基于关键层结构的地表沉陷预计方法研究

发布时间：2020-08-03 05:34

【摘要】：煤层开采后覆岩及地表沉陷预计影响着煤矿安全高效开采,而现有的沉陷预计方法大多采用纯统计学的思想,没有考虑覆岩及地表沉陷的力学机理。鉴于此,本文综合采用理论分析、相似模拟、数值模拟和现场实测等方法,对长壁工作面覆岩破裂高度和岩梁破断判别方法、关键层破断后的砌体梁位移方程、未破断关键层位移方程、基于关键层结构的地表沉陷预计模型、以及基于关键层结构的地表沉陷预计方法进行了系统的研究。明确了覆岩破裂与破断的区别,破裂是岩层含有裂缝但还未被裂缝贯通,而破断是裂缝贯通了岩层。采用第一强度理论建立了覆岩破裂的下沉临界条件,结果表明整个覆岩在充分采动条件下都已破裂。模拟了不同裂缝贯通度下岩层的下沉情况,结果表明破裂但未破断岩层的下沉与未破裂岩层下沉基本一样,因此未破断的岩梁下沉可以用弹性地基梁研究。根据裂缝扩展过程的应力发育状态和相似模拟的岩层破断特征,建立了上覆岩梁破断的判别准则。建立了基于结构力学的破断关键层砌体梁结构的位移方程力学模型,基于此力学模型分析了影响砌体梁结构下沉的影响因素,给出了砌体梁结构位移方程计算步骤,并结合孔庄矿砌体梁下沉实测数据进行了模型验证。建立了基于弹性地基梁的倾向和走向未破断关键层的下沉力学模型,确立了力学模型所需参数的计算方法,研究了关键层厚度、弹性模量和采空区地基系数对关键层下沉曲线的影响。研究了松散层的移动变形特征,建立了基于关键层结构的地表沉陷预计模型。通过相似模拟和数值模拟验证了基于关键层关键层结构的地表沉陷预计模型。根据基于关键层结构的地表沉陷预计模型,结合主关键层是否破断以及有无表土层对基于关键层结构的地表沉陷预计方法进行了分类,共分为4类:主关键层破断且无或薄表土层(有砌体梁无表土层)、主关键层破断且有表土层(有砌体梁有表土层)、主关键层未破断且无或薄表土层(有关键层无表土层)、主关键层未破断且有表土层(有关键层有表土层)。给出了4类基于关键层结构的地表沉陷预计方法的步骤,编制了4类预计方法的Maple计算程序。并对有砌体梁无表土层、有砌体梁有表土层和有关键层有表土层三种类型进行了实例验证。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD327
【图文】：

覆岩,结构模型,键层,临界条件

图 2-1 采矿引起的覆岩三带结构模型[180]Figure 2-1 Three-zone structural model of mining-induced overburden[18层破裂的临界条件层破裂临界条件的理论分析是沉积岩和变质岩共有的特点，水平成层岩体又类似于以利用板模型研究关键层的移动变形。结合煤层地下开采键层可以简化为平面应变梁，平面应变梁和平面应力梁受区别，所以本文假设弯曲下沉带覆岩为平面应力梁模型。假设为两端固支的梁，如图 2-2 所示，梁的宽度取一个单lA Bqxo

岩层,破断,不同相,模型

博士学位论文I III III II3 3cos 1 sin cos sin 1 cos cos2π 2 2π22 2 2 233cos 1 sin cos sin cos cos2π 2 2π2 2 22 233cos sin cos cos 1 sin sin2π 2 2 2 2π22 2xyxyK Kr rK Kr rK Kr r (2-9)KI和 KII分别为 I 型和 II 型应力强度因子，当 KI和 KII的组合满足裂纹扩展的断裂准则，裂纹开始扩展，同时岩梁也开始下沉，在岩梁的下沉过程中，水平压应力不断增加，使得 KI和 KII的组合小于材料的断裂韧性，但裂纹尖端处于扩展的临界状态，只有改变外界条件（如煤层继续推进），裂纹才会进一步扩展。图 2-9 显示了不同相似模型岩层破坏的情况，从中可以看出如下两个岩层破坏特点：（1）产生了裂缝的岩层并不一定会贯通整个岩层厚度，也就是裂缝扩展到一定程度时处于临界状态，此外，这些裂缝产生的原因是由于拉应力大于岩层抗拉强度。（2）被裂缝贯通的岩层上端部都出现了压破坏，说明端部压应力达到岩层抗压强度是岩层破断的临界条件。

破断,滑落失稳,回转角,块体

2 覆岩破断高度及破断关键层的位移方程研究第 2.1.3 节的分析可知，岩层破断时的水平力为：234 5qLTh 次破断时作用在端点上的剪力 Fs为：sF qL，初次破断不发生滑落失稳的条件是：2s3tan tan4 5qLT F qLh 为破断时岩层的最大相对下沉；φ 为岩块摩擦角；L 为破断岩上的均布载荷（包括自重）。(2-25)进行变换得块体不发生滑落失稳的条件为： s3tan, 14 5sinf ii 为走向块体滑落失稳的准则值，i 为岩层厚度与破断块体长θ 为岩层刚破断为块体时的回转角。

【参考文献】