【摘要】：煤層開采后覆巖及地表沉陷預(yù)計(jì)影響著煤礦安全高效開采,而現(xiàn)有的沉陷預(yù)計(jì)方法大多采用純統(tǒng)計(jì)學(xué)的思想,沒(méi)有考慮覆巖及地表沉陷的力學(xué)機(jī)理。鑒于此,本文綜合采用理論分析、相似模擬、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法,對(duì)長(zhǎng)壁工作面覆巖破裂高度和巖梁破斷判別方法、關(guān)鍵層破斷后的砌體梁位移方程、未破斷關(guān)鍵層位移方程、基于關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的地表沉陷預(yù)計(jì)模型、以及基于關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的地表沉陷預(yù)計(jì)方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。明確了覆巖破裂與破斷的區(qū)別,破裂是巖層含有裂縫但還未被裂縫貫通,而破斷是裂縫貫通了巖層。采用第一強(qiáng)度理論建立了覆巖破裂的下沉臨界條件,結(jié)果表明整個(gè)覆巖在充分采動(dòng)條件下都已破裂。模擬了不同裂縫貫通度下巖層的下沉情況,結(jié)果表明破裂但未破斷巖層的下沉與未破裂巖層下沉基本一樣,因此未破斷的巖梁下沉可以用彈性地基梁研究。根據(jù)裂縫擴(kuò)展過(guò)程的應(yīng)力發(fā)育狀態(tài)和相似模擬的巖層破斷特征,建立了上覆巖梁破斷的判別準(zhǔn)則。建立了基于結(jié)構(gòu)力學(xué)的破斷關(guān)鍵層砌體梁結(jié)構(gòu)的位移方程力學(xué)模型,基于此力學(xué)模型分析了影響砌體梁結(jié)構(gòu)下沉的影響因素,給出了砌體梁結(jié)構(gòu)位移方程計(jì)算步驟,并結(jié)合孔莊礦砌體梁下沉實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型驗(yàn)證。建立了基于彈性地基梁的傾向和走向未破斷關(guān)鍵層的下沉力學(xué)模型,確立了力學(xué)模型所需參數(shù)的計(jì)算方法,研究了關(guān)鍵層厚度、彈性模量和采空區(qū)地基系數(shù)對(duì)關(guān)鍵層下沉曲線的影響。研究了松散層的移動(dòng)變形特征,建立了基于關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的地表沉陷預(yù)計(jì)模型。通過(guò)相似模擬和數(shù)值模擬驗(yàn)證了基于關(guān)鍵層關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的地表沉陷預(yù)計(jì)模型。根據(jù)基于關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的地表沉陷預(yù)計(jì)模型,結(jié)合主關(guān)鍵層是否破斷以及有無(wú)表土層對(duì)基于關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的地表沉陷預(yù)計(jì)方法進(jìn)行了分類,共分為4類:主關(guān)鍵層破斷且無(wú)或薄表土層(有砌體梁無(wú)表土層)、主關(guān)鍵層破斷且有表土層(有砌體梁有表土層)、主關(guān)鍵層未破斷且無(wú)或薄表土層(有關(guān)鍵層無(wú)表土層)、主關(guān)鍵層未破斷且有表土層(有關(guān)鍵層有表土層)。給出了4類基于關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的地表沉陷預(yù)計(jì)方法的步驟,編制了4類預(yù)計(jì)方法的Maple計(jì)算程序。并對(duì)有砌體梁無(wú)表土層、有砌體梁有表土層和有關(guān)鍵層有表土層三種類型進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TD327
【圖文】：

圖 2-1 采礦引起的覆巖三帶結(jié)構(gòu)模型[180]Figure 2-1 Three-zone structural model of mining-induced overburden[18層破裂的臨界條件層破裂臨界條件的理論分析是沉積巖和變質(zhì)巖共有的特點(diǎn)，水平成層巖體又類似于以利用板模型研究關(guān)鍵層的移動(dòng)變形。結(jié)合煤層地下開采鍵層可以簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變梁，平面應(yīng)變梁和平面應(yīng)力梁受區(qū)別，所以本文假設(shè)彎曲下沉帶覆巖為平面應(yīng)力梁模型。假設(shè)為兩端固支的梁，如圖 2-2 所示，梁的寬度取一個(gè)單lA Bqxo

博士學(xué)位論文I III III II3 3cos 1 sin cos sin 1 cos cos2π 2 2π22 2 2 233cos 1 sin cos sin cos cos2π 2 2π2 2 22 233cos sin cos cos 1 sin sin2π 2 2 2 2π22 2xyxyK Kr rK Kr rK Kr r (2-9)KI和 KII分別為 I 型和 II 型應(yīng)力強(qiáng)度因子，當(dāng) KI和 KII的組合滿足裂紋擴(kuò)展的斷裂準(zhǔn)則，裂紋開始擴(kuò)展，同時(shí)巖梁也開始下沉，在巖梁的下沉過(guò)程中，水平壓應(yīng)力不斷增加，使得 KI和 KII的組合小于材料的斷裂韌性，但裂紋尖端處于擴(kuò)展的臨界狀態(tài)，只有改變外界條件（如煤層繼續(xù)推進(jìn)），裂紋才會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展。圖 2-9 顯示了不同相似模型巖層破壞的情況，從中可以看出如下兩個(gè)巖層破壞特點(diǎn)：（1）產(chǎn)生了裂縫的巖層并不一定會(huì)貫通整個(gè)巖層厚度，也就是裂縫擴(kuò)展到一定程度時(shí)處于臨界狀態(tài)，此外，這些裂縫產(chǎn)生的原因是由于拉應(yīng)力大于巖層抗拉強(qiáng)度。（2）被裂縫貫通的巖層上端部都出現(xiàn)了壓破壞，說(shuō)明端部壓應(yīng)力達(dá)到巖層抗壓強(qiáng)度是巖層破斷的臨界條件。

2 覆巖破斷高度及破斷關(guān)鍵層的位移方程研究第 2.1.3 節(jié)的分析可知，巖層破斷時(shí)的水平力為：234 5qLTh 次破斷時(shí)作用在端點(diǎn)上的剪力 Fs為：sF qL，初次破斷不發(fā)生滑落失穩(wěn)的條件是：2s3tan tan4 5qLT F qLh 為破斷時(shí)巖層的最大相對(duì)下沉；φ 為巖塊摩擦角；L 為破斷巖上的均布載荷（包括自重）。(2-25)進(jìn)行變換得塊體不發(fā)生滑落失穩(wěn)的條件為： s3tan, 14 5sinf ii 為走向塊體滑落失穩(wěn)的準(zhǔn)則值，i 為巖層厚度與破斷塊體長(zhǎng)θ 為巖層剛破斷為塊體時(shí)的回轉(zhuǎn)角。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2779191