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光明,叫海波呗,李芦媛吴,辛他,本杜, ”分析影响因素对薄基岩上覆土层的稳定性基于裂纹Development-Closure测试”,土木工程的发展, 卷。2019年, 文章的ID3648650, 20. 页面, 2019年。 https://doi.org/10.1155/2019/3648650
分析影响因素对薄基岩上覆土层的稳定性基于裂纹Development-Closure测试
光明吴
,1
cata呗,1
李芦媛吴,1
辛他,1
和
本杜1,2
1地质力学与地下工程国家重点实验室,中国矿业大学&技术,徐州,江苏221116年,中国
2江苏职业建筑技术学院,徐州,江苏221116年,中国
文摘
阻水性能的粘土层底部的新生代表土在中国是一个重要的因素影响薄基岩煤层开采的安全。粘土已改造属性与脆性岩石裂缝的不可逆的特性不同,在粘土和失败裂缝可以再次接通或继续扩大的影响下不同的外部因素。在这部作品中,土层薄基岩之上的研究对象,和粒子的影响成分,含水量、土层厚度、裂缝宽度和裂缝development-closure土层的状态由正交试验分析方法。视觉分析显示的顺序每个因素对土层的稳定性的影响是裂缝宽度,粒子组成、土层厚度和水分含量。土层的稳定性随裂缝宽度增加,含砂量和减少土层厚度;此外,土层稳定性降低,然后随含水量增加而增大。进一步的方差分析表明,裂缝宽度和粒子成分是关键因素,影响土层的稳定性和土层厚度有一定的影响,而含水量对土层的稳定性没有影响。此外,裂缝将再次接通时,土壤中含砂量小于50%,裂缝宽度小于或等于1.0毫米,土层是倾向于进一步失败当土壤中含砂量超过50%,裂缝宽度大于或等于3.0毫米;当土层厚度是15.0厘米,其稳定性比当土层厚度是10.0厘米或5.0厘米。
1。介绍
等环境问题,水资源短缺和煤炭开采造成的表面退化,越来越突出,成为中国煤炭开采强度增加。上述在中西部地区尤其如此,地下潜在的水资源新生代表土中广泛分布。损坏地下潜在的水资源在煤层开采过程中尤为明显(1- - - - - -4]。因此,思想和方法,如“绿色煤炭开采(5- - - - - -7)”和“共存的煤和水(8- - - - - -11),”。这些思想和方法提供了保护地下潜在的水资源的新方法。
寻找具体问题的解决办法,如维护煤层的安全开采和研究粘土的阻水机制,国内外学者已经进行有用的研究通过建立安全评价方法,进行实地测量,数值模拟运行。例如,风险的概念松散多孔含水层突水系数和粘土的底部可以使用四元系统,提出了开采保护层的一部分(12- - - - - -15]。这些研究提供指导以提高薄基岩下煤层开采的程度。
同时,许多研究也一直在进行水资源保护的过程中挖掘煤炭资源。煤炭开采对地下潜在的水资源被分为四类,即严重的,温和的,轻微的,和没有水损失,和一个aquifer-protection挖掘技术可以成功地应用通过修改一些采矿参数,如矿业高度或掘进速度。此外,地下潜在的水资源保护的关键因素是风化基岩厚度立即位于含水层(以下16- - - - - -20.]。采矿活动不仅会导致表层和次表层的水分流失也化学、微量金属,和微生物污染的表层和次表层水(21- - - - - -25]。
