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硕士学位论文 双煤层重复采动下覆岩变形破坏特征及 导高发育研究 Study on the Height Development of Cracking Zone and the Deation and Failure Characteristics of the Overburden during Repeated Mining of Double Seam [国家自然科学基金项目40802076] [中国博士后科学基金面上资助项目20110491476] 作 者黄远 导 师杨伟峰 教授 中国矿业大学 二〇一四年六月 万方数据 中图分类号 TD82 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 双煤层重复采动下覆岩变形破坏特征及 导高发育研究 Study on the Height Development of Cracking Zone and the Deation and Failure Characteristics of the Overburden during Repeated Mining of Double Seam [国家自然科学基金项目40802076] [中国博士后科学基金面上资助项目20110491476] 作 者 黄 远 导 师 杨伟峰 教授 申请学位 工学硕士 培养单位 资源与地球科学学院 学科专业 地质工程 研究方向 工程地质与岩土工程 答辩委员会主席 评 阅 人 二○一四年六月 万方数据 55 位论文原创性声明位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文双煤层重复采动下覆岩变形破坏特征及导高发育 研究 ，是本人在导师指导下，在中国矿业大学攻读学位期间进行的研究工作所取得的成 果。据我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 年 月 日 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 论文审阅认论文审阅认定书定书 研究生 黄 远 在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要 求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文， 经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合 学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 致谢致谢 在论文即将完成之际，谨此向我的导师杨伟峰教授致以衷心的感谢和崇高的敬意本 论文是在杨老师的悉心指导下完成的。虽然杨老师远在国外，但本文从题目的确定到整体 框架的构建, 直至全文的写作, 无不倾注着杨老师的心血。杨老师以他敏锐的洞察力、广 博的知识、严谨的治学态度、精益求精的工作作风和对科学的献身精神给我留下了深刻的 印象，这些使我受益匪浅，并将成为我毕生献身科学和献身事业的动力。 感谢隋旺华教授、董青红教授、朱术云副教授、孙强副教授、贺虎讲师在选题及研究 过程中，给予了大量无私的帮助和指导，提出了许多宝贵的意见，在此表示衷心地感谢。 感谢曹丽文教授、隋旺华教授、李升副教授、孙强副教授、李小琴副教授、朴春德副 教授、贺虎讲师在答辩过程中提出的宝贵建议，在此表示衷心地感谢。 感谢于宗仁老师提供试验场所，感谢朴春德老师为本文评阅工作付出的宝贵时间和辛 劳汗水，提出的真知灼见的建议，感谢夏筱红老师在毕业环节过程中提供的帮助。感谢吉 育兵硕士、赵国荣硕士、沈丁一硕士、李明硕士、王壹硕士、潘宝骝硕士、刘欢硕士、朱 勇学士、岳建刚学士、顾春辉学士等师兄弟在试验准备和设计上提供的大力帮助，感谢好 友张蕊博士、王文学博士、马路兴硕士、高艳卫硕士、王丹志硕士、张旭硕士、陈凯硕士、 王一栋硕士在论文写作中提出的建议。 在此也向我的家人和我所有的朋友表示衷心的感谢，感谢他们给我这么多年的默默关 心与支持。 最后，感谢曾经教导和帮助过我的所有老师。衷心感谢为评阅本论文而付出宝贵时间 和辛苦劳动的专家和教授们。 万方数据 I 摘摘 要要 我国是煤炭大国，如何安全合理高效地开发煤炭资源是煤矿生产中的重要工作。对于 近距离煤层，因为层间距离小，工作面在开挖过程中容易受到来自其它煤层采动的影响。 部分煤层顶底板结构在开始开采前就已经发生破坏变形，这使得煤矿生产工作的安全性大 大减低，因此对于近距离煤层覆岩裂缝发育规律的研究具有重要意义。 本文以矿区工程地质条件、钻孔和抽水试验资料为基础，对矿区地质特征与水文地质 类型进行分析。依据煤矿生产的实际情况，采用数值模拟、相似模型试验与理论分析就矿 区 4、5 煤层重复采动造成的上覆岩层裂缝发育规律进行了深入的研究。 通过相似模拟试验，当双煤层（4、5 煤）回采完成时垮落带高度为 26.0m，导水裂缝 带发育高度为 68.5m。通过数值分析，对不同煤层间距和不同采厚下的近距离煤层开采问 题进行了模拟，分析了双煤层采动过程中覆岩的应力场和位移场变化特征，双煤层回采完 成时垮落带高度为 28.4m，导水裂缝带发育高度为 64.0m。分析得出近距离双煤层开采 条件下，上层煤（4 煤）开采中，顶板岩层裂缝带发育规律与单煤层开采规律一致，下层 煤顶板岩体因为 4 煤开采受到周期性的压力发育较多裂缝；下层煤（5 煤）回采时，在 5 煤层顶板失稳之前，其覆岩整体垮落带没有太大变化，裂缝发育的叠加效应不明显。5 煤 层顶板开始出现局部或整体位移后，整体裂缝带发育高度和范围开始进一步加大，变化速 率先慢后快再次平缓。总体上回采的扰动作用使得原有裂缝进一步发育，体现出近距离双 煤层开采有着一定的叠加效应。在对 5 煤层顶板损伤深度的研究基础上，根据工程力学和 材料力学相关理论分析，提出了双煤层开采存在相互影响时的煤层间距计算方法，对于下 煤层开采，如果两煤层的间距小于判据，则两煤层可以看作是近距离煤层，下煤层开采 对上煤层顶板覆岩破坏有较大影响，反之可以按单一煤层考虑。 该论文有图 28 幅，表 3 个，参考文献 89 篇。 关键词关键词近距离煤层；采动效应；裂缝发育规律；临界条件 万方数据 II Abstract China is the largest producer of coal; it is important that how to safe, reasonable and efficient development of coal resources in coal production. For close distance seams, because of the small distance between the layers, working face during excavation is easily affected from other coal seam mining. Part of the coal seam roof and floor has been destroyed before start of mining, which makes the coal mine production safety greatly reduced. So it would be great significance that studying on the law of the fracture about close distance seam. This paper, based on the engineering geological conditions, drilling and pumping test data, analyzed the mine geological characteristics and hydrology type. According to the actual situation of coal mine production, the research of rock fractures was made on 4, 5 coal seam mining repeatedly by means of numerical simulation, similar model test and theoretical analysis. By similar simulation test, the caving zone height was completed with a height of 26.0m, and the developmental height of water flowing fractured zone was 68.5m when the double seam 4, 5 coal mining. Through numerical analysis, the problems of coal mining under different spacing and different mining thickness were simulated. The overburden stress and displacement fields were analyzed in the process of the double seam mining. The caving zone height was calculated as 28.4m, and the developmental height of water flowing fractured zone was 64m when double seam recovery completed. the floor rock mass produce more cracks due to periodic pressure. When the lower coal seam mining, fissure zone and caving zone is no obvious change before the upper coal seam floor is damaged. After the upper coal seam floor is damaged, the scope of the fracture zone expands and caving zone changes slowly. According to the theory of engineering mechanics and material mechanics, a judgment  is put forward about whether there is influence between two coal seams. If the distance between the coal seams is less than