缓倾斜层状矿体开采沉陷预测与控制研究

【摘要】摘要：目前,随着矿产资源的大量开采和地下水资源的过度抽取,导致地表出现了大面积的沉降,给当地的环境和人们的生命财产造成了巨大损害。石膏是一种埋深浅、矿体薄、分布广的缓倾斜层状矿体,具有遇水膨胀、软化等特点,开采此矿体极易诱发地表沉降和塌陷事故。但由于其价格低,人们对其开采沉陷的研究成果较少。因此,开展此项研究具有十分重要的理论意义。本文采用室内试验、理论分析、相似模拟、现场测试和数值模拟相结合的研究方法,对石膏矿的力学特性、采空区顶板的破断机理及其上覆岩层的移动规律,以及开采沉陷的预测方法和控制措施进行了研究,得到了如下研究成果：(1)采用RMT-15OB岩石力学试验机,对自然状态和水饱和状态的石膏试样,以及自然状态下不同高径比的石膏试样的瞬时力学特性进行了试验研究。研究结果表明：水饱和状态的石膏试样的抗压强度是其自然状态的79.94%；根据试验结果分析,得到了石膏试样强度与尺寸效应的理论模型及其参数。(2)采用SAW-2000岩石力学试验机,对自然状态和水饱和状态的石膏试样进行了分级加载的流变试验。试验结果表明：自然状态和水饱和状态的石膏试样均表现出了很好的流变特性,且其流变全过程曲线符合粘弹性流变特征；自然状态和水饱和状态的石膏试样的长期强度分别为其峰值强度的77%和68.8%,且后者的长期强度为前者的55%。(3)根据弹性-粘弹性相应原理,采用粘弹性薄板弯曲理论,建立了采空区顶板粘弹性薄板弯曲的力学模型,得到了采空区顶板的临界荷载及其挠度吐线的表达式,建立了采空区顶板破断的判据,确定了合理的采空区长度、矿房跨度、直接顶厚度等采场结构参数。利用FLAC3D中的伯格斯蠕变模型对采空区顶板蠕变变形和不同高跨比的矿柱承载能力进行了数值模拟。数值模拟结果表明：在0-60d时,采空区顶板缓慢下沉、逐渐离层、开裂形成薄板弯曲结构；在180d时,采空区顶板离层现象十分明显,顶板开始破断失稳,此时地表也出现了明显的沉降；到达360d时,采空区顶板已整体垮落失稳,地表沉降值逐渐增大,最终形成整体塌陷；当石膏矿柱的跨度小于4m时,其已被压坏而不能支承上覆岩层的围岩压力,导致采空区顶板及上覆岩层破断而垮落。(4)采用相似理论,建立了相似模拟模型试验。相似模拟试验结果表明：当矿房跨度大于10m时,采空区顶板开始产生竖向裂隙和离层裂隙；随矿房跨度的增大,其竖向裂隙和离层裂隙逐渐增大而产生弯曲、下沉、破断以及整体垮落；当矿房跨度为164m时,采空区上覆岩层的垮落带高度为55m,为采空区高度的18.3倍,导水裂隙带发育高度为94.5m,为采空区高度的31.5倍,地表沉降的最大值为115cm,下沉系数为0.38。(5)根据理论分析、相似模拟、数值模拟的结果,建立了考虑采场结构参数的地表沉降和顶板竖向位移预测的ANFIS模型,分析了其拟合性能和预测性能,对衡山某石膏矿的采空区地表沉降和顶板竖向位移进行了预测,同时还对其进行了实测。研究结果表明：建立的采空区地表沉降和顶板竖向位移预测的ANFIS模型的拟合精度分别达96%和98%以上,预测精度分别达97%和96%以上；采用该模型预测的衡山某石膏矿的采空区地表沉降值和顶板竖向位移值与实测结果吻合良好；矿房跨度为10m,矿柱跨度为4m是该地区石膏矿最合理的采场结构参数。(6)采用RMT-150B岩石力学试验机,对7种配合比的黄土-废石胶结充填体在不同龄期的抗压强度进行了测试,利用龄期为28d的黄土-废石胶结充填体的力学参数对试验采场进行了充填法回采的FLAC3D数值模拟,根据数值模拟结果选用C组配比的黄土-废石胶结充填体对该矿试验采场进行了充填,同时还对其进行了应力测试。