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硕士学位论文 浅埋大采高工作面端部覆岩运动规律 及其对地表变形的影响 Movement Law of the Overlying Strata above Large Mining Height Longwall Face-end with Shallow Cover and its Effect on Ground Deation 作 者徐敬民 导 师朱卫兵 副教授 中国矿业大学 二○一七年五月 国家重点基础研究发展计划973项目2013CB227900 中图分类号 TD325 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 浅埋大采高工作面端部覆岩运动规律 及其对地表变形的影响 Movement Law of the Overlying Strata above Large Mining Height Longwall Face-end with Shallow Cover and its Effect on Ground Deation 作 者 徐敬民 导 师 朱卫兵 申请学位 工学硕士 培养单位 矿业工程学院 学科专业 采矿工程 研究方向 岩体力学与岩层控制 答辩委员会主席 谢耀社 评 阅 人 许家林 金洪伟 二○一七年五月 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 致谢致谢 硕士论文付梓之际， 三年的研究生生涯行将结束。 在矿大七年的匆匆岁月里， 我风雨兼程， 纵然清贫， 但梦想和执着始终相伴左右。 回首求学路上的点点滴滴， 我的每一步成长都离不开老师、同门和亲友们的鞭策与帮助，衷心感谢你们 特别感谢我的导师朱卫兵副教授。 是您引领我步入岩层移动与绿色开采领域 的大门;是您不厌其烦地对我的学习和生活提供悉心指导与谆谆教诲。我所取得 的每一点成绩都凝聚着您的心血。您虚怀若谷、厚德载物的人格魅力不断激励我 奋勇向前。您的鼓励让我在遇到困难时不轻言放弃，学会以一颗乐观、积极的心 去迎接挑战。您的教导是我在矿大求学期间最宝贵的财富，并将使我受益终身 由衷的感谢岩层移动与绿色开采团队首席许家林教授。您孜孜不倦的教诲、 敏锐的洞察力和严谨的治学态度让我受益匪浅。 您对我出国攻读博士无私的关心 与帮助让我在求学的路上更多了一份动力， 您的教诲和鞭策将会激励我在科研的 道路上励精图治、开拓创新。感谢神东集团大柳塔煤矿总工程师陈苏社教授级高 工在现场实测给予的无私关照和帮助。 感谢课题组鞠金峰副研究员和谢建林副研 究员在现场实测给予的无私帮助，感谢课题组轩大洋助理研究员、大连理工大学 李迎春讲师和澳大利亚科廷大学徐光讲师在外文期刊论文写作中给予的技术性 指导，感谢课题组胡国忠副教授、秦伟副研究员、王晓振讲师在科研学习中给我 的指导和帮助。 论文的完成同时还离不开实验室各位师兄弟们的帮助。 感谢师兄李竹博士在 科研和生活中的鼎力相助和付出，与您同甘共苦、共同进步，是我三年研究生生 涯中最珍贵的友谊。 感谢澳大利亚莫纳什大学张广磊博士研究生在我英语学习和 生活中的无私帮助，真心感谢你感谢任冬冬、陈梦、张冬冬、温家辉、郝浩、 叶坤强等已毕业硕士，滕浩、王秉龙、韩红凯、何昌春等博士研究生，潘海成、 杨伟名、沙猛猛、张文波、刘刚领、齐祥瑞、史泽凯、郭宇隆、李枝、刘传振、 朱怡然、胡楠、甘满光、邱平等硕士研究生在我学习和生活中的帮助。 感谢母校七年来对我的培养，感谢矿业工程学院、煤炭资源与安全开采国家 重点实验室各位老师在实验、论文选题等给予的帮助和建议。 感谢我的父母对我多年的养育之恩， 是你们在我十八年来的求学生涯中无时 无刻的牵挂我的学习和生活。 同时感谢所有的亲友和朋友一直以来的支持和陪伴。 感谢本文中引用文献的各位专家学者，他们的研究推动了采矿领域的发展。 衷心地感谢各位专家、教授在百忙之中评审本文。由于作者水平有限，文中 定有许多疏漏和不足之处，热切希望得到批评、指正 徐敬民 二○一七年五月 I 摘摘 要要 煤炭地下开采引起井下动力灾害、 水与煤层气资源破坏以及地表塌陷等一系 列采动损害问题无不与采动岩层运动和采动裂隙有关， 而这些采动损害问题在浅 埋大采高工作面开采中更为突出。煤层开采结束后，工作面端部上覆破断块体下 方保持大量离层裂隙空间，而对应上方地表的变形程度也大于工作面中部位置。 因此研究工作面端部上覆关键层破断运动规律以及对应地表变形的特征， 对研究 地下水的涌出、 瓦斯的抽采和减轻采动沉陷对地表构筑物的影响具有重要的理论 意义和工程指导价值。 论文采用现场实测、物理模拟、理论分析和数值模拟手段，对浅埋大采高工 作面端部覆岩运动规律及其对地表变形的影响进行了研究。 大柳塔煤矿 52306 工 作面的钻孔原位实测结果表明， 工作面端部覆岩关键层仍然对上覆岩层的破断起 到控制作用，工作面端部上覆关键层下方离层空间不会随采动而闭合，并且会始 终保持较大的离层量，这一结论得到了相似模拟实验的验证。地表沉陷观测结果 表明，52306 工作面地表下沉系数为 0.53；临空侧区段煤柱在工作面采动过程中 逐渐失稳破坏，改变了工作面端部覆岩的破断运动规律，增大了地表变形的影响 范围，但减轻了地表的变形程度。理论分析了工作面覆岩以板形式的破坏过程， 得出了工作面端部弧形三角块的块度， 并推导了三角块回转角以及下方离层量的 表达式。数值模拟结果表明，当工作面采高增大时，主关键层的下沉量、回转角 和三角块下方离层空间均随之增大，地表变形程度也会加大；同时表明若工作面 端部煤柱失稳破坏，上覆三角块的整体下沉量增大，但回转角减小，同时下方的 离层空间也会随之减小，进而减小地表的最大倾斜值；而当主关键层距离煤层的 位置相同时，松散层厚度的增加会增大覆岩的总下沉量，进而增大地表的最终下 沉量， 最终会引起地表变形程度的增加。 现场实测与模拟分析具有较好的一致性。 以上对浅埋大采高工作面端部上覆岩层破断运动规律及其对地表变形影响 的研究对浅埋大采工作面的安全高效回采以及减轻采动损害提供了重要指导， 并 进一步丰富了岩层移动、采动裂隙演化和采动沉陷等理论。 论文有图 57 幅，表 8 个，参考文献 114 篇。 关键词关键词浅埋大采高；关键层；工作面端部；地表沉陷；弧形三角块 II Abstract A large number of mining-induced damage problems caused by underground coal mining, such as underground dynamic disasters, water and coal bed gas resources destruction and surface subsidence, are closely connected with mining-induced strata movement and mining-induced fractures. These mining damage problems are extremely serious in large mining height longwall face with shallow cover. After the finish of coal mining, a large number of bed separation and fractures are kept below the overlying strata broken blocks above the longwall face-end, and the ground deation above the longwall face-end is larger than that above the center of longwall face. Therefore, investigating the movement law of the overlying strata obove large mining height longwall face-end with shallow cover and its effect on ground deation has important theoretical significance and practical guiding value on the research of underground water inrush, gas extraction and mitigating the influence of mining-induced ground deation on surface structures. With above-mentioned