水流区骨折通常可以穿透薄基岩在开采煤层薄基岩。此时,粘土层底部的新生代表土成为一个重要的阻水结构和扮演重要的角色在预防多孔含水层中的水和潜水含水层从流动到工作面(26]。此外,属性、分布特征和采矿失败粘土的特性有重要的影响其阻水性能(27- - - - - -30.]。与发展的干裂纹或裂纹的发展在山坡上,挡土墙和其他土壤工程结构(31日- - - - - -35],采动的方向剪切/张力裂缝在上覆土层薄基岩煤层开采通常是几乎垂直裂缝是由上层潜水含水层水侵蚀和冲刷(36]。此外,粘土改造属性,与不可逆的裂纹的脆性岩石(37- - - - - -40]。土壤的裂缝将再次接通压力和水的作用下肿胀属性和其他因素。例如,黄等。41]发现裂纹在土壤与水膨胀和裂纹镐当扩张的数量超过了裂缝的宽度。Zhang et al。42,43]研究了功能性土壤吸力和弹性模量之间的关系通过反复加载三轴压缩试验和认为弹性模量最小批量压力增加而增加,土壤吸力和压实度,减少与增加八面体剪应力。
裂纹development-closure在土层的特点具有重要意义上覆土的稳定性及其在薄基岩煤层开采阻水效果。本文四个因素影响development-closure裂纹状态,即粒子组成、土层厚度、裂缝宽度,和水含量检查。裂缝development-closure土层的特点分析了正交试验的方法。工作的目的是提供一个参考的稳定性分析上覆土壤和地下潜在的水资源保护薄基岩薄基岩煤层开采期间地质区域。
2。薄基岩煤层开采的水文地质条件
2.1。薄基岩的定义
目前,没有明确的标准薄基岩的定义,和研究人员有不同的薄基岩的定义根据自己的研究目的。例如,薄基岩的高度可以根据定义三个地区基于水预防的观点(44]。同样,研究人员根据是否存在一个定义薄基岩关键层基于视图的矿山压力控制15]。本文定义了薄基岩(如图1)的水预防视图(44,(1)如果基岩厚度Hb小于屈服区域的高度吗Hc,它被称为超薄基岩;(2)如果基岩厚度Hb大于屈服区域的高度吗Hc但小于水裂缝带的高度Hc+Hf,它被称为薄基岩;而且,(3)如果基岩厚度Hb大于水裂缝带的高度吗Hc+Hf基石,它被称为正常厚度。通常被称为超薄基岩、薄基岩薄基岩。
(一)
(b)
(c)
2.2。薄基岩的水文地质条件
石炭纪和二叠纪(C3- p1)和侏罗纪(J1- j2)是主要的煤炭在中国形成时期(如图2)。构造作用导致的中断或剥蚀地层沉积煤系地层沉积后已经完成。因此,一些煤炭之间的地层测量覆岩和新生代失踪,和新生代表土直接沉积在煤系地层(如图3)。
水流区骨折通常可以穿透薄基岩和新生代表土与煤矿的发展在这样的地质条件。因此,土壤的失败状态和阻水性能新生代表土中关键因素在决定是否新生代多孔含水层之间的水力联系和工作面发生。典型的水文地质条件下的薄基岩图所示3。
2.3。失败的薄基岩上覆土的过程
薄基岩上覆土层的变形甚至会失败的变形和屈服基岩煤层不断利用,和上覆土层的变形和破坏的过程可以分为三个阶段,如图4。首先,煤层开采出来。第二,基岩崩塌或骨折。第三,会导致崩溃或骨折的薄基岩的支持空间的减少土壤覆盖层,和土壤覆盖层将平息由于自重荷载。然后,上覆土层进行变形和破坏。因此,变形或破坏土壤的基本原因是支持减少空间的下部。
(一)
(b)
(c)
上覆土变形和产生裂缝的影响下煤层开采。裂缝可能再次接通或继续扩大,最后导致进一步破坏土壤的水流冲刷作用下松散多孔含水层和其他条件。关键影响因素的development-closure状态裂缝在土层颗粒组成、干湿状态(可饱和或水所表达的内容),裂纹尺寸(裂纹长度和宽度)和土壤应力状态。
主要的外部力量是自重应力和潜水含水层上覆土的静水压力薄基岩,和他们的影响模式是长期缓慢的行动。因此,动态变化的影响在外部力量可以暂时忽略。可以选择四个因素,即土壤颗粒组成、含水量、裂缝长度、裂缝宽度,分析这些影响因素对development-closure土层的裂缝可以通过正交实验方法进行。
3所示。实验设备和方案
3.1。实验设备和样品制备
裂缝development-closure土层实验装置如图5。
(一)
(b)
实验装置的主要功能如下:(1)的水箱I和II,水入口管,和溢流管保持水位高于土层常数;静水压力恒定和(2)从裂缝流出水的体积是衡量使用量筒,和可以计算流量流出水的体积。
