地下开采地表移动变形的规律研究及影响因素分析

论文摘要

矿产资源的开采为国家的能源需求和原材料供给提供了有力的保障,推动了国民经济和工业现代化的快速发展,但地下开采引发的开采沉陷又反过来影响和破坏人类的生存环境,制约了经济和社会的可持续发展。开采沉陷影响的直接表现就是对地表的破坏,随着地下开采规模的不断扩大,地表移动变形问题日趋严重。虽然各级政府和组织已注重了预防与治理工作,但问题依然十分突出,最主要的原因就是开采沉陷理论不够完善,对地表移动变形的机理及规律认识不够。因此,为了最大限度的降低地下开采产生的负面影响,有必要对地下开采引起的地表移动变形规律及其影响因素进行深入研究。本文在横向课题“深部开采岩体长期稳定性和地表沉降规律研究”（编号:04207520070527）的支持下,以南京栖霞山铅锌矿为依托,采用现场观测、理论分析和数值模拟相结合进行研究。主要内容如下:①基于随机介质理论,建立了一般地表和山区地表下水平矿层开采、倾斜矿层开采的地表移动变形三维理论模型。分析了两种地表下开采引起的地表移动变形特征及主控因素的变化规律。②介绍了矿区的地表移动监测概况,并根据实测资料反分析求取了地表移动参数,建立了矿区地表移动与变形理论预测模型,系统理论地分析了矿区地表移动变形的特征,并与实测数据进行对比,表明预测效果理想。根据矿区的实际情况对开采深度、开采厚度、深厚比、开采宽度及主要影响范围角的影响规律进行了研究,为进一步开采预测和治理方案的制定提供理论依据。③根据常规三轴实验结果和现场地质调查得到岩层及充填体力学参数,采用有限差分软件FLAC3D建立了矿山三维数值模型,动态模拟了地下开采过程中地表位移场变化,并将计算结果与实测资料、随机介质理论预测结果进行对比综合分析。结果表明,结合随机介质理论和数值模拟综合分析能较理想的预测地表的移动与变形。④将反分析、随机介质理论模型和FLAC3D数值模拟结合,研究了充填体弹性模量、泊松比、内摩擦角及粘聚力对地表移动的影响。研究结果表明:弹性模量的影响最大,其次是内摩擦角,而泊松比和粘聚力影响很小。结论为矿区充填体力学参数设计和优化提供了科学依据。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究的目的与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 地表移动理论国内外研究现状
• 1.2.2 地表移动主要研究方法
• 1.2.3 监测技术的研究进展
• 1.2.4 存在问题及发展趋势
• 1.3 本文研究的主要内容与技术路线
• 1.3.1 主要内容
• 1.3.2 技术路线
• 2 采空区地表移动的基本特征
• 2.1 地表移动盆地
• 2.1.1 地表移动盆地的形成
• 2.1.2 地表移动盆地的划分
• 2.1.3 地表移动盆地的特征
• 2.2 开采过程中地表移动的一般规律
• 2.2.1 地表点的移动轨迹
• 2.2.2 地表移动的时间过程
• 2.3 影响采空区地表移动过程的主要因素
• 2.3.1 地形及岩层性质的影响
• 2.3.2 采矿因素的影响
• 2.4 地表移动与变形的危害
• 2.4.1 地表移动的危害
• 2.4.2 地表倾斜的危害
• 2.4.3 地表曲率的危害
• 2.4.4 地表水平变形的危害
• 2.5 本章小结
• 3 地下开采地表移动变形预测的理论模型
• 3.1 随机介质理论简介
• 3.1.1 单元开采引起的沉降
• 3.1.2 单元开采引起的水平移动与变形
• 3.1.3 单元开采在任意方向的移动与变形
• 3.1.4 岩层内部的移动规律
• 3.2 一般地表下开采地表移动变形预测的理论模型
• 3.2.1 有限开采地表移动盆地主断面模型
• 3.2.2 有限开采地表移动变形三维分析模型
• 3.2.3 算例与分析
• 3.3 山区地表下开采地表移动变形预测的理论模型
• 3.3.1 有限开采山区地表移动盆地主断面模型
• 3.3.2 有限开采山区地表移动变形三维分析模型
• 3.3.3 算例与分析
• 3.4 本章小结
• 4 地表移动基本参数的确定
• 4.1 概述
• 4.2 地表移动基本参数
• 4.2.1 下沉系数
• 4.2.2 主要影响范围角
• 4.2.3 水平移动系数
• 4.2.4 开采影响传播角
• 4.3 地表移动参数的反分析确定
• 4.3.1 非线性最小二乘法原理
• 4.3.2 参数估计的数学模型
• 4.3.3 算法的选择
• 4.3.4 三维反分析计算坐标的确定
• 4.4 本章小结
• 5 地表移动理论模型的工程应用
• 5.1 矿区概况
• 5.1.1 矿区基本概况
• 5.1.2 矿区工程地质条件
• 5.1.3 矿区岩层构造特征
• 5.1.4 矿体赋层特征
• 5.1.5 矿区生产状况
• 5.2 地表移动监测概况
• 5.2.1 设计原则及监测内容
• 5.2.2 地表移动观测站的布设
• 5.2.3 地表监测技术指标
• 5.2.4 观测结果处理
• 5.3 地表移动变形的随机介质理论分析
• 5.3.1 地表移动参数的确定
• 5.3.2 计算结果及分析
• 5.3.3 矿区建筑物的安全评价
• 5.4 地表移动变形影响因素分析
• 5.4.1 开采深度对地表移动变形的影响
• 5.4.2 开采厚度对地表移动变形的影响
• 5.4.3 深厚比对地表移动变形的影响
• 5.4.4 开采宽度对地表移动变形的影响
• 5.4.5 主要影响范围角对地表移动变形的影响
• 5.5 本章小结
• 6 地下开采三维数值模拟分析
• 3D简介'>6.1 FLAC^3D简介
• 6.2 栖霞山矿区三维分析模型的建立
• 6.2.1 初始平衡与边界条件
• 6.2.2 Mohr-Coulomb 屈服准则
• 6.2.3 计算参数
• 6.2.4 监测特征点的布置
• 6.3 地下开采地表移动过程模拟
• 6.3.1 模拟结果及分析
• 6.3.2 综合对比分析
• 6.4 充填体力学参数对地表移动的影响分析
• 6.5 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 后续研究工作及展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B 作者在攻读学位期间参加的科研项目