軟弱覆巖地表沉陷機(jī)理研究及應(yīng)用.pdf

1、本文以軟弱覆巖礦山煤炭開(kāi)采引起的地表沉陷為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、相似材料實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論分析和實(shí)例應(yīng)用相結(jié)合的方法，對(duì)軟弱覆巖條件下地表沉陷的機(jī)理、預(yù)測(cè)方法和參數(shù)求取方法進(jìn)行了深入、詳細(xì)的研究。
　　主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　(1)根據(jù)實(shí)測(cè)地表移動(dòng)觀測(cè)資料，分析軟弱覆巖礦山煤層開(kāi)采地表沉陷特征;
　　(2)基于相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，分析軟弱覆巖地表沉陷機(jī)理和開(kāi)采空間向地表沉陷轉(zhuǎn)化的規(guī)律;
　　(3)采用數(shù)值模擬方

2、法，分析不同巖體力學(xué)參數(shù)對(duì)地表沉陷的影響;
　　(4)利用彈性梁板理論和隨機(jī)介質(zhì)理論，建立適合軟弱覆巖條件的地表沉陷預(yù)計(jì)模型;
　　(5)根據(jù)空間等效原則，研究預(yù)計(jì)參數(shù)的求解方法。
　　通過(guò)研究得到以下主要結(jié)論:
　　(1)軟弱覆巖條件下，地表沉陷具有下沉系數(shù)大、地表移動(dòng)盆地邊緣收斂速度慢，開(kāi)采過(guò)程中下沉速度和變形值大的特點(diǎn)。
　　(2)根據(jù)相似材料模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，軟弱覆巖條件下，頂板未垮落前，覆巖以梁板

3、的撓曲為主;頂板垮落后，頂板巖梁與采場(chǎng)砌體梁接觸形成“雙梁”結(jié)構(gòu)，并以此為介質(zhì)不斷將開(kāi)采空間向上傳遞轉(zhuǎn)化為地表沉陷空間。
　　(3)相似材料實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，軟弱覆巖條件下，頂板較軟，采后易于彎曲下沉，冒落空間減小，使得冒落帶高度減小，同時(shí)由于采動(dòng)過(guò)程中覆巖不易形成離層裂縫或者離層會(huì)很快閉合，使得軟弱覆巖條件下采場(chǎng)空間向地表沉陷空間轉(zhuǎn)化更加充分，是造成下沉系數(shù)較堅(jiān)硬巖層大的根本原因。
　　(4)本文模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合

4、程度較好，能夠有效避免傳統(tǒng)預(yù)計(jì)方法收斂過(guò)快的缺點(diǎn)。
　　(5)利用數(shù)值模擬方法，分析得出巖體彈性模量、巖層與采厚比、深厚比和巖體抗壓強(qiáng)度是影響地表沉陷的主要因素;并根據(jù)軟弱覆巖條件下巖層的變形特征，提出了評(píng)價(jià)地表沉陷能力的三個(gè)指標(biāo)T1（巖層彈性模量與層厚積）、T2（巖層差異性指數(shù)）和T3（覆巖平均彈性模量）。
　　(6)根據(jù)巖體破裂規(guī)律，分析得出了下沉系數(shù)的變化特征，即下沉系數(shù)隨著開(kāi)采深度的增加而減小，兩者近似呈負(fù)對(duì)數(shù)關(guān)系;

5、巖體越堅(jiān)硬，下沉系數(shù)越小，反之越大。
　　(7)根據(jù)空間等效效應(yīng)，研究提出了求取地表下沉系數(shù)的近似計(jì)算方法。下沉系數(shù)可由采出率ε采、冒落巖體碎脹系數(shù)K碎和空間相關(guān)系數(shù)Kq求解，即q=Kq*ε采/k碎。
　　(8)基于全局優(yōu)化算法，編制了預(yù)計(jì)參數(shù)的自動(dòng)提取算法，并進(jìn)行了應(yīng)用，計(jì)算結(jié)果表明，該算法不需要提供經(jīng)驗(yàn)初值，且編程簡(jiǎn)單、計(jì)算精度高、受人為因素影響小，能更好的吻合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，避免了因初值不當(dāng)帶來(lái)的求參失真，能夠滿足工程應(yīng)用。