第1章 绪论
1.1 研究目的与意义
煤炭资源作为我们国家的一种支柱性能源，起着十分重要的作用。在敏东一矿顶板水害防治研究课题中，如何确定导水裂隙带的高度和分析顶板破坏规律，一直是人们研究的重要课题之一。敏东一矿首采伊敏组煤层，该组地层含 2 个煤组，含17个煤层，主要开采16#，在16#煤首采面在西翼大巷采掘揭露煤层时发现总涌水量达到938.32m3/h，通过探放水钻孔地质资料得知，直接涌水水源为伊敏组16#煤层顶板。可见，导水裂隙带的高度影响到煤层上覆含水层。
首采工作面面临开采导致的顶板破坏规律尚不清楚，因为经验公式计算是前人总结的经验，其计算结果可作为参考，但遇到具体地质条件，仍存在偏差。实测方法耗费人力和物力，不易长期操作。数值模拟可以弥补实测和经验公式的不足，将实测方法与先进的数值模拟法相互结合、相互补充、相互验证来获取更为可靠的导水裂隙带高度。并且进一步分析顶板破坏规律。
在研究敏东一矿地质资料时，得到该矿所在地区的地层厚度存在明显差异，且分布不均匀，因此需要具体情况具体分析。通过首采工作面顶板破坏规律的研究，从而将研究成果推广到本矿区其他工作面和类似条件的地区。
本论文正是从这一目的出发，以敏东一矿首采工作面为研究对象，依托于项目《敏东一矿水文地质补充勘探项目》，重点研究顶板变形规律特征，为敏东一矿其他工作面的开采提供基础性研究。
1.2 国内研究概况
对于敏东一矿地区的研究，经过查阅相关报告，认识到本矿前期主要是水文地质方面的研究，对于采煤引起顶板破坏的规律，还没有研究。
在其他地区，关于顶板破坏的研究可以追溯到上世纪70年代，国内学者运用各种方法，分别从不同角度对顶板岩层破坏进行研究，其中包括一种方法就是在收集煤矿的大量实际测量资料并总结规律；在条件允许的情况下，可以收集许多煤矿的现场实测资料，从大量数据中寻找规律并建立经验公式。若没有实测数据，则学者们开始开发别的分析理论，比如采用内外应力场理论；非线性有限元数值法；定位关键层技术；变形分析法；数理统计手段分析实测数据方法；BP神经网络算法；采用广义损伤因子和概率积分方法；模糊分析方法；岩体力学计算模型等。
除了在理论方面的研究，学者们还在寻求其他方面的突破，近年来兴起的数值模拟方法提供了另外一条研究道路，数值模拟方面也成了学者们关注的重点，数值模拟主要借助 FLAC，ANSYS，UDEC 等数值计算软件进行分析，各数值模拟软件有各自的特色及所擅长的领域，通过研究前人发表的相关论文，发现以FLAC 方法居多。
朱建明，徐秉业等人先分析和介绍了 FLAC 有限差分程序的相关理论各操作方法，提出了运用变弹模方法模拟时间因素对巷道围岩稳定影响，并得到了相关的衰减曲线，并运用该衰减曲线有效地得到了巷道围岩塑性应变区随着时间的扩展变化情况，为研究巷道围岩变形机制和有效地指导巷道围岩支护提供必要的分析方法。
马菁花，华心祝等人以某矿为例，采用 FLAC3D 数值模拟计算软件，分析煤层首采工作面开采后顶板岩层“三带”移动演化规律和矿压变化特征，结果表明：由于回采工作面的采动影响，工作面煤壁前方出现了随工作面推进而不断向前移动的超前集中应力，最后发现了三个采动影响带，并且计算了每个带的导水裂隙带高度；梁泽鹏，姚多喜等人通过分析煤矿水文地质工程地质材料，采用FLAC3D 软件对采区“两带”高度进行了数值模拟，主要对煤层顶板岩层破坏进行数值模拟，得出了回采过程中不同工作面的冒落带高和导水裂隙带高以及裂高比，从而能够用于指导防水煤岩柱的留设及安全开采。运用数值软件进行模拟研究，大多数都是要依托一个实际的工程，这样可以得到与实际相符合的结果，在模拟过程中有个关键点，即“三带”高度的判断依据。黄志安，张英华等人为了准确划分采空区顶板岩层的“三带”范围，提出了“三带”的界定准则：裂隙带的上边界为应力超过屈服强度或抗剪强度的岩层高度，而裂隙带的下边界为拉应力超过抗拉强度的岩层高度，采用FLAC对某矿顶板“三带”进行了模拟计算，验证手段为生产实践中的瓦斯抽放，结果表明该界定方法合理有效。
第2章 地表变形实测及数值模拟
2.1 工作面概况
2.1.1 工作面概况
南一盘区16-3上煤层 I01163 上01 工作面位于南一采区 16-3 上煤层内。工作面北边为南一盘区边界线，南边与 16-3 上煤层 I01163 上03 工作面相邻，东边为工业广场。分析工作面范围内煤层赋存情况，得出 16-3 上煤层赋存状态稳定，工作面内煤层平均厚度为11.60m，均可采。具体情况见表 2-1。
2.2 数值模型建立
2.2.1 数值模型建立
本文采用 FLAC3D 模拟软件进行工作面开挖的数值模拟计算，最后可以通过软件计算结果输出地表的变形值，并且可以输出每一岩层的变形值。本章将对I01163 上01 首采工作面开采做模拟计算。
