软弱覆岩地表沉陷机理研究及应用

发布时间：2017-08-21 20:34

  本文关键词：软弱覆岩地表沉陷机理研究及应用

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【摘要】：本文以软弱覆岩矿山煤炭开采引起的地表沉陷为研究对象,采用现场测量、相似材料实验、数值模拟、理论分析和实例应用相结合的方法,对软弱覆岩条件下地表沉陷的机理、预测方法和参数求取方法进行了深入、详细的研究。主要研究内容包括：(1)根据实测地表移动观测资料,分析软弱覆岩矿山煤层开采地表沉陷特征；(2)基于相似材料模拟实验,分析软弱覆岩地表沉陷机理和开采空间向地表沉陷转化的规律；(3)采用数值模拟方法,分析不同岩体力学参数对地表沉陷的影响；(4)利用弹性梁板理论和随机介质理论,建立适合软弱覆岩条件的地表沉陷预计模型；(5)根据空间等效原则,研究预计参数的求解方法。通过研究得到以下主要结论：(1)软弱覆岩条件下,地表沉陷具有下沉系数大、地表移动盆地边缘收敛速度慢,开采过程中下沉速度和变形值大的特点。(2)根据相似材料模拟实验结果得出,软弱覆岩条件下,顶板未垮落前,覆岩以梁板的挠曲为主；顶板垮落后,顶板岩梁与采场砌体梁接触形成“双梁”结构,并以此为介质不断将开采空间向上传递转化为地表沉陷空间。(3)相似材料实验和理论分析表明,软弱覆岩条件下,顶板较软,采后易于弯曲下沉,冒落空间减小,使得冒落带高度减小,同时由于采动过程中覆岩不易形成离层裂缝或者离层会很快闭合,使得软弱覆岩条件下采场空间向地表沉陷空间转化更加充分,是造成下沉系数较坚硬岩层大的根本原因。(4)本文模型预测结果与实测值吻合程度较好,能够有效避免传统预计方法收敛过快的缺点。(5)利用数值模拟方法,分析得出岩体弹性模量、岩层与采厚比、深厚比和岩体抗压强度是影响地表沉陷的主要因素；并根据软弱覆岩条件下岩层的变形特征,提出了评价地表沉陷能力的三个指标T1(岩层弹性模量与层厚积)、T2(岩层差异性指数)和T3(覆岩平均弹性模量)。(6)根据岩体破裂规律,分析得出了下沉系数的变化特征,即下沉系数随着开采深度的增加而减小,两者近似呈负对数关系；岩体越坚硬,下沉系数越小,反之越大。(7)根据空间等效效应,研究提出了求取地表下沉系数的近似计算方法。下沉系数可由采出率ε采、冒落岩体碎胀系数K碎和空间相关系数Kq求解,即(8)基于全局优化算法,编制了预计参数的自动提取算法,并进行了应用,计算结果表明,该算法不需要提供经验初值,且编程简单、计算精度高、受人为因素影响小,能更好的吻合实测数据,避免了因初值不当带来的求参失真,能够满足工程应用。
【关键词】：软弱覆岩 地表沉陷 空间等效原则 预计参数
【学位授予单位】：煤炭科学研究总院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD327
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-23
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究概况12-21
• 1.2.1 开采沉陷国外研究进展12-14
• 1.2.2 开采沉陷国内研究进展14-19
• 1.2.3 软弱覆岩条件下开采沉陷研究进展19-21
• 1.3 论文主要研究内容21
• 1.4 研究方法与技术路线21-23
• 2 软弱覆岩条件下地表沉陷实测分析23-40
• 2.1 研究区地质采矿条件23-24
• 2.2 覆岩岩性及结构特点分析24-25
• 2.3 地表移动观测站设置及观测25-26
• 2.3.1 观测站设置25-26
• 2.3.2 地表移动变形观测情况26
• 2.4 软弱覆岩地表沉陷实测分析26-34
• 2.4.1 地表移动变形实测分析26-28
• 2.4.2 地表沉陷特征分析28-32
• 2.4.3 地表移动时间特征分析32-34
• 2.5 地表移动实测参数34-37
• 2.5.1 实测角量参数34-35
• 2.5.2 角量参数特征分析35-36
• 2.5.3 实测预计参数36
• 2.5.4 预计参数特点分析36-37
• 2.6 地表裂缝发育特征37-38
• 2.7 移动变形特征比较分析38-39
• 2.8 本章小结39-40
• 3 软弱覆岩条件下地表沉陷机理研究40-86
• 3.1 相似材料模拟实验40-62
• 3.1.1 研究区地质采矿条件40-41
• 3.1.2 模型设计及相似材料配比41-43
• 3.1.3 模型的制作43-44
• 3.1.4 模型监测44-45
• 3.1.5 实验结果分析45-61
• 3.1.6 小结61-62
• 3.2 数值模拟62-78
• 3.2.1 数值计算方法62-63
• 3.2.2 数值模型构建63
• 3.2.3 边界条件的确定63-64
• 3.2.4 岩层参数选择64-65
• 3.2.5 模拟计算过程65
• 3.2.6 计算结果分析65-70
• 3.2.7 地表沉陷与地质采矿要素关系70-78
• 3.3 软弱覆岩地表沉陷机理78-85
• 3.4 本章小结85-86
• 4 软弱覆岩地表沉陷预测模型86-100
• 4.1 概率积分法在预测地表沉陷上的主要问题86-88
• 4.2 基于弹性梁板和随机介质耦合的地表沉陷预计模型88-95
• 4.2.1 模型建立的理论基础88-89
• 4.2.2 预计模型的建立89-95
• 4.3 考虑地质构造的地表沉陷预计方法95-98
• 4.3.1 考虑断层构造的预计方法95-97
• 4.3.2 考虑松散层厚度的地表沉陷计算方法97-98
• 4.4 应用实例98-99
• 4.5 本章小结99-100
• 5 地表沉陷预测参数研究100-134
• 5.1 地表沉陷预计参数的定义100-102
• 5.2 预测参数的空间变化特征102-116
• 5.2.1 开采沉陷中的空间等效效应102-104
• 5.2.2 地表沉陷预测参数的空间特征104-105
• 5.2.3 地表沉陷评价指标105-110
• 5.2.4 下沉系数变化特征110-116
• 5.3 预测参数求取方法研究116-133
• 5.3.1 实测资料的预计参数求取方法116-117
• 5.3.2 无实测资料的预计参数求取方法117-119
• 5.3.3 基于空间等效效应的下沉系数近似求解方法119-121
• 5.3.4 基于全局优化算法的预计参数自动提取121-126
• 5.3.5 实例应用分析126-133
• 5.4 本章小结133-134
• 6 结论及展望134-137
• 6.1 主要结论134-135
• 6.2 论文创新点135
• 6.3 技术展望135-137
• 参考文献137-146
• 致谢146-147
• 读博期间发表的学术论文147
• 读博期间参加的科研项目147

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