挤压构造应力对采煤沉陷的影响分析

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我国现代构造应力格局明显受制于周边板块的动力学作用。总体来看,我国的区域构造应力场可以分为中国东部构造应力区(A)和中国西部构造应力区(B)两大区块。我国煤矿区主要集中在东北应力区(A11)、华北应力区(A12)、华南应力区(A20)和新疆应力区(B10)。在某些煤矿区水平构造应力大于垂向重力,甚至是重力的数倍。在研究采煤沉陷时若只考虑自重应力,而忽视构造应力对其的影响,会使采煤沉陷预计和实际情况出现较大偏差。本论文结合典型煤矿区的地质条件和实际开采条件,通过理论及力学分析、计算机数值试验和相似材料模拟试验等手段,研究挤压构造应力对采煤沉陷的控制作用。数值试验结果表明,在水平挤压构造应力未达到上覆岩层的临界破坏应力条件下,水平挤压构造应力具有延缓采煤沉陷的作用。挤压构造应力条件下,随着工作面的不断向前推进,煤层底板和两帮的变形量不断增大,增幅变化较大;而在自重应力条件下,随着工作面的不断向前推进,煤层底板和两帮的变形量变化较小。相似材料模拟结果表明,处于挤压构造应力条件下的覆岩,采动损害出现较晚,其地表损害程度也相对较小;而在没有挤压构造应力作用的条件下,覆岩采动损害出现较早,其地表损害程度也相对较大。所以,挤压构造应力具有减缓采煤沉陷的作用。在以上两种情况下,煤层覆岩最终垮落形态、下沉曲线形态和采空区的填充率也不相同。在挤压应力条件下,最终形成较长的悬露岩梁、地表下沉曲线较平缓且成碗状;而在自重应力条件下,最终形成的悬露岩梁特短,地表下沉曲线较尖,呈“V”字形。通过对采空区长度方向与构造应力场最大主应力方向空间关系对采煤沉陷影响的研究发现,在有比较强烈的构造应力作用的煤矿区,随着采空区长度方向与构造应力场最大主应力方向间的夹角由平行(0°)变为垂直(90°),采空区周围应力集中程度及采空区围岩的变形量明显增加。因此,在布置工作面时,应该充分考虑水平构造应力的影响,尽可能使采空区的长度方向平行于构造主应力的方向。
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