基于关键层结构的地表沉陷预计方法研究.pdf

博士学位论文 基于关键层结构的地表沉陷预计方法研究 to Predict the Surface Subsidence Based on the Key Strata Structure 作 者何昌春 导 师许家林 教授 中国矿业大学 二〇一八年五月 国家重点研发计划资助项目（2016YFC0501100） 万方数据 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 万方数据 中图分类号 TD325 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 博士学位论文 基于关键层结构的地表沉陷预计方法研究 to Predict the Surface Subsidence Based on the Key Strata Structure 作 者 何昌春 导 师 许家林 申请学位 工学博士 培养单位 矿业工程学院 学科专业 采矿工程 研究方向 绿色开采 答辩委员会主席 窦林名 评 阅 人 盲审 二○一八年五月 万方数据 致谢致谢 寒来暑往，三载即过。回首往事，历历在目，心中理想，且行且忆。告别已 逝，愿来时路不负此生值论文完成之际，感谢一路上帮助过的导师、亲人、朋 友及见或未见面之人。 本论文是在导师许家林教授悉心指导下完成的，论文从选题、理论分析到写 作完成，整个过程无不凝聚着导师的心血与汗水。导师以他渊博的知识、严谨的 治学态度、精益求精的工作作风献身于科学事业，是我今后学习的楷模。导师不 仅为我创造了优越的科研和学习环境，同时在治学态度、做人原则和人生价值观 方面也时时刻刻指引着我，生活上也给予了我无微不至的关怀，这些教益必将激 励着我在今后的工作、学习中更加努力。谨此向导师致以衷心的感谢和崇高的敬 意 感谢中国矿业大学窦林名教授、张农教授、牟宗龙教授，西安科技大伍永平 教授、煤炭科学研究总院张华兴教授在选题过程中给予的指导和建议 感谢中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室张少华老师、 赵海云 老师、宋万新老师和高杰老师在实验过程中给予的帮助 在攻读学位期间，本人有幸得到了朱卫兵副教授、胡国忠副教授、王晓振讲 师、轩大洋副教授、谢建林副研究员、秦伟副研究员，鞠金峰副研究员的指导， 他们对论文的写作给予了中肯的建议，这极大地为论文的完善提供了有利的帮 助，在此表示衷心的感谢各位老师还在学术和生活上给予我很多的帮助，让我 顺利度过三年美好的研究生涯，我将铭记于心 感谢王秉龙博士、李竹博士、韩红凯博士、白东尧硕士、季英明硕士、沙猛 猛硕士、白雪斌硕士、于胜超硕士、杨楠硕士、朱杰琦硕士、孙超硕士还有课题 组已毕业及未提及的师兄弟们在学习和生活中的帮助，特别是在理论分析、相似 模拟上给予的极大帮助， 正是你们的无私协助， 才得以顺利完成论文， 感谢你们 感谢父母这么多年不知疲倦的付出，你们的支持是我前进最大的动力，祝你 们身体健康，生活愉快同时感谢所有亲人、朋友给予我的帮助和鼓励，是你们 的理解和支持让我走的更远。 感谢女朋友李亚鹏女士，是你在这几年里对我的照顾和支持，才能够顺利完 成论文。 感谢论文所引用文献的作者， 你们的研究推动了岩层移动与地表沉陷理论和 技术的发展。 感谢各位评审专家和答辩委员会专家在百忙之中给予的评审 何昌春 二零一八年三月 万方数据 I 摘摘 要要 煤层开采后覆岩及地表沉陷预计影响着煤矿安全高效开采， 而现有的沉陷预 计方法大多采用纯统计学的思想， 没有考虑覆岩及地表沉陷的力学机理。 鉴于此， 本文综合采用理论分析、相似模拟、数值模拟和现场实测等方法，对长壁工作面 覆岩破裂高度和岩梁破断判别方法、关键层破断后的砌体梁位移方程、未破断关 键层位移方程、基于关键层结构的地表沉陷预计模型、以及基于关键层结构的地 表沉陷预计方法进行了系统的研究。 明确了覆岩破裂与破断的区别，破裂是岩层含有裂缝但还未被裂缝贯通，而 破断是裂缝贯通了岩层。采用第一强度理论建立了覆岩破裂的下沉临界条件，结 果表明整个覆岩在充分采动条件下都已破裂。 模拟了不同裂缝贯通度下岩层的下 沉情况，结果表明破裂但未破断岩层的下沉与未破裂岩层下沉基本一样，因此未 破断的岩梁下沉可以用弹性地基梁研究。 根据裂缝扩展过程的应力发育状态和相 似模拟的岩层破断特征，建立了上覆岩梁破断的判别准则。 建立了基于结构力学的破断关键层砌体梁结构的位移方程力学模型， 基于此 力学模型分析了影响砌体梁结构下沉的影响因素， 给出了砌体梁结构位移方程计 算步骤，并结合孔庄矿砌体梁下沉实测数据进行了模型验证。 建立了基于弹性地基梁的倾向和走向未破断关键层的下沉力学模型， 确立了 力学模型所需参数的计算方法，研究了关键层厚度、弹性模量和采空区地基系数 对关键层下沉曲线的影响。 研究了松散层的移动变形特征，建立了基于关键层结构的地表沉陷预计模 型。通过相似模拟和数值模拟验证了基于关键层关键层结构的地表沉陷预计模 型。 根据基于关键层结构的地表沉陷预计模型， 结合主关键层是否破断以及有无 表土层对基于关键层结构的地表沉陷预计方法进行了分类，共分为 4 类主关键 层破断且无或薄表土层（有砌体梁无表土层） 、主关键层破断且有表土层（有砌 体梁有表土层） 、主关键层未破断且无或薄表土层（有关键层无表土层） 、主关键 层未破断且有表土层（有关键层有表土层） 。给出了 4 类基于关键层结构的地表 沉陷预计方法的步骤， 编制了 4 类预计方法的 Maple 计算程序。 并对有砌体梁无 表土层、有砌体梁有表土层和有关键层有表土层三种类型进行了实例验证。 该论文有图 92 幅，表 11 个，参考文献 203 篇。 关键词关键词岩层移动；关键层；松散层；地表沉陷预计；覆岩破断高度 万方数据 II Abstract The prediction of the strata and surface subsidence as well as deation after the coal seam mining affects the safety and efficiency of coal mines. But most predicting s adopts the idea of pure statistics, without considering the mechanical mechanism of the strata and surface subsidence. In view of this, this dissertation integrated the theoretical analysis, similar simulation, numerical simulation and in-situ measurements etc. and comprehensively studied the cracking and broken height of the overburden, the subsidence of the voussoir beam structure VBS and non-broken key strata KS, the movement and deation model of the surface based on the coupling effect of the KS and topsoil. The second chapter defined the cracking and broken height of the overburden. The cracking means that a layer has non-through fractures while the broken means oppositely. The first strength theory was used to establish the critical subsidence condition of the overburden cracking. The results shown that the whole overburden cracked after coal seam mining. Given this, the strata subsidence with different crack penetration was numerically simulated, which presented that the subsidence without and with different crack penetration was equal. Therefore, the continuum mechanics is applicable to research the subsidence of non-broken strata. The criterion and calculation process for the broken height of the overburden was established based on the stress development of the strata fracturing and the broken characteristics of rock strata in similar simulation. The second chapter also established the mechanical model of the subsidence of the VBS based on the structural mechanics, analyzed factors affecting the subsidence of VBS, provided calculation steps for the subsidence of the VBS, and validated the mechanical model based on the measured data of the Kongzhuang coal mine. The third chapter built the mechanical model of the subsidence of the strike and dip of non-broken KS based on the continuum mechanics, established the calculation of parameters needed in the mechanical model, and studied the height of the