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陷落柱活化导水机理研究
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摘要
陷落柱是发现于我国华北地区的一种特殊的地质现象,导水陷落柱是矿井生产极大的水害威胁。但是目前对陷落柱形成的具体过程和力学机理以及陷落柱在弱径流条件下的活化导水的机理、煤矿开采对陷落柱活化导水的影响等,都未有深入的研究。本文采用有关力学理论和数值方法,研究了陷落柱的形成机理和活化导水机理:
     运用弹塑性理论、岩石力学理论、断裂力学理论及极限平衡原理,研究了陷落柱形成的基础、形成过程,认为:溶洞顶板边缘的裂隙扩展形成一个周边破坏带的判据为(-3qz/2h~3)a~2πl~(1/2)≥K_(IC);溶洞顶板形成分离体,在重力作用下分离体开始塌陷的判据为2cb+2λρgtanφhb<(hρg-P_0)γ,该判据表明陷落顶板的塌陷与溶洞大小、顶板厚度、上覆岩层的压力、岩石性质等因素有关;溶洞顶板持续塌陷会形成陷落柱。
     在分析陷落柱的柱体不同层段的阻水性能的基础上,根据弹塑性理论、岩石力学理论研究了陷落柱柱体及其周边的应力分布,求出了在自身重力、围岩应力、地下水压力作用下的陷落柱柱体内的应力分布公式(3.3)、(3.4)、(3.20)、(3.21)、(3.27)、(3.28);根据不同的阻水层段的性质和可能破坏导水的不同部位,分别求得了陷落柱柱体的不同的破坏导水判据:
     (松散裂隙层破坏导水判据)
     2cb+2σ_(rb+z)tanφb<(p_0-ρgh)r (泥石胶结层与周边错位导水判据)
     (泥石胶结层中心剪切破坏导水判据)并得出了陷落柱柱体活化导水的必要条件及如何判别陷落柱体是否导水的步骤。
     通过断裂力学理论和裂隙渗流理论研究了陷落柱周边裂隙带内的裂隙在水压力作
In north China coal fields, there are many Karstic Collapse columns, a small number of Karstic Collapse columns possesses water permeability to threaten safety.But formation mechanism of Karstic Collapse columns 、 karst Collapse Column reactivation-induced water -conducting in the condition of weak runoff 、the influence to karst Collapse Column reactivation-induced water -conducting by exploitation were not studay deeply. This paper using some theory of mechanics and numerical simulation to study the mechanism of formation and reactivation-induced water -conducting of karst Collapse Column.
    Using principle of elasticity mechanics、 rockmass mechanics、 fracture mechanics, The base and the process of Karstic Collapse columns formation were studyed . the author considers that: The criterion of cracks on edge of crest slab expanded to form perimeter
    vandalizatation zone is ; Acted by gravity, the crest slab of cave would formed separation , and the criterion of separation collapsed is 2cb + 2λρg tanφhb < (hρg -P_0)r.
    It showed that the crest slab of cave collapsing are relative with size of cave、thickness of crest slab、the press by overlying rock formation and its character. The collapse continued formed karst collapse column.
    On the base of studying water-resisting ability of different layer of Karstic Collapse columns,according elasticity mechanics、rockmass mechanics analyzed the stress distribution of Karstic Collapse columns and its around. Derive the stress distribution formula by gravity、 country rock stress and ground water stress are (3.3)、(3.4)、(3.20)、(3.21)、 (3.27)、(3.28); According to water-resisting ability of different layer and each part of probably reactivation-induced water -conducting , criterion of reactivation-induced water -conducting of the different part of Karstic Collapse columns are :.
引文
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