小浪底库区采空区稳定性研究

论文摘要

本文以小浪底水库淹没区附近的新安矿区采空区为实验背景。研究采空区遭受库水的浸泡、冲掏和溶蚀条件下引起的上覆岩层的稳定性以及地表移动变形破坏规律。在对库区煤岩进行饱水状态下的物理力学性质测定后,得出围岩在饱水状态的物理力学参数及不同含水率煤样的抗剪强度与垂直应力关系曲线,为库区采空区相似模拟试验及数值分析提供数据支持。相似材料模拟实验以新安县王家沟村的一处采空区为原型条件,研发了液力模拟煤层开采系统来模拟不同采区尺寸上覆岩层的移动变形规律,以及由于采空区经受反复的水流冲掏和溶蚀,致使采空区侧壁及煤柱的细粒物质被冲刷带走情况下,引起采空区围岩的二次活化。为了精确地观测位移,采用了普通数码照相技术,开发了细微形变位移分析软件CPAnalysis,进行数据采集后的处理。运用分形几何理论,分析采空区“三带”在初次顶板垮落以及二次顶板围岩活化条件下,岩体裂隙发育的差异,建立了覆岩下沉系数与上覆岩层分形维数的相关关系。运用数值模拟方法研究了王家沟采空区覆岩的稳定性。根据王家沟的地面地形地貌和地下采空区的赋存条件,利用FLAC3D自定义函数功能,建立了三维立体计算模型。模拟小浪底库区蓄水前后覆岩和地表的移动过程,得到了采空区在渗流作用下岩层的移动变形规律。基于尖点突变理论,分析了不同形式下的采空区的稳定性及采空区失稳时能量的释放机制,对小浪底库区采空区进行分类,将狭窄煤(岩)柱支撑的采空区简化为非对称开采时的力学模型,将采空区跨度几乎相等且有狭窄煤(岩)柱支撑的采空区简化为对称开采时的力学模型。对于留有宽煤柱支撑的采空区,将其简化为条带开采时的力学模型。将模型顶板、煤柱、底板看成一个系统,在简化采空区的基础上,引入了水致弱化函数,研究了在库水渗透及软化作用下的采空区稳定性。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 选题研究的意义
• 1.2 研究现状与存在的问题
• 1.3 小浪底库区采空区概况及研究内容
• 1.3.1 小浪底库区采空区概况
• 1.3.2 研究内容
• 1.4 研究方法和技术路线
• 2 围岩及煤饱水状态下物理力学参数测定
• 2.1 库区老窑采空区地质条件
• 2.2 围岩物理力学参数测定
• 2.2.1 岩样采取及试验仪器
• 2.2.2 岩样物理力学参数测定结果
• 2.3 煤样物理力学参数测定
• 2.3.1 煤样密度的测定
• 2.3.2 煤样天然含水率测定
• 2.3.3 煤样抗剪强度指标测定
• 2.3.4 煤样渗透系数的测定
• 2.4 岩体强度参数计算
• 2.4.1 岩石与岩体参数的拟合关系
• 2.4.2 岩体强度参数
• 2.5 小结
• 3 采空区稳定性及顶板岩层二次活化的相似模拟研究
• 3.1 实验背景及相似模拟实验的理论基础
• 3.1.1 实验背景
• 3.1.2 相似材料模拟的理论基础
• 3.2 相似模拟实验设计
• 3.2.1 实验模型尺寸设计
• 3.2.2 相似系数的确定
• 3.2.3 相似材料的选择
• 3.2.4 相似材料的用量计算
• 3.2.5 液力模拟煤层开采系统的设计
• 3.2.6 应力监测系统
• 3.2.7 位移监测系统
• 3.3 采动岩层及地表移动变形的相似模拟研究
• 3.3.1 采动岩层移动过程及其变形特征
• 3.3.2 岩层移动规律研究
• 3.3.3 地表移动变形分析
• 3.3.4 采动岩体裂隙的分形研究
• 3.4 采空区顶板二次活化的相似模拟研究
• 3.4.1 采动岩层活化模拟方法
• 3.4.2 采动岩层活化移动变形规律
• 3.4.3 岩层活化对地表的影响分析
• 3.4.4 活化岩层裂隙发育规律
• 3.5 小结
• 4 采空区稳定性的数值模拟研究
• 3D软件简介'>4.1 FLAC^3D软件简介
• 4.2 复杂地形建模的理论基础及建模
• 4.2.1 曲面拟合的理论基础
• 4.2.2 拟合精度验算
• 4.2.3 研究区域概况
• 4.2.4 建立模型
• 4.2.5 模型边界条件
• 4.2.6 煤岩物理力学参数的选取
• 4.3 块体固液耦合理论
• 4.3.1 基本假设
• 4.3.2 数学模型
• 4.3.3 流体渗流方程的数值解法
• 4.3.4 程序设计
• 4.4 模型的求解过程
• 4.5 模拟结果
• 4.5.1 垂直应力分析
• 4.5.2 剪应力分析
• 4.5.3 最大主应力分析
• 4.5.4 塑性区分析
• 4.5.5 位移矢量场分析
• 4.5.6 垂直位移分析
• 4.5.7 水平位移分析
• 4.5.8 地表移动变形分析
• 4.6 模拟结果对比分析
• 4.7 小结
• 5 小浪底库区老窑采空区稳定性分析研究
• 5.1 小浪底库区新安县矿区采空区分类分析
• 5.2 突变理论
• 5.3 非对称开采时采空区稳定性分析
• 5.3.1 矿柱的本构模型
• 5.3.2 力学模型建立
• 5.3.3 岩梁的挠曲线方程
• 5.3.4 系统的势函数
• 5.3.5 系统的尖点突变分析
• 5.3.6 系统失稳时的释能机制分析
• 5.4 类条带开采时采空区稳定性分析
• 5.4.1 力学模型的建立
• 5.4.2 系统的势函数
• 5.4.3 系统的尖点突变分析
• 5.4.4 系统失稳时的释能机制分析
• 5.5 对称开采时采空区稳定性分析
• 5.5.1 力学模型的建立
• 5.5.2 矿柱的本构关系
• 5.5.3 岩梁的挠曲线方程
• 5.5.4 系统的势函数
• 5.5.5 系统的尖点突变分析
• 5.5.6 系统失稳时的释能机制分析
• 5.6 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 主要创新点
• 6.3 进一步展望
• 参考文献
• 附录
• 作者简历
• 学位论文数据集