多年冻土层下煤层开采地表沉陷规律研究.pdf

万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 目录 I 目录 1 绪论.........................................................................................................................................1 1.1 选题背景及意义..........................................................................................................1 1.1.1 选题背景...........................................................................................................1 1.1.2 研究意义...........................................................................................................1 1.2 冻土层的国内外研究现状..........................................................................................2 1.3 开采沉陷的国内外研究现状......................................................................................4 1.3.1 国外研究历史及现状.......................................................................................4 1.3.2 国内研究历史及现状.......................................................................................4 1.4 研究内容、方法、路线..............................................................................................6 1.4.1 研究内容...........................................................................................................6 1.4.2 技术路线...........................................................................................................6 2 多年冻土层物理力学特性及主要参数.................................................................................8 2.1 娘母特煤矿概况及地质特征......................................................................................8 2.1.1 矿井概况...........................................................................................................8 2.1.2 首采区工作面布置...........................................................................................9 2.2 多年冻土层的物理力学特性....................................................................................11 2.2.1 冻土的力学性质特点.....................................................................................11 2.2.2 冻土的破坏类型.............................................................................................11 2.2.3 冻土的物理力学性质.....................................................................................12 2.2.4 冻土的流变特性.............................................................................................13 2.3 江仓矿区多年冻土层力学参数................................................................................15 2.4 本章小结....................................................................................................................16 3 多年冻土层下煤层开采地表沉陷特征相似材料模拟分析...............................................17 3.1 冻土的材料配比及物理力学性质............................................................................17 3.2 模型设计....................................................................................................................19 3.2.1 地质条件.........................................................................................................19 3.2.2 相似材料及配比.............................................................................................23 3.3 模拟开挖....................................................................................................................27 3.3.1 NMT-1 模型开挖.............................................................................................27 3.3.2 NMT-2 模型开挖.............................................................................................29 3.4 模型位移监测方法及其数据处理............................................................................31 3.5 地表变形分析............................................................................................................32 万方数据 目录 II 3.5.1 开采过程中地表动态移动变形特征.............................................................32 3.5.2 开采过程中地表稳态下沉特征.....................................................................33 3.6 本章小结....................................................................................................................34 4 多年冻土层下煤层开采地表沉陷特征数值模拟分析.......................................................35 4.1 模型建立....................................................................................................................35 4.2 数值模拟结果分析....................................................................................................36 4.2.1 垂直应力分布.................................................................................................36 