H2, it will be as a close distance seam, in turn as a single coal seam. Keywordsclose distance coal seams; mining effect; fracture development rule; critical condition 万方数据 III 目目 录录 摘摘 要要 ................................................................................................................................................... I 目目 录录 ................................................................................................................................................ III 图清单图清单 .............................................................................................................................................. VII 表清单表清单 ................................................................................................................................................ IX 1 绪论绪论 ...................................................................................................................................................1 1.1 概述 ................................................................................................................................................1 1.2 国内外研究现状 ...........................................................................................................................1 1.3 存在的问题 ....................................................................................................................................7 1.4 研究内容及技术路线 ...................................................................................................................7 2 研究区地质条件研究区地质条件 ............................................................................................................................ 11 2.1 矿区概况 ...................................................................................................................................... 11 2.2 区域地质简况 ..............................................................................................................................12 2.3 含煤地层 ......................................................................................................................................12 2.4 本章小结 ......................................................................................................................................14 3 覆岩变形破坏覆岩变形破坏模型试验模型试验研究研究........................................................................................................15 3.1 相似理论和相似材料 .................................................................................................................15 3.2 实验现象描述 ..............................................................................................................................18 3.3 数据整理和结果分析 .................................................................................................................21 3.4 小结 ..............................................................................................................................................23 4 重复采动顶板破坏数值模拟重复采动顶板破坏数值模拟........................................................................................................25 4.1 数值模拟软件的选择 .................................................................................................................25 4.2 数值模型设计 ..............................................................................................................................26 4.3 煤层开采模拟结果分析 .............................................................................................................28 4.4 小结 ..............................................................................................................................................39 5 重复采动裂缝发育高度分析重复采动裂缝发育高度分析........................................................................................................41 5.1 煤层采厚对上煤层的影响 .........................................................................................................41 5.2 煤层间距对上煤层的影响 .........................................................................................................43 5.3 近距离煤层定义及两煤层产生相互影响的临界条件分析 ...................................................44 5.4 覆岩在损伤状态下的破坏趋势 ................................................................................................47 6 结论与展望结论与展望 .....................................................................................................................................48 6.1 主要结论 ......................................................................................................................................48 万方数据 IV 6.2 展望 ..............................................................................................................................................49 参考文献参考文献 .............................................................................................................................................50 