KS, the modulus elasticity and the foundation coefficient of the gob, which affecting the subsidence curve of the KS. The fourth chapter studied the characteristics of the topsoil movement and deation, established the prediction model of surface movement and deation based on the subsidence the KS structure, and verified the model by similar and 万方数据 III numerical simulation. The fifth chapter provided and complied with the Maple the procedure for the to predict the surface subsidence based on the movement law of the KS, verified the to predict the surface subsidence without topsoil based on the movement law of the VBS using the surface subsidence data of the 31305 panel in the Dongsheng coal mine and compared the results calculated by probability integral , validated the to predict the surface subsidence with topsoil based on the movement law of the VBS using the surface subsidence data and measurements of S18 borehole of the 31401 panel in the Bulianta coal mine, and verified the to predict the surface subsidence with topsoil based on the movement law of the non-broken KS using the surface subsidence data of the 305 panel in the Tingnan coal mine. There are 92 figures, 11 tables, and 203 references in this dissertation. Keywords strata movement; key stratum; topsoil; prediction of surface movement and deation; overburden broken height 万方数据 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...................................................................................................................... XIV 变量注释表变量注释表 ............................................................................................................... XV 1 绪论绪论 .......................................................................................................................... 1 1.1 问题的提出及研究意义 .......................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ...................................................................................................... 2 1.3 主要研究内容及方法 ............................................................................................ 13 2 覆岩破断高度及破断关键层的位移方程研究覆岩破断高度及破断关键层的位移方程研究 ...................................................... 16 2.1 覆岩破断的临界高度 ............................................................................................ 16 2.2 砌体梁结构位移方程研究 .................................................................................... 29 2.3 本章小结 ................................................................................................................ 59 3 未破断关键层位移方程力学模型未破断关键层位移方程力学模型 ......................................................................... 62 3.1 倾向关键层位移方程力学模型 ............................................................................ 62 3.2 走向关键层位移方程力学模型 ............................................................................ 67 3.3 顶底界面离层关键层位移方程力学模型 ............................................................ 70 3.4 关键层下不同区域的地基系数研究 .................................................................... 72 3.5 未破断关键层位移方程的影响因素研究 ............................................................ 74 3.5 未破断关键层的位移方程数值模拟研究 ............................................................ 76 3.6 本章小结 ................................................................................................................ 81 4 关键层与表土层耦合作用的地表沉陷研究关键层与表土层耦合作用的地表沉陷研究 .......................................................... 83 4.1 表土层移动变形特征的相似材料模拟 ................................................................ 83 4.2 基于关键层和表土层耦合作用的地表移动变形模型 ........................................ 89 4.3 基于关键层和松散层耦合作用的地表移动变形模型的模拟验证 .................... 92 4.4 本章小结 ................................................................................................................ 95 5 基于基于关键层结构关键层结构的地表沉陷预计方法的地表沉陷预计方法...96 5.1 基于关键层结构的地表沉陷预计方法的步骤及程序 ........................................ 96 万方数据 V 5.2 无表土砌体梁结构长壁工作面的地表沉陷预计 ................................................ 98 5.3 有表土砌体梁结构长壁工作面的地表沉陷预计 .............................................. 102 5.4 有表土关键层结构长壁工作面的地表沉陷预计 .............................................. 108 5.5 本章小结 .............................................................................................................. 114 6 结论与展望结论与展望 ............................................................................................................ 115 6.1 主要结论 .............................................................................................................. 115 6.2 创新点 .................................................................................................................. 