岩盐水溶开采沉陷机理及预测模型研究

论文题目: 岩盐水溶开采沉陷机理及预测模型研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 采矿工程

作者: 任松

导师: 姜德义

关键词: 水溶开采沉陷,损伤演化方程,相似模拟,数值模拟,有限元,分层传递,三维预测模型

文献来源: 重庆大学

发表年度: 2005

论文摘要: 岩盐水溶开采沉陷具有很大的危害。它与巷采沉陷相比具有很多独特之处,巷采沉陷的理论和方法不能直接应用于水溶开采沉陷。因此,本文针对岩盐水溶开采的实际特点,主要做了以下几个方面的研究工作: 1)对矿物开采引起的上覆岩层移动、变形和破坏的一般规律进行了总结、归纳和研究。分析了水溶开采沉陷的特点和难点,为进一步研究打下了基础。2)应用相似材料模拟实验,研究了岩盐水溶开采过程中上覆岩层移动、变形和破坏规律;上覆岩层损伤演化过程及规律;开采沉陷的层面效应及分层特性;开采沉陷岩层破碎岩体尺寸特征等内容。3)现有数值分析软件,在开采沉陷数值模拟方面有许多不足之处。因此,本文充分利用目前有限元理论的最新研究成果,开发出了能够模拟岩盐水溶开采沉陷的有限元专用软件。4)使用有限元数值模拟方法,对岩盐水溶开采沉陷进行了系统研究。建立了6种开采模型,分别研究了开采沉陷的层面效应、角度效应、断层效应、单溶腔开采沉陷规律、多溶腔开采沉陷规律以及开采沉陷叠加原理等内容。5)在以上研究基础上,充分借鉴巷采沉陷预测的经验和方法,建立适用于岩盐水溶开采沉陷的三维预测模型,并开发了相应的计算软件。通过对以上内容的研究,获得了以下一些主要成果: 1)水溶开采与巷采在开采推进方向、采空区形状、采空区形状控制、预留矿柱的难易程度、水对上覆岩层的影响、采深和采厚等方面具有很大的差异。岩盐水溶开采沉陷的影响因素更多、预测更难、控制更复杂。巷采沉陷的预测方式和方法不能直接应用于水溶开采沉陷。2)获得了岩盐水溶开采沉陷的一般规律,得到了岩层宏观损伤演化规律及方程。3)开采沉陷的层理、断层、角度效应十分明显。岩层的层状结构决定了它在开采沉陷过程中会表现出强烈的分层特性。4)岩层的破坏尺寸与岩层强度有关,可以通过岩层的物理力学参数求解主要影响半径。5)本文开发的有限元专用软件中,构建了非线性接触单元,可以模拟层理面、裂隙及断层等不连续面;在分析过程中引入了损伤变量和单元破坏判断条件,可以分析岩体的损伤破坏过程;采用删除破碎单元和弹性加载的方法,实现了开采沉陷

论文目录:

