软弱覆岩地表沉陷机理研究及应用

摘要

本文以软弱覆岩矿山煤炭开采引起的地表沉陷为研究对象，采用现场测量、相似材料实验、数值模拟、理论分析和实例应用相结合的方法，对软弱覆岩条件下地表沉陷的机理、预测方法和参数求取方法进行了深入、详细的研究。
　　主要研究内容包括:
　　(1)根据实测地表移动观测资料，分析软弱覆岩矿山煤层开采地表沉陷特征;
　　(2)基于相似材料模拟实验，分析软弱覆岩地表沉陷机理和开采空间向地表沉陷转化的规律;
　　(3)采用数值模拟方法，分析不同岩体力学参数对地表沉陷的影响;
　　(4)利用弹性梁板理论和随机介质理论，建立适合软弱覆岩条件的地表沉陷预计模型;
　　(5)根据空间等效原则，研究预计参数的求解方法。
　　通过研究得到以下主要结论:
　　(1)软弱覆岩条件下，地表沉陷具有下沉系数大、地表移动盆地边缘收敛速度慢，开采过程中下沉速度和变形值大的特点。
　　(2)根据相似材料模拟实验结果得出，软弱覆岩条件下，顶板未垮落前，覆岩以梁板的挠曲为主;顶板垮落后，顶板岩梁与采场砌体梁接触形成“双梁”结构，并以此为介质不断将开采空间向上传递转化为地表沉陷空间。
　　(3)相似材料实验和理论分析表明，软弱覆岩条件下，顶板较软，采后易于弯曲下沉，冒落空间减小，使得冒落带高度减小，同时由于采动过程中覆岩不易形成离层裂缝或者离层会很快闭合，使得软弱覆岩条件下采场空间向地表沉陷空间转化更加充分，是造成下沉系数较坚硬岩层大的根本原因。
　　(4)本文模型预测结果与实测值吻合程度较好，能够有效避免传统预计方法收敛过快的缺点。
　　(5)利用数值模拟方法，分析得出岩体弹性模量、岩层与采厚比、深厚比和岩体抗压强度是影响地表沉陷的主要因素;并根据软弱覆岩条件下岩层的变形特征，提出了评价地表沉陷能力的三个指标T1（岩层弹性模量与层厚积）、T2（岩层差异性指数）和T3（覆岩平均弹性模量）。
　　(6)根据岩体破裂规律，分析得出了下沉系数的变化特征，即下沉系数随着开采深度的增加而减小，两者近似呈负对数关系;岩体越坚硬，下沉系数越小，反之越大。
　　(7)根据空间等效效应，研究提出了求取地表下沉系数的近似计算方法。下沉系数可由采出率ε采、冒落岩体碎胀系数K碎和空间相关系数Kq求解，即q=Kq*ε采/k碎。
　　(8)基于全局优化算法，编制了预计参数的自动提取算法，并进行了应用，计算结果表明，该算法不需要提供经验初值，且编程简单、计算精度高、受人为因素影响小，能更好的吻合实测数据，避免了因初值不当带来的求参失真，能够满足工程应用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究概况

1．2．1 开采沉陷国外研究进展

1．2．2 开采沉陷国内研究进展

1．2．3 软弱覆岩条件下开采沉陷研究进展

1．3 论文主要研究内容

1．4 研究方法与技术路线

2 软弱覆岩条件下地表沉陷实测分析

2．1 研究区地质采矿条件

2．2 覆岩岩性及结构特点分析

2．3 地表移动观N,立di设置及观测

2．3．1 观测站设置

2．3．2 地表移动变形观测情况

2．4 软弱覆岩地表沉陷实测分析

2．4．1 地表移动变形实测分析

2．4．2 地表沉陷特征分析

2．4．3 地表移动时间特征分析

2．5 地表移动实测参数

2．5．1 实测角量参数

2．5．2 角量参数特征分析

2．5．3 实测预计参数

2．5．4 预计参数特点分析

2．6 地表裂缝发育特征

2．7 移动变形特征比较分析

2．8 本章小结

3 软弱覆岩条件下地表沉陷机理研究

3．1 相似材料模拟实验

3．1．1 研究区地质采矿条件

3．1．2 模型设计及相似材料配比

3．1．3 模型的制作

3．1．4 模型监测

3．1．5 实验结果分析

3．1．6 小结

3．2 数值模拟

3．2．1 数值计算方法

3．2．2 数值模型构建

3．2．3 边界条件的确定

3．2．4 岩层参数选择

3．2．5 模拟计算过程

3．2．6 计算结果分析

3．2．7 地表沉陷与地质采矿要素关系

3．3 软弱覆岩地表沉陷机理

3．4 本章小结

4 软弱覆岩地表沉陷预测模型

4．1 概率积分法在预测地表沉陷上的主要问题

4．2 基于弹性梁板和随机介质耦合的地表沉陷预计模型

4．2．1 模型建立的理论基础

4．2．2 预计模型的建立

4．3 考虑地质构造的地表沉陷预计方法

4．3．1 考虑断层构造的预计方法

4．3．2 考虑松散层厚度的地表沉陷计算方法

4．4 应用实例

4．5 本章小结

5 地表沉陷预测参数研究

5．1 地表沉陷预计参数的定义

5．2 预测参数的空间变化特征

5．2．1 开采沉陷中的空间等效效应

5．2．2 地表沉陷预测参数的空间特征

5．2．3 地表沉陷评价指标

5．2．4 下沉系数变化特征

5．3 预测参数求取方法研究

5．3．1 实测资料的预计参数求取方法

5．3．2 无实测资料的预计参数求取方法

5．3．3 基于空间等效效应的下沉系数近似求解方法

5．3．4 基于全局优化算法的预计参数自动提取

5．3．5 实例应用分析

5．4 本章小结

6 结论及展望

6．1 主要结论

6．2 论文创新点

6．3 技术展望

参考文献

致谢

读博期间发表的学术论文

读博期间参加的科研项目