作者简历作者简历 .............................................................................................................................................54 位论文原创性声明位论文原创性声明 ............................................................................................................................55 学位论文数据集学位论文数据集 .................................................................................................................................56 万方数据 V Contents Abstract ................................................................................................................................................ I Contents ............................................................................................................................................. III List of Figures ................................................................................................................................. VII List of Tables ..................................................................................................................................... IX 1 Introduction ......................................................................................................................................1 1.1 Introduction .....................................................................................................................................1 1.2 Research Status at China and Abroad............................................................................................1 1.3 Existing Problem ............................................................................................................................7 1.4 Research Contents and Technical Routes......................................................................................7 2 The Engineering Geologic Back Ground ................................................................................... 11 2.1 Introduction ................................................................................................................................... 11 2.2 Regional Geological Conditions ..................................................................................................12 2.3 Coal-Bearing Stratum ...................................................................................................................12 2.4 Summary .......................................................................................................................................14 3 Experimental Study on Deation and Failure of Overburden in Coal Seam Mining ..15 3.1 Similarity Theory and Similar Materia .......................................................................................15 3.2 Description of Experimental Phenomena ....................................................................................18 3.3 Data Collation and Results Analysis............................................................................................21 3.4 Summary .......................................................................................................................................23 4 Numerical Simulation of Roof Failure During Repeat Mining ..............................................25 4.1 The Choice of the Numerical Simulation Software ....................................................................25 4.2 The Numerical Model Design ......................................................................................................26 4.3 Simulation Results Analysis of Coal Seam Mining ....................................................................28 4.4 Summary .......................................................................................................................................39 5 Analyse of Fracture Height in Repeat Mining ........................................................................41 5.1 The Influence of Mining Thickness on the Upper Coal Seam ...................................................41 5.2 The Influence of Thickness of Interburden on the Upper Coal Seam .......................................43 5.3 Meaning of Close Distance Seams and Critical Condition of Interactions of two Coal Seam 44 5.4 Overburden Failure Trends Under the Damage State.................................................................47 6 Conclusions and Prospects ...........................................................................................................48 6.1 Conclusions ...................................................................................................................................48 6.2 Prospects ...............................................................................