本文選題：采煤沉陷地　切入點：黃河泥沙　出處：《中國礦業(yè)大學(xué)(北京)》2016年博士論文

【摘要】：煤炭資源的大規(guī)模開采,在保障國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的同時,也帶來了嚴(yán)重的土地與環(huán)境損壞,尤其在我國東部高潛水位平原礦區(qū),采煤沉陷導(dǎo)致耕地大量減少、村莊被迫搬遷、失地農(nóng)民大量增加。由于高潛水位平原礦區(qū)采煤沉陷的獨有特征,傳統(tǒng)的挖深墊淺、煤矸石、粉煤灰充填復(fù)墾技術(shù)等均不能解決該區(qū)域耕地大量減少的現(xiàn)狀。利用部分礦區(qū)靠近黃河的優(yōu)勢,從黃河挖取泥沙,再通過管道輸送到采煤沉陷地進(jìn)行充填復(fù)墾,不僅可以解決采煤沉陷地充填復(fù)墾材料短缺的問題,可以復(fù)墾出大量耕地,還能解決黃河疏浚泥沙的處理難題,對于保障黃河行洪安全具有重大意義。目前國內(nèi)引黃河泥沙充填復(fù)墾采煤沉陷地的研究還未見報到,現(xiàn)有引黃復(fù)墾技術(shù)均是借鑒黃河灘區(qū)放淤改土和固堤的一些經(jīng)驗,存在著“前期充填過程排明水速度太快,導(dǎo)致細(xì)粒徑泥沙(黏粒和大部分粉粒)大量流失,而充填后期泥沙深層側(cè)向排水慢且效率低,延長了復(fù)墾工期”等問題。為此需要開展引黃河泥沙復(fù)墾采煤沉陷地的充填、沉沙及排水新工藝研究,為減少充填過程細(xì)粒徑泥沙流失,加快充填后期飽和泥沙的側(cè)向排水,縮短復(fù)墾工期提供科學(xué)參考。本文在借鑒已有成果的基礎(chǔ)上,充分利用土地利用工程學(xué)、土壤學(xué)、農(nóng)學(xué)、水利工程、土木工程、土工合成材料等相關(guān)知識,首先選擇了距離黃河較近與采煤沉陷地具有相似地貌特征的坑塘澇洼地作為試驗區(qū),運用現(xiàn)有引黃充填排水技術(shù)對其進(jìn)行了復(fù)墾。分析了復(fù)墾后農(nóng)田的景觀特征、土壤剖面及作物產(chǎn)量。從機理上分析了現(xiàn)有引黃充填排水技術(shù)存在的問題,在此基礎(chǔ)上設(shè)計了新的充填、沉沙、排水工藝,并提出了新工藝設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)及試驗獲取流程。接著探討了復(fù)墾條帶的尺寸、標(biāo)高設(shè)計方法及條帶水面線、泥沙沉降率及淤積厚度的計算方法,提出了復(fù)墾條帶充填次數(shù)、分次充填間隔時間的內(nèi)涵及計算方法,并通過室內(nèi)試驗獲取的基礎(chǔ)參數(shù)對案例場地的條帶尺寸、充填標(biāo)高、泥沙沉降率、淤積厚度、分層充填次數(shù)及間隔時間進(jìn)行了理論模擬計算,給出了相應(yīng)的設(shè)計值。最后通過土工布等效孔徑、垂直滲透系數(shù)、淤堵試驗及兩次室內(nèi)泥沙充填排水試驗篩選出了最佳的排水?dāng)嗝嫘问胶屯凉げ碱愋?有如下認(rèn)識。(1)現(xiàn)有引黃充填排水技術(shù)存在著三方面的問題:(1)充填過程排明水速度太快,導(dǎo)致大量細(xì)粒徑泥沙(黏粒和大部分粉粒)隨排水流失,既淤積周圍排水溝渠,又使得沉降在充填區(qū)域內(nèi)的泥沙養(yǎng)分含量降低;(2)充填區(qū)域尺寸選擇不合理,導(dǎo)致后期泥沙質(zhì)地調(diào)配及平整的工程量增大;(3)充填飽和泥沙后期深層側(cè)向排水慢且效率低,延長了復(fù)墾工期。