山区地下采煤地表沉陷数值模拟研究

发布时间：2017-08-28 19:28

  本文关键词：山区地下采煤地表沉陷数值模拟研究

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【摘要】：煤矿是我国最重要的一次性能源,在国民经济的发展中发挥着无可替代的重要作用。煤层被开采以后,其周围岩层失去了原有的力学平衡,在自重作用下,会逐渐发生弯曲、张裂和冒落等现象,进而导致地表沉降或塌陷,并严重威胁着矿山的安全。在煤炭开采过程中,排放的的大量煤矸石长期堆放于地表,不但占用大量的土地资源,并且会污染土壤和地下水。研究地下开采对地表移动及变形的影响对于煤矿的安全生产及矿区地质环境保护与恢复治理具有非常重要的意义。本研究以云南省会泽县大井镇芦坪煤矿开采为工程实例,详细查阅大量煤炭开采沉陷的文献,在充分了解研究区自然地理条件和地质条件的基础上,运用ArcGIS和FLAC3D建立了该矿区的三维地质模型,对芦坪煤矿东南部采区煤炭开采地表沉陷情况进行了数值模拟,并与经验法计算结果进行对比分析。在模拟的前提下,提取出地表沉陷的相关数据,应用Surfer软件进行了可视化处理。此外,本研究也模拟了在煤矸石充填条件下的地表移动变形情况。本研究结果表明：在地表沉陷预计中,FLAC3D数值模拟的方法与传统预计方法相比,具有很强的优势；山区地下采煤引起的地表移动变形规律与平地有明显的不同,山区地下采煤引起的地表移动下沉盆地不规则,移动范围和下沉值比平地大,水平位移不对称,说明地表起伏对地表移动变形有较大的影响；通过Surfer软件建立地表沉陷可视化模型,能够快速计算塌陷盆地的体积,方便对充填工程量进行统计；煤矸石填充采空区能够有效地控制地下岩层及地表的移动变形。
【关键词】：煤炭开采 地表沉陷 数值模拟 可视化
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD327
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-18
• 1.1 课题来源及研究意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-16
• 1.2.1 开采沉陷理论研究现状12-14
• 1.2.2 数值模拟研究现状14-15
• 1.2.3 充填开采研究现状15-16
• 1.3 论文研究内容和技术路线16-18
• 1.3.1 论文研究的主要内容16
• 1.3.2 论文研究的技术路线16-18
• 第二章 开采沉陷机理分析及基本特征概述18-32
• 2.1 地下开采引起的岩层移动18-22
• 2.1.1 岩体内的应力状态18-19
• 2.1.2 岩层移动破坏过程19
• 2.1.3 岩层移动的形式19-20
• 2.1.4 岩层移动的空间破坏程度及其划分20-22
• 2.2 地下开采引起的地表变形22-25
• 2.2.1 地表移动的形式22-23
• 2.2.2 地表移动盆地的形成23-25
• 2.2.3 地表移动盆地移动和变形分析25
• 2.3 山区地表移动变形规律25-31
• 2.3.1 山区地表移动叠加原理25-26
• 2.3.2 采动滑移的基本规律26-27
• 2.3.3 采动滑移的机理分析27-29
• 2.3.4 采动滑移向量分析29-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第三章 项目区概况32-41
• 3.1 项目区地理位置32-34
• 3.2 地貌34
• 3.3 气候34
• 3.4 研究区社会经济概况34-35
• 3.5 水文地质条件35-37
• 3.5.1 地表水水文特征35
• 3.5.2 地下水水文特征35-37
• 3.6 地层岩性及地质构造37-39
• 3.6.1 地层37-38
• 3.6.2 地质构造38-39
• 3.7 煤层开采工艺及流程39-40
• 3.8 本章小结40-41
• 第四章 芦坪煤矿开采数值模拟41-67
• 4.1 FLAC3D简介41
• 4.2 FLAC3D计算基本原理41-43
• 4.2.1 空间导数的有限差分近似41-42
• 4.2.2 运动平衡方程42
• 4.2.3 应变、应力及节点不平衡力42
• 4.2.4 阻尼力42-43
• 4.3 FLAC3D数值模拟过程43-53
• 4.3.1 FLAC3D复杂地貌三维地质建模44-49
• 4.3.2 数值模拟采用的本构模型49-51
• 4.3.3 岩体力学参数的选取51
• 4.3.4 边界条件及初始条件的定义51-52
• 4.3.5 初始平衡状态求解52-53
• 4.3.6 开挖模拟53
• 4.4 FLAC3D数值模拟结果及分析53-61
• 4.4.1 开采前初始应力特征分析53-55
• 4.4.2 开采后应力及其剪应变增量分析55-57
• 4.4.3 开采后塑性区的分析57-58
• 4.4.4 开采后地表沉降变化规律分析58-59
• 4.4.5 开采后地表水平变化规律分析59-61
• 4.5 对比分析61-65
• 4.5.1 平地条件模拟结果及对比分析61-63
• 4.5.2 传统预计方法地表沉陷测算及对比分析63-65
• 4.6 本章小结65-67
• 第五章 地表沉陷可视化处理研究67-79
• 5.1 地表沉陷可视化处理的必要性67
• 5.2 地表沉陷可视化处理常用方法67-68
• 5.3 地表沉陷可视化处理流程68-69
• 5.4 基于SURFER和FLAC3D软件的地表沉陷可视化处理69-78
• 5.4.1 Surfer软件的功能69
• 5.4.2 内插方法的选择69-70
• 5.4.3 改进谢别德法的原理70-71
• 5.4.4 数据获取和处理71-72
• 5.4.5 图形绘制72-76
• 5.4.6 图形数字化76-77
• 5.4.7 体积计算77-78
• 5.5 本章小结78-79
• 第六章 矸石充填开采模拟79-85
• 6.1 地表沉陷的危害79
• 6.2 矸石充填的可行性分析79-80
• 6.3 充填开采控制地表移动变形的作用机理80-81
• 6.3.1 充填体的支护作用80
• 6.3.2 充填体的综合作用机理80-81
• 6.4 充填效果模拟分析81-84
• 6.4.1 充填模型的建立及充填材料力学性能81
• 6.4.2 模拟结果分析81-84
• 6.5 本章小结84-85
• 第七章 结论与展望85-87
• 7.1 结论85
• 7.2 展望85-87
• 致谢87-88
• 参考文献88-92
• 附录A 攻读硕士学位期间发表论文92

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