地下水降落漏斗區(qū)動靜載荷演化誘發(fā)地面沉降機理研究

地面沉降是一種不可補償?shù)挠谰眯原h(huán)境和資源損失，是地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)破壞所導(dǎo)致的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害，并可以誘發(fā)一系列其它環(huán)境災(zāi)害，形成災(zāi)害鏈。開展地面沉降機理與監(jiān)控方法研究，對于預(yù)防、控制和減緩地面沉降的發(fā)生、演化，理論與現(xiàn)實意義重大。 本項目以北京平原區(qū)為研究背景區(qū)，以地下水超量開采降落漏斗為典型研究區(qū)。有機集成空中、地面、地下監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合InSAR等先進(jìn)的地面形變監(jiān)測技術(shù)，優(yōu)化多模式、多視角相位組分分解算法，融合小基線、永久散射體技術(shù)的干涉測量方法，基于Envisat ASAR數(shù)據(jù)獲取地面三維形變信息；以京津城際鐵路為研究對象，開展高分辨率SAR鄰近軌道、臨近圖幅基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)拼接方法研究，提高高分辨SAR監(jiān)測城市重大交通線設(shè)施的能力。 結(jié)合地下水動態(tài)長期觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)，基于InSAR提取三維形變信息與GIS空間分析技術(shù)，結(jié)合長時間序列的監(jiān)測資料，揭示了北京地區(qū)地下水漏斗的形成及動態(tài)變化，闡明地面沉降漏斗的形成與演化，進(jìn)行區(qū)域地下水流場與地面沉降三維數(shù)值模擬，分析地下水流場系統(tǒng)演變及地面沉降響應(yīng)特征。從應(yīng)力場與應(yīng)變場互饋作用機理出發(fā)，研究含水層系統(tǒng)釋水形變機理，不同地下水開采強度、變化水位模式下的土體變形特征，揭示區(qū)域不均勻沉降的形成、演化機理。在地下水超量開采降落漏斗區(qū)域，針對同一區(qū)域水文地質(zhì)體，綜合研究其地下水流場演化與建筑集群、立體交通設(shè)施時空變化對地面沉降的影響。 2100433B

本項目以北京平原區(qū)為研究背景區(qū)，以地下水超量開采降落漏斗為典型研究區(qū)，系統(tǒng)研究地下水降落漏斗區(qū)動靜載荷演化誘發(fā)形變機理。在傳統(tǒng)水準(zhǔn)網(wǎng)、GPS（全球定位系統(tǒng)）網(wǎng)、地下水監(jiān)測網(wǎng)等基礎(chǔ)上，采用多基線、多模式、多視角相位組分分解InSAR（合成孔徑雷達(dá)干涉測量）技術(shù)，獲取高精度區(qū)域三維形變場信息，提高動靜載荷作用下的區(qū)域地面沉降監(jiān)測的能力與精度；在系統(tǒng)研究地下水流場系統(tǒng)演化與地面沉降響應(yīng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合土工實驗、地球物理勘探等手段，揭示地下水降落漏斗區(qū)動靜載荷（城市密集建筑群、立體交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)施）演化模式下的地面形變場響應(yīng)機理；為區(qū)域地面沉降調(diào)控提供理論依據(jù)及技術(shù)方法。