土壤颗粒组成的变化模拟通过改变膨润土比细砂(0.075毫米<粒径≤0.25毫米),如图所示6。砂含量越高,土壤中亲水矿物含量越低,和糟糕的亲水性和水肿胀属性土。
(一)
(b)
含水量是意识到通过添加水。首先,干重计算土层的土壤密度(1.884克/厘米3)。然后,水的质量需要添加可以根据含水量计算。裂纹长度表示垂直方向的裂纹的长度,和土壤中的裂缝层实际上是不直。连续裂缝实验制造裂缝,因为很难使弯曲裂缝标本;因此,土层的厚度等于裂纹长度。裂缝形成铁丝穿透土层时土层压实,形成后根据设计厚度(如图7)。
(一)
(b)
(c)
3.2。实验方案
实验中的每个因素的象征和水平值如表所示1。
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在实验中,有四个因素,每个因素有三个水平。实验的目的是分析四个因素的影响在土层development-closure状态的裂缝。同时,粒子之间的相互作用构成的影响和其他因素对裂纹development-closure状态是重点调查。自由程度的四个实验因素(每一个都有三个水平)和四组交互 ;因此,l27(313)正交表可以用来设计实验方案,在表所示2。
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实验的因变量的development-closure状态裂缝在土层中,也就是说,裂纹尺寸的变化,水的流速问可以用来指示土壤裂缝尺寸的变化(水的体积流率被定义为单位时间内流体通过裂缝,和单位是米吗3/ s)。然后,development-closure状态的裂缝可以确定土层的变化趋势问。(1)水流速问逐渐减少到0米3/ s,这表明裂纹尺寸逐渐减小关闭。(2)水的流速问逐渐增加米3/ s,这意味着由于水流冲刷裂缝逐渐扩大,最后导致土壤进一步破坏。(3)水的流速问0米之间3/ s和米3/ s,这表明裂缝最终是由水流冲刷镐和扩大。
4所示。实验结果和讨论
4.1。实验结果的直接分析
以下4.4.1。实验结果
水流速结果6 h为每个实验如表所示3。
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表3表明,水流速6 27个实验(实验1、4、7、10、13、16)逐渐减少到0米3/ s,这表明裂缝的实验条件下土壤中终于再次接通这六个实验。有19个实验(实验2、3、5、6、8、9、11、12、14、15、17、18、19日,20日,22日,23日,25日,26日和27日)之间的水流速0 m3/ s和米3/ s,这表明裂缝最终镐和扩大这些19实验条件下水流冲刷。27日的水流速2实验(实验21和24)逐渐增加米3/ s,这表明由于水流冲刷裂缝逐渐扩大,最后导致土壤破坏的实验条件下,这两个实验。
4.1.2。分析实验,水的流速逐渐降低到0米3/秒
一次比较的初始裂缝和镐裂缝的实验水流速逐渐降低到0米3/ s如图8。
(一)
(b)
水流速曲线随时间变化的实验水流速逐渐减小到0米3/ s如图9。
如图96组的水流速逐渐减小到0米3/ s(这些实验中的裂缝镐)在同样的实验条件或 ,这表明当土壤砂的比例大于或等于1:1和裂缝宽度小于或等于1.0毫米,裂缝是镐无论厚度和土壤的含水量。同时,大幅降低水流速的6实验小于20分钟,这表明土壤中的主要变化肿胀的持续时间增加速度(或水肿胀率 )和土壤压实量速度(或压缩率 )不到20分钟,即肿胀增量之和和压实比扩大数量的总和和原始裂缝宽度 ,这导致裂缝镐。
4.1.3。分析实验,水0 m之间的流量3/ s和米3/秒
