浅埋煤层覆岩变形破坏规律与数值仿真模拟分析

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1、山东科技大学硕士学位论文目录Themainresearchresultsduringthestudyforamaster’Sdegree⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．65山东科技大学硕士学位论文绪论1绪论1．1课题的背景及研究意义上覆岩层随着煤层的采出发生运动与变形，这种移动变形具有明显的分带性，并且各带特征随地质、采矿等条件的改变而略有不同。近年来，随着开采深度的增加，开采方法进一步的复杂化，对上覆岩层也不断提出新的内容和新的要求【M】。我国是一个极度依赖煤炭资源的国家，随着开采深度的逐步加大，开采所面临的问题也进一步增多。在以后煤

2、炭资源的开采过程中将面对以下几个问题：(1)将增加水下(包括水)，建筑物下煤炭资源的开采；(2)随着开采深度的进一步加大，冲击地压防治与高应力围岩控制问题必须解决；(3)必须解决开采过程中煤与瓦斯突出的问题。以上问题的解决都依赖于对覆岩破坏机理的研究，因此随着开采强度的大幅度增加，人们对覆岩移动变形、破坏机理研究更加重视起来。经过科研工作者长期不断的研究，对覆岩破坏的规律性研究取得了一定突破。但由于经过长期各个时期地应力的作用，上覆岩层实际上是一种受多种因素制约的复杂结构体。岩体本身的不连续性、非均质性、各向异性以及赋存条件的

3、不同将对这种结构体起决定作用。对岩体物理力学属性的的正确认识能有效而充分的预测覆岩的破坏。总的来说，覆岩破坏机理的研究仍停留在经验和理论探索，随着新的采矿方法的出现，对在新的条件下岩石的破坏机理提出新的挑战。研究覆岩破坏机理对于矿井开采中合理确定开采边界意义重大，它也是矿井水防治的关键；同时也是确定合理开采程序、解决坚硬项板控制、冲击地压防治、围岩高应力控制的基础【3圳。由于开采前的应力与空间平衡状态到开采后的不平衡状态的一系列相互作用，上覆岩层将产生最大破坏高度、不同边界形态、自下而上的各岩层破坏发展过程以及不同各破坏带的特

4、征，产生的这些现象是由煤层厚度、岩层强度、应力状态及支撑压力分布规律等决定的支承条件所引起，煤层与覆岩应看作一个系统整体，其中任何一个子系统的结构及其力学状态的变化，都会引起其他子系统的相应响应，而这些一系列响应的结果都在采动边界区域得到全面体现【7圳，因此，通过运用多学科知识的交叉，利用现场实测、相似模拟实验以及数值模拟研究、数学力学方法分析，获得采动边界区域覆岩破坏机理，覆岩各破坏分带及其亚分带的破坏特征，从系统观点出发提出覆岩破坏机理、类型、高度预测的工程方法就具有非常重要和特殊山东科技大学硕士学位论文绪论的意义，这也为

5、深入研究覆岩变形过程及破坏规律奠定了基础。1．2国内外研究现状煤层开采后，覆岩将会发生破坏与移动，近几十年来，国内外许多专家学者对煤层顶板岩层的破坏过程以及破坏规律进行了一些有意义的研究，在理论分析、现场实测、数值模拟等方面均取得了大量的研究成果。这些结果揭示了损伤过程与顶板岩层的变形规律，为预测塌陷等地质灾害和顶板突水的防治提供了有效的理论依据，也确保煤矿安全生产。1．2．1上覆岩层变形理论的研究近年来，对于上覆岩层变形理论的研究一直没有停止过，经过几十年的研究专家学者提出了许多关于上覆岩层的变形理论。早期有压力拱假说，悬臂

6、梁理论，铰接岩假说，80年代末逐渐兴起的砌体梁理论，传递岩梁理论，关键层理论等，这些理论为后人学习上覆岩层变形问题打下了坚实的基础。(1)砌体梁理论李鸿昌教授对覆岩砌体梁做了大量研究，提出了砌体梁理论，并指出上覆岩层可分为多层坚硬岩层，软岩可作为坚硬岩层的载荷，并且具有滑落失稳和变形失稳两种变形方式。该理论对具体边界条件也做了定义，这为论证采场控制矿山压力参数奠定了基础【101。、(2)传递岩梁理论宋振骐院士基于岩层移动提出了传递岩梁理论，他认为在开挖煤层上覆岩层断裂可分为三个区域：煤壁支撑区和分离区和重新压实区。宋院士详细分

7、析了岩层移动与支承压力关系，并在此基础上提出了内外应力场说法，这一理论为顶板控制设计系统矿压预测提供了理论依据和技术支持【ll】。(3)关键层理论钱鸣高院士对关键层做了长期的研究，并提出了关键层理论。该理论对关键层做了定义，我们把控制上覆岩层运动并对岩层局部或全部都起到控制作用的这部分岩层定义为关键层。钱鸣高、缪协兴、许家林等对关键层的破坏运动规律进行了分析研究，讨论了采场上覆岩层中关键层上覆载荷的变化规律，进而总结出了关键层位置的判别方法[12】。关键层理论揭示了采动岩体的运动规律，尤其是对内部岩体的运动，提出了“横三带”“

8、竖三区”的看法，这为以后研究受采动影响下覆岩裂隙分布特征和上覆2山东科技大学硕士学位论文绪论岩层各层间的离层提供了理论支持【13】。(4)采场顶板结构的稳定性研究郭维嘉教授在深部开采覆岩体形变演化规律研究中通过对深部岩体应力、岩性及其力学性质等方面的研究，得出深部开采采场顶板