4.2.2 垂直位移分布.................................................................................................38 4.2.3 水平位移分布.................................................................................................41 4.2.4 多年冻土层厚度对地表沉陷的影响.............................................................43 4.3 地表沉陷特征............................................................................................................45 4.4 本章小结....................................................................................................................46 5 多年冻土层下煤层开采地表沉陷特征分析.......................................................................47 5.1 地表多年冻土层变形破坏力学分析........................................................................47 5.1.1 多年冻土层初次破断力学分析.....................................................................47 5.1.2 多年冻土层周期破断力学分析.....................................................................50 5.2 多年冻土层下煤层开采地表沉陷基本特征............................................................53 5.3 本章小结....................................................................................................................55 6 结论.......................................................................................................................................56 致谢...........................................................................................................................................57 参考文献...................................................................................................................................58 附录...........................................................................................................................................62 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及意义 1.1.1 选题背景 青海江仓矿区地处青海省海西蒙古族藏族自治州，地面标高3820m～4000m，年 平均气温仅为-4.2℃～5.1℃，地表下为厚约 20m～70m 多年冻土层。地下蕴藏着丰富的 煤炭资源。娘姆特煤矿位于江仓矿区[1]。井田走向长 3.47km、倾斜宽 1.8km、井田面积 6.3km，煤炭资源存储量 212Mt，矿井设计年产量为 1.2Mt/a，矿井生产服务年限为 67a。 初始开采工作面倾角达到 0～38，煤厚平均 12.4m，属大倾角煤层矿井。 江仓矿区冻土带发育，上层具有二元结构，由第四系松散冲积层组成，上部第四系 松散冲积层的主要组成成分为细颗粒、岩石碎块等，一般厚度达十几米，首采区域第四 系松散冲积层厚度 4.6～46.5m；下部为基岩，冻土层大约 20～100m 左右。 