煤矿地下开采中冒落带演变过程模拟方法研究

发布时间：2017-10-11 15:12

  本文关键词：煤矿地下开采中冒落带演变过程模拟方法研究

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【摘要】：放顶煤开采是我国厚煤层开采广泛使用的方法之一,采用全部垮落法管理顶板时,采动影响剧烈,极易造成覆岩破坏严重。在开采推进过程中,采空区顶板会出现断裂、冒落等现象。发生冒落时,冒落的岩块快速的落入采空区中,压缩采空区内的气体,使采空区和巷道中产生冲击性大的飞速气流,飞速气流对井下作业的人员、设备造成了极大的危害。因此,在采用放顶煤技术采煤时,需要对出现冒落的工作面的推进位置进行预测。本文基于有限差分软件FLAC~(3D),提出一种模拟冒落带动态发育过程的方法。该方法以拉伸应变达到临界拉伸应变作为开始冒落的判据,以模拟计算出的冒落带高度达到理论计算高度作为冒落现象停止的判据。在实验模型中验证该方法的可行性,预测可能发生冒落现象的工作面推进位置并与以往预测地表沉降的方法进行对比。计算结果表明:(1)在实验模型计算中,利用该模拟方法判断冒落带、裂隙带范围,与理论公式计算结果差异较小,证明模拟方法有效可行。(2)通过正交试验的计算,对比以往所用的计算开采沉陷的模拟方法——工作面顶板岩层与煤层的分界面上添加接触面单元,得到在两种计算方法下,地表最大沉降与力学参数之间的关系,发现本文所研究的模拟方法在预测地表沉降方面比以往所用的方法更为合理。利用本文所提出的模拟方法,以安家岭井工1矿4107工作面为例,对冒落演变过程、裂隙带的分布规律以及地表沉降预测进行了预测,预测结果表明:(1)当工作面推进60米时,冒落首次发生,当工作面推进到100米时,采空区第一次被冒落岩体充填满,冒落首次中止。此后,每次停止冒落之后,工作面推进40到60米就会出现冒落现象;在出现冒落现象后,工作面推进20到40米,冒落现象就会中止。(2)大部分裂隙带的发育高度在70到80米之间,与裂隙带的理论计算高度一致。(3)地表出现了平行于开采边界的碗状塌陷盆地,最大沉降值为10.5米,地表下沉系数为0.875,与开采过程中的实际监测值十分接近。通过对比分析发现,本文所研究的冒落带演变过程的模拟方法的计算结果与理论结果和实际监测结果较为吻合,说明模拟方法有效。
【关键词】：FLAC~(3D) 地下开采 冒落带 模拟预测 地表移动
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD823;TD327.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 选题背景及研究意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.2.1 采空区上覆岩层破坏机理研究现状11-12
• 1.2.2 冒落带分布特征研究现状12-14
• 1.3 研究内容14-15
• 第2章 冒落原因与冒落过程分析15-21
• 2.1 冒落现象的产生原因15-16
• 2.2 冒落的发生过程16-18
• 2.2.1 工作面初次来压16-17
• 2.2.2 周期来压17-18
• 2.3 冒落带演变过程分析18
• 2.4 冒落带经验高度计算18-21
• 第3章 基于FLAC~(3D)的冒落带演变过程模拟方法研究21-52
• 3.1 计算软件介绍21-22
• 3.2 冒落带演变过程数值模拟方法介绍22-31
• 3.2.1 模拟流程介绍22-24
• 3.2.2 岩体冒落判断24-26
• 3.2.3 岩体开裂判断26-27
• 3.2.4 冒落暂停27-31
• 3.3 算例验证31-52
• 3.3.1 模型31-32
• 3.3.2 计算参数32-34
• 3.3.3 冒落裂隙带判据及参数34-35
• 3.3.4 边界条件35
• 3.3.5 计算结果35-52
• 第4章 应用实例52-67
• 4.1 自然地理概况52
• 4.2 工程地质概况52-54
• 4.3 计算模型与参数54-57
• 4.3.1 计算模型54-56
• 4.3.2 计算参数56
• 4.3.3 边界条件56-57
• 4.4 计算过程57-58
• 4.4.1 冒落裂隙带判据及参数57-58
• 4.4.2 计算流程58
• 4.5 地表移动规律58-60
• 4.6 冒落规律60-66
• 4.7 本章小结66-67
• 第5章 结论与展望67-69
• 5.1 结论67-68
• 5.2 展望68-69
• 致谢69-70
• 参考文献70-74

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本文编号：1013211