最初的比较稳定的裂缝的实验之间的水流速是0 m3/ s和米3/ s如图10。
(一)
(b)
水流速曲线随时间变化的实验之间的水流速是0 m3/ s和米3/ s如图11。
如图11,水流速实验27是最大的,是12.167 (10−6米3/秒),而实验25是最小的,是0.008 (10−6米3/ s)。凭直觉,它不能确定哪些因素是主要因素,哪些因素是次要因素导致流速差异的结果。因此,需要进一步的实验结果的分析来确定的顺序上的每个实验因素的影响水的流速。
4.1.4。的实验分析土层破坏
初始裂缝和破坏土壤的一个比较的实验水流速逐渐增加米3/ s如图12。
(一)
(b)
水流速曲线随时间变化的实验水流速增加米3/ s如图13。
如图13裂缝的条件被冲刷导致进一步扩大土壤破坏 ,21和实验表明,时间从扩大的裂缝冲刷土壤破坏是25分钟,尽管这在实验24,310分钟,这表明增加土层厚度增加含水量或一起都可以有效提高antidestructive土层的能力。需要进一步的分析,以确定哪些情况的变化来提高土层的antidestructive能力。
4.1.5。实验结果分析
实验结果表明,裂缝将关闭,当土壤中含砂量小于50%,裂缝宽度小于或等于1.0毫米和土层容易进一步失败当土壤中含砂量超过50%,裂缝宽度大于或等于3.0毫米。初步实验结果表明,含砂量越大,越宽裂缝宽度和土层的厚度越小,越稳定的土层,由于采用正交试验的方法,而不是全面的测试方法,需要和视觉分析和方差分析得到更准确的结论。
4.2。视觉分析的实验结果
有27组实验结果表327组,没有两个实验中有相同的实验条件;因此,它是不可行的比较直接的27组的实验结果。然而,如果这些27组实验结果相结合,可比性的正交试验结果将会实现。
以Cc为例,1级(Cc10Cc)的实验因素出现在实验1 - 9号表3,平均流速的9项实验 2级(Cc11Cc)的实验因素在表10 - 18号出现在实验。3,平均流速的9项实验 和三级(Cc13Cc)的实验因素出现在实验19-27表号3,平均流速的9项实验
实验的土层第21号和24号被摧毁,及其实验结果米3/ s。因为价值不能参加计算,流量导致计算实验第21号和24号是一个更大的值为100 (10−6米3/ s)。
,即流速时最大的粒子组合是Cc13,流量是最小的粒子组合是Cc10。这表明土层容易进一步失败当粒子成分Cc13,土层容易保持稳定时,粒子组合是Cc10。
上面的计算也可以执行在正交表,如表所示4。我j代表实验流量之和结果对应级别1的列j,是我的平均值j;二世j代表实验流量之和结果对应级别2的列j,二世的平均值吗j;三世j代表实验流量之和结果对应列的3级水平j,三世的平均值吗j。
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土层的实验第21号和24号被摧毁了,和他们的实验结果往往米3/ s。因为价值不能参加计算,流量导致计算实验第21号和24号是一个更大的值为100 (10−6米3/ s)。 |
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实验因素Cc在第一列;因此,是 , 是 ,和是 。同样,Cl,连续波第二、第五和第十列,分别。因此,是 , 是 ,和是 ,而是 , 是 ,和是 ;此外,是 , 是 ,和是 。
的 , ,和每个实验因素表的值4使用纵向坐标系统,绘制如图14。
(一)
(b)
(c)
(d)
很容易直观地观察,如果一个实验因素对实验结果有很大的影响,那么这个实验因素是主要因素。即平均流速之间的差异对应不同的实验因素很大,这是反映在图上14,分三个层次对应实验因素存在很大差异的纵向坐标。相反,如果一个实验因素对实验结果影响不大,那么这个实验因素是次要因素。,相对应的平均流速的区别不同的实验因素很小,这是反映在图14,分三个级别对应不同的实验因素在纵向坐标。
