半干旱矿区植物根系对采动应力响应数值模拟
刘英1
裴为豪2
郭勇2
陈孝杨1
雷少刚3
潘东江4
宫传刚5
陶慧玲2
陈航3
1.安徽理工大学地球与环境学院,安徽淮南 232001;安徽理工大学深部煤炭安全开采与环境保护全国重点实验室,安徽淮南 2320002.安徽理工大学地球与环境学院,安徽淮南 2320013.中国矿业大学矿山生态恢复教育部工程研究中心,江苏徐州 2211164.徐州工程学院土木工程学院,江苏徐州 2210185.安徽理工大学空间信息与测绘工程学院,安徽淮南 232001
摘要：根系损伤是半干旱井工开采煤矿区植物损伤的关键生态问题,采动岩层破断运动诱发的根土层应力变化对植物根系的损伤机理及影响因素仍需深入探究.依据准黏聚力理论和锚固理论构建基于FLAC3D的植物主根应力损伤数值模型,通过控制变量,分别模拟不同开采条件、不同根土层力学性质和不同根系密度和直径下植物根土复合单元与根系的宏观力学扰动特征,构建植物根系应力对不同开采深度、推进速度、煤层埋深、煤层厚度的状态响应函数.结果得到:开采基岩破断产生的顶板应力会传递到根土层,根土层塑性区破坏范围随工作面不断推进递增,扰动区根系上下部受到的最大剪应力增加,根系上下部所受应力的非一致性是诱发采空区边界附近根系损伤的重要原因.控制单一变量的情况下,扰动区根系受到的最大剪应力随着采厚的增加递增,随采深的增加递减,但采速的变化仅影响覆岩应力传递到根土层的时间,对根土层塑性区破坏范围基本无影响;随内摩擦角和黏聚力增加,土体的抗剪性能越强,根土层发生剪切破坏的区域递减,利于植物根系保护;随根径的增大,根系单位面积上的应力递减,而根系密度的变化对根系应力及根土层塑性区破坏程度影响较小.根系上下部应力差与采厚、采深、采速之间的响应函数类型均为连续渐变函数,与推进距离之间的响应函数为阶跃变化函数.植被保护或源头减损时须调控开采沉陷位态,或采用充填、部分充填等静态开采技术,尽可能降低开采扰动对植物根系的应力损伤.研究结果可丰富半干旱矿区煤炭井工开采诱发植物损伤机理.
关键词：半干旱矿区采动应力植被退化力学机制根系扰动
分类号：TD88(矿山开采)
资助基金：国家自然科学基金(52204181)国家自然科学基金(52394193)国家重点基础研究发展计划（973计划）(2013CB227904)
论文发表日期：2025-03-31
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：15( 1717-1731 )
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