急倾斜煤层采动覆岩移动模式及机理研究
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摘要
地下煤层开采引起的地表沉陷是一个复杂的力学过程,对于急倾斜煤层开采而言,煤系地层的倾角是决定覆岩移动和破坏的重要因素之一。在以往的研究中,人们将更多的注意力集中在地表沉陷最终形态的数学描述上,通过建立相应的剖面函数来逼近地表沉陷盆地的形态。然而由于急倾斜煤系地层上覆岩体复合介质在水平方向的非均质性和地层结构的复杂性,使得人们对急倾斜煤层采动覆岩移动模式与机理研究极不充分,影响了急倾斜煤层开采沉陷的正确预计、防治和矿区地表沉陷的治理。
本文针对急倾斜煤层开采地表沉陷研究的实际,在分析总结已有研究成果的基础上,将理论分析、相似材料模拟实验、数值模拟与工程实例相结合,以煤系地层倾角为主控因素,分别基于薄板小挠度理论与最小势能原理、分叉理论,分析了急倾斜煤层覆岩“厂”型移动拱岩板的稳定性与极限跨距;基于复合层状介质理论,建立了“厂”型移动拱复合岩层移动的计算模型;基于相似材料模拟实验理论,建立了倾角为60o的相似材料模拟实验模型,并应用先进的三维激光扫描仪对实验模型进行观测,对观测的数据进行处理和分析;基于数值模拟软件ANSYS强大的计算功能,研究了急倾斜煤层开采覆岩岩层组合效应、倾角变化对岩层移动的影响,以及地表沉陷的三维数值模拟等。主要研究工作具体如下:
(1)根据急倾斜煤层岩层移动的特征和传力机制,首次提出了急倾斜煤层岩层移动的“厂”型移动拱模式。直接顶上端岩体受拉力和剪切力作用而沿法线方向剪断或拉断,并逐步向老顶扩展,采场正上方未冒落覆岩形成水平横梁,对老顶上端起支撑作用。冒落矸石充填采空区底部,对直接顶下段岩体起支撑作用,老顶中的上位岩层受水平横梁和矸石的支撑作用沿近似法线方向向采空区弯曲,从而形成“厂”型移动拱结构。
(2)基于薄板小挠度理论与最小势能原理、分叉理论,分析了急倾斜煤层覆岩“厂”型移动拱结构的稳定性。应用薄板小挠度理论与最小势能原理分析了“厂”型移动拱左拱岩板是四边固支或简支的薄岩板,在纵横载荷的作用下岩板的极限跨距和移动拱的法向高度;应用分叉理论分析了“厂”型移动拱水平支撑
Surface subsidence is a complex process due to mining strata’s movement and deformation. For steeply inclined seams, the obliquity of the coal seams is one of the important factors deciding the displacement and the destroyed form of the overburden strata. In the past researches, many mathematical expressions were applied to describe the final surface subsidence shape. The corresponding profile functions were established to approach the shape. The overburden strata’s aeolotropism of steeply inclined seams in the horizontal direction makes the subsidence processing much more complex. In addition, the complex geological condition of steeply inclined seams makes the research on deformation mechanism of overburden strata much insufficient. So it affects the correct prediction, prevention and reclamation for the surface subsidence of the mining area.
The paper combined the theoretical analysis, equivalent material simulation experiment, numerical simulation with engineering example, using the obliquity of coal seam as the main factor, being based on the research achievements in the past and the research reality in mining subsidence of steeply inclined seams. Firstly, based on the theory of sheet small deflection, the theory of minimum potential energy and the theory of bifurcation, the paper analyzed the stability and the limit span of the rock sheet within overburden strata’s“厂”shape movement arch. Secondly, based on the theory of the composite stratified medium, the computation model of the“厂”shape composite strata movement is established. Thirdly, based on the theory of equivalent material simulation, the experimental model of similitude material is established, and strata’s obliquity of the experimental model is 60°. The advanced 3-demensional laser scanner system is firstly applied to collect and analyze the experiment data. Fourthly, based on the powerful function of numerical simulation software ANSYS, the paper researched the combination effect of the overburden strata generating from different rock characters combination in mining steeply inclined seams, the influence of different obliquity and the 3-dimensianal numerical simulation of the surface subsidence. The main research results are as follows:
Firstly, based on the terrane movement characteristics and the force transfer mechanism, the paper first advanced the“厂”shape terrane movement model of overburden strata in mining steeply-inclined seams. The upper end of direct roof was easily snipped or snapped in normal direction by the pull and cut force. This deformation gradually extended to the old roof. The un-inbreak overburden strata formed level arch, which supported the up end of the old roof. The falling stones filled the mining area bottom and supported the under end of the old roof. Two terminals of the top plate was respectively supported by the level arch and the falling stones, and the super-stratum bent to mined out space in the approximate normal direction. So overburden strata formed the“厂”shape structure movement arch.
