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浅埋煤层采动裂缝损害机理及控制方法研究

作　者: 黄森林
导　师: 余学义
学　校: 西安科技大学
专　业: 采矿工程
关键词: 浅埋煤层开采损害关键层 FLAC3D 覆岩结构 UDEC 控制开采
分类号: TD325
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 522次
引　用: 4次
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内容摘要

我国陕北矿区地处毛乌素沙地与黄土高原丘陵沟壑区的过渡地带，该区地表为厚松散层所覆盖，常年干旱少雨、植被稀疏，风沙危害剧烈。该区的地下潜水资源比较丰富，大部分潜水资源都覆盖在煤层顶板基岩上。矿区煤层埋藏浅、开采厚度大、基岩厚度薄。在这种条件下开采往往会导致一系列的地质环境灾害的发生，例如，地表裂缝和塌陷破坏，引起含水层疏漏，水资源被破坏，加剧土地沙漠化等等。这严重地危害国家和人民生命财产，是矿区可持续发展急需研究解决的难题之一。本文通过对榆神矿区浅埋煤层工程地质条件调查及开采损害现状总结，分析了浅埋煤层覆岩的物理力学特性及开采损害的基本特征与规律。基于岩层控制关键层理论，在分析浅埋煤层地质采矿等条件下，得出了浅埋煤层关键层的特征参数。并运用FLAC^3D数值计算分析方法，对浅埋煤层关键层的特征参数及关键层对上覆岩层的控制机理进行了探讨，给出了应用数值方法确定浅埋煤层关键层位置及移动变形规律，表明应用数值分析方法简单有效，其模拟结果与理论计算相吻合。本文在现场实测的基础上，建立了覆岩结构稳定性分析的力学分析模型和UDEC数值计算分析模型，模拟分析了浅埋煤层滑落、回转失稳条件，揭示了浅埋煤层地表出现裂缝、台阶下沉是由于覆岩结构滑落失稳造成的，同时确定了覆岩结构不产生滑落失稳的最大开采高度，为浅埋煤层开采裂缝损害的控制奠定了基础。在此基础上，分析了浅埋煤层控制开采方法，确定了限高开采是有效地控制浅埋煤层覆岩结构的滑落失稳及采动裂缝损害的有效方法之一。研究结果对于指导浅埋煤层的保水开采具有重要的意义。

全文目录

1 绪论  9-19
  1.1 研究的背景及意义  9-10
    1.1.1 选题的背景  9-10
    1.1.2 研究的意义  10
  1.2 浅埋煤层研究现状  10-15
    1.2.1 国内的研究现状  10-13
    1.2.2 国外的研究现状  13-15
  1.3 地表移动变形预计理论研究现状  15-17
    1.3.1 地表移动变形预计理论国内的发展  15-16
    1.3.2 地表移动变形预计理论国外的研究现状  16-17
  1.4 问题的提出及本文的研究方法和内容  17-18
    1.4.1 问题的提出  17-18
    1.4.2 研究方法与内容  18
  1.5 技术路线  18
  1.6 预期达到的目标  18-19
2 浅埋煤层工程地质特征与开采损害规律分析  19-29
  2.1 矿区地质特征  19-20
    2.1.1 地形地貌特征  19
    2.1.2 地层特征  19-20
  2.2 水文地质特征  20-22
    2.2.1 含水层分布及工程地质特征  20-21
    2.2.2 隔水层分布及工程地质特征  21-22
  2.3 覆岩力学性质与特征分析  22-24
    2.3.1 煤岩物理力学性质  22
    2.3.2 矿区围岩物理力学特征  22-23
    2.3.3 覆岩力学特性分析  23-24
  2.4 开采背景及技术条件  24
  2.5 矿区开采损害基本特征及规律  24-28
    2.5.1 开采塌陷损害状况  24-26
    2.5.2 开采损害特征及规律分析  26-28
  2.6 本章小结  28-29
3 关键层的控制机理及形态模拟研究  29-43
  3.1 关键层的控制作用及机理分析  29-33
    3.1.1 关键层的基本特征  29-30
    3.1.2 关键层的变形破坏  30-31
    3.1.3 关键层的判别方法  31-33
  3.2 浅埋煤层开采的关键层控制作用分析  33-36
    3.2.1 浅埋煤层的关键层特征分析  33-34
    3.2.2 浅埋煤层关键层的特征参数  34-35
    3.2.3 实例分析  35-36
  3.3 浅埋煤层关键层控制机理的数值模拟  36-42
    3.3.1 FLAC~(3D)的基本原理及理论  36-38
    3.3.2 FLAC~(3D)数值模拟模型的建立  38
    3.3.3 数值模拟结果分析  38-42
  3.4 本章小结  42-43
4 浅埋煤层覆岩结构的稳定性分析  43-49
  4.1 浅埋煤层覆岩结构初次破断的力学分析  43-45
  4.2 浅埋煤层覆岩结构的稳定性分析  45-47
    4.2.1 滑落失稳分析  45-46
    4.2.2 回转失稳分析  46-47
  4.3 浅埋煤层覆岩结构稳定条件分析  47-48
  4.4 实例分析  48
  4.5 本章小结  48-49
5 浅埋煤层上覆岩层稳定性数值模拟研究  49-64
  5.1 离散单元法基本思想  49
  5.2 离散单元法基本方程  49-53
    5.2.1 概述  49-50
    5.2.2 物理方程  50-51
    5.2.3 运动方程  51-53
  5.3 UDEC的基本特征和模型介绍  53-57
    5.3.1 UDEC的基本特征  53-54
    5.3.2 UDEC节理模型  54-55
    5.3.3 力学阻尼  55-56
    5.3.4 力学时步  56-57
  5.4 浅埋煤层覆岩结构变形破坏的数值模拟分析  57-58
    5.4.1 数值模型屈服准则  57-58
    5.4.2 数值模拟模型的建立  58
    5.4.3 边界条件及开挖过程岩层破坏形态模拟  58
  5.5 UDEC数值模拟实例分析  58-63
    5.5.1 数值计算模型  58-60
    5.5.2 模型单元划分  60
    5.5.3 数值模拟计算  60-62
    5.5.4 数值模拟结果分析  62-63
  5.6 本章小结  63-64
6 浅埋煤层开采损害防治对策  64-71
  6.1 控制开采的含义  64
  6.2 控制开采方法的类型  64-66
    6.2.1 减沉开采方法  64-65
    6.2.2 协调开采方法  65
    6.2.3 控制开采方法  65-66
  6.3 浅埋煤层控制开采方法分析  66
  6.4 浅埋煤层开采引起的环境问题  66-68
  6.5 浅埋煤层矿区环境治理途径  68-69
  6.6 浅埋煤层矿区生态重建方案的制定  69-70
  6.7 本章小结  70-71
7 结论  71-72
  7.1 本文的结论  71
  7.2 本文的展望  71-72
致谢  72-73
参考文献  73-77
附录  77

浅埋煤层采动裂缝损害机理及控制方法研究

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