深部土-煤系古风化岩接触带工程地质研究

我国东部煤田煤系地层古风化壳之上多覆盖300-700m厚的新生界土层，深部土-煤系古风化岩接触带附近是由高压态水、土、软弱破碎风化岩体组成的、具有整体不良工程地质性质的地质体；在接近该带下煤层开采时，采场矿压突增压架、突泥溃砂、突水等重大安全事故时有发生，过程机理还不甚清楚。项目以淮南潘谢矿区为例，基于现场大量钻孔勘探、数字测井、露头测绘及室内土-岩样工程地质性质测试研究分析，以土-岩接触面上10m（土层段）、下5m（岩石段）的土岩组成成份，首次提出将深部土-岩接触带划分为砂土-泥岩、砂土-砂岩、粘土-泥岩、粘土-砂岩”四种类型；针对不同深部土-岩接触带类型，首次制作模拟深部土-岩接触带直剪、三轴试验样，进行高应力下水-土-岩相互作用直剪、三轴加卸载力学性试验，并进行了中、细观结构变化研究；对接近不同接触带类型下煤层开采深部土-岩接触带变形破坏过程水-土-岩相互作用进行了模拟计算和理论分析，揭示了”压架突水（突砂、突泥）“等工程地质灾害形成过程机理。发现不同接触带类型下近距离煤层开采不同工程地质问题，即：”砂土-砂岩接触带类型”分布区，主要发生压架突水（突砂）；“砂土-泥岩接触带”分布区，主要发生突水（突泥）；“粘土-泥岩接触带”分布区，少数发生压架问题（基岩薄时）；”粘土-砂岩接触带”分布区，一般不会发生问题。建立了厚表土覆盖矿区”深部土-岩接触带“类型划分、压架突水（突砂、突泥）问题评价和预报系统工程地质方法。研究成果对提升我国煤矿工程地质基础研究、厚表土覆盖矿区煤层安全开采意义重大。 2100433B

我国东部石炭二叠纪煤系地层古风化壳之上多覆盖300-700m厚的新生界土层，深部土-煤系古风化岩接触带是由高压态土体、高压水和软弱破碎风化岩体组成的、具有整体不良工程地质性质的地质体；在近该带下煤层开采时，处于不同开采空间部位上的深部土-煤系风化岩接触带，会产生高压加载或卸载变形破坏、高渗压场变化过程；易发生采场顶板矿压突变剧增、突泥溃砂、突水等重大安全事故；开展深部土-煤系古风化岩接触带地质结构组成、基本工程地质性质测试、接触带类型工程地质划分等研究；在此基础上，针对不同土-岩接触带类型，进行高应力、高渗压、水化学作用影响下水-土-岩相互作用加卸载力学性、渗透性实验，并用CT成像技术探测土-岩接触带细观结构变化，建立非线性水-土-岩相互作用蠕变损伤本构模型等；为一具有重大工程应用价值取向的水-土-岩相互作用基础理论研究课题，意义重大。

课题以深厚表土立井井筒及大型深部地下工程建设为背景；针对深部土体特性、土与地下结构接触面物理、力学特征以及地下工程力学行为，采用试样试验、细观测试、基于离散元法的颗粒流数值模拟技术及理论分析等综合研究方法；考虑土体性质、接触面曲率、结构材料刚度、接触面粗糙度以及荷载性质等诸因素；应用超声扫描显微（C-SAM）、液氮快速冻结固样、三维视频显微、颗粒级配分析等细观物理特征测试技术和方法；深入研究接触面和界面层的几何特征、界面层内土体的细观物理现象、接触面和界面层的宏观力学行为以及三者之间的关系；研究土性、结构面特征以及荷载条件等因素对界面层物理、力学性质的影响及其规律；建立深部土与地下结构接触面，特别是界面层的本构关系，基本阐明深部土与地下结构相互作用界面层形成机理、基本性质、影响因素及其力学效应等基础理论问题，为深入研究深部土与地下工程结构相互作用的宏观规律奠定基础。

开展高地应力高渗透压条件下裂隙岩体的现场与室内强度、流变和渗流试验，研究深部裂隙岩体的变形机理与破坏准则、渗透特性及水力耦合机理，建立反映深部地质环境与工程扰动效应的岩体水力耦合模型与分析方法；研究深部岩体的流变变形规律，建立高地应力高渗透压条件下裂隙岩体的流变模型与分析方法；研究深部工程岩体开挖过程的变形与渗流控制机理，提出深部岩体渗流和变形控制安全判据，为锦屏一级、二级水电站地下洞室群和引水隧洞等高地应力高渗透压条件下裂隙岩体的渗流和变形控制提供理论依据。研究成果在西部水电开发、核废料地质深层处置、深部采矿和石油开采等领域具有广阔的工程应用前景。 2100433B