分析已有的地质资料，综合工作面及其一定范围内的地质构造、初始应力、边界条件、开采进度等条件，建立数值模拟模型。I01163 上01 首采工作面煤层倾角大约为5°，属近水平煤层，所以在数值模拟过程中，该矿16-3上煤可以按水平煤层考虑，模拟开采工作面完成后，对 16-3 上煤层顶板岩层的破坏情况进行计算。建立如图2-3所示的数值模型。数值模型各岩层自上往下依次为第四系、中砾岩、泥岩、粉砂岩、中砾岩、中砂岩、泥岩、中砾岩、16-3上煤、16-3煤、含砾砂岩，共11 层。赋于工作面上覆各岩层相应的计算参数，并对各岩层划分了一定数量的单元，模型共划分为210000个单元，222921个节点。
为尽可能接近实际开采情况，模型在X方向为0~250m，Y方向为0~1400m，根据煤层的埋藏深度在 Z 方向为 0~300m，其中模型的 56～65m 为 16-3 上煤层，为了减少模型边界效应的影响，模型边界在X方向各距离工作面边界25m和30m。为提高运算速度、保证计算精度，考虑计算区域的重要性来调整单元的尺寸。
第3章 覆岩破坏及数值模拟.......................21
3.1 数值模型建立 ..................21
3.1.1 数值模型建立 ...................21
3.1.2 边界条件的确定 ................22
第4章 覆岩变形破坏规律.............29
4.1 拟合函数优劣评价标准 ...............29
4.2 16-3 上煤开采地面变形规律..................30
第4章 覆岩变形破坏规律
数值模拟覆岩变形破坏可以得到应力和位移变化值，为得到数据中隐含的变形破坏规律，可以运用数学方法进行分析，得到相关关系的函数，然后借助函数的性质进行分析。
方法主要是对模拟结果进行分析，择取相关切片的水平和垂直方向变形数据，运用数据处理软件MATLAB对首采面顶板岩层破坏规律进行分析，运用一些相关的函数如沉降函数和水平移动函数等，以此来研究开采煤层所带来的变形破坏规律。
4.1 拟合函数优劣评价标准 为了判断拟合函数的准确性，在拟合分析中通常会采用一些相关的标准指标来衡量，在拟合数据的过程，同时将这些指标计算出来并加以对比，最后确定函数方程对原始数据拟合程度的优劣。这些衡量指标包括：
（l）和方差 SSE（The sum of squares due to error）
计算拟合数据和原始数据对应值的误差平方和，SSE值越趋于 0，则表示该模型选择准确和拟合效果好，成功的做出了数据预测。
（2）均方根RMSE（Root mean squared error）
该统计参数含义是均方差的平方根，其值越趋于0，表示该模型选择准确和拟合效果好，成功的做出了数据预测。
（3）确定系数R-square（Coefficient of determination）
确定系数在数据拟合分析中最常用到，是很方便的判断标准。其值得大小是由两个参数 SSR和SST决定的。
确定系数的大小为[0,1]之间，由 0到1逐渐变大，说明拟合效果越好，两变量之间相关性越紧密，那么这个方程对原始数据的拟合的也越优。
结论
通过数值模拟，现场实测等手段，结合敏东一矿首采面地质资料，对首采工作面的顶板破坏规律及地表变形特征进行了研究，重点分析顶板岩层破坏规律，得到如下结论：
（1）开挖首采工作面的 16-3上煤，采用三种不同采高的模拟方案，分别得出三种采高下的冒落带高度分别为：20m、26m、30m，导水裂隙带高度分别为：48m、63m、74m。
（2）地表沉降值的最优拟合函数为五次多项式方程，函数在 x方向上为先递减后递增，在中心处（开挖长度的中间值）出现最大值，在实际情况中代表沉降的最大值点。
（3）地表水平移动值的最优拟合函数为四次多项式方程，函数在 x方向上为先递减后递增再递减，在两边各出现一个最大值，在实际情况中，由于煤层的采出，导致工作面两端的岩层向采空区域运动，并且在两边各形成一个位移移动的最大值，两个最大值关于采空区中线是对称分布的。
（4）顶板岩层沉降值的最优拟合函数为四次多项式方程，函数在 x方向上为递减，在实际情况中代表着越接近工作面的岩层其破坏越严重，产生的沉降值也越大；函数在中间存在一个拐点，在此处沉降值的减少幅度最大。
（5）顶板岩层内部下沉边界分析，结果为四次多项式方程，函数在 x方向上为递减，在实际情况中代表着岩层下沉盆地的边界从工作面切眼处（图中的 x=60处）往上逐渐向外扩展。
参考文献（略）