采动覆岩离层演化规律及地表沉陷模型的研究

发布时间：2017-10-13 23:30

  本文关键词：采动覆岩离层演化规律及地表沉陷模型的研究

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【摘要】：随着我国经济的快速增长,能源使用量日益增加,对矿产资源的开采规模不断扩张,由此引发的开采沉陷问题日趋严重。矿产资源的开采势必引起覆岩移动,在此过程中,离层现象普遍存在,并起着及其重要的传递作用,在一定程度上控制着地表沉陷的产生。因此对采动覆岩离层演化规律和地表沉陷规律做进一步研究,并建立基于离层演化的地表沉陷模型具有重要的理论意义和工程价值。本文首先从理论上分析了离层产生的力学机理,根据离层和地表形态特征建立了覆岩离层发展与地表动态下沉的关系模型。之后采用相似材料模拟实验从离层空间层位、横向扩展、协同理论等多方面描述离层演化规律,剖析了离层演化与地表沉陷的关系,并建立了基于离层演化的地表沉陷模型。最后采用数值模拟方法,研究覆岩位移场、应力场、位移矢量场的分布规律,进一步验证离层的扩展规律和覆岩移动特征。主要研究成果如下所示:(1)离层的产生是由于相邻岩层的不同步下沉引起的,包含两种力学模型,一是层间剪裂;二是层间拉裂。地表动态下沉与离层的发展在横向上有着一一对应的关系,非充分采动离层引起地表非充分下沉,充分采动离层引起地表充分下沉,超充分采动离层引起地表超充分下沉。(2)离层发展经历了三个阶段,即:起裂-扩展-闭合,离层空间分布规律受开采宽度和断裂角的影响,形态呈拱形,且位于卸压区。覆岩破坏程度和离层空间从下往上逐渐减小,并且离层的演化表现出明显的协同效应。(3)地表动态下沉分为三个阶段:初始阶段,活跃阶段和衰退阶段,并且地表各点的移动包括4个阶段,移动轨迹呈弧形。(4)采动覆岩可分为竖三带和横三区,开切眼和停采线处的裂隙率最高,采空区中部的裂隙率较低,并建立地表沉降和裂隙率之间的关系。(5)通过相似模拟实验分析了地表下沉与离层发展的时空对应关系,建立了基于离层空间分布规律的地表沉陷模型,并在弹性力学和材料力学的基础上,建立了基于弹性简支梁的地表沉陷模型。
【关键词】：开采沉陷 覆岩离层 协同学 裂隙率 沉陷模型
【学位授予单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD325
【目录】：

• 摘要9-10
• Abstract10-12
• 第1章 绪论12-22
• 1.1 问题的提出及研究意义12-15
• 1.1.1 问题的提出12-14
• 1.1.2 研究意义14-15
• 1.2 国内外研究现状15-19
• 1.2.1 覆岩移动破坏规律的研究现状15-16
• 1.2.2 开采沉陷规律的研究现状16-18
• 1.2.3 采动覆岩离层演化规律的研究现状18-19
• 1.3 本文的主要研究内容及技术路线19-22
• 1.3.1 主要研究内容19-20
• 1.3.2 技术路线20-22
• 第2章 覆岩离层产生的力学机理及地表沉降的基本理论22-36
• 2.1 采动覆岩移动破坏规律22-23
• 2.2 覆岩离层产生和发展的机理23-28
• 2.2.1 组合梁内的剪应力24-25
• 2.2.2 覆岩离层产生的力学分析25-26
• 2.2.3 岩层断裂的力学分析26-27
• 2.2.4 采动覆岩离层动态发展规律27-28
• 2.3 地表沉陷特征及沉陷过程分析28-31
• 2.3.1 地表沉陷的特征参数28-30
• 2.3.2 地表沉陷盆地区域划分30-31
• 2.3.3 采动覆岩地表动态下沉规律31
• 2.4 覆岩离层发展与地表动态下沉的对应关系31-33
• 2.4.1 覆岩离层的三种形态31-32
• 2.4.2 地表沉降盆地的三种类型32
• 2.4.3 覆岩离层发展与地表动态下沉的关系模型32-33
• 2.4.4 地表动态下沉与覆岩离层关系的影响因素33
• 2.5 本章小结33-36
• 第3章 采动覆岩离层演化规律的相似材料模拟实验研究36-50
• 3.1 相似材料模拟实验概述及原理36-37
• 3.2 实验目的37
• 3.3 相似材料模拟实验设计37-41
• 3.3.1 模拟对象37
• 3.3.2 相似条件的确定37-38
• 3.3.3 相似材料的选取及配比38
• 3.3.4 模型的尺寸设计和制作过程38-40
• 3.3.5 测点的布置及观测方法40-41
• 3.4 实验观测结果分析41-48
• 3.4.1 采动覆岩离层空间的发育过程42-43
• 3.4.2 离层空间分布规律43-44
• 3.4.3 顶板岩层破坏规律44-45
• 3.4.4 覆岩离层协同演化规律45-48
• 3.5 本章小结48-50
• 第4章 采动覆岩地表沉陷规律及模型研究50-60
• 4.1 地表沉陷与覆岩断裂的关系50
• 4.2 地表动态下沉规律50-51
• 4.3 采动覆岩裂隙演化规律与地表沉陷的关系51-55
• 4.3.1 采动覆岩的竖直分带51-52
• 4.3.2 采动覆岩的水平分区52-53
• 4.3.3 采动覆岩裂隙演化程度53-54
• 4.3.4 地表沉陷与裂隙率的关系54-55
• 4.4 地表沉陷与离层演化的关系模型55-59
• 4.4.1 地表下沉与离层发展的时空对应规律55-56
• 4.4.2 基于离层空间分布规律的地表沉陷模型56-57
• 4.4.3 基于弹性简支梁的地表沉陷模型57-59
• 4.5 本章小结59-60
• 第5章 采动覆岩移动变形机理的数值模拟研究60-74
• 5.1 覆岩移动破坏的基本规律60-62
• 5.2 MIDAS/GTS软件介绍62-64
• 5.2.1 基本概念62
• 5.2.2 本构模型62-64
• 5.3 计算模型的建立64-65
• 5.3.1 物理参数的选取64
• 5.3.2 边界条件的确定64-65
• 5.3.3 数值计算模型65
• 5.4 数值模拟结果分析65-72
• 5.4.1 采动覆岩竖向位移场分布规律65-68
• 5.4.2 采动覆岩水平位移场分布规律68-70
• 5.4.3 采动覆岩竖向应力场分布规律70-71
• 5.4.4 采动覆岩位移矢量场分布规律71-72
• 5.5 本章小结72-74
• 第6章 结论与展望74-76
• 6.1 本文结论74-75
• 6.2 展望75-76
• 参考文献76-80
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文80-82
• 攻读硕士学位期间参加的科研项目82-84
• 致谢84

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