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深部开采覆岩形变及地表移动特征基础实验研究

常西坤  
【摘要】:深部开采条件下的采场覆岩变形、破断、移动规律以及显现特征与浅部相比有明显差异,相关研究还远远不够,很多仍处于空白状态或缺乏必要的基础研究。本文依托国家自然科学基金项目(50874087)、教育部博士点基金项目(200804240004)和山东省自然科学基金项目(Y2008F01),以淄矿矿业集团唐口煤矿千米采深工作面为工程背景,结合室内岩石力学实验、机械物理模拟及相似材料模拟实验,对采场覆岩体内应力、应变场演化以及其开采过程中的动态演化规律开展了必要的基础研究。主要研究内容及结论如下: (1)对多组煤岩试样进行了单轴压缩、三轴压缩实验,回归分析了试样的库仑准则主应力关系式;采用单体分级加载方式对煤岩试件进行了短时蠕变实验,分析了其蠕变破坏特征及蠕变本构模型,通过拟合的方式得到了试件各应力水平下的蠕变参数。 (2)在对4301工作面煤柱支承压力、横向变形、顶板离层情况监测的基础上,分析了采动过程中煤体及覆岩破坏运动状态。现场监测结果表明,采动过程中煤柱处在非稳定期时,其横向位移变化幅度最大,煤柱的受力与变形相对应;开采后采场覆岩形成了具有内外应力场特征的空间结构,外应力拱的最大影响范围也是对地表沉降有明显影响的上覆岩层范围。 (3)采用新型机械物理模拟与三维相似材料模拟相结合的方式,对煤体上的支承压力变化及采区覆岩在沉陷运动中的动态演化规律进行研究,分析了支承压力与覆岩运动之间的关系,提出了基于应力场转移的覆岩形变模型,以外应力场的边缘处作为地表移动盆地各角值的计算端点,更符合深部开采影响范围变大、采动影响减小的特点。 (4)结合室内实验成果,对采动覆岩应力场演化规律进行数值模拟实验,结果表明,煤层开采后采场上覆岩层内的应力场具有明显的分区性,采空区四周形成一个与采动覆岩破坏区域相对应的主应力降低区。 (5)采用曲线拟合、模式求参的方法,对沿任意方向灵活布置的230、430采区地面观测站资料进行了反演处理,得出了可靠的地表移动规律及变形预计参数。深部开采条件下覆岩的不连续沉陷运动、突变集中变形和阶段性延滞移动特征相比浅部开采更加明显。


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