的绝对平均值之间的差异 , ,和在表4是
的最大绝对平均值之间的差异三个连续波每个实验因素水平的因素,其次是因素Cc和Cl和因素 。此外,连续波和Cc的影响实验结果比Cl和更引人瞩目 。结果表明,每个因素对稳定性的影响的顺序土层的裂缝宽度,粒子组成,土层厚度、含水量的影响,也表明,裂缝宽度和粒子组成的失败的土层大于土层厚度和水分含量。
可以看到从图14粒子组成的影响,订单流的速率 ,这表明,土壤中的含砂量越高,土层的稳定性越差。的顺序影响土层厚度的流量 ;也就是说,土层厚度越小,越有可能是,土层会失败。的顺序影响裂缝宽度的流量 ,这表明裂缝宽度越大,越稳定的土层。的顺序影响水分的流率 ,这表明土层的稳定性降低,然后增加而增加,土层含水量容易进一步失败当含水量是20%。
此外,表4也表明,(31)是明显大于(我1),(21),(35)是明显大于(我5),(25),而(32)是显著小于(我2),(22)。这些观察结果表明,当土壤中的含砂量高于50%,裂缝宽度大于2.0毫米,土层容易进一步失败。土层厚度是15.0厘米时,土层的稳定性是比10.0厘米和5.0厘米;即增加土层的厚度可以增加土层抵制进一步的故障的能力。
4.3。实验结果的方差分析
4.3.1。实验因素的偏差平方和
以Cc为例,计算方法的偏差平方和的实验因素了。1级(Cc10Cc)的实验因素出现在实验1 - 9号表3,流量之和的9组实验结果 2级(Cc11Cc)的实验因素在表10 - 18号出现在实验。3,流量之和的9组实验结果 3级(Cc13Cc)的实验因素出现在实验19-27表号3,流量之和的9组实验结果
实验的土层第21号和24号被摧毁,及其实验结果米3/ s。因为价值不能参加计算,流量导致计算实验第21号和24号是一个更大的值为100 (10−6米3/ s)。
因此,实验因素的偏差的平方和Cc 在哪里是27组的平均流速的实验结果和 。
扩张的公式(8)的结果
让是因素G和CT是因素;然后,公式(9)可以简化如下:
同样的,实验因素的偏差的平方和Cl,连续波ω可以计算为
偏差的平方和上述实验因素也可以计算正交表,在表所示5。
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土层的实验第21号和24号被摧毁了,和他们的实验结果往往米3/ s。因为价值不能参加计算,流量导致计算实验第21号和24号是一个更大的值为100 (10−6米3/ s)。 |
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如表所示5,我j代表实验结果的总和对应级别1的列j,二世j代表实验结果的总和对应级别2的列j第三,而j代表实验结果的总和对应列的3级水平j。因此,我1是 ,二世1是 ,和第三1是 。年代j代表了偏差的平方和的实验结果列j;因此,年代1是年代Cc,年代2是年代Cl,年代5是年代连续波,年代10是年代ω。
4.3.2。偏差的平方和之间的交互实验因素
两个实验因素占之间的交互正交表中的两列;因此,偏差的平方和两个因素之间的交互是偏差的平方和的总和的两列。因此,偏差的平方和年代Cc×Cl是
同样的, , ,和可以得到:
偏差的平方和之间的交互实验因素也可以计算正交表,在表所示6。
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土层的实验第21号和24号被摧毁了,和他们的实验结果往往米3/ s。因为价值不能参加计算,流量导致计算实验第21号和24号是一个更大的值为100 (10−6米3/ s)。 |
