复杂开采条件下覆岩移动和变形规律的模拟研究

论文摘要

矿山地表沉降是一个不容忽视的问题,如果解决不好,轻则引起地表设施或建筑物的破坏,重则有可能引起地表突然坍塌,带来灾难性的后果。地下矿开采后形成采空区,在周围形成了一个移动带,移动带内可能存在各种设施或建筑物,如果在已知地下采空区大小的情况下,可以预测出地表沉降参数,则可对地表设施的布置起到事先参考的作用,提前采取措施,以确保采空区形成后,不会造成大的安全事故[1]。因此为实现矿山的安全开采,必须对地下开采引起的上覆岩层的移动规律及其对地表的影响进行研究。本课题以山西省忻州至保德高速公路下伏郝家里煤矿采空区为研究对象,该煤矿可采煤层主要有三层,多层重复开采会加剧上覆岩土体的受扰动程度,进而使之破坏失稳;另外该煤矿处于地形条件复杂的丘陵地区且采用房柱式与长臂式混合开采的开采方式,开采方式多样。本文根据相似原理,建立了相似模型,并进行了相似材料模拟实验研究;采用FLAC3D软件建立了该煤矿的数学模型,对不同采宽和采深开采条件下水平采煤的覆岩破坏、地表移动和变形规律进行了系统地研究分析。取得的主要研究成果如下:(1)根据相似材料模拟实验,研究了采煤工作面推进时覆岩移动与变形的动态规律以及开采沉陷基本稳定后采空区覆岩裂隙的分布发育规律。分析了采空区埋深、采宽等对采空区覆岩下沉量、地表移动和变形量的影响。(2)采用FLAC3D数值模拟得到矿山开采稳定后的位移场图、应力场图和破坏场图,研究不同地质采矿条件下地表移动与变形范围及形态;地表移动与变形的极值及其位置;根据模拟数据,描绘了不同开采条件下的地表移动曲线,并进行了分析,从而预测出采空区形成后引起的地表沉降、水平位移和斜率,探讨采空区上覆岩层移动和地表沉陷及变形破坏的一般规律。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文选题的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究内容和研究方法
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究方法和技术路线
• 第二章 研究区概况
• 2.1 工程概况
• 2.2 研究区地质概况
• 2.2.1 地形与地貌
• 2.2.2 地层岩性
• 2.2.3 地质构造与地震
• 2.3 煤矿采空区工程地质勘察
• 2.4 试验段地质采矿条件
• 第三章 物理模拟实验分析
• 3.1 相似模拟实验的基本原理
• 3.2 相似材料模拟实验设计
• 3.2.1 相似常数的选取
• 3.2.2 相似材料配比及分层用量
• 3.2.3 模型位移监测点的布置
• 3.2.4 数据的采集
• 3.3 采动覆岩移动规律研究
• 3.3.1 开采沉陷实验过程及主要现象
• 3.3.2 覆岩移动变形规律
• 3.4 覆岩裂隙分布发育规律
• 3.4.1 裂隙分布规律
• 3.4.2 裂隙发育程度
• 第四章 数值模拟模型的设计及求解
• 4.1 FLAC 程序简介
• 4.2 模型的建立
• 4.2.1 力学模型的选择
• 4.2.2 数值模型的建立
• 4.3 数值模型的求解
• 4.3.1 数值模拟的求解方法及过程
• 4.3.2 初始地应力场的求解
• 4.3.4 收敛准则
• 第五章 采动覆岩移动变形规律数值模拟研究
• 5.1 数值模拟计算方案
• 5.1.1 单层开采
• 5.1.2 多层开采
• #煤层单独开采覆岩移动与地表变形规律研究'>5.2 8^#煤层单独开采覆岩移动与地表变形规律研究
• 5.2.1 采动地表的移动和变形特征
• 5.2.2 应力场变化特征
• 5.2.3 破坏场变化特征
• #煤层单独开采覆岩移动与地表变形规律研究'>5.3 10^#煤层单独开采覆岩移动与地表变形规律研究
• 5.3.1 采动地表的移动和变形特征
• 5.3.2 应力场变化特征
• 5.3.3 破坏场变化特征
• 5.4 多层开采覆岩移动与地表变形规律研究
• 5.4.1 三层房柱式开采
• 5.4.2 房柱式与长臂式混合开采
• 第六章 结论及建议
• 6.1 主要结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录