118 6.3 研究展望 .............................................................................................................. 118 参考文献参考文献 ................................................................................................................... 120 作者简历作者简历 ................................................................................................................... 129 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ............................................................................................... 130 学位论文数据集学位论文数据集 ....................................................................................................... 131 万方数据 VI Contents Abstract ........................................................................................................................ II Contents ..................................................................................................................... VI Lists of Figures ....................................................................................................... VIII Lists of Tables ......................................................................................................... XIV Lists of Variables ...................................................................................................... XV 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 Introduction and Research Meaning ........................................................................ 1 1.2 Research Activities at Home and Abroad ................................................................ 2 1.3 Main Research Content and s .................................................................... 13 2 Broken Height of the Overburden and Subsidence ulae of Key Strata after Breaking ............................................................................................................. 16 2.1 Critical Broken Height of the Overburden ............................................................. 16 2.2 Subsidence ulae of Voussoir Beam Structure ................................................ 29 2.3 Brief Summary ....................................................................................................... 59 3 Mechanical Model of Subsidence ulae of Unbroken Key Strata ............... 62 3.1 Inclination Subsidence ulae of Unbroken Key Strata ................................... 62 3.2 Strike Subsidence ulae of Unbroken Key Strata ........................................... 67 3.3 Subsidence ulae of Unbroken Key Strata with bedding seperation .............. 70 3.4 Foundation Coefficients on Different Zones under Key Strata ............................. 72 3.5 Influencing Factors on the Subsidence of Non-broken Key Strata ........................ 74 3.6 Mechanical Model of Subsidence ulae of Unbroken Key Strata with Numerical Simulation .................................................................................................. 76 3.7 Brief Summary ....................................................................................................... 81 4 Surface Subsidence Prediction Based on the Coupling Action of Key Strata and Topsoil Movement Characteristics ........................................................................... 83 4.1Similarity Simulation of the Movement and Deation Characteristics of Topsoil..........................................................................................................................83 4.2 Movement and Deation Model Based on the Coupling Action of Key Strata and Topsoil ................................................................................................................... 89 4.3 Simulation Verification of the Movement and Deation Model Based on the 万方数据 VII Coupling Action of Key Strata and Topsoil ................................................................. 92 4.4 Brief Summary ....................................................................................................... 95 5 to Predict Surface Subsidence Based on Key Strata Subsidence ......... 96 5.1 Procedure and Program of the to Predict Surface Subsidence Based on Key Strata Subsidence ................................................................................................. 96 5.2 to Predict Surface Subsidence Based on Voussoir Beam Structure without Topsoil ........................................................................................................................ 98 5.3 to Predict Surface Subsidence Based on Voussoir Beam Structure with Topsoil ...............