弱胶结覆岩高强度开采岩层与地表移动规律研究

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本文以营盘壕煤矿2201工作面地质采矿条件为依托原型,采用实测数据分析、数值模拟实验与相似材料模拟实验相结合的方法,对弱胶结覆岩高强度开采下的地表与岩层移动变形规律进行了研究,取得的主要研究成果如下:1)对营盘壕矿区岩层进行实地取样并进行力学实验,实验表明90%的岩层抗压强度均低于30MP,且岩层结构均以泥质胶结为主,具有胶结性差、易风化、对扰动敏感等物理特性,故确定了营盘壕矿区上覆岩层均属于弱胶结性岩层。2)根据现场实测数据绘制出了地表移动变形曲线图,揭示了弱胶结覆岩地表动态移动变形的变化规律;并进一步详细对比分析了营盘壕煤矿与临近的小纪汗煤矿的地质采矿参数与岩层结构,采用类比法确定了营盘壕煤矿2201工作面地表预计参数大小。3)采用数值模拟实验研究了一次性采全高与分层开采两种开采方式下的地表与覆岩移动变形规律以及覆岩内部应力场、塑性区变化规律,揭示了在弱胶结覆岩地层条件下更适合一次性采全高的开采方式,为2201工作面实际开采时提供了理论支撑。4)将理论分析与相似材料模拟实验结果相结合,得出了直接顶应力随着距离开切眼距离的不同而呈现不同类型函数的变化规律;且在高围压状态下,弱胶结覆岩由于自身物理性质而易产生假塑性弯曲,这些“假塑性体”内部产生了与正应力呈不同角度的裂隙,依然可以看成为两端固定,中间悬空的“简支梁”平衡结构;对于地表移动变形而言,下沉曲线收敛速度较一般地质采矿条件下的地表下沉曲线收敛速度慢,且下沉值偏小。5)以弱胶结覆岩岩层动态移动过程为研究基础,建立了弱胶结覆岩开采岩层移动力学模型。并以该力学模型为理论依据,结合材料力学相关知识,推导出了新的弱胶结覆岩开采垮落带发育高度的预测方法。6)理论分析了弱胶结覆岩地表下沉系数远远小于我国东部软岩条件下开采的经验下沉系数的四个因素。三个次要因素:弱胶结覆岩水化膨胀因素、似“覆岩离层注浆”因素、冲洪积砂的流动性因素;一个主要因素:岩层的巨厚特性因素。岩层巨厚的特点使得其在岩层移动变形向地表传递的过程中形成了类似于东部煤矿坚硬岩层的抗变形的作用。
致谢第3-4页
摘要第4-5页
abstract第5-6页
变量注释表第15-16页
1 绪论第16-26页
    1.1 选题意义与背景第16-17页
    1.2 国内外研究现状和问题的提出第17-23页
    1.3 研究内容第23-24页
    1.4 研究方法和技术路线第24-26页
2 弱胶结覆岩高强度开采地表移动规律实测分析第26-37页
    2.1 矿区基本情况第26-28页
    2.2 小纪汗煤矿实测数据分析第28-33页
    2.3 小纪汗煤矿沉陷预计参数反演第33-35页
    2.4 类比法确定营盘壕煤矿预计参数第35-36页
    2.5 本章小结第36-37页
3 弱胶结覆岩高强度开采数值模拟研究第37-55页
    3.1 模拟软件的介绍与选取第37页
    3.2 模型的建立与赋参第37-42页
    3.3 数值模拟结果分析第42-53页
    3.4 本章小结第53-55页
4 弱胶结覆岩高强度开采相似材料模拟研究第55-77页
    4.1 概述第55-57页
    4.2 模型的设计与铺设第57-61页
    4.3 相似材料模型的开挖与监测第61-64页
    4.4 直接顶应力动态规律分第64-67页
    4.5 地表移动特征分析第67-69页
    4.6 相似材料模型岩层动态移动规律分析第69-75页
    4.7 本章小结第75-77页
5 弱胶结覆岩开采岩层与地表移动特殊性分析第77-92页
    5.1 弱胶结覆岩开采岩层移动特征分析第77-88页
    5.2 弱胶结覆岩开采地表移动特征分析第88-91页
    5.3 本章小结第91-92页
6 结论与展望第92-95页
    6.1 结论第92-93页
    6.2 不足与展望第93-95页
参考文献第95-102页
作者简历第102-104页
学位论文数据集第104页
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