形变速率达到30 mm·a-1以上。通过对事发地的实地调查和形变特征分析,并结合当地地质资料推测了塌陷形成的机理:供水管道下方的软土存在不均匀沉降,使水管产生裂缝导致管道内水外渗,进而致使还未达到胶装凝固点的管片产生裂缝,最终引起隧道和地面坍塌。研究结果可以为今后盾构施工中塌陷的监测和预警工作提供理论依据。     

采煤扰动对土壤理化性状影响及微生物群落响应机制

采煤造成黄河流域一带生态环境问题日趋严重。为了探明采煤扰动对黄河流域一带土壤因子及微生物群落的扰动特征,阐明采煤沉陷边缘区域与未开采区域土壤微生物群落的差异性,以内蒙古上湾煤矿为研究区,选择以沉陷边缘区作为起始区域(HD),向未开采区进行等距取样。选择距沉陷边缘区150(D1)、300(D2)、450(D3)、600(D4)及750 m(D5)作为采样点,测定营养指标、土壤酶及土壤C∶N∶P化学计量特征3种土壤因子和微生物群落特征。结果表明,边缘沉陷区与未开采区土壤因子及微生物多样性的差异主要集中在距边缘沉陷区较近(小于300 m)的未开采区。在靠近边缘沉陷区,全氮、土壤有机质含量以及细菌丰度产生不同程度下降,速效钾、碳氮比(C/N)、蔗糖酶及磷酸酶活性有不同程度上升。群落组成方面,酸杆菌门(Acidobacteria)相对丰度在未开采区随距离呈现先增大后降低趋势,绿弯菌门(Chloroflexi)表现为边缘沉陷区高于未开采区;Phaeosphaeriaceae、毛壳菌科(Chaetomiaceae)相对丰度表现为边缘沉陷区显著高于未开采区。研究发现,边缘沉陷区对未开采区的影响主要集中...     

采动及渗流作用下隔水土层破坏规律研究

为了研究土层隔水层在采动及渗流作用下的破坏规律,采用了固-液耦合相似材料模拟试验研究和土层破坏理论分析。试验表明,在采用的长壁间隔式开采中,浅埋煤层中的组合关键层破断后进入裂隙带,隔水土层协调运动进入弯曲下沉带。该开采方法改变了岩层的运动破坏规律,抑制了采动裂隙在隔水土层中的发展,避免了导水裂隙与含水层贯通,达到了保护土层的采动隔水性目的。土层变形、破坏理论分析表明,组合关键层的破断距亦即对应土层的跨距,在弯曲下沉过程中没达到变形破坏极限跨距,不会产生导水裂隙,满足保持隔水性能的判据。现场开采实践证明,试验工作面开采后未出现潜水渗漏。该方法并已成功实现多个工作面的保水开采。     

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δ18O和δ2H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。      

神东矿区地表移动参数变化规律及影响机制

我国西部矿区普遍具有资源储量大、埋藏浅、覆岩结构简单等特点,采矿活动对地表影响明显。为研究神东矿区地表移动参数变化规律,首先基于大柳塔矿22201工作面实测数据分析其地表动态变形规律,再采用神东矿区18个工作面的实测数据,获得地表移动参数与地质采矿条件之间的对应关系,并分析地质采矿条件对地表移动参数的影响机理。研究表明:神东矿区煤层开采地表沉陷速度快、衰退期短,最大下沉速度达643.3 mm/d,活跃期下沉量占总下沉量的99.05%;下沉系数与松散层采深比呈先增大后减小的二次函数关系,水平移动系数、主要影响角正切分别与（采高×开采速度）/（宽深比×基岩厚度）、基岩厚度×开采速度/（采深×采高）呈先减小后增大的二次函数关系;边界角、裂缝角与松散层采深比呈正线性关系,移动角与基岩采深比成正比,与采高、开采速度成反比;基岩承载松散层荷载及松散层拱效应的变化是导致地表移动参数变化的根本原因。研究成果对西部矿区地表破坏控制与治理、矿井生产安全保障及生态环境修复具有工程实用价值。      