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 问题提出

1.2 本文的研究目的和意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 开采沉陷机理和规律的研究

1.3.2 开采沉陷预测理论和方法

1.3.3 开采沉陷控制理论及方法

1.3.4 岩盐水溶开采沉陷研究现状

1.4 开采沉陷研究存在的不足及发展趋势

1.5 本文的主要工作

1.5.1 研究内容和目标

1.5.2 研究方案和技术路线

2 开采沉陷机理及岩盐水溶开采沉陷特点研究

2.1 引言

2.2 岩体内应力状态

2.3 地下开采引起的岩层移动形式

2.3.1 弯曲

2.3.2 冒落

2.3.3 片帮

2.3.4 滑移

2.3.5 滚动

2.3.6 底鼓

2.4 岩层移动稳定后采动岩层内的三带

2.4.1 冒落带

2.4.2 裂隙带

2.4.3 弯曲带

2.5 地表移动破坏形式

2.6 地表盆地形成机理及特征

2.6.1 地表移动盆地的形成

2.6.2 充分采动

2.6.3 非充分采动

2.6.4 地表移动盆地的特征

2.6.5 岩盐水溶开采下沉移动盆地

2.7 地表移动盆地移动和变形机理分析

2.7.1 单点移动分析

2.7.2 主断面地表移动和变形分析及对建筑物的影响

2.8 岩体初始损伤对开采沉陷影响的力学机制研究

2.8.1 岩体初始损伤对开采沉陷的影响

2.8.2 岩体初始损伤影响开采沉陷的力学机制

2.8.3 损伤量的测量方法

2.9 岩盐水溶开采沉陷的特点分析

2.10 小结

3 岩盐水溶开采沉陷相似材料模拟实验研究

3.1 引言

3.2 实验目的及方案

3.2.1 实验内容及目的

3.2.2 实验方案

3.2.3 实验设备及耗材

3.3 测量系统

3.3.1 模型力学参数及损伤量测量

3.3.2 岩层位移测量方法及原理

3.3.3 上覆岩层移动、变形和破坏过程记录

3.4 相似原理及相似准则

3.4.1 相似原理

3.4.2 相似准则

3.5 相似比的确定

3.6 材料配比实验

3.7 模型制作

3.8 水的处理

3.9 开采及测量

3.10 实验误差及修正

3.11 实验结果及分析

3.11.1 岩层损伤演化过程

3.11.2 岩层移动变形

3.11.3 开采沉陷的层面效应及分层特性

3.11.4 岩层破碎岩体尺寸特征

3.12 小结

4 水溶开采沉陷有限元数值模拟研究

4.1 引言

4.2 2D-Sink 的特点及实现

4.2.1 有限元法的开挖

4.2.2 非线性接触元

4.2.3 单元破坏判断条件及处理

4.2.4 垮塌破碎岩体充填效果模拟

4.2.5 渗透作用下的等效节点力的计算

4.2.6 材料非线性问题处理方法

4.2.7 非线性方程组的解法

4.2.8 线性方程组的数值解法

4.3 水溶开采沉陷有限元数值模拟

4.3.1 地层条件及力学参数

4.3.2 模型建立

4.3.3 模拟结果及分析

4.4 小结

5 岩盐水溶开采预测模型研究

5.1 引言

5.2 概率积分方法

5.2.1 基本原理

5.2.2 概率积分法的缺点及改进

5.3 新概率积分三维预测模型

5.3.1 单元开采新概率积分三维模型

5.3.2 岩盐水溶开采沉陷新概率积分三维预测模型

5.4 新概率积三维预测模型参数及获取

5.4.1 主要影响半径及力学获取途径

5.4.2 下沉系数、水平移动系数的确定

5.5 水溶开采沉陷分层传递概率积分三维预测模型

5.6 岩盐水溶开采三维预测模型数值解法

5.6.1 地表下沉数值解算公式

5.6.2 延指定方向的地表倾斜数值解算公式

5.6.3 延指定方向的地表曲率数值解算公式

5.6.4 延指定方向的地表水平移动数值解算公式

5.6.5 延指定方向的地表水平变形数值解算公式

5.6.6 分层传递模型的数值解法

5.7 多溶腔开采沉陷分层传递三维预测模型

5.8 岩盐水溶开采三维动态预测模型

5.8.1 模型原理

5.8.2 时间影响因素的确定

5.9 计算示例

5.9.1 单溶腔计算

5.9.2 多溶腔计算

5.9.3 岩层各项异性对沉陷的影响

5.10 小结

6 结论与建议

6.1 主要结论

6.2 创新点

6.3 建议和展望

致谢

参考文献

附录

1 作者简介

2 作者学习期间发表的论文

3 作者学习期间参加的科研项目

4 作者学习期间的获奖情况

独创性声明

学位论文版权使用授权书

发布时间: 2005-11-07

参考文献

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岩盐水溶开采沉陷机理及预测模型研究

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