軟弱覆巖地表沉陷機理研究及應用.pdf

1、本文以軟弱覆巖礦山煤炭開采引起的地表沉陷為研究對象，采用現(xiàn)場測量、相似材料實驗、數(shù)值模擬、理論分析和實例應用相結合的方法，對軟弱覆巖條件下地表沉陷的機理、預測方法和參數(shù)求取方法進行了深入、詳細的研究。
　　主要研究內容包括:
　　(1)根據(jù)實測地表移動觀測資料，分析軟弱覆巖礦山煤層開采地表沉陷特征;
　　(2)基于相似材料模擬實驗，分析軟弱覆巖地表沉陷機理和開采空間向地表沉陷轉化的規(guī)律;
　　(3)采用數(shù)值模擬方

2、法，分析不同巖體力學參數(shù)對地表沉陷的影響;
　　(4)利用彈性梁板理論和隨機介質理論，建立適合軟弱覆巖條件的地表沉陷預計模型;
　　(5)根據(jù)空間等效原則，研究預計參數(shù)的求解方法。
　　通過研究得到以下主要結論:
　　(1)軟弱覆巖條件下，地表沉陷具有下沉系數(shù)大、地表移動盆地邊緣收斂速度慢，開采過程中下沉速度和變形值大的特點。
　　(2)根據(jù)相似材料模擬實驗結果得出，軟弱覆巖條件下，頂板未垮落前，覆巖以梁板

3、的撓曲為主;頂板垮落后，頂板巖梁與采場砌體梁接觸形成“雙梁”結構，并以此為介質不斷將開采空間向上傳遞轉化為地表沉陷空間。
　　(3)相似材料實驗和理論分析表明，軟弱覆巖條件下，頂板較軟，采后易于彎曲下沉，冒落空間減小，使得冒落帶高度減小，同時由于采動過程中覆巖不易形成離層裂縫或者離層會很快閉合，使得軟弱覆巖條件下采場空間向地表沉陷空間轉化更加充分，是造成下沉系數(shù)較堅硬巖層大的根本原因。
　　(4)本文模型預測結果與實測值吻合

4、程度較好，能夠有效避免傳統(tǒng)預計方法收斂過快的缺點。
　　(5)利用數(shù)值模擬方法，分析得出巖體彈性模量、巖層與采厚比、深厚比和巖體抗壓強度是影響地表沉陷的主要因素;并根據(jù)軟弱覆巖條件下巖層的變形特征，提出了評價地表沉陷能力的三個指標T1（巖層彈性模量與層厚積）、T2（巖層差異性指數(shù)）和T3（覆巖平均彈性模量）。
　　(6)根據(jù)巖體破裂規(guī)律，分析得出了下沉系數(shù)的變化特征，即下沉系數(shù)隨著開采深度的增加而減小，兩者近似呈負對數(shù)關系;

5、巖體越堅硬，下沉系數(shù)越小，反之越大。
　　(7)根據(jù)空間等效效應，研究提出了求取地表下沉系數(shù)的近似計算方法。下沉系數(shù)可由采出率ε采、冒落巖體碎脹系數(shù)K碎和空間相關系數(shù)Kq求解，即q=Kq*ε采/k碎。
　　(8)基于全局優(yōu)化算法，編制了預計參數(shù)的自動提取算法，并進行了應用，計算結果表明，該算法不需要提供經驗初值，且編程簡單、計算精度高、受人為因素影響小，能更好的吻合實測數(shù)據(jù)，避免了因初值不當帶來的求參失真，能夠滿足工程應用。