研究结果表明：龄期为28d的C组黄土-废石胶结充填体的抗压强度大于2MPa；选用C组配合比的黄土-废石胶结充填体的试验采场的应力测试结果与数值模拟结果吻合良好,能有效地控制该试验采场的地压。(7)采用C组黄土-废石胶结充填体的力学参数对石膏矿采空区进行充填开采的FLAC3D数值模拟,分析了5种充填开采方案对采空区顶板岩层的竖向位移和地表沉降的影响。数值模拟的结果表明：采用最优充填开采方案能有效地减小地表沉降、采动影响范围和下沉系数,其值分别为未充填时的65.1%、56%和64.6%,达到了控制开采沉陷的目的。图127幅,表37个,参考文献256篇
【作者】贺桂成；
【导师】丁德馨；
【作者基本信息】中南大学，矿业工程，2013，博士
【关键词】开采沉陷；石膏流变力学特性；粘弹性薄板；相似模拟；FLAC3D数值模拟；ANFIS预测方法；黄土-废石胶结充填体；

【参考文献】
[1]丁伟.数字化超声波探伤检测系统的设计与研究[D].沈阳理工大学,机械电子工程,2012,硕士.
[2]张小刚.西安地区岩土综合热物性参数分析及土壤源热泵经济适宜区研究[D].长安大学,建筑与土木工程（专业学位）,2014,硕士.
[3]王灵伦,赵亚南.试论海德格尔的有限性思想及其现代意义[J].濮阳职业技术学院学报,2014,01:33-35+38.
[4]杨延婷.基于AFM和DIC的探针纳米尺度磨损实验研究[D].哈尔滨工业大学,机械制造及其自动化,2013,硕士.
[5]李若愚.胸腰椎孤立性转移肿瘤的外科治疗结果：全脊椎整块切除术对比瘤体减灭术[D].复旦大学,临床医学,2013,博士.
[6]顾丹.临摹作品的可版权性研究[D].广东财经大学,法律（专业学位）,2014,硕士.
[7]李慧.现代绘画的图案意义[D].北京服装学院,美术学,2012,硕士.
[8]顾红.一类描述PEPA模型的反应扩散问题[D].扬州大学,应用数学,2012,硕士.
[9]连峰,马冬冬,元向辉,陈文,韩崇昭.扩展目标CBMeMBer滤波器及其高斯混合实现[J].控制与决策,2015,04:611-616.
[10]潘斌.湖北杂交水牛乳中脂肪酸和氨基酸成分分析及其营养价值评价[D].华中农业大学,动物遗传育种与繁殖,2014,硕士.
[11]王朝燕.河北省经济开放度与经济增长关系的实证研究[D].河北经贸大学,统计学,2012,硕士.
[12]吴玉朋.经验视野下的创新教育理论浅析[D].山东大学,高等教育学,2013,硕士.
[13]殷惠君.膜结构风荷载的数值模拟研究[D].同济大学,2006.
[14]程锡章.利泽航电枢纽下游河道冲刷与通航条件的影响研究[D].重庆交通大学,水力学及河流动力学,2012,硕士.
[15]解玮珊.社区养老志愿服务中的社工介入研究[D].苏州大学,社会工作（专业学位）,2014,硕士.
[16]张蕾.《盟约之亚瑟王的十个故事》翻译报告[D].山东财经大学,英语笔译（专业学位）,2013,硕士.
[17]胡锐.社会工作与戒毒人员回归社会问题研究[D].湖南师范大学,社会学,2013,硕士.
[18]付浴泉.历史类航海文献中特殊词汇英译策略[D].大连海事大学,英语笔译,2013,硕士.
[19]崔林丽.遥感影像解译特征的综合分析与评价[D].中国科学院研究生院（遥感应用研究所）,2005.
