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酸刺沟煤矿地表沉陷综合评价及其数值模拟分析

杨志军  
【摘要】:我国经济快速发展,煤炭资源需求加大,加剧了煤炭的开采力度,从而引起了一系列的地质问题,其中地表沉陷就是其中的一种,它给人类的生产生活和生态环境带来了极大地消极影响。以往对开采沉陷的研究侧重于理论的研究而实际应用性不大,本文对采空区沉陷规律、影响因素和地表沉陷稳定性评价及数值模拟分析沉陷情况等进行了研究,全面分析了酸刺沟煤矿采煤沉陷区的稳定性,这为煤矿改善和今后继续安全、合理开采提供了科学的依据,其成果具有一定的理论意义和现实意义。具体研究内容如下: 首先,在整理前人研究资料和理论成果的基础上,详细的总结了采煤后上覆岩层的应力变化和变形特征;从覆岩内部和地表变形两个方面分析了岩层移动、变形及破坏的一般规律。结合酸刺沟煤矿地表沉陷的现状,评价了采空区地质地貌特征和工程地质状况,分析了影响地表沉陷的几个重要因素。 其次,通过对岩芯进行室内物理力学试验,分析各岩石的物理力学性质,为采空区稳定性评价和数值模拟提供必要的力学参数。同时,通过试验得知,同种岩性的各物理力学参数随深度的增加而增大,而不同岩性的各物理力学参数也不同,由此可见,岩层的物理力学参数受深度和岩性变化的影响。 再次,在介绍采煤沉陷区稳定性评价方法的基础上,根据现场调查和室内试验获取相关数据,分别采用定性和定量评价法对酸刺沟煤矿采空区的稳定性进行了评价。其中,从采深采厚比、构造、岩性、开采方式及水文地质条件等方面进行定性评价,得到较稳定的结论;定量评价包括公式法和模糊综合评价两种方法,其中利用两种计算公式,计算出冒落带与导水裂隙带发育高度,而模糊综合评价则利用层次分析法确定指标赋予权重,最后建立隶属函数,两者最终确定采煤沉陷区的级别为“稳定”。 最后,结合酸刺沟煤矿的实际情况,利用FLAC3D软件建立数值模型,对研究区内采空区地表沉陷变形作出整体分析和评价。首先从不同空间位置上模拟计算地表沉降量和水平拉伸位移的一般规律;其次从采空区塑性云图扩展情况来分析了采空区塑性破坏范围;最后从主应力云图来分析了采空区内部的应力场分布规律及空区垮落带形成的原因。同时,与采煤沉陷区稳定性评价做对比,其评价结果与前者基本一致。


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