issues in mind, field measurement, physical simulation, theoretical analysis and numerical simulation s were conducted to investigate the movement law of the overlying strata obove large mining height longwall face-end with shallow cover and its effect on ground deation. Borehole in-situ test that conducted in the No.52306 longwall face, Daliuta coal mine, shows that the key strata above the longwall working face-end still play the controlling role in the overlying strata breakage. The bed separation below the overlying key strata broken blocks of longwall face-end can always keep a large amount of separation with the mining process, rather than being closed, which is demonstrated by the similar simulation. Field observation result of the surface subsidence shows that the surface subsidence factor in No.52306 longwall face is 0.53. The section coal pillar near the goaf fails gradually in the course of mining, changing the breaking and movement law of the overlying strata above the longwall face-end. This further increases the influence range of surface deation, but mitigates the deation degree of ground surface. The failure process of the overlying strata in the of slab over the longwall face is analyzed theoretically, and the fragmentation degree of the curved triangular block above the longwall face-end is obtained. The mathematical expression of the turning angle of the curved triangular block and that of the bed separation below the curved triangular are deduced. The numerical simulation results show that when the mining height of the III longwall face increases, the subsidence and the turning degree of the primary key stratum, and the bed separation below the triangular block also increase simultaneously, and the surface deation degree will also increase. The numerical simulation also shows that if the section coal pillar fails, the overall subsidence of the overlying trianglular block will increase, but its turning angle decrease, and the bed separation space below the block will also reduce, thereby reducing the maximum inclination of the surface trough. When the distance of the key stratum to the coal seam remain unchanged, the increase of the thickness of the unconsolidated layers will increases the total subsidence of overlying strata, thereby increasing the final surface subsidence and its deation degree eventually. The field measurement results are in good agreement with the simulation results. The above research related to the movement law of the overlying strata obove large mining height longwall face-end with shallow cover and its effect on ground deation, can provide significant guidance for the safe and high-efficient mining in extracting the shallow cover coal seam with large mining height, and for reducing mining-induced damage. The research outcome can further enrich the strata movement, mining-induced subsidence and mining-induced fractures, etc. This paper contains 57 figures, 8 tables and 114 references. Keywords large mining height with shallow cover; working face-end; key stratum; surface subsidence; curved triangular block IV 目目 录录 摘摘 要要 ........................................................................................................................... I 目目 录录 ........................................................................................................................ IV 图清单图清单 ..................................................................................................................... VIII 表清单表清单 ....................................................................................................................... XII 变量注释表变量注释表 ............................................................................................................. XIII 1 绪论绪论 ........................................................................................................................... 