大埋深煤层开采地表变形规律及工程应用研究

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随着我国经济社会的快速发展,基础设施建设项目的加速实施,对能源矿产资源的需求量呈快速增长的趋势,尤其是煤炭资源被大量地开采,使得我国大量浅层煤炭矿区的资源面临枯竭,随着能源需求量的不断扩大和开采强度的不断加大,煤矿开采不断向深部延伸,由于深部开采条件下岩石处于高温高压的特殊环境,地应力、构造应力急剧增加,使得巷道及工作面围岩地质环境恶化、事故发生几率增加,由此引发的的上覆岩层及地表移动与变形给地面生产生活带来了极大的威胁,其造成的工程灾害的表现形式和频度明显不同于浅部。煤矿深部开采而导致的采空区上覆岩层及地表移动变形规律的理论问题和地表建筑地基安全稳定性问题将越来越突出,因此对大埋深采空区上覆岩层及地表的移动变形的研究具有重大理论意义和现实意义。本文以山西北部河东煤田某大采深煤矿采空区为研究对象,采用相似材料模拟试验,依据不同采深设计了两组模型:模型Ⅰ采深为741m,采厚为7m,模型Ⅱ采深为1143m,采厚为7.2m。在观测试验得出的大量数据基础上采用数理统计方法得出不同模型的不同移动变形曲线,以此来研究在不同采深影响下采空区对地表地基安全稳定性的影响态势,总结出在采深的影响下不同模型的上覆岩层的破坏发育规律及地表移动变形规律,以及不同模型在开采完成后所需要的稳定时间。为了更为全面的探讨采深和采厚对采空区上覆岩层及地表移动变形的影响,以及建筑荷载对老采空区地基稳定性的影响,本为还采用了数值模拟的方法对所研究问题进行了数值计算。随着计算机技术的进步,数值模拟方法在工程实践中获得了广泛的应用并取得了良好的技术经济效果。本文中,以建筑荷载大小、加载位置、采深及采厚为影响因素,设计出不同正交模型,全面研究建筑荷载的大小、加载位置、采厚及采深对采空区上覆岩层及地表移动变形的影响。采用相似材料模拟试验和ANSYA数值模拟相结合的方法,设计出适合河东煤田南北两个矿区的评价模型,综合考虑相似模拟和数值模拟结果,通过对不同模型的采动地表移动变形值和附加荷载作用下地表移动变形值的分析,参照相关的地基安全稳定性评价标准,给出河东煤田南北矿区采空区电力建筑地基安全稳定性评价,以期对这些地区的老采空区地表建筑物尤其是电力建筑物地基安全稳定性问题作出指导性意见。
摘要第3-5页
ABSTRACT第5-7页
第一章 绪论第10-20页
    1.1 研究背景第10-11页
    1.2 国内外研究的发展与现状第11-13页
    1.3 工程实例第13-18页
    1.4 研究内容与研究方法第18-20页
第二章 大埋深煤层采动上覆岩层及地表移动变形的相似模拟研究第20-42页
    2.1 相似材料模拟试验简述第20-21页
        2.1.1 相似模拟基本理论第20页
        2.1.2 模型试验的意义第20-21页
    2.2 相似实验模型的设计第21-30页
        2.2.1 研究区域概况第21-23页
        2.2.2 相似模型设计第23-28页
        2.2.3 监测点的布置第28-30页
    2.3 大埋深采动覆岩破坏及地表沉陷规律第30-42页
        2.3.1 岩层移动和破坏的基本概念第30-32页
        2.3.2 采动覆岩垮落过程及“三带”研究第32-36页
        2.3.3 地表的移动和变形规律第36-40页
        2.3.4 地表沉降的稳定时间第40-42页
第三章 加载对老采空区地表建筑地基稳定性影响的相似材料模拟研究第42-48页
    3.1 老采空区上覆岩层“活化”机理分析第42-43页
        3.1.1 老采空区上覆岩层的结构类型第42-43页
        3.1.2 覆岩失稳“活化”机理第43页
    3.2 加载对采空区上覆岩体变形的影响第43-48页
        3.2.1 模型加载第43-44页
        3.2.2 荷载大小对模型地表变形的影响第44-46页
        3.2.3 加载后地表沉降稳定时间第46-48页
第四章 大埋深采空区覆岩及地表变形规律数值模拟研究第48-72页
    4.1 数值模型的设计及求解第48-54页
        4.1.1 有限元概述第48-49页
        4.1.2 岩土弹塑性本构关系及模型选择第49-52页
        4.1.3 ANSYS数值模型的建立及求解第52-54页
    4.2 采空区地表移动变形规律数值模拟分析第54-66页
        4.2.1 方案的设计第54页
        4.2.2 地表移动和变形规律第54-64页
        4.2.3 移动盆地边界的确定第64-66页
    4.3 加载后地表移动和变形规律第66-72页
        4.3.1 加载设计及求解步骤第66-67页
        4.3.2 载荷位置及大小对地表移动和变形的影响第67-69页
        4.3.3 加载后采深、采厚对地表移动和变形的影响第69-72页
第五章 河东煤田采空区建筑地基安全稳定性评价第72-76页
    5.1 相似材料模型及数值模型加载前后地表各移动变形值第72-74页
    5.2 判别标准第74-75页
    5.3 评价结果分析第75-76页
第六章 结论与建议第76-78页
    6.1 结论第76-77页
    6.2 建议第77-78页
参考文献第78-82页
致谢第82-84页
攻读学位期间发表的学术论文第84页
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