冀北山地采空塌陷区地质灾害模式及致灾机理

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山地老采空区地面移动变形破坏是地面建筑的主要威胁,因此,如何保证城市建设不受采空区的影响、确保地面建筑的安全性显得极为重要。本文以冀北山地鹰手营子矿区为例,综合采用资料收集、野外地质调查、原位监测、室内试验、数值模拟和理论分析等多种方法和技术手段,对山地老采空区地面地质灾害机理及场地适应性进行分析和评价,取得了如下研究成果:(1)依据冀北山地鹰手营子矿区煤矿开采引起的山地地质灾害的形成机理和分布特征,将山地煤矿老采空区场地破坏致灾模式划分为四类:滑动式致灾模式、拉张式致灾模式、沉陷式致灾模式和垮塌式致灾模式。这四类场地破坏模式分别受控于研究区岩石类型及性质、煤层的倾角、断层和地形及第四系松散层。(2)设计并进行了采空区不同岩性冒落物压实蠕变试验,揭示了老采空区冒落破碎岩石的压实蠕变结构变化过程特征。采空区冒落物压实试验表明破碎岩石压实蠕变过程可分成快速压实阶段、缓慢压实阶段和稳定固结阶段。破碎岩石的蠕变特征受载荷、岩性和岩石粒径的综合影响,荷载越大,岩石蠕变变形量越大,蠕变时间越长;破碎泥岩的蠕变变形量和时间最大,其次是砂泥岩混合体,砂岩最小。蠕变过程中,岩石粒径变化程度受岩性、载荷大小的影响,载荷越大,岩石强度越低,粒径变化越大。(3)模糊综合评价法可以实现对采空区进行地面稳定性评价,将研究区分为不稳定、较不稳定、相对较稳定、相对稳定四类地区。利用研究区的地裂缝分布情况和房屋受损情况进行验证,发现地裂缝的长度、宽度和数量以及房屋受损率逐渐增大,说明模糊综合评价方法的可靠性和评价结果的有效性。(4)通过数值模拟计算,得到研究区域地表沉降量、倾斜值、曲率值和水平变形值,评价了煤电机工业园区的地面稳定性,通过模拟对地面施加荷载的方式对该区域剩余移动变形和上覆岩层“活化”进行了计算和判别,对研究区进行了场地适应性评价,将其划分为场地适应性Ⅰ级、场地适应性Ⅱ级、场地适应性Ⅲ级和场地适应性Ⅳ级。场地适应性Ⅰ级的地区主要位于勘查评价区的西北和东北角;场地适应性Ⅱ级的地区主要位于老一路、中风眼、沙石堆和南环路所围区域;场地适应性Ⅲ级的地区主要位于四层煤出露位置以北及西风眼、中风眼以南所围成区域,以及燕鹰游艺机厂西南和勘查治理区以北所围成区域。场地适应性Ⅳ级的地区主要位于南环路以北及四层煤出露位置以南的区域。本论文图94幅,表格25个,参考文献共237篇。
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