1 1.1 问题的提出与研究意义......................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状..................................................................................................... 1 1.3 主要研究内容与技术路线................................................................................... 10 2 工作面端部覆岩运动与地表沉陷原位观测工作面端部覆岩运动与地表沉陷原位观测 ......................................................... 12 2.1 工作面端部覆岩运动规律钻孔原位探测........................................................... 12 2.2 地表沉陷实测....................................................................................................... 22 2.3 本章小结............................................................................................................... 32 3 工作面端部覆岩运动规律的相似模拟实验工作面端部覆岩运动规律的相似模拟实验 ......................................................... 34 3.1 可行性分析与实验目的........................................................................................ 34 3.2 模型的建立........................................................................................................... 35 3.3 模型监测设备....................................................................................................... 37 3.4 模型开采过程与实验结果分析........................................................................... 39 3.5 本章小结............................................................................................................... 50 4 工作面端部覆岩运动对地表变形影响的理论与模拟分析工作面端部覆岩运动对地表变形影响的理论与模拟分析 ................................. 52 4.1 工作面端部覆岩破断特征的理论分析............................................................... 52 4.2 工作面端部覆岩运动对地表变形影响的数值模拟........................................... 57 4.3 本章小结............................................................................................................... 68 5 主要结论与展望主要结论与展望 ..................................................................................................... 69 5.1 主要结论............................................................................................................... 69 5.2 论文展望............................................................................................................... 70 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 72 作者简历作者简历 ..................................................................................................................... 79 V 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ................................................................................................. 81 学位论文数据学位论文数据集集 ......................................................................................................... 82 VI Contents Abstract ........................................................................................................................ II Contents ..................................................................................................................... VI List of Figures ......................................................................................................... VIII List of Tables ............................................................................................................. XII List of Variables...................................................................................................... XIII 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 Problem Introduction and Research Significance .................................................... 1 1.2 Researching Status Home application/pdfapplication/msword; application/pdf 电子版论文出版（发布）电子版论文出版（发布） 者者 电子版论文出版（发布）地电子版论文出版（发布）地 权限声明权限声明 论文总页数论文总页数* * 78 注共注共 3333 项，其中带项，其中带* *为必填数据，共为必填数据，共 2222 项。项。