巨厚松散层下深部开采地表沉陷规律研究

摘要

本文以谢桥煤矿巨厚松散层下深部开采为研究背景，运用理论分析、离散元数值模拟和灰色关联分析等方法研究了巨厚松散层下深部开采上覆岩层移动及地表沉陷规律。研究结果表明，巨厚松散层下深部开采地表沉陷规律总体与一般地质采矿条件下地表沉陷规律相似,但是由于巨厚松散层的存在和深部开采的特殊力学环境，地表的移动和变形表现出特殊的规律。 由低地应力条件下岩层随时间的蠕变函数推导出高地应力条件下岩层随时间的蠕变函数，并得到深部开采时顶板初次破断的计算公式。建立了下部基岩离散介质—上部松散层随机介质的双介质耦合模型，提出采用该模型对巨厚松散层下深部开采地表沉陷进行预计，并结合谢桥煤矿地表沉陷实测数据，验证了预计方法的合理性。 分别以松散层厚度、开采深度、开采厚度和土岩比为变量进行数值模拟，研究四个因素对巨厚松散层下深部开采地表沉陷的影响规律。结果发现： 1）开采深度不变时，松散层厚度在200m以内具有加大地表沉降的作用，其厚度大于200m后开始缓解地表沉降；而地表的水平变形值随着松散层厚度的增加先增大，后逐渐趋于平缓。 松散层厚度较薄时，下伏基岩层的加载作用较大，采动引起的岩层运移易传达上覆松散层内，引起松散层发生较大程度的压缩变形，从而造成地表沉陷值较大。随着松散层厚度的增大，覆岩的总体加载作用变小，采动引起的基岩变形破坏也较小。当破坏传播到松散层内时，较厚的松散层对岩层运动起到了缓解吸收作用，使得能够到达地表的移动变形变小，反映为地表的沉陷值减小。由于松散层结构松软、抗变形能力低，松散层厚度越大时，地表发生的拉伸变形越大，地表沉陷盆地的收敛范围也相应扩大。但由于松散层厚度的增加使得传播到地表的岩层运移逐渐减小，当地表水平变形达到一定值后，其值不再随松散层厚度的增加而继续增大。 2）巨厚松散层下开采，地表下沉量与开采深度呈负相关的关系，开采深度越大，地表沉陷值越小；地表水平位移随着开采深度的增加呈现出逐渐减小的趋势。 在松散层厚度一定的条件下，采场地应力的大小随着开采深度的增加而加大，采场的破坏程度也逐渐变大。采动破坏在逐渐向上传播的过程中，受限于逐渐增厚的基岩，基岩发生弯曲变形阻止破坏的传播，最终使得地表竖直位移及水平位移均减小。 3）巨厚松散层下深部开采，地表沉陷值和水平位移值正比于开采厚度，采厚越大，两者都相应增大。 开采厚度决定了采出空间的大小，开采厚度的加大增大了采出空间。在巨厚松散层和深部开采的条件下，采区处于高地应力状态，上覆岩层受高应力作用而发生破断垮落。逐渐增大的采出空间为覆岩的垮落提供了足够的空间，因而采厚越大，采动越剧烈。由于巨厚松散层的存在，逐渐加大的破坏通过松散层传播到地表，引起地表沉陷和水平位移的增大。 4）在巨厚松散层和深部开采的条件下，地表沉陷值和地表水平位移值随土岩比的增大呈现出相反的变化趋势，地表沉陷值随着土岩比的增加先减小后增大，地表水平移动值随着土岩比的增加先增大后减小。 土岩比反映了上覆岩层的组成情况，在土岩比逐渐增大，即松散层厚度增大、基岩厚度减小的过程中，采场的采动破坏是逐渐减小的。土岩比较小时，采动破坏不易传播到地表，因此地表沉陷值较小。此时采场的破坏程度较大，岩层破坏裂隙扩展范围也较大，反映到地表的水平移动范围大。当土岩比增大时，采动更易传播到地表，所以地表沉陷值逐渐增大；土岩比越大，采场破坏程度越小，岩层破坏范围越小，直观表现为地表沉陷盆地的收敛范围变小。 利用灰色关联分析的方法，研究松散层厚度、开采深度、开采厚度和土岩比与地表沉陷和地表水平位移的关联度大小，从而找出影响巨厚松散层下深部开采地表沉陷和水平移动的主要影响因子。分析得出，对巨厚松散层下深部开采地表沉陷值影响最大的因素是开采深度，即地表沉陷的主控因子是开采深度；对地表水平移动值影响最大的因素是开采厚度，即地表水平变形的主控因子为开采厚度。

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巨厚松散层下深部开采地表沉陷规律研究

第一章 绪论

1.1 选题的意义及背景

1.1.1 选题的意义

1.1.2 选题的背景

1.2 深部开采的定义及判别

1.2.1深部开采的定义

1.2.2 煤矿深部开采判别

1.3 巨厚松散层定义及其特征

1.3.1 巨厚松散层的定义

1.3.2 巨厚松散层的特征

1.4国内外地表沉陷规律研究现状及存在问题

1.4.1地表沉陷机理及沉陷预计的研究

1.4.2 存在问题

1.5研究内容及技术路线

1.5.1 研究内容

1.5.2 技术路线图

第二章 巨厚松散层下深部开采岩层破断规律及沉陷预计

2.1 深部高地应力下覆岩变形及破断规律

2.1.1 浅部岩层变形基本方程的建立

2.1.2 岩层流变的力学模型

2.1.3 深部岩层移动变形规律

2.2 巨厚松散层下深部开采地表沉陷的预计

2.2.1 巨厚松散层下深部开采地表沉陷预计分析

2.2.2 模型的提出

2.2.3 下部离散介质

2.2.4 上部松散层随机介质

2.2.5 复合介质的耦合

2.3地表沉陷预计与实测对比

2.3.1 谢桥煤矿地表沉陷实测

2.3.2 谢桥煤矿地表沉陷预计及模拟

2.4本章小结

第三章 巨厚松散层下深部开采地表沉陷影响因子的数值模拟分析

3.1 离散元数值模拟模型的建立

3.2 松散层厚度对巨厚松散层下深部开采地表沉陷影响的数值模拟

3.2.1 模拟方案及模拟结果

3.2.2模拟结果分析

3.3 开采深度对巨厚松散层下深部开采地表沉陷影响的数值模拟

3.3.1 模拟方案及模拟结果

3.3.2 模拟结果分析

3.4 开采厚度对巨厚松散层下深部开采地表沉陷影响的数值模拟

3.4.1模拟方案及模拟结果

3.4.2 模拟结果分析

3.5 土岩比对巨厚松散层下深部开采地表沉陷影响的数值模拟

3.5.1模拟方案及模拟结果

3.5.2 模拟结果分析

3.6 本章小结

第四章 巨厚松散层下深部开采地表沉陷影响因子灰色关联分析

4.1灰色关联分析简介

4.2地表沉陷的灰色关联模型及因素敏感性分析

4.2.1确定系统特征行为序列与因素行为序列

4.2.2数据变化

4.2.3求取灰色关联度

4.2.4灰色关联度排序

4.3地表水平移动的灰色关联分析

4.3.1确定系统特征行为序列与因素行为序列

4.3.2数据变化

4.3.3求取灰色关联度

4.3.4灰色关联度排序

4.4本章小结

第五章 结论与展望

5.1 主要结论

5.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文