兖州矿区第四系厚松散层沉降特性研究

摘要

地层沉降是一种世界性地质问题，严重时将成为地质灾害。90％的地面沉降是由于大量开采地下资源（包括地下水、石油、天然气和煤炭等）和进行地下工程不当引起的，如过度地下水开采引起的地层沉陷、城市地下工程（如地铁）引起的基础沉降、矿山开采引起的覆岩和地表塌陷等。我国华东矿区开采以立井为主，立井井筒穿过深厚的第四系松散地层，在煤矿生产过程中立井井筒变形破坏是该地区煤矿安全生产的主要灾害之一，这种地质灾害严重影响了矿井的安全生产。井壁破裂的跟本原因是厚松散层的失水压缩沉降，防治厚松散层压缩沉降变形是预防井筒重复破裂的根本。光纤传感技术在松散层沉降监测中的应用为研究松散层沉降特征，计算和预测松散层沉降变形量提供了可能。对兖州矿区力学特性、变形机制和沉降特征进行研究，为厚松散层因底部疏排水引起的厚松散层主压缩层位及岩性的判定提供了理论基础和工程依据，对于华东矿区厚松散层沉降变形的准确防治、事前预防理井筒破裂具有重要意义。
　　本文针对兖州矿区第四系厚松散层底部疏排水引起的沉降压缩问题，结合厚松散层地质构造、水文动态特征及松散层沉降光纤传感监测，对松散层不同岩性土体的流变特性、沉降机制和松散层沉降特征的相关问题进行了研究，主要开展了以下几个方面的工作：
　　（1）通过兖州矿区第四系厚松散层砂土、黏土、砂质黏土三种岩性土体高压固结试验及砂土粒径筛分试验，研究了厚松散层沉降变形机理。对厚松散层砂土、黏土及砂质黏土蠕变特性进行了研究，建立了不同岩性松散层应力-应变-时间的非线性流变模型，试验反应了松散层具有瞬时弹性和黏滞性，单次加载中弹性变形占总变形比例最大的为砂土、其次为砂质黏土、最小的为黏土，砂质黏土具有明显的弹性后效流变特性；研究了不同应力历史对蠕变特性的影响，土体施加荷载低于预加荷载时的变形速率小于施加荷载高于预加荷载时的变形速率；研究了兖州矿区第四系厚松散层砂土层沉降变形机制，是受颗粒破碎和颗粒滑移的共同作用。
　　（2）采用自主研制的松散层沉降变形物理模型试验装置，实现了注、失水条件下厚松散层分布式沉降变形特征的试验研究。研究了厚松散层注水条件下的沉降特征，获得了松散层注水减沉的相关参数；研究了厚松散层底部疏排水条件下的沉降特征；研究了松散层失、注水下的有效应力增量-应变关系；基于松散层非线性流变本构及应变量模型建立了松散层沉降的经验预测模型，完善了长期以来厚松散层通过“水位降-沉降量（应变）”经验拟合模型对松散层沉降变形特征的部分性表述。模型试验研究表明：注水可以有效改善松散层的应力状态；注水层上部影响高度约为注水水头的0.024倍；注水层下部影响区自底部向注水层位依次发生回弹变形，随注水量增大回弹变形增大；注水层深度应选择受压缩层位以下位置；松散层失水时应力状态由拉应力状态向压应力状态转变；垂向压缩随水位持续降由下组含水层向中组黏土隔水层扩展，不同岩性松散层交界处及注水层位以上区域易产生拉、压应力集中区；松散层注水过程应力-应变曲线呈非线性，失水过程初期黏土层经历1~2 kPa应力松弛。
　　（3）理论推导研究了松散层沉降钻孔植入式光纤光栅监测的应变传递，并通过现场实测进行了松散层应变监测温度补偿。提出了适用于钻孔封装的光纤光栅传感器应变传递假定条件，建立了考虑钻孔半径、封孔材料弹性模量的钻孔植入式的光纤光栅传感器松散层应变传递模型；研究了松散层应变传递与钻孔半径、钻孔封装材料的关系。研究表明：封孔材料弹性模量在8~15 GPa的范围内时可以得到较高应变传递率。
　　（4）以理论及室内试验研究为基础，实测研究了不同水位变化条件下兖州矿区第四系厚松散层沉降变形特征。分析了松散层应变随时间变化关系；研究了厚松散层水位动态与对应层位应变变化关系；研究了厚松散层垂向沉降特征，越靠近基岩松散层压应变越大；提出了厚松散层主压缩层位的判定和预测方法，厚松散层主压缩层位应综合考虑层厚、变形速率及单位变形量因素，以层位沉降值对总沉降量贡献比例为标准进行判定。研究结果表明：松散层具有明显的回弹延后和压缩滞后现象，中组砂质黏土层长期处于蠕变变形阶段，少量水位升引起的回弹变形不能抵消长期蠕变变形；下组黏土层和中组下段砂质黏土层为现阶段主压缩层，研究结果扩展了以往认为华东矿区厚松散层沉降位于下组或下组底含的认识，应重视中组沉降对井筒变形的影响；厚松散层中组下段砂质黏土层和下组底含将是松散层沉降的主要贡献层位；应重视发生蠕变松散层对应深度处井筒的监测和维护。

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主要符号表

1绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3兖州矿区厚松散层沉降研究当前存在的问题及研究意义

1.4本文主要研究内容及研究方法

2第四系厚松散层土体沉降机理研究

2.1试验概况

2.2砂土变形特性研究

2.3黏土变形特性研究

2.4砂质黏土变形特性研究

2.5松散层沉降机制研究

2.6本章小结

3地层沉降变形物理模型试验装置

3.1试验模型设计依据

3.2地层沉降物理模型试验装置系统设计

3.3试验监测系统

3.4试验材料配置及装填

3.5 DOFS空间定位试验

3.6本章小结

4厚松散层沉降试验研究

4.1渗流规律分析

4.2松散层沉降监测研究

4.3松散层沉降特征研究

4.4松散层沉降预测模型

4.5本章小节

5厚松散层沉降光栅传感监测研究

5.1工程概况

5.2松散层沉降光栅监测系统

5.3光纤光栅应变监测的温度补偿研究

5.4应变传递研究

5.5应变监测分析

5.6本章小节

6厚松散层沉降特征研究

6.1水文动态分析

6.2中组沉降特征研究

6.3下组沉降特征研究

6.4垂向沉降特征研究及沉降预测

6.5本章小结

7结论

7.1主要结论

7.2创新点

7.3展望

致谢

参考文献

附录