浅埋藏近水平特厚煤层采动覆岩及地表移动规律研究

发布时间：2017-07-14 17:19

  本文关键词：浅埋藏近水平特厚煤层采动覆岩及地表移动规律研究

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【摘要】：开采沉陷是矿区环境地质灾害的直接根源。国内外学者对开采沉陷的机理、监测、预计等做了大量的研究工作,而对于采空区上覆岩体的不连续性和可变性方面的探究较少。针对这一问题,本文依托国家自然科学基金面上项目(项目号:41172289)与中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(项目号:2652015125),以山西省朔州市安家岭1号地下矿为工程实例,采用相似模拟与数值模拟相结合的手段,研究浅埋藏近水平特厚煤层初采与重复采动条件下覆岩及地表的移动变形规律,主要研究内容及成果如下:1.通过相似模拟试验,分析总结了浅埋藏近水平特厚煤层在初采及重复采动条件下,沿煤层走向及倾向方向覆岩与地表随工作面推进的动态移动规律,以及开采结束后,地表随时间的静态移动变形规律。结果表明:浅埋藏煤层上覆岩层的下沉系数随着岩层埋深的增加而增大,且覆岩的下沉系数在重复采动作用影响下会增大;重复采动作用虽然加剧了地表的移动与变形,但在一定程度上缩短了采空区中部地表达到稳定状态的时间;开采结束后,地表达到稳定状态的空间位置顺序先后为:采空区中部地表→停采线一侧地表→开切眼一侧地表。2.基于相似材料模拟试验,对关键层下离层率随工作面推进距离的变化规律进行了研究。认为在初采条件下,岩体先后受自重作用与侧向挤压力作用,导致开切眼处离层裂隙的重复扩张与闭合,通过上覆岩体垮落范围内的测点有沿与推进方向相反的微小水平移动也验证了这一推论。3.基于分形几何理论,研究了岩层裂隙分形维数随工作面推进距离的变化曲线,以及重复采动作用对分形维数值的影响。通过分析得出在工作面推进距离相同的情况下,“三带”分形维数大小为裂隙带垮落带弯曲带;重复采动加强了岩体采动裂隙的闭合压实程度,加剧了岩体结构的破坏,使得“三带”的分形维数值会有显著增大。4.运用相似模拟、经验公式和数值计算方法对开采引起上覆岩体垂直分带的界限和特征进行了预测研究,对比三种方法的结果论证了相似试验的可靠性。
【关键词】：特厚煤层 重复采动 动态与静态移动变形 分形几何分析 裂隙发育特征
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD325
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 引言11-24
• 1.1 选题及背景意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-21
• 1.2.1 采场上覆岩层结构特征及移动规律研究12-16
• 1.2.2 采场上覆岩层采动裂隙演化规律研究16-17
• 1.2.3 地表移动变形规律研究17-21
• 1.3 主要研究内容21
• 1.4 研究方法与技术路线21-22
• 1.4.1 研究方法21-22
• 1.4.2 技术路线22
• 1.5 论文创新点22-24
• 第2章 研究区概况24-33
• 2.1 地理位置24-25
• 2.2 气象25
• 2.3 地形地貌25
• 2.4 地层25-27
• 2.5 构造27-29
• 2.6 水文地质特征29-31
• 2.6.1 含水岩系29-30
• 2.6.2 隔水层组30
• 2.6.3 构造的水文地质特征30
• 2.6.4 地下水补、径、排特征30-31
• 2.7 煤层31-33
• 第3章 覆岩内部及地表移动规律的物理模拟试验33-71
• 3.1 相似理论概述33-36
• 3.2 相似模拟试验目的36
• 3.3 试验采区煤层赋存状况及地质条件36-38
• 3.4 相似材料模拟试验设计38-47
• 3.4.1 模型的建立38-41
• 3.4.2 模拟试验的各岩层物理学参数的计算41-42
• 3.4.3 试验材料的配比及制备42-43
• 3.4.4 模型材料用量计算43-46
• 3.4.5 试验模型的制作46
• 3.4.6 监测点布设及观测方法46-47
• 3.5 测点数据的处理与分析47-69
• 3.5.1 计算原理47-50
• 3.5.2 观测结果分析50-69
• 3.6 本章小结69-71
• 第4章 上覆岩体采动裂隙的动态发育规律与分形几何分析71-83
• 4.1 上覆岩体采动裂隙的动态发育规律71-74
• 4.1.1 离层裂隙的发育规律71-73
• 4.1.2 竖向破断裂隙的发育73-74
• 4.2 上覆岩体采动裂隙的分形几何特征74-82
• 4.2.1 分形几何学概述74-76
• 4.2.2 采动岩体分形裂隙网络的演化规律76-80
• 4.2.3 岩体特性与采动裂隙分形的相关规律80-82
• 4.3 本章小结82-83
• 第5章 地表移动规律数值模拟研究83-110
• 5.1 计算方法83-98
• 5.1.1 计算模型83-84
• 5.1.2 计算参数的选取84
• 5.1.3 开挖过程模拟84-85
• 5.1.4 计算结果及分析85-98
• 5.2 上覆岩层变形破坏的垂直分带特征98-99
• 5.3 采区覆岩“两带”发育高度计算99-103
• 5.3.1 利用《三下规程》经验公式确定“两带”发育高度99-100
• 5.3.2 数值模拟方法确定“两带”发育高度100-102
• 5.3.3 物理相似模拟试验确定“两带”高度102-103
• 5.4 地表裂缝发育特征103-105
• 5.5 4106工作面和4107工作面地表裂缝分布规律分析105-109
• 5.6 本章小结109-110
• 第6章 结论110-112
• 6.1 主要研究成果110-111
• 6.1.1 覆岩与地表移动与变形规律相似模拟试验110
• 6.1.2 采动岩体分形裂隙网络的演化规律110
• 6.1.3 采场上覆岩体垂直分带的界限和特征预测110-111
• 6.2 后续工作展望111-112
• 参考文献112-118
• 致谢118-119
• 作者简介119-120

【参考文献】

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本文编号：541972