在高海拔高寒的草甸湿地及多年永冻层地区和大倾角煤层群这种特殊条件下建设矿 井存在着许多特殊的问题。开采后会发生地表沉陷，同时由于冻土层特殊的物理力学性 质会使煤层开采后发生的地表沉陷不同于一般开采环境下的地表沉陷。 1.1.2 研究意义 江仓矿区是青海省大型煤炭基地之一，该地区煤炭资源丰硕，开采潜力巨大。青藏 高原区域分布更广阔的冻土高山草甸和湿地植被，原始的自然生态环境，区域生态的特 点，有自己的敏感和脆弱的，很容易损坏，难以恢复，影响范围大。江仓矿开采后对当 地脆弱的地质生态环境产生了一些伤害。因此，开展矿区地表环境研究就显得尤为迫切 和重要[2-4]。 矿区地表植被脆弱，再生能力弱，一旦毁坏生长困难，所以从环境保护方面应最大 的减少对地表的毁坏。煤层采后，多年冻土层较一般地表土层完整性强，导致地表多年 冻土层以及上方覆岩的变形破坏过程十分复杂，多年冻土层下与下覆岩层会发生大规模 的离层，当在发生突然性破断之后，会引起的地表的下沉变形破坏对地表土壤环境破坏 影响很大。 江仓矿区普遍发育着大面积的多年冻土层，其厚度大、温度低，分为季融层和永冻 层[5]。地表多年冻土层的厚度通常情况下在 30～70m 左右，最厚的地方处达百余米厚， 冻土层已经扩散到下覆岩层之中，形成冻土、下覆基岩混合的混合层。随着第四系厚度 的增大地表多年冻土层的厚度增大[5]。冻土随气候温度的变化其融化一般小于 2 米。地 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 下冰含量和土体温度主要导致其脆弱性强弱。随着地下冰含量的增高，冻土对温度变化 的敏感度也增高，由外界扰动所引起的地温变化会引起冻土的融化，因此冻土的脆弱性 也就越强。温度的变化对冻土的影响非常敏感，当土体温度高于冻土的冻结温度时，冻 土层随即开始融化。由于近些年来，全球气温逐渐升高，多年冻土己经出现了退化的趋 势[6-8]。 多年冻土层下煤层开采时冻土层的破断会导致地面发生沉陷，通过对地表沉陷规律 的研究，对娘姆特矿区及相似条件下的煤层开采后因为地表沉陷所引起的一系列环境问 题的处理具有理论和现实指导意义。 1.2 冻土层的国内外研究现状 多年冻土层也称为永冻层，指终年处于冻结情况下的岩石土层，分布地点主要在我 国的青藏高原地区[9]。可分为季融层和永冻层。其结构根据土壤中水分的具体含量分为 总体结构、分层结构以及网络结构等[10]。 土壤冻胀是由于土壤温度低于冰点，部分原始土壤孔隙水结冰体积膨胀所致，从而 直接影响着地表上部建筑物的稳定与安全[11]。陈肖柏[12]对此做了详细的总结。国内外学 者在大量实验数据的基础上，分析总结得到了土体参数[13-21]。 冻土层具有特殊的力学性质。从崔托维奇编写的第一部“冻土力学”的出现，冻土 层的研究还有很长的路要走。相关学者对冻土层的研究至始至终从未间断过。 Pike 等[22]对多年冻土层下矿井开采的运送及排水等方面作了仔细的论述，为多年冻 土矿区的开采施工提供了一定的根据。 Skuba 等[23]对研究了多年冻土区支柱采矿方法的应用进行研究。 对于厚而平的矿床， 这种方法效率高，引入合理的工作参数后具有巨大的经济效益。 Babe 等[24]研究了多年冻土的温度对其顶板锚杆进行支护的影响， 并在罗宾逊方法及 斯蒂芬方法的基础上进行研究分析，得出了锚杆围岩的破坏速度与时间的关系。 Harlan,R.L[25]提出了冻土水热藕合的概念并给出了藕合模型。 Elchaninov[26]从矿山开采后对环境的破坏影响程度，研究了冻土的环境损坏情况及 相应措施。 吕波、高道平等[27]针对高海拔的气候对人体健康的影响，分析了高原冻土矿区开采 条件下，多年冻土层受影响的程度及灾害防治措施，为类似的多年冻土矿区的开采提供 了借鉴指导材料。 陈肖柏、刘建坤等[28]对我国多年冻土区的研究情况和地质工程资料进行系统的总 结，得出了土在冻结情况下的物理力学特性，以及冻土对工程建筑物的影响作用于普通 土的区别，在冻土区进行建筑物建造时所应考虑的一些基本原则以及防止灾害发生的措 施等。 万方数据 1 绪论 3 马芹永[29]对冻土的爆破性以及可钻性进行了相应的研究，对冻土的爆破后所产生的 情况以及冻土爆破后的漏斗试验等进行了深入的研究分析，并且对冻土可进行爆破性能 进行了系统的分级、评价总结。 山东科技大学的尹玉鹏、辛嵩等[30]通过对井下通风参数的修正，计算模型改变原有 风量风压以及风筒功率，提高了煤矿通风设备效率，解决了高原矿井低压缺氧问题。 马树超[31]结合青海江仓煤矿实际情况，重点研究了矿山开采活动对高寒湿地造成的 环境污染破坏问题，如土地和水源的破坏和污染、大气与植被的污染破坏、生态环境的 破坏等，并指出了地下开采对于生态环境的破坏程度要远远小于露天开采。 李正刚[32]通过对青海江仓矿区娘母特矿在多年冻土层下进行开采的情况下，通过物 理实验，数值计算等分析放大，对该矿在多年冻土层下大倾角煤层开采后的顶板变形规 律行进研究。 何维维、盛煜、周飞、张波等[33]人通过对冻土层对工程在冻胀和融沉两个方面的影 响分析了冻土层下开采的巷道围岩破坏问题和多年冻土区环境保护的问题，并且对冻土 层下的工程施工问题经行了分析讨论。 