Secondly, based on the theory of the sheet small deflection, the theory of minimum potential energy and the theory of the bifurcation, the paper analyzed the stability of“厂”shape movement arch in steeply-inclined seams mining. With the those theories, the paper analyzed that the left arch of the terrane board was the four sides clamped terrane board or simply support terrane board. At the same time, the limit span of the terrane board and the normal height of the arch are calculated. The paper also applied the theory of bifurcation to analyze the stability of the“厂”shape level arch and conditions that made top rock board fall.
Thirdly, based on the theory of the composite stratified medium, the paper
本文针对急倾斜煤层开采地表沉陷研究的实际,在分析总结已有研究成果的基础上,将理论分析、相似材料模拟实验、数值模拟与工程实例相结合,以煤系地层倾角为主控因素,分别基于薄板小挠度理论与最小势能原理、分叉理论,分析了急倾斜煤层覆岩“厂”型移动拱岩板的稳定性与极限跨距;基于复合层状介质理论,建立了“厂”型移动拱复合岩层移动的计算模型;基于相似材料模拟实验理论,建立了倾角为60o的相似材料模拟实验模型,并应用先进的三维激光扫描仪对实验模型进行观测,对观测的数据进行处理和分析;基于数值模拟软件ANSYS强大的计算功能,研究了急倾斜煤层开采覆岩岩层组合效应、倾角变化对岩层移动的影响,以及地表沉陷的三维数值模拟等。主要研究工作具体如下:
(1)根据急倾斜煤层岩层移动的特征和传力机制,首次提出了急倾斜煤层岩层移动的“厂”型移动拱模式。直接顶上端岩体受拉力和剪切力作用而沿法线方向剪断或拉断,并逐步向老顶扩展,采场正上方未冒落覆岩形成水平横梁,对老顶上端起支撑作用。冒落矸石充填采空区底部,对直接顶下段岩体起支撑作用,老顶中的上位岩层受水平横梁和矸石的支撑作用沿近似法线方向向采空区弯曲,从而形成“厂”型移动拱结构。
(2)基于薄板小挠度理论与最小势能原理、分叉理论,分析了急倾斜煤层覆岩“厂”型移动拱结构的稳定性。应用薄板小挠度理论与最小势能原理分析了“厂”型移动拱左拱岩板是四边固支或简支的薄岩板,在纵横载荷的作用下岩板的极限跨距和移动拱的法向高度;应用分叉理论分析了“厂”型移动拱水平支撑
Surface subsidence is a complex process due to mining strata’s movement and deformation. For steeply inclined seams, the obliquity of the coal seams is one of the important factors deciding the displacement and the destroyed form of the overburden strata. In the past researches, many mathematical expressions were applied to describe the final surface subsidence shape. The corresponding profile functions were established to approach the shape. The overburden strata’s aeolotropism of steeply inclined seams in the horizontal direction makes the subsidence processing much more complex. In addition, the complex geological condition of steeply inclined seams makes the research on deformation mechanism of overburden strata much insufficient. So it affects the correct prediction, prevention and reclamation for the surface subsidence of the mining area.
The paper combined the theoretical analysis, equivalent material simulation experiment, numerical simulation with engineering example, using the obliquity of coal seam as the main factor, being based on the research achievements in the past and the research reality in mining subsidence of steeply inclined seams. Firstly, based on the theory of sheet small deflection, the theory of minimum potential energy and the theory of bifurcation, the paper analyzed the stability and the limit span of the rock sheet within overburden strata’s“厂”shape movement arch. Secondly, based on the theory of the composite stratified medium, the computation model of the“厂”shape composite strata movement is established. Thirdly, based on the theory of equivalent material simulation, the experimental model of similitude material is established, and strata’s obliquity of the experimental model is 60°. The advanced 3-demensional laser scanner system is firstly applied to collect and analyze the experiment data. Fourthly, based on the powerful function of numerical simulation software ANSYS, the paper researched the combination effect of the overburden strata generating from different rock characters combination in mining steeply inclined seams, the influence of different obliquity and the 3-dimensianal numerical simulation of the surface subsidence. The main research results are as follows:
Firstly, based on the terrane movement characteristics and the force transfer mechanism, the paper first advanced the“厂”shape terrane movement model of overburden strata in mining steeply-inclined seams. The upper end of direct roof was easily snipped or snapped in normal direction by the pull and cut force. This deformation gradually extended to the old roof. The un-inbreak overburden strata formed level arch, which supported the up end of the old roof. The falling stones filled the mining area bottom and supported the under end of the old roof. Two terminals of the top plate was respectively supported by the level arch and the falling stones, and the super-stratum bent to mined out space in the approximate normal direction. So overburden strata formed the“厂”shape structure movement arch.
Secondly, based on the theory of the sheet small deflection, the theory of minimum potential energy and the theory of the bifurcation, the paper analyzed the stability of“厂”shape movement arch in steeply-inclined seams mining. With the those theories, the paper analyzed that the left arch of the terrane board was the four sides clamped terrane board or simply support terrane board. At the same time, the limit span of the terrane board and the normal height of the arch are calculated. The paper also applied the theory of bifurcation to analyze the stability of the“厂”shape level arch and conditions that made top rock board fall.
Thirdly, based on the theory of the composite stratified medium, the paper
引文
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