【摘要】：神府-東勝煤田作為世界第七大煤田,其儲量約占全國探明儲量的三分之一,它的建設開發(fā)將為國家“一帶一路”戰(zhàn)略奠定良好的能源基礎。大量開采實踐表明,作為典型的淺埋煤層賦存地區(qū),回采過程中由于礦壓顯現(xiàn)劇烈,頂板災害時有發(fā)生;同時開采引起巖層和地表移動,造成地表塌陷,加劇了地表水土流失和荒漠化。鑒此,開展淺埋煤層采場覆巖結構破壞機理的研究,建立合理的淺埋煤層礦區(qū)地表沉陷模型和預測理論,是目前亟待解決的重要課題。本文以神府-東勝煤田南部礦區(qū)回采工作面引起的巖層移動和地表沉陷為主要研究對象,采用現(xiàn)場觀測、理論分析、數(shù)學建模、實測驗證等方法,對淺埋煤層采場覆巖破壞及地表移動規(guī)律進行了研究,主要研究內(nèi)容和結論如下:(1)基于彈性薄板理論,根據(jù)采場初次來壓和周期來壓邊界條件,建立了不同邊界條件下頂板力學模型;分析了頂板斷裂前后采場老頂變形和力學特征,提出了采場老頂初次來壓和周期來壓步距預測公式,對影響采場頂板初次來壓步距的因素進行了參數(shù)分析。根據(jù)不同工作面礦山壓力實測數(shù)據(jù),對理論計算值和現(xiàn)場實測值的對比分析,驗證了模型的可靠性和適用性;(2)根據(jù)工作面回采后期超前支承壓力對回撤通道圍巖應力分布影響特征,對末采階段概念進行了定義;基于老頂、直接頂協(xié)調(diào)變形機理,建立了末采階段直接頂力學模型,給出了末采階段采場頂板來壓計算公式;分析了末采階段老頂周期來壓步距與直接頂參數(shù)之間的函數(shù)關系;(3)根據(jù)末采階段采場超前支承壓力動態(tài)分布特征,分析了回撤通道受工作面超前支承壓力的影響過程,確定了回撤通道受動采影響的起始距離,定量給出了末采階段范圍;(4)通過張家峁煤礦15201工作面礦壓監(jiān)測,分析了工作面回采過程中支架初撐力、末阻力的動態(tài)變化過程和分布特征,對采場支架支護特性進行了分析評價,得到了淺埋煤層采場礦壓顯現(xiàn)的基本規(guī)律;(5)根據(jù)三維彈性薄板地表沉降模型,推導了地下開挖引起的地表移動預測公式;基于Schnute時間函數(shù)建立了動態(tài)地表沉陷預測模型;分析了不同速度、不同時間下地表下沉的特征和規(guī)律。
[Abstract]:As the seventh largest coalfield in the world, Shenfu-Dongsheng coalfield occupies about 1/3 of the proven reserves in China. Its construction and development will lay a good energy base for the country's "Belt and Road" strategy. A large number of mining practices show that, as a typical area where shallow coal seams occur, roof disasters occur from time to time due to severe mine pressure in the process of mining, and at the same time, mining causes rock strata and surface movement, resulting in surface collapse. It exacerbates soil erosion and desertification on the surface of the earth. In view of this, it is an important task to study the failure mechanism of overburden rock structure in shallow coal seam stope and to establish a reasonable subsidence model and prediction theory in shallow coal seam mining area. In this paper, the strata movement and surface subsidence caused by the mining face in the southern mining area of Shenfu-Dongsheng coalfield are taken as the main research objects, and the methods of field observation, theoretical analysis, mathematical modeling and verification are adopted in this paper. The rules of overburden rock failure and surface movement in shallow coal seam are studied. The main contents and conclusions are as follows: (1) based on the elastic thin plate theory, according to the boundary conditions of initial pressure and periodic pressure in the stope, The mechanical model of roof under different boundary conditions is established, the deformation and mechanical characteristics of the main roof before and after roof fracture are analyzed, and the prediction formulas of the first pressure and periodic step distance of the main roof are put forward. The parameter analysis of the factors affecting the first step distance of stope roof is carried out. According to the measured data of mine pressure in different working faces, the theoretical calculation value and the field measured value are compared and analyzed. The reliability and applicability of the model are verified. (2) according to the characteristics of the influence of the leading support pressure on the stress distribution of the surrounding rock of the withdrawal passage in the late mining stage of the working face, the concept of the stage of final mining is defined; based on the mechanism of coordinated deformation of the main roof and the direct roof, The direct roof mechanics model of the end mining stage is established, and the formula for calculating the roof pressure in the end mining stage is given. This paper analyzes the functional relationship between the step distance of the main roof period and the direct roof parameters in the stage of the end mining. (3) according to the dynamic distribution characteristics of the leading supporting pressure of the stope in the stage of the end mining, the influence process of the withdrawal passage by the leading supporting pressure of the working face is analyzed. The starting distance of the withdrawal passage affected by dynamic mining is determined, and the range of final mining stage is quantitatively given. (4) through the monitoring of mine pressure in 15201 face of Zhangjiaomao Coal Mine, the initial supporting force of support in the process of mining is analyzed. Based on the dynamic change process and distribution characteristics of final resistance, the characteristics of support in stope are analyzed and evaluated, and the basic rules of mine pressure in shallow coal seam are obtained. (5) according to the surface subsidence model of three dimensional elastic thin plate, The prediction formula of surface movement caused by underground excavation is derived, the dynamic surface subsidence prediction model is established based on Schnute time function, and the characteristics and laws of surface subsidence under different speeds and times are analyzed.
【學位授予單位】：西安科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TD325

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