东滩煤矿第四系上组向中组注水过程的地层沉降研究.pdf

论文题目东滩煤矿第四系上组向中组注水过程的地层沉降研究* 专 业采矿工程 硕 士 生陈若跃 签名 指导教师柴 敬 教授 签名 摘 要 地面沉降是我国平原地区最常见也是最主要的地质灾害之一。地面沉降问题给经济 社会的发展和人民群众的生活带来了极大的损失和危害，同时，也严重影响了我国生态 环境的可持续发展。我国华东地区普遍分布有较厚的松散层，由于地下水位的下降造成 大量井筒井壁的破裂，给煤矿带来巨大的经济损失和安全隐患。研究表明，地下水位下 降引起土体有效应力增加， 致使地层产生固结沉降， 地层沉降引起了井壁的破裂、 破坏。 因此，对松散层的变形监测和补充含水层失水是解决问题的有力措施。本论文研究基于 光纤光栅技术的地层沉降监测技术，并结合注水工程，分析了注水对地层变形的影响。 论文分析了松散层失水沉降的机理，对松散层失水后不同岩性的地层沉降量进行了 研究；分析了钻孔植入式光纤光栅地层沉降监测技术的应变传递问题，即该系统的应变 传递包括光纤纤芯与封装材料的应变传递和光纤光栅传感器与封孔材料的应变传递，推 导了应变传递的计算公式； 进一步分析了地层失水沉降的水位降模型和应变量计算模型。 将砂土层和粘土层失水后的压缩变形分开计算，使地层的压缩变形的计算更加完善。 为了预防东滩煤矿西风井的地层沉降破坏井筒，对西风井附近松散层进行了长期的 注水。注水采用一种新的注水方式，即第四系上组向第四系中组注水。 根据光纤光栅地层沉降监测系统获得了西风井附近地层的应变变化规律，并根据应 变量计算模型得到了地层的沉降变形量。根据水文监测系统获得了新注水方式下的注水 量及水位变化情况，并将水位与地层应变进行了对比分析。分析发现，光纤光栅地层沉 降监测系统能够有效监测到地层的变形情况，对水位变化反应灵敏，获得了不同岩性的 地层应变与水位变化之间的数学关系。 光纤光栅地层沉降监测系统和新的注水治理方式在东滩煤矿第四系地层的压缩变形 治理中起到了积极有效的作用，该方法可以在华东地区推广应用。 关 键 词松散层；光纤光栅监测；地层沉降；注水；应变传递；水位；应变 研究类型应用研究 *本文得到了国家自然科学基金（41027002）的资助 万方数据 万方数据 Subject Stratum Subsidence of DongTan Coal Mine in Water Injection Process from Upper Group to Middle Group Quaternary Specialty Mining Engineering Name Chen Ruo yue Signature Instructor Chai Jing Signature ABSTRACT Ground subsidence is one of the most common and main geological hazards in our country. It has caused great losses and damages in the development of economic society and public life; At the same time, land subsidence has a strong impact on the sustainable development of our country’s ecological environment. The thick unconsolidated strata is generally located in East China,because of the groundwater recession, many mine shafts are damaged. It has taken huge economic losses and safety risks to coal mines. Studies have shown that roundwater recession will increase the effective stress of soil mass, then consolidation settlement will be occurred in mainly in stratum, which will cause shafts’ damage. Deation monitoring and replenishing water to unconsolidated layers are effective measures. This research will study the monitoring technology of stratum settlement based on FBG sensing technique.Additionally, it will combine water injection project to analysis the influence of water injection to unconsolidated strata’s deation. The analyses is pered on the settlement mechanism of unconsolidated strata and studies subsidence of different lithology of strata after the unconsolidated strata lossing water; At the same time analyses the strain transfer of the embedded FBG strata subsidence monitoring technology. Studies have shown that the strain transfer consists of transmission of the strain optical fiber core between packaging materials and fiber Bragg grating sensor between hole sealing materials, the ula of strain transfer was deduced by this dissertation. What’s more, The dissertation has further analysis of water level drop model and dependent variable model.It calculates the compression deation of sand and clay layer separately,which makes calculation more accurate. In order to prevent the damage of west wind shaft in DongTan coal mine, long-term water 万方数据 injection to unconsolidated layers near west wind shaft is done. It uses a new way of water injection that putting water from upper Quaternary to middle Quaternary. Based on fiber Bragg grating strata subsidence monitoring system we get deation rules of unconsolidated layers near west wind shaft, and obtain the subsidence deation though dependent variable model.Though hydrological monitoring system we get the changes of water injection and water level and cvomparethe water level with strain of layers. The analysis shows that Fiber Bragg grating strata subsidence monitoring system can effectively