山西阳泉矿区刘村采煤塌陷机理及数值模拟

选取山西阳泉矿区单煤层开采引发的强烈地面塌陷作为研究对象,在详细介绍刘村采煤塌陷所处地质环境背景及其发育变形特征的基础上,根据区域岩体工程地质特征,将其划分为12层岩组;运用关键层、复合关键层理论对采煤塌陷机理进行了分析,获取Hoek-Brown岩体力学参数;采用Flac5.0 Extrusion对刘村采煤塌陷坑进行了反演模拟。数值模拟反映各阶段采动裂缝在地表的发育分布情况并计算了最终沉降量,覆盖层裂缝自然修复周期为2个月,基岩裂缝自然修复周期为3个月;采动裂缝最终在平面上呈“θ”形,塌陷中心1和塌陷中心2最终沉降量分别达到4.5 m和4 m,塌陷面积是工作面面积的1.85倍。模拟结果与调查监测数据高度吻合,客观地反映了地表变形和深部覆岩塌陷的发展变化过程,为塌陷机理分析起到了帮助作用。该套岩体力学参数与模拟方法适用于阳泉矿区采煤塌陷精准预测。     

采煤沉陷对风沙区土壤非饱和水分入渗的影响

为研究采煤沉陷后风沙区土壤水分入渗变化规律,通过定水头注水结合入渗湿润峰测定的方法,对毛乌素沙地南缘补连塔矿区沉陷于2004、2005年的2个沉陷区土壤水分非饱和入渗变化进行研究,结果表明,垂直入渗观测时段(入渗开始后0~175 min)后期,与坡面剖面相比,丘间低地较多剖面垂直湿润峰的间距明显较大,垂直入渗持续能力较强。2004年沉陷区坡面未裂处平均垂直入渗速率、第175 min垂直入渗深度显著超过对照区坡面(P<0.05),2005年沉陷区坡面未裂处平均侧渗速率显著超过对照区坡面(P<0.05)。沉陷区丘间低地垂直入渗速率在入渗10 min左右前期升高后期降低,侧渗速率在入渗10~12 min的前期升高后期降低;沉陷区坡面垂直入渗速率、侧渗速率在大部分观测时段内升高。因子分析表明沉陷区入渗特征是丘间低地垂直入渗偏强,坡面侧渗偏强。     

开采沉陷数值计算的空间效应和层面效应分析

数值计算结果的实用性主要取决于模型和参数的选取。在相同地质、开采条件下，笔者探讨了平面模型与三维模型、设置弱面与不设置弱面、弹性与弹塑性等不同状态对矿山开采沉陷计算结果的影响，通过计算模型之间的对比，分析了空间效应、层面效应等对计算结果的影响程度和原因。其结论对今后矿山开采沉陷数值计算具有参考价值。     

基于均匀化理论的土石混合体应力应变关系

将土石混合体等效为理想的二元介质混合材料,假定块石元为理想的脆弹性材料,土体元为典型的弹塑性材料。选取邓肯-张模型定义土体的本构关系,引入块石元局部应变系数建立土石混合体代表单元体积平均应变与其中块石元、土体元微应变的桥联关系。通过均匀化理论对土石混合体代表单元的一般应力应变关系进行了详细探讨。选取广东省云罗高速高填路基土石混填料中的残积粉质粘土,通过室内常规三轴压缩实验对土体邓肯-张模型的参数进行标定,描绘出不同围压及不同含石率条件下土石混合料一般应力应变关系曲线图。结果表明,均匀化理论得到的函数关系式能够较好地反映土石混合体在不同条件下的一般应力应变关系。随着土石混合体含石率的提高其抗剪能力显著增加,但当含石率小于0.3时,块石元的增强效应并不明显。