河南某煤矿采空区室内模型试验及数值模拟研究

发布时间：2017-08-14 02:09

  本文关键词：河南某煤矿采空区室内模型试验及数值模拟研究

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【摘要】：在对采空区沉陷的一般规律进行总结的基础上,利用层次分析法(即AHP法)对开采沉陷的影响因子进行了重要性排序;依据相似原理,以河南省某矿区地质条件为原型,通过室内模型试验,对由煤层开挖引起的上覆岩层及地表的沉降变形规律进行研究;并使用有限元软件MIDAS/GTS对原型采空区进行数值计算,以此为基础,分析不同开采工况对采空区“三带”及地表变形分布规律的影响。取得的成果主要有:(1)通过AHP法对影响采空区沉陷的11个影响因子进行重要性排序。可知:采动程度(权重0.3028)、采高(权重0.1907)是最重要的两个影响因子。(2)在相似原理的基础上,开展了室内模型试验,包括:试验装置设计、相似常数选取、相似材料选择,模型开挖方案的确定、监测点布置方案、模拟开挖、数据记录与分析等工作。结果表明:在煤层开挖过程中,(1)?(6)层的动态观测曲线形态是一致的,且随着工作面推进距离的增加,采空区上覆岩体内部各点的沉降值也在逐渐增加;采空区中心位置处之上的沉降量较大,远离采空区方向沉降量逐渐减小;沉降趋于稳定后,在深度方向上离采空区越近所达到的最大沉降值越大;最终所得地表沉降曲线较平缓,地表沉降最大值在采空区中心位置处的正上方,最大沉降值为0.451 mm,相当于原型中的90.2 mm。(3)利用MIDAS/GTS建立原型采空区的三维模型,模拟煤层开采过程,并将物理模型试验的结果与其进行对比分析,对构建的数值模型及选取的参数进行了验证。并以此为基础,模拟不同开采工况,即采宽、采深、采高等影响因子的变化对沉陷规律的影响。结果表明:不同开采工况下地表沉降曲线的形态始终关于模型轴线,即采空区中央呈对称分布,沉降最大值始终在采空区中心之上,远离采空区方向沉降值逐渐减小;采空区之上“三带”的沉降量从大到小依次为:冒落带、裂隙带、弯沉带;而在采空区两侧煤柱附近各带的沉降量从大到小依次为:弯沉带、裂隙带、冒落带;在采深、采高相同的情况下,随采宽的增加,地表沉降范围和程度均在增加。地表水平位移从采空区中心向两侧的变化是先增大后减小,且随着采宽的增加,水平位移最大值的位置由采空区边界逐渐向煤柱侧移动;在采宽、采高相同的情况下,随着采深的增加,即采动程度的降低,地表下沉量和地表水平位移均减小,冒落带、裂隙带的沉降量略有增加,而弯沉带的沉降量则变化不大。地表下沉盆地越来越平缓,受影响的覆岩范围增加;在采宽、采深相同的情况下,当开采高度到达某一临界值时,对地表沉降产生较大的影响。采高的变化对地表水平位移的影响不大。随采高的增加,“三带”的沉降量均在增加,但增加值较小。上覆岩层受采动影响的范围变化不大。
【关键词】：采空区 层次分析法 相似原理 室内模型试验 MIDAS/GTS
【学位授予单位】：华北水利水电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD325.3
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 1 绪论10-18
• 1.1 选题背景及研究意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 采空区沉陷理论研究现状11-12
• 1.2.2 采空区相似材料模型试验研究现状12-14
• 1.2.3 采空区数值分析研究现状14-15
• 1.3 主要研究内容15
• 1.4 研究路线15-18
• 2 采空区沉陷机理及影响因素分析18-30
• 2.1 开采沉陷18
• 2.2 采空区上覆岩层及地表移动变形规律18-22
• 2.2.1 岩层移动及其形式18-19
• 2.2.2 采动岩层内的变形划分19-20
• 2.2.3 地表的移动和变形规律20-22
• 2.3 开采沉陷的影响因素分析22-28
• 2.3.1 层次分析法（AHP）的基本原理及步骤23-25
• 2.3.2 层次分析法分析过程25-28
• 2.3.3 层次分析法的计算结果28
• 2.4 本章小结28-30
• 3 采空区相似材料确定及试验模型箱设计30-38
• 3.1 概化研究区地层30
• 3.2 相似模拟试验原理30-32
• 3.3 相似常数的选取32
• 3.4 相似材料的选取32-35
• 3.5 试验装置设计35-36
• 3.5.1 试验装置技术背景35
• 3.5.2 试验装置设计介绍35
• 3.5.3 试验装置方案35-36
• 3.5.4 试验装置主要使用步骤36
• 3.6 本章小结36-38
• 4 采空区室内模型试验过程及结果分析38-52
• 4.1 试验过程描述38-40
• 4.1.1 模型制作38-40
• 4.1.2 模型开挖方案40
• 4.2 模型位移监测点布置方案40-42
• 4.2.1 布置依据40-41
• 4.2.2 模型试验监测点布置41-42
• 4.3 位移观测仪器的选择安装42-43
• 4.4 煤层开采与试验结果分析43-50
• 4.4.1 煤层开采与数据记录43-44
• 4.4.2 相似材料模型试验结果分析44-50
• 4.5 本章小结50-52
• 5 不同开采工况下采空区沉陷机理的数值模拟研究52-70
• 5.1 MIDAS/GTS软件简介54-55
• 5.2 不同开采工况下的数值计算55-58
• 5.2.1 模拟工况划分55-56
• 5.2.2 计算模型及参数选取56-57
• 5.2.3 初始应力场求解57-58
• 5.2.4 开挖方案58
• 5.3 数值模拟结果分析58-68
• 5.3.1 室内模型试验数值模拟结果58-61
• 5.3.2 不同工况数值模拟结果61-68
• 5.4 本章小结68-70
• 6 结论和展望70-72
• 6.1 主要结论70-71
• 6.2 进一步工作的方向71-72
• 攻读学位期间参加的科研项目及发表的学术论文72-74
• 致谢74-76
• 参考文献76-79

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本文编号：670175