周月明、王勇涛等[10]以娘姆特煤矿为例，结合高原冻土的特殊性质，通过井筒设计、 复合支护等技术措施增加斜井井筒抗压能力，并利用二次支护、光面爆破等技术缩小冻 土融化范围，使斜井井筒成功快速的穿越了高原冻土层。 汪仁和、侯潇等[34]对人工冻结黏土的三轴剪切特性进行研究，得出了冻土的双屈服 面模型。 西安科技大学的索永录教授通过对娘姆特煤矿的实际研究，系统分析了多年冻土层 覆盖下矿井合理开采上限原则，通过实验研究得出娘姆特煤矿开采上限为3760m，并应 用于实际工程中[1]。 柳俊哲、王春娇等[35]通过热红外地温反演、D-InSAR 地表形变监测等方法，进行了 研究区冻土分布、地表形变的研究，生成了研究区冻土分布图和累计地表垂直形变图。 朱志武、张丹[36]通过对三种不同温度下的冻土试样在径向直接加载恒定压力的方法 模拟主动围压的作用，模拟结果显示，冻土的峰值应力随着主动围压值的变大而增加， 比吸收能量值随着围压的增大而减小。 对冻土力学性质，国内主要研究学者有吴紫汪、朱元林以及李洪升等人。国内近几 年才开始对冻土层下煤层开采进行相关的研究，国内文献稀少，国外也不曾有此类型的 研究，对矿区冻土层特性也了解不多。 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 1.3 开采沉陷的国内外研究现状 1.3.1 国外研究历史及现状 国外对开采沉陷的相关研究最早开始于 19 世纪， 当时人们在通过对采矿后所导致的 地标建筑物、水体等受到毁坏所进行研究中，逐步的了解了开采沉陷的基本原理。人们 对开采沉陷的研究过程可以分为 3 个阶段。 （1）开采沉陷认识和研究初期 从 1838 年直至二战前夕， 是开采沉陷的早期理论研究和认识阶段。 在此期间最早的 理论是 1838 年由多里斯提出的“垂线理论”。在此之后有德国人 Jlcinsky1876的“二 等分线理论”和 Oesterr1882的“自然线面理论”、Fayol1885的“圆拱理论”和 Hausse1885-1897的“二分带理论”等[37-42]。 （2）开采沉陷的理论形成时期 二战后至 20 世纪末，在此间期是开采沉陷理论形成时期[43-45]。 1924～1938 年，舒蜜茨、霍斯特等人依次对几何开采沉陷预计理论的发明和发展进 行了系统的研究[46-48]。 1947 年，前苏联学者阿尔为申提出了地表下沉剖面指数方程。 1954 年，波兰学者李特维尼申继布德莱克和康尼斯的几何理论研究，对开采沉陷的 随机介质理论进行研究，为后世开采沉陷系统理论的发明打下了坚实的基础，具有划时 代的意义[49,50]。 1975 年，Ryszard、Hejmanowski 等对开采引起的地表移动做出更准确的预测，找出 更高效更先进的空间统计方法[51-53]。 （3）20 世纪 90 年代以后 自 1990 年代以来， 对矿山开采后所引起的地表下沉变形的研究进入了热潮时期。 在 这个阶段，计算机程序替代了以往的经典理论计算，有效的解决了以往计算难的问题。 在此期间有限元法、离散元法和边界元法是 3 种有效的计算地表下沉的数值计算方法。 1.3.2 国内研究历史及现状 我国对于开采沉陷的研究，是在建国后才开始进行的[54]，以国外先进技术经验作为 基础，通过多年的实测资料累积，自主研究出了以概率积分法、剖面函数法等为基础的 地表下沉变形计算程序[55]。 上世纪 90 年代以来，我国在开采沉陷方面的研究进展发展迅速。何国清、周国铨、 虞万波、徐乃忠以及郭惟菇等人对煤层开采后沉所引起的地表下沉变形方面的内容进行 了充分的研究。 万方数据 1 绪论 5 重庆大学曹树刚等[56]对基岩裸露地区地下开采引起的地表移动变形规律进行了系 统的研究。 中国矿业大学郝延锦等[57]对峰峰矿区具体的开采方法条件下的地表沉陷规律进行 了研究和总结。得出了一般开采条件下的地表的下沉变形规律，研究得出了充填开采在 该地质条件条件下的下沉变形参数等，并且对峰峰矿区在深部开采条件下的地表下沉变 形情况进行了总结。 2008 年中国矿业大学查剑锋和郭广礼等[58]对充填开采进行了相关研究， 对采用矸石 充填开采的开采方式中地表下沉变形的形成机理以及下沉的控制做了相关的研究。 2009 年中国矿业大学高井祥和张连贵[59]通过对在兖州矿区的具体地质条件下进行 煤矿开采后，对现场进行实测、物理模拟实验以及物勘等技术进行具体研究的基础上， 对兖州矿区在非充分开采情况下覆岩的变形破坏机理以及地表下沉变形情况进行研究。 2010 年山东科技大学贾瑞生和姜岩[60]在可视化技术与三维建模软件的基础上， 通过 对沉陷预计模型与三维地层模型的研究基础上，借助 DEMsTEN 模型研究出一种新的 地表下沉预计方法。 2011 年内蒙古科技大学刘占魁和刘冰蕾[61]利用 ANSYS 有限元分析软件对沈阳矿区 林盛矿薄及中厚煤层群开采地表沉陷进行了数值模拟分析，对不同开采深度情况下的煤 层倾斜程度的变化、走向长壁一次采全高以及厚煤层群开采所引起的底边变性特征进行 研究。 