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不同土岩比复合介质地表沉陷规律及预测研究

胡海峰  
【摘要】:大量的开采沉陷观测实践表明,不同的表土层厚度、基岩厚度、或者表土层和基岩层的厚度比(或称土岩比)开采条件下,煤矿开采岩层及地表沉陷规律表现不尽相同,地表移动变形量的大小也不同,对地面造成的损害差异性较大。本文在总结已有研究成果的基础之上,选择具备了不同土岩比地质特征的大型煤炭企业潞安集团司马矿区、屯留矿区和五阳矿区作为实验基地,通过现场调研、地表移动变形观测、相似材料物理模拟、计算机数值模拟、地面现场实测和理论预测、理论分析等大量工作,系统研究了土岩比复合介质煤矿开采条件下岩层及地表移动变形规律,提出了基于土岩比参数的地表变形预测方法。 论文的创新点如下: (1)根据岩层移动的理论研究和分析,提出了基岩和松散层厚度分级标准,将基岩层分为薄基岩和厚基岩,将松散层也区分为薄松散和厚松散层。 (2)根据各煤矿开采区的地质体特征进行了分区研究,将不同的开采地质条件分为厚表土薄基岩(司马煤矿)、厚表土厚基岩(屯留煤矿)和薄表土厚基岩(五阳煤矿)三个模式。 (3)首次引入土岩比参数,分析了不同土岩比开采条件下预测方法研究,对常规的概率积分方法进行了改进,建立了基于土岩比特征参数的概率积分法预测预计模型。 取得了以下主要成果与结论: (1)按照松散层厚度和基岩厚度的不同,根据潞安矿区的开采特点,将矿区分为不同土岩复合介质的三种类型:①薄表土厚基岩②厚表土薄基岩③厚表土厚基岩,通过对具有典型特征矿区的开采沉陷观测站观测结果表明:基岩厚度决定了地表塌陷的程度及地表破坏的延续时间,在中硬覆岩情况下,基岩层厚度越薄,地表移动破坏的时间越短;采深采厚一定时松散层厚度决定了地表的影响范围及破坏程度; (2)开采沉陷角量参数和概率积分预测基本参数与松散层和基岩层厚度比密切相关,现场观测结果表明,随松散层厚度的增加,其下沉系数偏大,边界角及拐点偏移距较小,而基岩层厚度,则表示出较为相反的特性,因此可以说明在一定的开采深度条件下地表移动变形参数与土岩比(松散层厚度与基岩厚度比)密切相关。 (3)通过相似材料和数值模拟分析,揭示了基岩和松散层间的变形耦合关系。当基岩薄、松散层厚时,基岩内部难以形成阻止松散层大幅沉降的控制层,且松散层作为载荷紧压基岩层,整个上覆岩土体表现为松散层紧密基岩层,整体跟随的一体模式。当基岩较厚时才能在自身内部形成承载结构,控制松散层对基岩的载荷破断作用。 (4)基岩与松散层岩移机理上存在差异,基岩移动变形主要因地下开采向上传播引起的,而松散层由采动影响引起其自身压缩造成的;厚松散层内部测点的移动轨迹表明松散层随基岩层呈整体移动特性,开采影响下近似为垂直向上传播。基岩面移动盆地最大下沉值小于松散层地表的最大下沉值,基岩面移动盆地移动边界明显小于松散层地表下沉盆地边界,且收敛性存在显著差异。 (5)首次提出土岩比参量,将土岩比参量引入概率积分法,提出了基于土岩比特征的概率积分实用预计方法,针对不同土岩比地质特征进行计算检验,经对司马、屯留和五阳等矿实测结果和预测结果对比分析表明,具有较好的吻合性。


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