祁南煤矿采动覆岩离层注浆地表沉陷控制研究.pdf

分 类 号 _________P642.26__________ 密 级 学 号 201410488_________ 項士学往於文 Thesis for Master’s Degree 祁 南 煤 矿 采 动 覆 岩 离 层 注 浆 地 表 沉 陷 控 制 研 究 申 请 人 姓 名 _______________马荷雯_______________ 指 导 教 师 _______________刘长星_______________ 学 科 门 类 ________________a f________________ 学 科 名 称 ______________自然地理学_____________ 研 究 方 向 开采沉陷 2017年6月 在4种 技 孥 学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明 所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 曰期丄。 丁 L 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。 学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以釆用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 指导教师签名 7年 么 月 曰 论文题目祁南煤矿采动覆岩离层注浆地表沉陷控制研究 学科名称自然地理学 硕 士 生 马荷雯 指导老师刘长星 签名） 签名 要 商 4J 为了安全开釆“三下” 煤炭，减少地面沉陷，保护矿区环境，多年来国内外采用了 多种不同的幵釆技术措施， 其中， 条带开采与采空K 水砂充填和矸石风力充填最为常用、 有效。离层注浆充填是一种控制地表沉陷的新技术，该技术是通过地面布置钴孔向在岩 移过程中覆岩内部形成的离层空洞充填进外来材料来对上覆岩层起到支撑作用，从而降 低覆岩向地面的移动变形速度和地表下沉量。离层注浆充填技术的充填区域在采空区上 覆岩层间充填而不同于采空E 内充填，因此离层注浆充填工作不会影响井下工作面正常 生产。但是， 目前对于覆岩离层注浆沉陷控制原理还有待进一步研究，且国内针对覆岩 离层注浆控制地面沉陷的工程实例也较少。为此，论文釆用理论分析、实验模拟和现场 应用相结合的手段，对覆岩离层注浆充填减沉机制幵展研究。 论文选取淮北矿区祁南煤矿某首采工作面作为研宄对象，该工作面上方村庄位于煤 层切眼一侧，属 于 “切眼侧局部压煤” ，注浆充填控制宽度和注浆终止时段与己往有所不 同，该工面煤层采高3.5m，对于注采匹配的控制极为苛刻，上述典型特点在淮北矿区尚 属首次。论文首先从理论上对釆动覆岩离层发育和充填层位进行研宄，然后，基于相似 材料物理实验和数值模拟相结合的手段对覆岩离层注浆充填过程进行模拟，分析总结覆 岩离层注浆对地表沉降的控制机制。最后，采用理论、实验、工程三者相结合的手段， 对.地表减沉效果进行评价。 实施覆岩离层注浆充填后，注浆充填减沉率达％ ，通过现场实测地表水平变形值 最大仅为0.5mm/m,远低于“三下”采煤规程中规定的I 级损坏水平变形临界值2.0mm/m, 地 表 建 （ 构 ）筑物没有造成任何破坏，达到了安全釆煤目的，取得了显著的技术、经济 与社会效益。 关 键 词 离层注浆充填；关键层 ，沉陷预计；数值模拟；相似材料模拟 研究类型应用研究 Subject Research on surface subsidence control under overburden grouting of Qinan Coal mining Specialty Physical geography Name Ma HewenSignature Instructor Liu ChangxingSignature [mC ABSTRACT In ord er to sec ure und erg round mining c oa l, red uc e the surfa c e sub sid enc e, protec t the mining environment, using a va riety of d ifferent mining tec hnic a l mea sures a t home a nd a b roa d for ma ny yea rs， the strip mining a nd g oa f wa ter filling g a ng ue a nd wind filling a re most c ommonly used a nd effec tive. Overb urd en g routing is a new tec hnique of surfa c e sub sid enc e c ontrol, the b a sic princ iple is to use roc k ed in the roc k movement d uring sepa ra tion from the g round to the la yout of d rilling hole, hole filling ma teria l to support the sepa ra tion of foreig n roc k, thus slowing the overb urd en movement sprea d to the surfa c e. Overb urd en g routing a nd filling the g oa f is d ifferent the filling zone in the g oa f in the upper stra ta , the prod uc tion work woit interfere with filling of und erg round working fa c e. However, the overb urd en g routing sub sid enc e c ontrol princ iple rema ins to b e further stud ied , a nd the overb urd en sub sid enc e c ontrol eng ineering g routing is a lso less. Therefore, this thesis uses the theory d ed uc tion, experimenta l simula tion a nd eng ineering pra c tic e to resea rc h on overb urd en g routing sub sid enc ered uc tion mec ha nism in c ommon. The pa per selec ts Hua i b e i mining a rea of Qina n Coa l Mine of a mining fa c e a s the resea rc h ob jec t, the villa g e is situa ted a b ove the working fa c e c oa l sea m c ut sid e， b elong to “c ut the loc a l sid e pressure c oa l, c ontrol of filling g routing a nd g routing with d ifferent wid th of the termina tion time of the pa st, c oa l mining fa c e up to 3.5m, for the c ontrol of injec tion prod uc tion the ma tc hing is extremely ha rsh, the typic a l fea tures in Hua ib ei mining a rea a re for the first time. Firstly, from the theory of mining overb urd en la yer d evelopment a nd filling of simila r ma teria l physic a l experiment a nd numeric a l simula tion b a sed on the c omb ina tion of overb urd en g routing filling proc ess wa s simula ted , revea ling the mining overb urd en g routing surfa c e sub sid enc e c ontrol mec ha nism. Fina lly, c omb ined with the theory, experiment a nd eng ineering , three s were used to eva lua te the effec t of surfa c e sub sid enc e red uc tion. used to eva lua te the effec t of surfa c e sub sid enc e red uc tion. The implementa tion of overb urd en g routing a fter g routing , red uc ing