在分析了問題機理的基礎(chǔ)上,設(shè)計了引黃充填、沉沙及排水的新工藝,重點是劃分條帶充填和使用土工布攔沙排水,條帶的形狀、尺寸、高程、充填方向、次數(shù)、間隔時間、排水土工布類型及斷面設(shè)計等是新工藝的核心。(2)探討了黃河灘區(qū)引黃放淤及灌溉沉沙池尺寸設(shè)計相關(guān)方法,認(rèn)為準(zhǔn)靜水沉降法和一度流超飽和輸沙法均可用于復(fù)墾條帶尺寸設(shè)計,其中泥沙平均沉速、平均水深及水沙平均流動速度是復(fù)墾條帶尺寸設(shè)計的關(guān)鍵影響因素。利用黃河泥沙粒徑試驗測得的基礎(chǔ)參數(shù),運用兩種方法給出了案例場地復(fù)墾條帶的尺寸設(shè)計值。三種假設(shè)情景下,利用準(zhǔn)靜水沉降法計算的條帶理論長度為14.64~29.28m,修正長度為36.60~73.20m,最小理論寬度為0.7~1.4m,最大寬度為4.5~13.5m;利用一度流超飽和輸沙法計算出的條帶長度為31.86~65.39m,寬度為2.83~7.65m。在野外應(yīng)用時,應(yīng)優(yōu)先使用一度流超飽和輸沙法的計算結(jié)果。借鑒黃河灘區(qū)引黃放淤和煤矸石充填復(fù)墾采煤沉陷地的標(biāo)高設(shè)計方法,利用黃河泥沙室內(nèi)固結(jié)試驗,對引黃復(fù)墾采煤沉陷地的充填標(biāo)高進(jìn)行了設(shè)計,結(jié)果表明設(shè)計充填標(biāo)高應(yīng)為設(shè)計使用標(biāo)高的1.274倍。(3)探討了引黃復(fù)墾條帶水面線、泥沙沉降率、淤積厚度及復(fù)墾條帶充填次數(shù)、分次充填間隔時間的計算方法。(1)引黃復(fù)墾分層多次充填的充填次數(shù)與條帶深度和充填泥沙濃度成正比,與泥沙密度成反比。在條帶深度為2.0m的情景下,滿足設(shè)計要求的充填次數(shù)為5次。(2)針對案例條帶,將其劃分為8個計算段,按照水沙初始流速為0.4、0.3和0.2m/s三種情景模擬計算了條帶的斷面含沙量、分段沉降率、總沉降率、淤積體積及平均淤積厚度。結(jié)果表明充填水沙在條帶內(nèi)的初始流速越大,相同時間內(nèi)泥沙在條帶前半部分沉降率和淤積厚度越小,反之,則越大。(3)復(fù)墾條帶分層多次充填的間隔時間,包括充填時間(t1)、靜水沉降時間(t2)、排明水時間(t3)、充填泥沙過飽和水排除時間(t4)和心土回填、平整、壓實時間(t5)。傳統(tǒng)單面排水情景下,滿足施工機械平整泥沙及回填部分心土對泥沙固結(jié)度要求(固結(jié)度至少需達(dá)到75%)的最大固結(jié)時間為61~75.5天,充填間隔時間為70.5~85.2天,固結(jié)度達(dá)到90%時的最大固結(jié)時間為100.4~124.3天,充填間隔時間為109.9~134天。而使用土工布兩面排水情景下固結(jié)度達(dá)到75%時的最大固結(jié)時間為15.3~18.9天,充填間隔時間為17.5~21.1天,固結(jié)度為90%時的最大固結(jié)時間為25.1~31.1天,充填間隔時間為27.3~33.3天,大大縮短。(4)討論了用于攔沙排水的土工布的篩選標(biāo)準(zhǔn),并開展了土工布等效孔徑、垂直滲透系數(shù)及淤堵試驗。