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厚松散层下开采覆岩及地表移动规律研究

作　者: 顾伟
导　师: 谭志祥
学　校: 中国矿业大学
专　业: 大地测量学与测量工程
关键词: 厚松散层开采沉陷异构体耦合下沉土体压缩沉陷模型
分类号: TD325
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在我国华北、华中及华东的许多地区，松散层厚度较大，开采沉陷规律与一般的地质采矿条件下的规律存在着很大的差异性。针对厚松散层下开采沉陷及岩层移动的特殊性，通过现场实测、相似材料模拟、数值模拟研究，掌握了厚松散层下开采地表移动的动静态规律，在此基础上，对厚松散层下开采覆岩和松散层移动机理进行了深入研究，建立了异构体耦合沉陷模型，并针对松散层的竖向变形规律，建立了土体压缩模型。论文主要工作及成果如下：（1）通过对鲍店煤矿多个厚松散层开采工作面岩层移动观测数据进行分析，掌握了厚松散层下开采地表移动的动静态规律。并对厚松散层与一般地质采矿条件的工作面进行了角量参数和概率积分参数对比分析，得出了厚松散层下采煤地表移动参数变化的规律。回归分析了兖州矿区地表移动特征参数与地质采矿因素之间的关系，给出了适合兖州矿区的地表移动特征参数及预测参数系列经验公式。（2）采用相似材料模拟方法对厚松散层下开采岩层和松散层移动规律进行了研究。分析结果表明，基岩与松散层在移动变形机理上存在差异，基岩移动变形主要受地下开采向上传播引起的，而松散层除了随基岩产生下沉移动外，在基岩相对较薄时还会产生土体压缩。因此厚松散层下采煤地表沉降主要由地下开采引起的下沉与土体压缩两部分组成。（3）以兖州矿区鲍店煤矿地质采矿条件为模拟原型，建立了Flac^3D数值模拟模型。回归分析了基岩和松散层厚度与地表下沉系数、最大下沉和水平移动之间的关系。通过对松散层土体的变形分析，明确了基岩对松散层土体变形的显著影响和控制作用，以及不同松散层厚度下土体的变形规律。（4）通过对数值模型模拟、土体变形监测、土样测试分析以及水文地质资料的分析，认为水位下降只是造成地表沉降的一种形式，其造成的土体压缩一般难以反映在对某一具体工作面中，而附加应力的作用是产生土体压缩的主要原因。针对以上分析结论，结合土体压缩实验研究和“土拱效应”理论，提出了土体再压缩的变形机理，认为松散层土体在沉陷过程中经历了“卸荷-再压缩”的过程，并在太沙基有效应力原理基础上，采用扰动状态概念，对有效应力产生土体的扰动压缩进行分析求解，建立了土体压缩的概念模型。（5）鉴于基岩与松散层不同的移动变形机理，将上覆岩层按照开采空间的尺寸，结合弹性力学理论，分别建立了基于弹性梁和弹性板理论的关键层判别模型，根据判别分析了关键层的变形形式，并分别建立了基岩沉陷模型。再以概率积分法基本原理为基础，结合二、三维概率积分模型，通过基岩和松散层土体的下沉关系，分别建立异构体耦合沉陷模型。（6）通过对松散层土体变形的实测和模拟实验结果分析，在“普氏拱理论”的基础上，结合采矿工程实际，给出了矿区松散层土体成拱判别条件（H≥2b/f_k）；并在基于合理假设的基础上，结合圣维南原理，应用角点法和分层总和法，建立了土体附加应力压缩计算模型。当松散层土体不满足成拱条件时，根据建立的附加应力土体压缩模型求取地表沉陷区域土体压缩量。将建立的异构体耦合沉陷模型和土体压缩模型计算结果叠加，可得到地表最终下沉，即W=W（x,y）+s。（7）结合兖州矿区鲍店煤矿5304-1和1312工作面地质采矿条件和岩土分析数据，将预计模型获得的主断面上地表下沉与实测数据进行对比，预测结果与实测数据吻合度较高，进一步验证了所建立的异构体沉陷耦合模型和土体压缩模型在地表移动变形计算的可行性。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-7
Abstract  7-10
Extended Abstract  10-29
变量注释表  29-30
1 绪论  30-40
  1.1 研究背景及意义  30-31
  1.2 开采沉陷预计研究现状  31-32
  1.3 覆岩变形规律研究现状  32-33
  1.4 厚松散层下开采地表移动规律研究现状  33-35
  1.5 厚松散层下开采地表移动规律研究存在的主要问题  35-36
  1.6 主要研究内容  36-38
  1.7 研究方法  38-39
  1.8 本章小结  39-40
2 厚松散层下开采地表移动规律实测研究  40-69
  2.1 引言  40
  2.2 矿区概况及地质采矿条件  40-43
  2.3 厚松散层地表沉陷资料分析  43-54
  2.4 厚松散层对地表移动特征影响分析  54-67
  2.5 厚松散层下开采地表移动规律  67-68
  2.6 本章小结  68-69
3 厚松散层下开采相似材料模拟实验研究  69-84
  3.1 相似材料模拟研究方法概述  69-70
  3.2 相似材料模拟实验研究  70-74
  3.3 实验结果分析  74-82
  3.4 模拟结果与实测结果对比分析  82
  3.5 本章小结  82-84
4 厚松散层下开采数值模拟研究  84-107
  4.1 数值模拟实验目的及方案设计  84-86
  4.2 基岩厚度对地表移动规律影响分析  86-96
  4.3 松散层厚度对地表移动规律影响分析  96-105
  4.4 厚松散层下开采地表移动规律总结  105-106
  4.5 本章小结  106-107
5 厚松散层移动变形机理研究  107-131
  5.1 水文地质资料分析  107-110
  5.2 钻孔取样分析  110-115
  5.3 土体变形实测分析  115-117
  5.4 厚松散层数值模拟应力分析  117-126
  5.5 土体压缩变形机理  126-130
  5.6 本章小结  130-131
6 厚松散层下开采沉陷预计模型研究  131-157
  6.1 岩层移动形式及关键层判别  131-136
  6.2 弹性梁理论沉陷模型  136-141
  6.3 薄板理论沉陷模型  141-147
  6.4 厚松散层土体压缩模型  147-156
  6.5 本章小结  156-157
7 工程应用  157-167
  7.1 5304-1 工作面的沉陷模型计算  157-161
  7.2 1312 工作面的沉陷模型计算  161-166
  7.3 本章小结  166-167
8 结论及展望  167-169
  8.1 主要工作及结论  167-168
  8.2 主要创新点  168
  8.3 不足及展望  168-169
参考文献  169-181
附录  181-184
作者简历  184-186
学位论文数据集  186

厚松散层下开采覆岩及地表移动规律研究

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