厚松散層下開(kāi)采覆巖及地表移動(dòng)規(guī)律研究.pdf

1、在我國(guó)華北、華中及華東的許多地區(qū),松散層厚度較大,開(kāi)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(kāi)采沉陷及巖層移動(dòng)的特殊性,通過(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)對(duì)鮑店煤礦多個(gè)厚松散

2、層開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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?；貧w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(guò)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(guò)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(guò)程中經(jīng)歷了―卸荷-再壓縮‖的過(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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