2012 年中国矿业大学李培现[62]以徐州矿区为基础对深部开采地表下沉变形情况以 及预测方法进行研究得出深部煤层开采造成的地表长期移动变形的预测方法。 2013 年晋煤集团李林和赵彦斌[63]通过对王台铺煤矿进行了地表移动、变形的监测， 得到地表移动变形的观测资料。通过对一采区观测数据进行了计算，得出了该矿的开采 沉陷变形规律。 2014 年中国矿业大学徐克成[64]等通过合成孔径雷达差分干涉测量技术对淮南矿区 地表沉陷进行监测，并与基于概率积分法的预计结果进行比较分析，最后得出了相应结 论并对合成孔径雷达差分干涉测量技术在矿区开采沉陷中的应用做了展望。 2014 年河南理工大学郭文兵和李圣军[65]对洛阳常村煤矿地表沉陷进行现场观测， 获 得了大量的地表沉陷观测资料。通过对实测资料的分析，得出常村煤矿“三软”特厚煤层 开采地表沉陷规律及其参数。 2015 年安徽建筑大学李小庆[66]根据实测数据进行分析、 物理模拟实验以及数值模拟 研究等对淮北矿区开采地表下沉变形规律进行分析，得出了该矿的开采沉陷规律。 2016 年西安科技大学余学义等[67]以彬长矿区的采矿地质条件为工程背景， 通过在开 采区域地表布设监测点的方法，结合亭南煤矿现场观测实测数据并对其进行理论分析， 描述了深部大采深宽条带开采的地表移动规律。 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 6 随着计算机技术的快速发展，我国在开采沉陷方面的计算机预计系统是以概率积分 法为理论支持进行建立的，相关研究所使用的数值模拟方法主要有离散元法Discrete Element ，DEM、有限元法Finite Element ，FEW及边界元法Boundary Element ，BEM等，主要的数值模拟软件有 ANSYS、FLAC、UDEC、ARCGIS 等。 1.4 研究内容、方法、路线 1.4.1 研究内容 针对多年冻土层下煤层开采对地表环境所产生的影响，以娘姆特煤矿为具体工程背 景，广泛查阅、收集资料，在理论分析计算的基础上结合相似材料模拟试验以及数值模 拟计算等方法，研究了在煤层开采过程中的地表下沉变形规律。进行了以下主要研究 （1） 娘母特矿区多年冻土层力学特性分析。 通过查阅相关资料和文献以及现场观测 了解娘母特矿区冻土层的相关力学性质和参数。 （2）研究多年冻土层下煤层开采地表沉陷规律，采用相似材料模拟实验，研究煤层 开采后地表多年冻土层的下沉变形特征。采用 FLAC3D对工作面煤层开采后的地表多年 冻土层的位移变化规律进行研究。 （3）通过理论计算的方法对多年冻土层的挠曲下沉值、破断步距进行计算分析，最 终结合相似材料模拟实验以及数值模拟实验，分析总结多年冻土层下煤层开采地表沉陷 规律。 1.4.2 技术路线 根据冻土层的相关物理力学性质，通过查阅相关资料和文献，理论分析了解冻土层 在煤层开采过程中对地表环境的影响。 通过相似材料模拟实验和数值计算方法，观测在具体条件下煤层开采后冻土层破坏 过程和破断特征，同时分析煤层开采后地表的沉陷规律。 运用 FLAC3D软件对多年冻土层下矿井开采后的地表下沉变形进行模拟，并且对冻 土层的破断和地表沉陷规律进行分析。 通过理论计算的方法分析了地表多年冻土层的变形破坏方式，对多年冻土层的挠曲 下沉值、破断步距进行计算。 通过总结相关资料、相似模拟实验、数值分析、理论计算等，得出多年冻土层下开 采地表沉陷规律。 万方数据 1 绪论 7 现场勘探和调研资料搜集和整理 相似材料模拟实验数值模拟计算 综合分析 经典理论模型 地表沉陷规律 图 1.1 技术路线图 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 8 2 多年冻土层物理力学特性及主要参数 2.1 娘母特煤矿概况及地质特征 2.1.1 矿井概况 娘姆特矿井地处青海省东北部大通河流域，坐标东经 9929′51″～9931′26″、北纬 3802′04″～3803′29″。地处江仓矿区四号井田。井田走向长 3.47km、倾斜宽 1.8km、井 田面积 6.3km，煤炭资源储量 212Mt。娘母特煤矿为青海省江仓矿区首个在建的大型井 工矿井。煤矿的设计生产能力为 1.20Mt/a。江仓矿区冻土带发育，上层具有二元结构， 由第四系松散冲积层组成，上部第四系松散冲积层的主要组成成分为细颗粒、岩石碎块 等，一般厚度达十几米，厚度 4.6～46.5m；下部为基岩，冻土层大约 20～100m 左右。 井田煤层呈由南向北单斜构造，赋存可采煤层总共 12 层，煤厚为 1.12～15.62m， 煤层倾角达到 38左右。煤矿开拓方式为斜井多水平上山，所有开采矿山将被分为四个 上山阶段。 共有 12 层煤层介入井田范围内的资源、储量计算，分别为煤3、煤4、煤5、煤6、 煤7、煤8、煤10、煤12、煤13、煤15、煤16和煤20。一开采水平二采区被设计为首采区， 煤12至煤20共 5 层煤层在首采区进行开采，煤矿首采工作面位于一水平二采区煤20中。 20 号煤层为特厚煤层，设计采用综采放顶煤采煤方法。 