沖擊礦壓機理一直是采礦及巖石力學(xué)領(lǐng)域研究的焦點且十分重要的問題，其中，由頂板巖層誘發(fā)的沖擊礦壓問題尤為突出，由于對頂板活動及對礦震動載的監(jiān)測及防治難度大，因此頂板型沖擊礦壓是目前困擾礦井安全生產(chǎn)的重大隱患。本課題在頂板巖層誘發(fā)沖擊礦壓機理方面進(jìn)行了探索研究，從煤巖體實際所受的地質(zhì)及開采環(huán)境入手，分析了開采過程中巖層運動及破斷規(guī)律，提出了“O-X-F-T”覆巖演化模型，合理解釋了開采過程中隨著開采范圍的擴大，覆巖結(jié)構(gòu)運動逐步強烈、沖擊危險性逐步增加的現(xiàn)象；并在研究過程中，對覆巖結(jié)構(gòu)不同形態(tài)的形成過程、覆巖結(jié)構(gòu)特征、覆巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)條件、以及對煤巖體的應(yīng)力影響規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)研究；本課題全面考慮了靜載應(yīng)力及動載應(yīng)力對煤巖體應(yīng)力狀態(tài)及沖擊危險狀態(tài)的影響規(guī)律，通過試驗研究，直觀再現(xiàn)了在靜載一定的情況下，隨著動載的提高，巷道煤巖破壞程度逐步增加的現(xiàn)象；理論分析了頂板-煤體組合系統(tǒng)的能量演化過程及沖擊失穩(wěn)條件，得到了頂板靜載作用下對煤體沖擊的本質(zhì)影響特性；并采用數(shù)值計算得到了不同動靜載組合關(guān)系對煤體的應(yīng)力狀態(tài)影響規(guī)律，即在動靜載之和一定的條件下，高靜載 低動載組合相比低靜載 高動載組合更易引起沖擊，為了維護巷道圍巖穩(wěn)定，研究了不同支護方式下，動、靜載對圍巖的破壞影響程度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)震動能量在10E6J級別左右時，采用錨網(wǎng)索 幫部錨索加強支護，巷道圍巖能夠得到較好的控制，但隨著礦震能量的增加，當(dāng)震動能量超過10E7J時，已不能維持巷道圍巖的穩(wěn)定，此時需要配合使用更高強度的支護方式，如“O”型棚、門式液壓支架等全斷面支護方式。圍繞本課題研究主題，分析了誘沖關(guān)鍵層對煤體沖擊影響的作用機理，對上覆不同層位巖層、即主關(guān)鍵層和亞關(guān)鍵層的結(jié)構(gòu)特征及失穩(wěn)條件進(jìn)行了分析，得到了關(guān)鍵層主動與被動失穩(wěn)對沖擊的不同影響程度，確定了被動失穩(wěn)關(guān)鍵層將對沖擊產(chǎn)生更為明顯的影響，同時在關(guān)鍵層失穩(wěn)過程中，產(chǎn)生的礦震動載傳遞到煤體，將引起動靜載疊加，在滿足動靜載組合臨界條件時將引起煤體沖擊破壞，該研究結(jié)果具有理論和現(xiàn)場沖擊災(zāi)害防治指導(dǎo)意義，即，可通過分析地質(zhì)和開采條件，或通過微震監(jiān)測覆巖礦震活動規(guī)律，提前確定誘沖關(guān)鍵層，通過采取誘沖關(guān)鍵層預(yù)裂等措施，可降低沖擊礦壓危險。本課題相關(guān)研究成果以論文、專利、專著、軟件著作權(quán)等形式得到公開發(fā)表，在同行中得以交流，衍生的技術(shù)成果在現(xiàn)場實踐中得到了較廣泛的應(yīng)用，取得了良好的效果。 2100433B

監(jiān)測預(yù)警準(zhǔn)確率低和解危措施缺乏針對性是煤礦沖擊礦壓事故頻發(fā)的主要原因。開采煤體往往同時受到靜載與動載的綜合影響，頂板對煤體的影響在巖層層位上已經(jīng)不再局限于一般認(rèn)為的低位老頂巖層范圍，高位巖層也起著重要的影響作用，故正確認(rèn)識和確定誘發(fā)沖擊礦壓災(zāi)害的主要巖層，即誘沖關(guān)鍵層，是提高預(yù)警準(zhǔn)確率和解危措施有效性的關(guān)鍵。以行業(yè)需求和學(xué)科前沿為導(dǎo)向，項目擬研究5個方面內(nèi)容，解決4個關(guān)鍵科學(xué)問題，達(dá)到3個研究目標(biāo)。從力學(xué)機理上探討上覆巖層運動規(guī)律、破斷步距、來壓強度、震源能級及震動波傳播衰減規(guī)律，理論分析和試驗研究確定煤體沖擊破壞的動靜載對應(yīng)關(guān)系，考慮動靜載荷綜合作用劃分沖擊危險等級，從層位、巖性、厚度、強度和震動能量等方面分析頂板型沖擊礦壓的主要影響巖層及其判別方法，確定誘發(fā)沖擊的關(guān)鍵巖層，提出沖擊危險的煤體靜應(yīng)力監(jiān)測與頂板震動監(jiān)測相結(jié)合的動靜載組合監(jiān)測技術(shù)指標(biāo)，為預(yù)測和弱化控制沖擊災(zāi)害提供支持。