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4.3.3。实验误差的偏差的平方和
实验误差的偏差的平方和可以计算偏差的平方和的空白列没有实验因素正交表安排。在这个实验中,可以将误差估计的偏差的平方和13的表列3因为列13日不安排实验因素,和偏差的平方和列13不包括实验因素的水平之间的差异只是反映了实验误差的大小。
此外,如果偏差的平方和的其他列接近偏差的平方和的空白列(列13);然后,本专栏的偏差的平方和可以结合偏差的平方和空白列的错误估计,使误差估计更准确。
根据表5和6偏差的平方和的列4、8和9在这个实验中接近偏差的平方和空白列(列13)。因此,年代4,年代8,年代9也可以归类为错误如下:
4.3.4。卓越检测实验因素及其相互作用
根据公式(8)计算偏差的平方和,可以看出偏差的平方和可能很大很大的数据量。偏差的平方和,不仅相关数据本身的变化,而且数据的数量。因此,数据量的影响偏差的平方和是消除在正交试验中引入自由程度,即比较平均偏差的平方和与 ,在哪里f一个是自由程度的偏差的平方和实验因素呢一个和fe是自由程度的实验误差的偏差的平方和。
正交实验,有 在哪里实验和总数吗的实验因素水平吗一个。
因此,对于这个实验, , , , , , , , ,和 。
根据公式(14),
平均偏差平方和的比值的实验因素( )平均偏差平方和的错误( )被称为F比,也就是说,
的F比率的实验因素和实验之间的交互因素的计算公式(17),如下所示
查找F率表,它显示了以下: , , , , ,和 。因此,可以得出以下结论:① ,这表明实验因素的土壤颗粒组成的变化Cc对实验结果有高度显著的影响,这是记录为 。② ,这表明实验因素的变化Cl土层厚度对实验结果有影响,这是记录为 。③ ,这表明裂缝宽度Cw的实验因素的变化对实验结果有高度显著的影响,这是记录为 。④ ,这表明实验因素的土壤含水量的变化有一个非突对实验结果的影响,就像⊗记录。⑤ ,这表明土壤颗粒组成Cc和土壤之间的交互层厚度Cl对实验结果有影响,这是记录为 。⑥ ,这表明土壤颗粒组成Cc和裂缝宽度之间的交互连续波对实验结果有高度显著的影响,这是记录为 。⑦ ,这表明土壤颗粒组成Cc和土壤水之间的交互内容有一个非突对实验结果的影响,就像⊗记录。⑧ ,这表明Cl土层厚度和裂缝宽度之间的交互Cw非突对实验结果的影响,这是记录为⊗。
上述实验因素的特点检测及其相互作用可以概括为一个方差分析表,如表所示7。
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5。结论
在这个工作中,基于裂纹development-closure实验,得到了以下结论。
首先,土壤颗粒组成和裂缝宽度有高度显著的影响在土层的稳定性,和土层厚度对其稳定性有影响,而含水量则非突对土层的稳定性的影响。裂缝宽度和含砂量的增加和土层厚度减少,土层的稳定性降低。
其次,裂缝将再次接通时,土壤中含砂量小于50%,裂缝宽度小于或等于1.0毫米,土层是倾向于进一步失败当土壤中含砂量超过50%,裂缝宽度大于或等于3.0毫米。
第三,实验因素的交互Cc和连续波有高度显著影响土壤的稳定层,而交互Cc和Cl对土层的稳定性有影响,和Cc和交互ω和交互Cl和连续波的非突对土层的稳定性的影响。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作得到了国家自然科学基金(41977238和41977238)和中国博士后科学基金会(2019 t120715和2018 m640760)。
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