兗州礦區(qū)第四系厚松散層沉降特性研究.pdf

1、地層沉降是一種世界性地質(zhì)問題，嚴(yán)重時(shí)將成為地質(zhì)災(zāi)害。90％的地面沉降是由于大量開采地下資源（包括地下水、石油、天然氣和煤炭等）和進(jìn)行地下工程不當(dāng)引起的，如過度地下水開采引起的地層沉陷、城市地下工程（如地鐵）引起的基礎(chǔ)沉降、礦山開采引起的覆巖和地表塌陷等。我國華東礦區(qū)開采以立井為主，立井井筒穿過深厚的第四系松散地層，在煤礦生產(chǎn)過程中立井井筒變形破壞是該地區(qū)煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，這種地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn)。井壁破裂的跟本原因

2、是厚松散層的失水壓縮沉降，防治厚松散層壓縮沉降變形是預(yù)防井筒重復(fù)破裂的根本。光纖傳感技術(shù)在松散層沉降監(jiān)測中的應(yīng)用為研究松散層沉降特征，計(jì)算和預(yù)測松散層沉降變形量提供了可能。對兗州礦區(qū)力學(xué)特性、變形機(jī)制和沉降特征進(jìn)行研究，為厚松散層因底部疏排水引起的厚松散層主壓縮層位及巖性的判定提供了理論基礎(chǔ)和工程依據(jù)，對于華東礦區(qū)厚松散層沉降變形的準(zhǔn)確防治、事前預(yù)防理井筒破裂具有重要意義。
　　本文針對兗州礦區(qū)第四系厚松散層底部疏排水引起的沉降壓

3、縮問題，結(jié)合厚松散層地質(zhì)構(gòu)造、水文動態(tài)特征及松散層沉降光纖傳感監(jiān)測，對松散層不同巖性土體的流變特性、沉降機(jī)制和松散層沉降特征的相關(guān)問題進(jìn)行了研究，主要開展了以下幾個(gè)方面的工作：
　　（1）通過兗州礦區(qū)第四系厚松散層砂土、黏土、砂質(zhì)黏土三種巖性土體高壓固結(jié)試驗(yàn)及砂土粒徑篩分試驗(yàn)，研究了厚松散層沉降變形機(jī)理。對厚松散層砂土、黏土及砂質(zhì)黏土蠕變特性進(jìn)行了研究，建立了不同巖性松散層應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間的非線性流變模型，試驗(yàn)反應(yīng)了松散層具有瞬時(shí)

4、彈性和黏滯性，單次加載中彈性變形占總變形比例最大的為砂土、其次為砂質(zhì)黏土、最小的為黏土，砂質(zhì)黏土具有明顯的彈性后效流變特性；研究了不同應(yīng)力歷史對蠕變特性的影響，土體施加荷載低于預(yù)加荷載時(shí)的變形速率小于施加荷載高于預(yù)加荷載時(shí)的變形速率；研究了兗州礦區(qū)第四系厚松散層砂土層沉降變形機(jī)制，是受顆粒破碎和顆?；频墓餐饔谩?br>　?。?）采用自主研制的松散層沉降變形物理模型試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了注、失水條件下厚松散層分布式沉降變形特征的試驗(yàn)研究。研

5、究了厚松散層注水條件下的沉降特征，獲得了松散層注水減沉的相關(guān)參數(shù)；研究了厚松散層底部疏排水條件下的沉降特征；研究了松散層失、注水下的有效應(yīng)力增量-應(yīng)變關(guān)系；基于松散層非線性流變本構(gòu)及應(yīng)變量模型建立了松散層沉降的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測模型，完善了長期以來厚松散層通過“水位降-沉降量（應(yīng)變）”經(jīng)驗(yàn)擬合模型對松散層沉降變形特征的部分性表述。模型試驗(yàn)研究表明：注水可以有效改善松散層的應(yīng)力狀態(tài)；注水層上部影響高度約為注水水頭的0.024倍；注水層下部影響區(qū)自底

6、部向注水層位依次發(fā)生回彈變形，隨注水量增大回彈變形增大；注水層深度應(yīng)選擇受壓縮層位以下位置；松散層失水時(shí)應(yīng)力狀態(tài)由拉應(yīng)力狀態(tài)向壓應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變；垂向壓縮隨水位持續(xù)降由下組含水層向中組黏土隔水層擴(kuò)展，不同巖性松散層交界處及注水層位以上區(qū)域易產(chǎn)生拉、壓應(yīng)力集中區(qū)；松散層注水過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈非線性，失水過程初期黏土層經(jīng)歷1~2 kPa應(yīng)力松弛。
　?。?）理論推導(dǎo)研究了松散層沉降鉆孔植入式光纖光柵監(jiān)測的應(yīng)變傳遞，并通過現(xiàn)場實(shí)測進(jìn)行了松

7、散層應(yīng)變監(jiān)測溫度補(bǔ)償。提出了適用于鉆孔封裝的光纖光柵傳感器應(yīng)變傳遞假定條件，建立了考慮鉆孔半徑、封孔材料彈性模量的鉆孔植入式的光纖光柵傳感器松散層應(yīng)變傳遞模型；研究了松散層應(yīng)變傳遞與鉆孔半徑、鉆孔封裝材料的關(guān)系。研究表明：封孔材料彈性模量在8~15 GPa的范圍內(nèi)時(shí)可以得到較高應(yīng)變傳遞率。
　?。?）以理論及室內(nèi)試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，實(shí)測研究了不同水位變化條件下兗州礦區(qū)第四系厚松散層沉降變形特征。分析了松散層應(yīng)變隨時(shí)間變化關(guān)系；研究了厚

8、松散層水位動態(tài)與對應(yīng)層位應(yīng)變變化關(guān)系；研究了厚松散層垂向沉降特征，越靠近基巖松散層壓應(yīng)變越大；提出了厚松散層主壓縮層位的判定和預(yù)測方法，厚松散層主壓縮層位應(yīng)綜合考慮層厚、變形速率及單位變形量因素，以層位沉降值對總沉降量貢獻(xiàn)比例為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定。研究結(jié)果表明：松散層具有明顯的回彈延后和壓縮滯后現(xiàn)象，中組砂質(zhì)黏土層長期處于蠕變變形階段，少量水位升引起的回彈變形不能抵消長期蠕變變形；下組黏土層和中組下段砂質(zhì)黏土層為現(xiàn)階段主壓縮層，研究結(jié)果擴(kuò)展了