浅埋煤层开采岩层移动规律及地表沉陷预测研究

摘要

浅埋煤层开采常采用长壁式综采，全部垮落法管理顶板，这使得岩层移动剧烈，地表沉陷量较大。本文采用理论模型分析、地表沉陷观测及数值模拟的研究方法，对浅埋煤层开采后的岩层移动及地表沉陷进行了深入研究。
　　浅埋煤层开采后岩层移动无弯曲下沉带，上覆岩土层呈“三带”(冒落带、裂隙带和松散层)分布。冒落带紧邻采空区，随着煤层开采后立即垮落，且破断块度较小。裂隙带位于冒落带上侧，岩层破断块度较大，且在破断后能保持层状分布。地表松散层颗粒介质较分散，移动具有随机介质移动的特点，并在地表形成沉陷盆地。
　　在冒落带垮落前，将采空区简化为椭圆形洞室，分析得到冒落带岩层应力：随着煤层的开采，未垮落的冒落带岩层简化为悬臂梁，计算得到冒落带岩层应力，结合岩层破断条件得到冒落带岩层的破断机理。总结破碎岩石的碎胀系数，得到了岩层的沉陷经验值。岩层移动中关键层起着重要作用，通过简化建立了关键层弹性地基梁模型，并求解得到了关键层的弯矩、剪力、挠度和转角的解析解。结合岩梁破断条件，得到关键层初次破断距和周期破断距。将模型应用到实际工程中，结果表明关键层弹性地基量模型可较好估算关键层的破断距。
　　应用随机介质理论得到了单元开采的地表沉陷曲线，并积分得到半无限开采地表沉陷预测公式。将有限开采视为两个无限开采之和的1/2，得到了有限开采的地表沉陷预测公式。对沉陷参数进行回归分析，得到岩性与沉陷参数的关系。对地表沉陷进行实际观测，获得了地表沉陷实测值。对比理论预测与观测结果，两者吻合程度较高，理论模型可较好应用在浅埋煤层地表沉陷预测中。
　　建立了浅埋煤层开采UDEC模型，模拟分步开采过程，得到岩层移动动态规律。对比数值模拟和观测成果，两者的相对误差较小。这说明数值模拟可较好应用在浅埋煤层地表沉陷预测中。

目录

1 绪论

1.1研究的背景及研究意义

1.2国内外研究现状及发展趋势

1.3主要研究内容、方法及技术路线

2 浅埋煤层开采的岩层移动规律分析

2.1浅埋煤层定义

2.2岩层移动的基本规律

2.3冒落带岩层的破断与移动

2.4裂隙带岩层的破断与移动

2.5地表松散层的移动

2.6工程实例分析

2.7本章小结

3 浅埋煤层开采的地表沉陷预测研究

3.1地表沉陷的基本规律

3.2单元开采引起的地表移动变形量

3.3地表沉陷的预测

3.4实际工程的沉陷预测

3.5本章小结

4 浅埋煤层地表沉陷观测及数据处理

4.1工程概况

4.2地表沉陷观测站设计

4.3地表沉陷观测成果

4.4地表沉陷预测值与实测值的对比分析

4.5本章小结

5 浅埋煤层开采的数值模拟研究

5.1 UDEC软件简介

5.2模型建立与参数确定

5.3数值模拟成果分析

5.4本章小结

6 结论与展望

6.1本文主要结论

6.2展望

致谢

参考文献