結(jié)果表明初選的5種土工布均能滿足擋土和透水準(zhǔn)則,但均不滿足防淤堵要求。經(jīng)過與生產(chǎn)廠家的協(xié)商溝通,最終選定了調(diào)整纖維直徑和增大孔隙率后的針刺無紡250g和300g土工布。(5)利用篩選的土工布,在2013年和2014年開展了2次基于土工布的泥沙充填排水室內(nèi)模擬試驗。2013年的試驗結(jié)果表明使用土工布的試驗處理可以較大幅度降低排水中的泥沙含量,但是攔截細(xì)粒徑泥沙方面效果不佳,后期排水效果因試驗土工布選擇和水分測試儀器及方法存在問題未能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。2014年利用改進(jìn)后的針刺無紡250 g和300 g土工布重新開展了該試驗,結(jié)果如下。(1)三種試驗處理排水含沙量存在差異。排水初期,ZT-250和ZT-300處理排水含沙量較大,排水中期和后期,使用土工布的兩個處理排水中的含沙量顯著降低,其中使用改進(jìn)后的針刺無紡300 g土工布的ZT-300處理效果最好。使用土工布的兩種處理的排水含沙量隨著試驗的進(jìn)行逐漸降低,攔沙效果逐漸顯現(xiàn),而對照處理排水含沙量隨著試驗的進(jìn)行逐漸增大。(2)排水初期和中期,對照CK的排水中泥沙各個特征粒徑均小于使用土工布的兩個處理ZT-250和ZT-300,而黏粒含量均高于使用土工布的兩個處理。排水后期CK的排水泥沙特征粒徑與處理ZT-250和ZT-300相當(dāng),黏粒含量介于處理ZT-250和ZT-300之間。隨著試驗的進(jìn)行,使用土工布的兩個處理排水中泥沙的黏粒含量逐漸升高,粉粒含量逐漸降低,而對照處理呈現(xiàn)相反的變化趨勢。使用土工布的兩個處理攔沙效果較為穩(wěn)定。(3)三種處理充填表層泥沙均以砂粒為主。使用改進(jìn)后的針刺無紡300 g土工布的ZT-300處理的表層泥沙粉粒含量最高,使用改進(jìn)后的針刺無紡250 g土工布的ZT-250處理的表層泥沙極細(xì)砂粒含量最高。(4)三種處理充填泥沙表層和底層含水量變化存在差異,使用土工布可以加速泥沙中過飽和水的排除,其中使用改進(jìn)后的針刺無紡250 g土工布的ZT-250處理排水效果最好。引黃河泥沙充填復(fù)墾采煤沉陷地是一項宏大的工程,目前相關(guān)技術(shù)還不成熟,本文僅對引黃充填、沉沙及排水工藝進(jìn)行了一些探索,獲得了一些認(rèn)識,但由于條件限制,很多探索僅限于室內(nèi)試驗和理論模擬計算,未來應(yīng)在野外工程中實測不同尺寸條帶、不同水沙初始流速情景下的充填泥沙沉降率與淤積厚度,并與室內(nèi)理論模擬計算結(jié)果進(jìn)行對比驗證。其次,未來應(yīng)改用能同時測定不同荷載下泥沙試樣壓縮量和滲透系數(shù)的固結(jié)儀,通過理論公式計算得到不同荷載下的泥沙固結(jié)系數(shù),進(jìn)而計算得到更為準(zhǔn)確的泥沙固結(jié)時間。最后,應(yīng)在野外開展泥沙充填排水試驗以進(jìn)一步驗證有關(guān)排水?dāng)嗝嫘问郊巴凉げ碱愋偷氖覂?nèi)篩選結(jié)果。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD74;TD88

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1667031