[20]王剑平,张云生,张果,张晶.实时系统时间并行模型确定性分析[J].控制与决策,2012,12:1859-1863+1869.
[21]丁海燕,温丹妮,王苗全,钱海丰.水稻抗铝机制的研究进展[J].生命科学,2013,05:532-537.
[22]张利,杨以涵,杨秀媛.配电网离线故障定位方法研究与实现[J].电力系统自动化,2009,01:70-74.
[23]邓先瑞,李春艳,齐伟.基于负载均值的云调度算法研究[J].唐山师范学院学报,2015,02:38-41.
[24]秦洁.氯沙坦和辛伐他汀对糖尿病大鼠肾脏保护机制的研究[D].山西医科大学,内分泌代谢,2002,硕士.
[25]谭惠君.招商银行入世后的战略调整[D].吉林大学,工商管理,2004,硕士.
[26]邢美园,陈益君.学科信息门户建设中深层网页资源采集的方法与策略[J].情报资料工作,2005,06:54-57.
[27]姜越.邻近既有地铁线的新建地铁工程施工安全风险管理研究[D].北京交通大学,2014.
[28]洪晓龙.重载铁路轨枕受力特性分析与参数优化[D].西南交通大学,交通运输工程,2014,硕士.
[29]郑国辉.制度变迁视角下我国大学去行政化问题研究[D].广西师范大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[30]吴静.我国高校音乐学本科阶段教育实习的相关研究[D].西南大学,音乐学,2014,硕士.
[31]牟春波,李以华,王柯.国内外FTTH的发展及规划方法初探[J].世界电信.2006(09)
[32]余红明.LiFePO_4的碳包覆优化和中试研究[D].浙江大学,2011.
[33]闫郁翰.信道编码盲识别技术研究[D].西安电子科技大学,电路与系统,2012,硕士.
[34]张鹏.论股东优先购买权行使中的价格形成机制[D].吉林财经大学,法律,2014,硕士.
[35]谢晨.美国和香港对中国内地FDI动因的比较研究[D].复旦大学,国际贸易学,2012,硕士.
[36]吴林强,夏广洁,李亮,薛雅,邱宇平.pH及苯影响下生物质炭吸附毒莠定的行为[J].农业环境科学学报,2013,01:69-74.
[37]雷泽容.药品不良反应非诉救济机制研究[D].西南政法大学,经济法（专业学位）,2012,硕士.
[38]戴缘缘,潘丽军,姜绍通,吴学凤,余振宇.中心组合设计优化芋头浆糖化工艺[J].食品科学.
[39]李哲.论我国政府对证券市场监管方式的转变[D].东北师范大学,政治学理论,2003,硕士.
[40]吴敏,颜钢锋,张瑶瑶,刘妹琴.基于Petri网结构分析的监控器综合[J].自动化学报,2008,08:964-971.
[41]张艳.泡沫钛的制备及压缩性能研究[D].东北大学,材料学,2010,硕士.
[42]杨静源.基于内部控制的SGDL公司全面风险管理体系研究[D].西北大学,高级工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[43]孙冬冬.凹泛函型拉伸与压缩不动点定理及应用[D].东北大学,基础数学,2010,硕士.
[44]郝晓飞.中国《涉外民事关系法律适用法》中合同法律适用原则研究[D].哈尔滨工业大学,国际法学,2013,硕士.
[45]廖凡.硅纳米线表面掺杂现象的研究及应用[D].苏州大学,2013.
[46]王军.互联网金融对商业银行的影响及对策研究[D].首都经济贸易大学,金融学,2014,硕士.
[47]刘菊梅.江西省城乡收入差距实证研究[D].江西财经大学,理论经济学,2013,硕士.
[48]韦岗,张丽清,李向武,欧阳景正.语音信号同伦非线性模型分析理论与算法[J].自动化学报,1997,02:59-64.
[49]孙英月.劳务派遣若干法律问题研究[D].大连海事大学,法律,2012,硕士.
[50]龚琪.甘肃平凉地区煤化工发展的环境资源制约因素及对策研究[D].兰州大学,环境工程,2013,硕士.