在掘进过程中，煤20层由于受到 F16 以及 F8 断层的影响，使得首采区域煤层呈现 出离散易碎的状态。煤层底板为硬度小、厚度大的泥岩层；由于受到逆断层 F16 的影响， 煤20层呈现出大倾角状态，倾角最大部位处约为 38，工作面底板有鼓底现象；并且首 采区煤层受埋深和地表多年冻土层影响，使其在开采中有一系列问题的出现。 图 2.1 29 勘探线剖面图（局部） 娘姆特煤矿地表均匀布置着多年冻土层，冻土发育特征范围广、厚度大。多年冻 万方数据 2 多年冻土层物理力学特性及主要参数 9 土层最大厚度为 88.45m，最小厚度为 24.00m。第四系地层均为终年不化的多年冻土层。 永冻层厚度呈南薄北厚、东薄西厚分布，分布规律相似于第四系松散层。经研究观察发 现，娘姆特矿区上覆多年冻土层季融层深度为 1.52.8m，融化后有水渗出。夏季融化深 度在 1.5～2.0m。江仓矿区娘母特煤矿地表遍布多年冻土层，而且冻土层厚度变化范围 较大，见表 2.1 所示。 表表 2.1 娘姆特井田钻孔永冻层厚度统计表娘姆特井田钻孔永冻层厚度统计表 勘探线-钻孔号多年冻土层厚度/m冻土层底板标高/m备注 29-9086.653800.8钻孔冻冰深度 29-9388.453775.0钻孔冻冰深度 25-8550.003813.1钻孔冻冰深度 29-8152.003831.5钻孔冻冰深度 ZK28-135.293822.9钻孔冻冰深度 ZK27-124.003824.9钻孔冻冰深度 2.1.2 首采区工作面布置 娘母特煤矿首采工作面煤层赋存较为简单，位于煤20中。首采区工作面煤层布置如 图 2.2、图 2.3 所示，工作面设计走向推进长度为 900m，宽 100m，采高 12m。首采工作 面倾角最大约为38；停采线附近受背斜影响倾角倒转至最大约-24，严重影响工作面 正常开采。煤层底板标高 3750m，地表标高 3850m 左右，最小埋深 100m 左右。 图 2.2 首采工作面位置平面示意图 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 10 图 2.3 首采工作面布置剖面示意图 万方数据 2 多年冻土层物理力学特性及主要参数 11 2.2 多年冻土层的物理力学特性 2.2.1 冻土的力学性质特点 冻土做为一种特殊的土壤，由于冻土中冰的存在使其不同于其他不同土类。冻土中 的结晶冰在不同的环境下强度有所不同，其主要受温度、压力、应变速度以及冰晶的粗 细、布局等因素的影响。在一定条件下，随着温度的升高冰晶的强度随之降低，随着应 变速率的增长冰晶的强度随之增长。同时由于冰的各向异性不同，因此冰晶对冻土粘滞 性的影响非常大，对冻土的抗剪切能力的影响非常大。 由于冻土为四相体系，含有冰水混合物，其受力后会出现相应的力学变化特征。当 应力非常小时冻土的弹性体应变以及剪应变会因为应力的因素出现可逆现象；而其塑性 变形的情况下将呈现出不可逆的现象；冻土处于粘性变形的环境下时体应变会因为应力 时间因素的改变而发生变化。 不同埋深的冻土温度不一样，在相应的范围之内冻土的温度场由于冻土埋深的不同 而呈现出不同的变化。冻土冰水混合物中那部分未冻的水伴随着温度的降低会渐渐凝结 成冰，由于冰具有一定的胶结作用，所以当冻土中的水凝结成冰后会提高土的凝聚力， 使其强度增大，所以冻土的温度越低强度越大，其抵抗外力能力也随之越强，相应破坏 程度也随之越小。 2.2.2 冻土的破坏类型 冻土的破坏通常情况下为塑性破坏以及脆性破坏两种。 图 2.4 为冻土应力-应变曲线， 如图中 a 曲线所示当冻土所受力达到最大值的时候冻土体会发生突然性的损坏，随应变 持续增大，应力此时由最大值逐渐减小，最终达到一个比较稳定的平衡状态，冻土的这 种破坏被视为脆性破坏，粗颗粒冻土的破坏便是这种情况。在 a 曲线中最大值被称为损 坏强度，最终的稳定状态下的应力值定义为冻土的残余强度。如图中 b 曲线所示冻土的 应变随着冻土所受的应力值的增大而变大，在特定前提下当冻土的应力值最大时，应变 并未停止增加，这类没有明显的断裂面出现的破坏称为冻土的塑性破坏，细颗粒型冻土 的破坏便是这种情况。由于江仓矿区娘母特煤矿地表的多年冻土层是由砾石等块状岩石 为主要组成成分，所以该区域多年冻土的应力－应变关系应为 a 曲线所示，其主要破坏 形式为脆性破坏。 此外，冻土的破坏还与温度、含水量、应变速率、弹性模量等因素有关。低温下冻 土的破坏形式主要为脆性破坏，高温情况下冻土的破坏形式主要为塑性破坏。一般情况 下，当冻土中的含水量增加，多年冻土的破坏将由脆性破坏逐渐变至塑性破坏，随着冻 土中含水量的进一步增加，冻土的破坏形式将由塑性破坏变化为脆性破坏。随着应变速 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 12 率增加，其破坏方式一般由塑性破坏逐步转换至脆性破坏。 图 2.4 冻土应力-应变关系曲线 2.2.3 冻土的物理力学性质 冻土是当温度处于 0C 以下时，土壤中的自由水结冰后致使土壤之中的颗粒胶结成 整体。由于冰致使冻