基于覆岩应力的岩层移动变形机理及预计模型研究

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1、博士学位论文基于覆岩应力的岩层移动变形机理及预计模型研究申请人姓名：许国胜指导教师：李德海教授学位类别：工学博士专业名称：矿业工程研究方向：矿山压力与岩层控制河南理工大学能源科学与工程学院二○一七年六月中图分类号：TD325密级：公开UDC：622单位代码：10460基于覆岩应力的岩层移动变形机理及预计模型研究MechanismandPredictionModelofOverlyingStrataMovementandDeformationBasedontheStressDistribution申请人姓名许国

2、胜学位类别工学博士专业名称矿业工程研究方向矿山压力与岩层控制导师李德海职称教授提交日期2017.03答辩日期2017.05二○一七年六月致谢时光如水，生命如歌。转眼间博士研究生的时光即将结束，在论文完成之际，要向我尊敬的导师李德海教授表达深深的谢意！在硕士和博士研究生学习期间，李老师不单在学习研究中给予指导，而且在为人处事方面给我很大的影响。更几何时，在研究中百思不得其解，李老师的一席话让我茅塞顿开，喜悦之情不易言表。和李老师的接触中总能感觉到其人格魅力，使人处在一个阔达愉快的气氛中，这并非本人溢美之词，而是

3、切身感受。总之跟随李老师学习的七年时光是我受益终生的宝贵财富。本论文从选题到定稿无不凝聚着李老师的心血和汗水，李老师宽广的胸怀、渊博的知识以及严谨的治学态度，都深深的感染和鼓励着我。感谢周英教授、郭文兵教授、李化敏教授、刘少伟教授、杨玉中教授以及李东印教授在开题及预审阶段给予的认真指导。感谢辅导员陈春玲老师以及研究生秘书吴旭和兰建议老师在研究生培养阶段给予的帮助。感谢能源科学与工程学院其他曾经指导和帮助过我的老师们！感谢我的师兄余华中博士、张彦宾博士和许胜军老师，他们无私的帮助和爱护使我在异乡感到无比的温暖。

4、在论文选题、撰写和修改过程中都得到了师兄们莫大帮助和鼓励。感谢师弟侯得峰博士和韩亚鹏硕士在文献整理、数据处理以及绘图中提供的帮助，一起奋斗的日子令我铭记在心。感谢我的室友关金锋博士，他敏锐的洞察力以及开阔的思路同样令我受益。感谢我的同学谭毅博士和冯军发博士在学习中提供的帮助，感谢学习室杜志刚博士在论文写作过程中的帮助，其认真刻苦的学习态度深深地影响着我，此外还要感谢王辰霖博士、张钧祥博士以及张帆博士，陪我在学习室里度过的美好时光，祝他们未来学业有成。感谢我的家人这么多年对我的支持，尤其是我的爱人。他们的默默的

5、付出是我不断进步的动力！感谢郑煤集团裴沟煤矿的领导和工程技术人员给予现场研究工作的大力支持，在此表示衷心的感谢！在论文撰写过程中，参阅了大量的文献资料，他们的研究成果给予我很大的帮助和启发，在此向所有作者表示感谢！最后，感谢各位专家教授能在百忙之中认真审阅我的论文！摘要煤层开采不但影响覆岩内构筑物（硐室、巷道以及井筒等）的正常使用，而且会导致上覆岩层产生移动变形及采动裂隙。一旦采动裂隙沟通上部水体，则可能引起井下突水事故，另外采空区周围采动裂隙作为瓦斯富集通道，对于实现煤与瓦斯安全共采至关重要。上述采动问题均

6、与岩体的移动变形有关，因此研究覆岩移动变形规律及预计模型具有一定的工程和理论价值。本文采用数值模拟、现场实测、力学分析和工程实践等多种研究方法，研究了采动覆岩的应力场及位移场变化规律、覆岩移动变形机理、覆岩动态移动变形规律及预计模型和基于覆岩移动变形的采动裂隙计算方法，主要成果及创新性如下：（1）在研究采场支承压力分布规律的基础上，建立覆岩岩层支承压力分布函数，并通过数值模拟和理论分析得到了采场及上覆岩层支承压力分布变化规律，建立了不同埋深水平岩层支承压力函数之间的联系。依据采场及上覆岩层载荷守恒原理，推导得

7、到不同埋深岩层应力恢复函数的参数变化规律，发现与煤层距离越远的岩层其应力恢复越快。（2）运用弹性板理论建立了岩层挠曲微分方程力学模型，以基本顶岩层为例对力学模型进行求解，验证了力学模型的正确性。分析模型参数的敏感性以及不同埋深水平岩层的挠度曲线变化规律，揭示了覆岩移动变形的机理。（3）以裴沟矿地表移动观测数据为基础，对地表动态移动变形特征进行研究，得到工作面推进过程中主断面最大下沉速度及下沉速度滞后距的变化规律，通过对下沉速度曲线进行函数表达，推导了地表主断面下沉速度预计公式。通过研究地表与覆岩动态移动变形参

8、数之间的关系，建立了主断面上任意开采时刻覆岩动态移动变形预计模型。（4）通过分析覆岩移动变形的力学原理以及覆岩移动规律，认为采动主要影响半径的主控因素是岩层的抗弯刚度，推导得到基于岩层抗弯刚度变化规律的主要影响半径计算公式。利用现场实测数据以及数值模拟结果，运用曲线拟合方法得到下沉系数影响指数和拐点偏移距影响指数，得到了修正预计参数的覆岩移动变形预计模型。该模型以概率积分法为基础，预计参数以地表实测