detect the deflection of the unconsolidated strata, it is sensitive to the water level change.Analysis obtains the mathematical ula of layer strain between water level change. The monitoring system of strata subsidence by Fiber Bragg grating and the new water injection style have played a positive and effective role in the administration of compression deation of quaternary strata in Dongtan coal mine, and this can be applied in the Eastern China. KeywordsUnconsolidated strata；Fiber Bragg grating monitoring; Stratum subsidence; Water injection; Strain transfer;Water level; Strain Thesis Application Study * This dissertation is financially supported by the National Nature Science Foundation 41027002 万方数据 目录 I 目录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及研究意义 ..................................................................................................... 1 1.1.1 选题背景 ............................................................................................................. 1 1.1.2 研究意义 ............................................................................................................. 2 1.2 研究领域内的国内外研究现状 ..................................................................................... 2 1.2.1 松散层失水沉降机理的研究现状 ..................................................................... 2 1.2.2 松散层失水沉降预测模型的研究现状 ............................................................. 3 1.2.3 松散层变形监测的研究现状 ............................................................................. 5 1.2.4 矿区松散层沉降防治的研究现状 ..................................................................... 8 1.2.5 光纤光栅监测技术的研究现状 ....................................................................... 10 1.3 论文研究内容和方法 ................................................................................................... 13 1.3.1 研究内容 ........................................................................................................... 13 1.3.2 研究方法 ........................................................................................................... 13 2 松散层失水沉降的光纤光栅监测理论 .............................................................................. 14 2.1 松散层失水沉降机理 .................................................................................................. 14 2.1.1 有效应力原理 .................................................................................................. 14 2.1.2 承压水位下降引起地层沉降的机制分析 ...................................................... 15 2.2 基于光纤光栅的松散层沉降监测理论....................................................................... 16 2.2.1 光纤 Bragg 光栅传感原理 .............................................................................. 17 2.2.2 钻孔植入的光纤光栅应变传递规律分析 ...................................................... 18 2.2.3 松散层失水沉降的压缩计算模型 .................................................................. 23 2.3 本章小结 ...................................................................................................................... 25 3 地层沉降的光纤 Bragg 光栅监测技术应用....................................................................... 26 3.1 工程地质 ...................................................................................................................... 26 3.1.1 东滩煤矿概况 .................................................................................................. 26 3.1.2 东滩煤矿第四系地层特征 .............................................................................. 27 3.2 光纤光栅传感器分布设计 .......................................................................................... 30 3.2.1 安装方式 .......................................................................................................... 