复杂开采条件覆岩移动和变形规律的模拟研究

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1、太原理工大学硕士研究生学位论文第一章绪论1.1论文选题的目的和意义目前我国建筑物下压煤特别是村庄下压煤量呈上升趋势，采矿引起的地面沉陷作为一种外生地质灾害，破坏耕地，损坏地面建筑物，给工农业生产带来严重威胁，并严重影响着生态环境，已成为环境工程学和环境岩土学研究的重要课题，煤层开采前对开采沉陷做出预计对保护地面建筑物和地面环境具有十分重要的意义[3]。地下矿层采出后，其上覆盖的岩层将失去支撑，原来的平衡条件被破坏，造成应力的重新分布，使得上覆岩层产生移动变形，直到破坏塌落，最后导致地表各类建筑变形破坏，地表大面积下沉、凹陷。另外，拟建结构将会进一步破坏采空区上覆岩层的

2、平衡条件，加剧地表变形。采空区影响地表变形的因素有很多，如矿层几何尺寸、上覆岩体的岩性、地质构造条件、矿山开采方式等。本文以山西省忻州至保德高速公路下伏郝家里煤矿采空区为研究对象，该煤矿可采煤层主要有三层，多层开采与单层开采不同，前一次开挖对以后各次开挖都将产生影响，这就使得开采系统和开采环境更加复杂多变，大大地增加了后期采矿的难度。当上部煤层开采后，其下方煤层再次开采时会对上部采区造成岩层移动和应力转移，给下一步开采带来很大难度，加剧上覆岩土体的受扰动程度，进而使之破坏失稳。在相同或相似的条件下，重复采动次数越多，采空区在空间叠置层数就越多，地面塌陷的危险性就越大。

3、随着我国经济建设的飞速发展，对各类能源的需求量不断加大，就煤炭而言，由于对产量的要求使得矿山的开采范围不断扩大，因此开展这方面的研究具有重要的现实意义。另外，该煤矿处于丘陵地区且采用房柱式与长臂式混合开采的方式开采，以往对煤矿采空区覆岩移动变形破坏规律的研究工作大多是针对平原地区，对山区复杂地形条件下的研究甚少，复杂的地质条件使得地表变形与岩层移动也变得十分复杂，地表移动角、沉陷角常因预测不准导致矿山建设规划不合理，从而造成山区采空区上方修建的构筑物经常遭到不同程度的损坏，因此，对复杂地质条件下地下开采引起地表和岩层变形移动的机制进行分析研究十分必要。1太原理工大学硕

4、士研究生学位论文1.1国内外研究现状由于开采沉陷研究的重要性，国内外的科技工作者投入大量时间进行岩层移动的研究工作，并取得了丰硕的研究成果。前苏联、波兰、德国、澳大利亚、加拿大、美国等采矿业发达国家对开采沉陷的理论和实践都进行了较深入的研究。前苏联学者早在30年代就开始了相关研究，对开采后的岩层移动进行了地面观测和地下观测，获得了大量的原始资料和实测数据，并据此对岩层控制和采煤工艺进行了改进和完善，研究了综采设备，提出了各类顶板的支护阻力和下沉量的计算方法，研究了岩层及地表受采动影响后的运动特征、影响和破坏的范围及程度。二十世纪初，欧洲因为工业的大发展，对于矿产资源的

5、需求也大幅度增加，因此开采沉陷的理论也逐步深入。1903年，海尔鲍姆（Halbaum）[4]将采空区上方岩层作为悬臂梁，认为地表变形由下沉引起，其值与曲率半径成反比。Korten根据实测结果提出了水平移动与变形的分布（1909）。艾卡特（Eckardt）把岩层的移动过程视为各岩层逐渐弯曲的结论（1913）。莱曼（Lehmann）认为地表沉陷类似于一个褶皱的形成过程（1919）。我国对开采沉陷理论的研究是从50年代才开始起步的，经过几十年的努力，积累了大量的实测资料，在借鉴外国先进技术、经验基础之上，再加上工程技术人员的创新改进，我国也逐渐形成了具有中国特色的且完全符合

6、我国实际的一套开采沉陷理论。国内，中国矿业大学在开采沉陷学的研究方面居领先地位，如工程技术人员常用的“概率积分法”即是我国学者刘宝琛、廖国华[5]等在波兰学者李特威尼申(J.Litwinszyn)的随机介质理论基础上发展起来的，目前已成为我国较成熟的、应用最为广泛的开采沉陷预计方法之一。我国学者何国清，马伟明，王金庄等[6]（1981）从随机观点研究碎块体移动规律，建立了碎块体理论——地表沉陷的威布尔分布形式。周国铃、崔继宪[7]（1983）提出了负指数函数法计算地表移动。郝庆旺引入了空隙扩散和空源的概念，建立了空隙扩散微分方程，并在开采沉陷中加以应用。刘天泉[8]等

7、对水平煤层，缓倾斜煤层，急缓倾斜煤层开采引起的覆岩破坏与地表移动规律作了深入的研究，提出了导水裂隙的概念，建立了垮落带与导水裂隙带计算公式，为提高煤层开采上限，减少煤炭资源损失做出了巨大的贡献（1981）。何万龙[9]等总结出山区地表移动计算公式（1983）。李增琪[10]将开挖引起的地表移动看成是层间既满足力学平衡条件、又满足几何接触条件的多层横观各项弹性介质的弹性力学平面问题，采用富氏积分变换方法计算岩层和地表移动（1983、2太原理工大学硕士研究生学位论文1985）。刘文生[11]对条带开采采留宽度合理尺寸减小地表沉陷进行了研究（1988）。郭