陕北煤层开采覆岩变形数值仿真模拟研究

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1、分类号：P33，TV2110710—06290696滚步犬海硕士学位论文陕北煤层开采覆岩变形数值仿真模拟研究导师姓名职称申请学位级别论文提交日期学位授予单位朱蕾王文科教授答辩委员会主席学位论文评阅人李俊亭范立民(高工)程东会(副教授)摘要陕北煤炭分布区位于鄂尔多斯盆地中东部，区内煤炭资源储量丰富、煤质优良、地质构造简单，是一个亟待大规模开发的地区。目前开采主要集中在埋藏深度小于100m的浅埋煤层，由于煤层埋深浅，采高比大，当前的开采已经给矿区造成了不可忽视的影响，主要表现为：①煤层上覆岩层完整性遭到严重破坏，引发次生地质灾害；②破坏水煤资源的共生关系，改变矿

2、区水资源循环条件，使陕北地区水资源短缺状况进一步加剧；③矿区生态、人居环境呈恶化趋势。如何解决这些问题已成为政府、学者及民众关注的焦点。本论文分析了陕北煤炭分布区水文地质、工程地质与环境地质条件，查明了目前煤炭开采现状及诱发的水文、生态、环境问题，分析陕北煤炭分布区煤层开采覆岩变形的影响因素及覆岩变形机理；同时以地质模型为基础，利用ANSYS及RFPA软件对陕北煤炭分布区煤炭开采后覆岩的破坏情况进行模拟分析，总结覆岩移动变形规律，研究获得以下成果：(1)根据现场踏勘及室内分析，初步查明了陕北煤炭开采诱发的水文、生态、环境问题；(2)分析了陕北煤炭分布区煤层埋

3、藏特征和空间组合形态，根据大面积分布的沙一基型剖面，选择典型工作面，在分析顶板基岩厚度与埋深、开采采厚与煤层采空区、覆岩岩性、采煤方法特征等基础上，构建了空间地质模型；(3)通过数值模拟计算结果中可以看出，覆岩破坏的过程主要为：离层一断裂一跨落，覆岩呈台阶状下沉。对于基岩比较薄，松散载荷层厚度比较大的浅埋煤层(模型I)，采高越低，覆岩的破坏程度越小，采高4m时，地表下沉量最大为1．816m；采高5m时，地表下沉量最大为2．0m；基岩厚度大于60m，松散层较薄的浅埋煤层(模型II)，冒落带高度为19m，导水裂隙带为54m，地表最大下沉量为1．53m；(4)根据

4、数值模拟的结果，结合研究区的水文地质条件，提出浅埋煤层开采覆岩变形的防御与措施。以上研究成果为陕北煤炭分布区煤炭资源合理开采，实现安全生产、保水保环境提供了科学的决策依据。关键词：数值模拟，陕北，煤炭，有限元法，覆岩移动变形AbstractCoaldistributionareainthenorthofShaanxiislocatedintheeasternpartofOrdosBasin．Inthearea，coalresourceisabundantandthequalityofcoalisfine，besidesthegeologicalstructu

5、reissimple，becauseofthesesuperconditions，theareaneedlarge．scaledevelopment．Atpresent，theexploitationfocusonshallowcoalseam，theburieddepthofwhichislessthanlOOm．Becausetheburieddepthofcoalseamisshallowbuttheminingdepthratioishigh，theeffectofcurrentexploitationonminingareacannotbeigno

6、red．Theperformance：①theintegrityofoverlyingstratahasbeenseriouslydamaged，whichcausessecondarygeologicaldisasters；②Thesymbioticrelationshipofwaterandcoalresourceisdamagedandtheconditionsofwaterrecyclinginminingareaarechanged，whichmaketheshortageofwaterresourcesinthenorthofShaanximor

7、eserious；(查)theecologyofminingareaandthelivingenvironmentshowdeterioration．Howtosolvetheseproblemshasbecomeafocusofpeople’Sattention．Inthispaper,geological，hydrogeologicalandengineeringgeologicalconditionsofthecoaldistributionareainthenorthofShaanxiisanalyzed；thecurrentexploitation

8、statusandinducedhydrologic