30 3.2.2 层位分布 .......................................................................................................... 30 3.2.3 位置分布 .......................................................................................................... 31 3.3 地层沉降监测系统应变传递率的计算....................................................................... 32 万方数据 目录 II 3.4 松散层应变监测结果分析 .......................................................................................... 34 3.5 松散层在垂直方向上的变形规律 .............................................................................. 40 3.6 松散层沉降变形量的计算 .......................................................................................... 41 3.7 本章小结 ...................................................................................................................... 42 4 东滩煤矿第四系地层沉降的注水防治 .............................................................................. 43 4.1 注水方式的选择 .......................................................................................................... 43 4.1.1 注水孔地层特征 .............................................................................................. 43 4.1.2 注水方式及注水孔结构 ................................................................................... 43 4.2 水文监测系统 .............................................................................................................. 44 4.2.1 水文长观孔地层特征 ...................................................................................... 45 4.2.1 水文长观孔结构 .............................................................................................. 46 4.3 水文观测结果分析 ...................................................................................................... 47 4.3.1 抽水试验结果分析 .......................................................................................... 47 4.3.2 注水试验结果分析 .......................................................................................... 47 4.3.3 正式注水结果分析 .......................................................................................... 48 4.4 注水效果评价 .............................................................................................................. 50 4.5 本章小结 ...................................................................................................................... 50 5 松散层应变监测与水文观测的相关性分析 ...................................................................... 51 5.1 地层沉降观测孔与水文孔的对应关系....................................................................... 51 5.1.1 地层对应关系 .................................................................................................. 51 5.1.2 地理位置 .......................................................................................................... 51 5.2 抽水试验的对比分析 .................................................................................................. 52 5.3 注水工程的对比分析 .................................................................................................. 53 5.4 地层应变与水位的回归分析 ...................................................................................... 55 5.5 本章小结 ...................................................................................................................... 63 6 结论及展望 .......................................................................................................................... 64 6.1 结论 .............................................................................................................................. 64 6.2 展望 .............................................................................................................................. 