厚松散層下開采覆巖及地表移動(dòng)規(guī)律研究.pdf

1、在我國華北、華中及華東的許多地區(qū),松散層厚度較大,開采沉陷規(guī)律與一般的地質(zhì)采礦條件下的規(guī)律存在著很大的差異性。針對(duì)厚松散層下開采沉陷及巖層移動(dòng)的特殊性,通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、相似材料模擬、數(shù)值模擬研究,掌握了厚松散層下開采地表移動(dòng)的動(dòng)靜態(tài)規(guī)律,在此基礎(chǔ)上,對(duì)厚松散層下開采覆巖和松散層移動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了深入研究,建立了異構(gòu)體耦合沉陷模型,并針對(duì)松散層的豎向變形規(guī)律,建立了土體壓縮模型。論文主要工作及成果如下:
　　(1)通過對(duì)鮑店煤礦多個(gè)厚松散

2、層開采工作面巖層移動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,掌握了厚松散層下開采地表移動(dòng)的動(dòng)靜態(tài)規(guī)律。并對(duì)厚松散層與一般地質(zhì)采礦條件的工作面進(jìn)行了角量參數(shù)和概率積分參數(shù)對(duì)比分析,得出了厚松散層下采煤地表移動(dòng)參數(shù)變化的規(guī)律?；貧w分析了兗州礦區(qū)地表移動(dòng)特征參數(shù)與地質(zhì)采礦因素之間的關(guān)系,給出了適合兗州礦區(qū)的地表移動(dòng)特征參數(shù)及預(yù)測(cè)參數(shù)系列經(jīng)驗(yàn)公式。
　　(2)采用相似材料模擬方法對(duì)厚松散層下開采巖層和松散層移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究。分析結(jié)果表明,基巖與松散層在移動(dòng)變

3、形機(jī)理上存在差異,基巖移動(dòng)變形主要受地下開采向上傳播引起的,而松散層除了隨基巖產(chǎn)生下沉移動(dòng)外,在基巖相對(duì)較薄時(shí)還會(huì)產(chǎn)生土體壓縮。因此厚松散層下采煤地表沉降主要由地下開采引起的下沉與土體壓縮兩部分組成。
　　(3)以兗州礦區(qū)鮑店煤礦地質(zhì)采礦條件為模擬原型,建立了Flac3D數(shù)值模擬模型。回歸分析了基巖和松散層厚度與地表下沉系數(shù)、最大下沉和水平移動(dòng)之間的關(guān)系。通過對(duì)松散層土體的變形分析,明確了基巖對(duì)松散層土體變形的顯著影響和控制作用,

4、以及不同松散層厚度下土體的變形規(guī)律。
　　(4)通過對(duì)數(shù)值模型模擬、土體變形監(jiān)測(cè)、土樣測(cè)試分析以及水文地質(zhì)資料的分析,認(rèn)為水位下降只是造成地表沉降的一種形式,其造成的土體壓縮一般難以反映在對(duì)某一具體工作面中,而附加應(yīng)力的作用是產(chǎn)生土體壓縮的主要原因。針對(duì)以上分析結(jié)論,結(jié)合土體壓縮實(shí)驗(yàn)研究和―土拱效應(yīng)‖理論,提出了土體再壓縮的變形機(jī)理,認(rèn)為松散層土體在沉陷過程中經(jīng)歷了―卸荷-再壓縮‖的過程,并在太沙基有效應(yīng)力原理基礎(chǔ)上,采用擾動(dòng)狀態(tài)

5、概念,對(duì)有效應(yīng)力產(chǎn)生土體的擾動(dòng)壓縮進(jìn)行分析求解,建立了土體壓縮的概念模型。
　　(5)鑒于基巖與松散層不同的移動(dòng)變形機(jī)理,將上覆巖層按照開采空間的尺寸,結(jié)合彈性力學(xué)理論,分別建立了基于彈性梁和彈性板理論的關(guān)鍵層判別模型,根據(jù)判別分析了關(guān)鍵層的變形形式,并分別建立了基巖沉陷模型。再以概率積分法基本原理為基礎(chǔ),結(jié)合二、三維概率積分模型,通過基巖和松散層土體的下沉關(guān)系,分別建立異構(gòu)體耦合沉陷模型。
　　(6)通過對(duì)松散層土體變形的

6、實(shí)測(cè)和模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,在―普氏拱理論‖的基礎(chǔ)上,結(jié)合采礦工程實(shí)際,給出了礦區(qū)松散層土體成拱判別條件(H≥2bfk);并在基于合理假設(shè)的基礎(chǔ)上,結(jié)合圣維南原理,應(yīng)用角點(diǎn)法和分層總和法,建立了土體附加應(yīng)力壓縮計(jì)算模型。當(dāng)松散層土體不滿足成拱條件時(shí),根據(jù)建立的附加應(yīng)力土體壓縮模型求取地表沉陷區(qū)域土體壓縮量。將建立的異構(gòu)體耦合沉陷模型和土體壓縮模型計(jì)算結(jié)果疊加,可得到地表最終下沉,即W=Wx,y+s。
　　(7)結(jié)合兗州礦區(qū)鮑店煤礦53