settlement ra te rea c hed 96, the mea sured ma ximum horizonta l d ea tion va lue is only 0.5mm/m, fa r less tha n the “g ra d e mining rules provisions und er three“ the d a ma g e to the level of d ea tion c ritic a l va lue 2.0mm/m, without a ny d a ma g e to the b uild ing s on the g round , to a c hieve a sa fe mining purpose, a c hieved tec hnolog y, ec onomy a nd soc iety sig nific a nt b enefits. Key words Overb urd en g routing ; Critic a l la yer ; Sub sid enc e pred ic tion ; Numeric a l simula tion； Equiva lent ma teria l simula ting Thesis Applic a tion Resea rc h 目录 目录 1 绪论............................................................................................................................... 1 1.1选题背景及研宄意义...........................................................................................1 1.2国内外研宄现状及发展趋势............................................................................... 2 1.2.1开采沉陷的研宄理论与方法..................................................................... 2 1.2.2充填开采研宄理论与应用.........................................................................3 1.2.3国内外离层区注浆充填研宄..................................................................... 4 1.2.4存在问题及发展趋势................................................................................ 7 1.3研宄目标及内容..................................................................................................7 1.3.1研宄目标...................................................................................................7 1.3.2研宄内容...................................................................................................8 1.4研宄方法与技术路线...........................................................................................8 1.4.1研宄方法...................................................................................................8 1.4.2 技术路线................................................................................................... 9 2 覆岩离层注浆充填沉陷控制机理.................................................................................10 2.1覆岩离层产生机理.............................................................................................10 2.1.1覆岩离层层位确定.................................................................................. 1 1 2.1.2覆岩离层边界特征.................................................................................. 12 2.2覆岩离层动态扩展规律.....................................................................................12 2.3覆岩离层注浆减沉机理.....................................................................................13 2.4本章小结............................................................................................................14 3 离层层位与发育开多态研究............................................................................................15 3.1离层发育数值模拟实验.....................................................................................15 3.1.1 FLAC3 D 数值模拟软件简介......................................................................15 3.1.2模型建立................................................................................................. 16 3.2 FLAC3 D 数值模拟计算结果分析......................................................................18 3.2.1采动覆岩塑形区发育规律.......................................................................18 3.2.2采动离层层位竖向应力演化规律............................................................19 3.3离层发育物理相似材料模拟实验......................................................................20 3.3.1实验原理................................................................................................. 20 3.3.2实验设计................................................................................................. 22 I 西安科技大学硕士学位论文 3.3.2实验方法及现象......................................................................................23 3.4相似材料模拟结果与分析................................................................................. 25 3.5 本章小结............................................................................................................26 4 离层注浆充填模拟实验研究........................................................................................ 