煤炭作為我國(guó)的主體能源,其在一次性能源結(jié)構(gòu)中占70%左右,且在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi),煤炭在我國(guó)一次性能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)不可替代的重要地位。實(shí)際煤礦中往往遇到一系列連續(xù)彎曲巖層——褶皺構(gòu)造,且彎曲巖層中賦存著相當(dāng)比例的煤炭資源,煤礦的開采不可避免的受到彎曲巖層不同程度的影響。事實(shí)上,彎曲巖層不僅影響煤礦生產(chǎn),而且影響煤礦生產(chǎn)的安全,例如:在彎曲巖層或其附近開采時(shí)易發(fā)生沖擊礦壓、煤與瓦斯突出等災(zāi)害;且隨著開采深度的不斷增加,這些災(zāi)害日趨增多。本文根據(jù)地質(zhì)學(xué)中彎曲巖層的特征,建立彎曲巖層的數(shù)值計(jì)算模型,采用理論分析和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的手段,結(jié)合彈性力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、巖石力學(xué)、地質(zhì)構(gòu)造學(xué)等學(xué)科理論得出了彎曲巖層中煤層開采后上覆巖層的變形與應(yīng)力的變化,討論了彎曲巖層的曲率半徑、構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)、采深、推進(jìn)角度、開采部位和巖層厚度對(duì)彎曲上覆巖層的變形和應(yīng)力變化的影響,取得了如下具有創(chuàng)新性的成果:(1)引入一種適用于極坐標(biāo)下平面曲梁的位移函數(shù),得出平面曲梁的偏微分控制方程,在此基礎(chǔ)上,得出用位移函數(shù)表示的位移分量、應(yīng)力分量表達(dá)式。事實(shí)上,過去較多的關(guān)于位移函數(shù)和差分方程的研究大多數(shù)是建立在直角坐標(biāo)系下的情況,而極坐標(biāo)下關(guān)于彎曲幾何結(jié)構(gòu)問題的分析具有較大的困難,特別是位移應(yīng)力混合模式的問題。(2)得出極坐標(biāo)下彈性體偏微分控制方程、位移分量、應(yīng)力分量的有限差分格式�？偨Y(jié)計(jì)算數(shù)學(xué)、彈性力學(xué)中有限差分理論,結(jié)合向前差分、向后差分和中心差分等,選用二階精度以上的差分公式,得出彈性體偏微分控制方程、位移分量和應(yīng)力分量中各個(gè)偏導(dǎo)數(shù)的差分表達(dá)式,從而得出彈性體偏微分控制方程、位移分量和應(yīng)力分量的差分方程。(3)結(jié)合彈性體偏微分控制方程的差分方程和數(shù)值計(jì)算模型中的邊界條件的差分方程,考慮巖層的物理力學(xué)性質(zhì),采用MATLAB軟件編程對(duì)差分方程進(jìn)行聯(lián)立求解計(jì)算,得出了彎曲巖層中煤層開采后上覆巖層的變形與應(yīng)力的數(shù)據(jù),分析出彎曲巖層的變形和應(yīng)力變化規(guī)律。(4)采用控制變量法,改變彎曲巖層數(shù)值計(jì)算模型中的參數(shù),采用MATLAB軟件編程和計(jì)算,分析得出了曲率半徑、構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)、采深、推進(jìn)角度、開采部位和巖層厚度對(duì)彎曲巖層的變形和應(yīng)力變化規(guī)律的影響,為彎曲巖層中巖層控制提供理論依據(jù)。研究成果應(yīng)用到某礦區(qū)2502采區(qū)工作面沿褶皺構(gòu)造開采時(shí)頂板的變形與應(yīng)力分析,理論數(shù)值計(jì)算與工程實(shí)際相吻合,為類似地質(zhì)條件下煤層開采提供理論參考依據(jù)。
【學(xué)位單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TD311
【部分圖文】：

褶皺構(gòu)造在地殼中分布廣泛，形態(tài)各異，大小差別很大。大者橫跨幾里，小者手標(biāo)本上即可顯示，甚至需要在顯微鏡下才可以看到。在進(jìn)行礦地下開采時(shí)，不可避免的遇到褶皺構(gòu)造。把本來簡(jiǎn)單的直線傾斜煤系地層了彎彎曲曲，走向上成弧形或圓形的褶皺。由于褶皺構(gòu)造的結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且派生的斷裂構(gòu)造，這些結(jié)構(gòu)不僅影響著煤層的開采和利用，還關(guān)系著煤礦全狀況、經(jīng)濟(jì)效益的等，給煤層的開采帶來了困難。了解褶皺構(gòu)造形態(tài)并其成因是解決煤層中的褶皺問題的關(guān)鍵，褶皺類型的分析和其形態(tài)的研究煤礦如何進(jìn)行安全開采意義重大。.1 褶皺的基本概念(The Basic Concept of Fold).1.1 褶皺構(gòu)造巖層或巖體，在各種應(yīng)力長(zhǎng)期作用下形成波狀彎曲，但仍然保持著它們的完整性，稱為褶皺構(gòu)造。褶皺構(gòu)造是地殼中常見的地質(zhì)構(gòu)造類型，煤礦井下過程中，經(jīng)常會(huì)遇到一些形態(tài)各異、大小差別很大、走向上成弧形或圓形的巖層 褶皺構(gòu)造。

圖 2-2 背斜與向斜示意圖Figure 2-2 Schematic diagram of anticline and syncline要素斜或向斜的中心部位，在實(shí)際工作中，常常是把背斜中心部位的底層稱為核部。部?jī)蓚?cè)的巖層。同一背斜或向斜的橫剖面上同一巖層面最大的彎曲點(diǎn)同一個(gè)巖層面在不同的橫剖面上的樞紐點(diǎn)連成一線，同一個(gè)背斜或向斜中各個(gè)巖層面上的樞紐線所構(gòu)成的它把背斜或向斜分為兩半。軸面可以是平面，也可以斜的或者水平的。面與水平面或地面的交線，如圖 2-3 中 AD 線。點(diǎn)）：指背斜的橫剖面上同一個(gè)巖層面的最高點(diǎn)，如

圖 2-3 褶曲幾何要素示意圖Figure 2-3 The diagram of fold geometric elements1-脊點(diǎn)；2-脊線；3-槽點(diǎn)；4-槽線圖 2-4 背斜的脊點(diǎn)、脊線與向斜的槽點(diǎn)、槽線示意圖-4 Schematic diagram of anticline’s ridge point 、ridge line and syncline’s sloslot line
【參考文獻(xiàn)】

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4 張永強(qiáng);煤炭開采過程中構(gòu)造煤對(duì)碳排放的影響研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2014年

5 但衛(wèi);東大別羅田片麻巖區(qū)小型褶皺變形特征及成因分析[D];中國(guó)地質(zhì)大學(xué);2007年

6 魏剛;急傾斜煤層開采地表變形的數(shù)值模擬研究[D];遼寧工程技術(shù)大學(xué);2005年

本文編號(hào)：2870102