基于关键层结构的地表沉陷预计方法研究

摘要

煤层开采后覆岩及地表沉陷预计影响着煤矿安全高效开采，而现有的沉陷预计方法大多采用纯统计学的思想，没有考虑覆岩及地表沉陷的力学机理。鉴于此，本文综合采用理论分析、相似模拟、数值模拟和现场实测等方法，对长壁工作面覆岩破裂高度和岩梁破断判别方法、关键层破断后的砌体梁位移方程、未破断关键层位移方程、基于关键层结构的地表沉陷预计模型、以及基于关键层结构的地表沉陷预计方法进行了系统的研究。 明确了覆岩破裂与破断的区别，破裂是岩层含有裂缝但还未被裂缝贯通，而破断是裂缝贯通了岩层。采用第一强度理论建立了覆岩破裂的下沉临界条件，结果表明整个覆岩在充分采动条件下都已破裂。模拟了不同裂缝贯通度下岩层的下沉情况，结果表明破裂但未破断岩层的下沉与未破裂岩层下沉基本一样，因此未破断的岩梁下沉可以用弹性地基梁研究。根据裂缝扩展过程的应力发育状态和相似模拟的岩层破断特征，建立了上覆岩梁破断的判别准则。 建立了基于结构力学的破断关键层砌体梁结构的位移方程力学模型，基于此力学模型分析了影响砌体梁结构下沉的影响因素，给出了砌体梁结构位移方程计算步骤，并结合孔庄矿砌体梁下沉实测数据进行了模型验证。 建立了基于弹性地基梁的倾向和走向未破断关键层的下沉力学模型，确立了力学模型所需参数的计算方法，研究了关键层厚度、弹性模量和采空区地基系数对关键层下沉曲线的影响。 研究了松散层的移动变形特征，建立了基于关键层结构的地表沉陷预计模型。通过相似模拟和数值模拟验证了基于关键层关键层结构的地表沉陷预计模型。 根据基于关键层结构的地表沉陷预计模型，结合主关键层是否破断以及有无表土层对基于关键层结构的地表沉陷预计方法进行了分类，共分为4类：主关键层破断且无或薄表土层（有砌体梁无表土层）、主关键层破断且有表土层（有砌体梁有表土层）、主关键层未破断且无或薄表土层（有关键层无表土层）、主关键层未破断且有表土层（有关键层有表土层）。给出了4类基于关键层结构的地表沉陷预计方法的步骤，编制了4类预计方法的Maple计算程序。并对有砌体梁无表土层、有砌体梁有表土层和有关键层有表土层三种类型进行了实例验证。

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