65 致谢 .......................................................................................................................................... 66 参考文献 .................................................................................................................................. 67 附录 .......................................................................................................................................... 72 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 地面沉降是我国平原地区最常见也是最主要的地质灾害之一，它是在多个因素的影 响下，地面高程发生缓慢降低的一种环境地质现象。据有关资料统计[1,2]，我国地面沉降 问题出现于上世纪 20 年代的上海。 地面沉降主要发生在东部和中部地区， 沉降总面积已 经超过 5104 km2。 从地域分布来看， 主要分布在长江三角洲、 黄淮海平原和松嫩平原、 东南沿海平原、河谷平原和山间盆地。 产生地面沉降的因素主要有两大类， 一是人为因素， 如地下水、 油资源的过量开采， 水利、 水电、 交通、城市地铁等基础设施的建设， 地下工程的开挖， 矿产资源的开发等； 二是自然因素， 主要为地球内营力和外营力作用， 如地壳运动、 火山及地震活动、 冻融、 溶解、氧化等。我国和世界上大部分地面沉降问题都是人类活动造成的。近年来，我国 地面沉降问题愈发突出， 给经济社会的发展和人民群众的生活带来了极大的损失和危害， 每年造成的直接经济损失在 1 亿元以上；同时，地面沉降问题也给我国的环境保护工作 带来的极大的困扰，严重影响了我国生态环境的可持续发展。这一问题已引起人们足够 的重视，并采取了积极有效措施予以防治。 针对地面沉降这一地质灾害，很多国内外学者通过理论分析和现场工程实践进行了 深入而细致的研究。对地层和地表的变形监测是问题研究的重要组成部分，国内外专家 学者们也取得了很多阶段性的成果。 目前， 对于松散地层的变形监测方法有分层标法[3,4]、 分层沉降计法[5,6]、钻孔伸长仪钻孔测斜仪法[7]、水位长观孔法[8]、GPS[9-11]、InSAR 技 术[11,12]等。这些测量方法存在各自的缺点和不足，如测量层位少，精度差，受周围环境 影响大，测量深度不够，无法实现实时监测和分布式监测等。而基于光纤光栅的松散层 变形监测技术[13-16]是近年来采用的一种全新的松散层变形监测方法，该方法利用光纤光 栅传感器不受环境噪声干扰、耐磨蚀、抗电磁干扰、重量轻、体积小、灵敏度高、使用 安全可靠等优点，实现了对地层变形的实时、分布式监测。 光通信技术的快速发展为光传感技术的应用提供了平台，其中光纤传感正成为光传 感领域中的一大热点。我国在 20 世纪 70 年代开始着手研究光纤传感技术，经过多年的 科学研究，我国在光纤传感技术方面取得了丰硕的成果。光纤布拉格光栅是一种性能优 异的波长调制型测量敏感元件，探测能力不受光源功率波动、光纤弯曲损耗、探测器老 化等因素的影响，适合长期安全监测。目前，光纤光栅传感器通过表面粘贴、预埋入、 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 钻孔植入等多种方式被广泛应用于土木工程、地下工程、石油与化工、国防工程、核工 程、医学、航天工程[17-22]等诸多领域，未来应用前景广阔。 1.1.2 研究意义 随着经济的快速发展，我国对煤炭的需求也日益紧迫，进入“十三五”以后，全国 煤炭需求量在 40 亿吨以上再逐年增长， 在这种情况下的煤炭资源保障问题尤其突出。 井 筒是矿井的咽喉，是人员、煤炭、设备、材料以及动力、风流等进入井下的通道。井筒 的好坏直接决定了矿井的生产能力和矿井的安全生产。 华东地区是我国重要的煤炭能源基地之一，该地区广泛分布着徐州、大屯、淮南、 淮北、兖州五大煤田。自 20 世纪 80 年代以来，华东地区成为我国井壁破裂地质灾害的 重灾区，井壁破裂地质灾害严重影响华东地区 100 多个矿井的安全生产，给煤矿企业造 成重大经济损失[23,24]。针对这种国内外罕见的地质灾害（非采动性井壁破裂） ，许多专家 和学者开展了深入、细致的研究工作，多年的研究成果认为，产生这一地质灾害最主要 的原因是松散地层含水层水位下降，含水层的水体流失导致土体有效应力增加，地层发 生固结沉降。 在地层沉降过程中对井筒外壁施加一个向下的竖直附加力,该力是导致井壁 破裂的主要原因[24,25]。 因此，为了防止井壁发生破坏，影响矿井的安全生产，向失水的含水层补水是最直 接、 最根本的解决办法。 通过向松散层注水可以补充含水层水分、 充填空隙、 升高水位， 从而抑制含水层固结压缩[26]，达到防止井筒变形破坏的目的。由于华东地区第四系松散 层较厚，地层条件复杂，采用传统的地层变形监测无法满足测量深度大、环境复杂、实 时分布监测的要求，因此，需要采用一种新的地层变形监测方法。 为了预防东滩煤矿西风井因地层沉降发生破坏，本文研究基于光纤光栅传感技术的 松散层沉降变形监测技术，并利用光纤光栅地层沉降监测系统监测注水过程对松散层变 形的影响，分析地层变形与含水层水位的变化关系。 1.2 研究领域内的国内外研究现状 1.2.1 松散层失水沉降机理的研究现状 我国华东地区普遍分布着厚新生界含水冲击地层，该地区矿产资源的大量开采等因 素导致地下水位下降。 松散层含水层的水位下降后， 导致土体有效应力增加， 孔隙压缩， 地层发生固结沉降。我国多位学者和专家对松散层失水后地层沉降的机理进行了深入的 研究。 1993 年煤炭科学研究总院合肥研究院的王祯伟[27]进行了松散地层沉积特性与水文 地质条件的关联机理研究。通过研究发现，相比于砂岩裂隙含水层和灰岩岩溶含水层， 万方数据 1 绪论 3 第四系松散层的孔隙含水层有着重要的特殊性，它与地层的沉积建造作用息息相关。 1994 年煤炭科学研究总院北京开采研究所的许延春等人[28]利用临涣矿区的地层沉 降监测设施并结合土工试验、水文资料全面分析了临涣矿区厚松散层沉降变形的特征和 机理。分析表明，临涣矿区的非采动沉降是含水层水位降引起地层压缩变形造成的，地 层沉降变形是造成该矿区井筒变形破坏的主要因素。 1997 年中国矿业大学的李文平、 于双忠[29]首次从吸附结合水的含量及性质方面研究 了徐淮矿区深部松散层失水变形的机理，研究成果突破了之前人们对松散层失水沉降变 形规律的一般认识。研究表明，徐淮矿区深部土体的失水变形主要是底含的砂砾层本身 的压缩，而粘土层基本不会压缩。 1999 年李文平[30]通过恒载荷降水压实验装置实验研究深部土体压缩量的计算公式。 通过模拟徐淮矿区底部含水层的失水过程得到两类底含失水压缩变形量的计算公式，即 徐州-淮北型和淮南潘集型。计算公式表明，松散层底含失水压缩变形量与含水层水位降 呈线性关系。 2004 年河南理工大学刘希亮等人[31]利用自行设计的高应力、 高水压疏水试验装置进 行了恒载作用下底部含水层疏水沉降均匀试验，详细分析了水压降与疏水沉降量之间的 关系，研究发现疏水沉降量符合指数型的变化规律，粒径较小的砂土变形量大于粒径大 的砂土；同时通过对水压降和疏水沉降量进行回归分析，得出两者之间非线性回归的相 关性优于线性回归。 2006 年薛禹群、施小清等[32]通过常州地区相关监测资料分析土体压缩变形特性。研 究从水位、变形、时间的相互关系出发，结合单轴侧限压缩试验，得出含水砂层存在次 固结变形，它与弱透水层的粘土均表现出变形滞后的特性，因此在地面沉降的研究中需 要考虑砂土的蠕变性质。 2012 年周载阳[33]针对水资源过量开采导致的地层沉降机理进行了深入的研究。 研究 运用有效应力原理和多水头分布理论获得了水资源过量开采导致地层沉降的机理和地面 沉降的计算模型。研究认为地层承压水的水位下降引起的有效应力增加层位仅分布于该 含水层及临近的两个隔水层。 1.2.2 松散层失水沉降预测模型的研究现状 在地面沉降变形的研究工作中，地面沉降模型是是研究的重点内容之一。目前，人 们常用的沉降模型有土水模型、随机统计模型和人工智能模型[34]。 （1）土水模型 土水模型主要描述土体的变形特性、水的渗流特性以及土体与水的相互作用。它包 含的模型种类较多。 冉启全、顾小芸[