27 4.1 离层充填数值模拟实验.....................................................................................27 4.1.1 UD EC 简介...............................................................................................27 4.1.2模型建立................................................................................................. 27 4.2 UDEC数值模拟计算结果分析...........................................................................28 4.2.1垮落法开采地表下沉结果分析................................................................ 29 4.2.2注浆充填条件下地表下沉结果分析........................................................29 4.3 离层充填物理相似材料模拟实验......................................................................32 4.3.1实验方案................................................................................................. 32 4.3.2 实验设计................................................................................................. 32 4.3.2 实验方法及现象......................................................................................33 4.4 离层充填物理相似材料模拟结果分析...............................................................36 4.5 本章小结............................................................................................................37 5 采动覆岩离层注浆工程应用........................................................................................38 5.1地质采矿条件....................................................................................................38 5.1.1井田概况................................................................................................. 38 5.1.2工作面地质特征与开采状况................................................................... 38 5.2离层注浆充填方案及沉陷预计..........................................................................39 5.2.1工作面采宽设计......................................................................................39 5.2.2注浆层位的确定及钻孔布设................................................................... 42 5.2.3工作面注浆工艺及充填系统参数............................................................44 5.2.4注浆量与开采速度配比...........................................................................45 5.2.5注浆充填减沉预计.................................................................................. 46 5.3注浆充填工程实施情况.....................................................................................47 5.4工程实施效果评价.............................................................................................49 5.5离层注浆充填经济效益与应用前景.................................................................. 49 5.5.1经济效益分析..........................................................................................49 5.5.2社会效益分析..........................................................................................49 5.6 本章小结............................................................................................................49 II 目录 6结论与展望.................................................................................................................................51 6.1 结论...................................................................................................................51 6.2展望...................................................................................................................52 致 谢.............................................................................................................................................53 参考文献.........................................................................................................................................54 附 录.............................................................................................................................................59 III 1绪论 1 绪 论 1 .1选题背景及研究意义 我国是一个具有丰富煤炭资源的国家，已探明的煤炭储量约占世界煤炭储量的12. 6，同时也是产煤大国。我国煤炭产量多年来居世界第一位，每年从地下采出的煤炭 超 过 38亿吨[ 1 ] 。 近年来，随着煤炭资源的逐步开发，煤炭开采导致的地面塌陷及“三下”压煤问 题日益严重，直接表现为破坏良田、损坏地面建筑物，以及上百亿吨的建（ 构）筑物 压煤，严重影响了矿区的可持续经济发展。而我国作为能源消耗大国，每年由于煤炭 资源地下开挖导致塌陷的土地面积约为4 万 hm2左右。过去几十年，我国煤炭资源在 无序、粗放式开采下，许多煤炭资源开采地区地面出现大规模沉陷，地表沉陷对于矿 区的生态环境有着巨大的破坏作用， 并且伴随带来水土流失、 土地荒漠化等环境问题， 因此由于煤矿开采带来的沉陷以及相关的环境问题，越来越引起人们的重视[ 2 ] 。 为了安全开采“三下” 煤炭，减少地面沉陷，保护矿区环境，多年来国内外采用 了多种不同的开采技术措施，其中，条带化开采与采空区水砂充填和煤矸石充填最为 常用、有效。但是，对于某些矿井来说，特殊充填体材料成本、技术限制以及特殊地 质情况和采动影响，很大程度上限制了这些技术方法的应用与实施。 覆岩离层注浆充填减沉是一种控制地表沉陷的新技术，主要是利用从地面布置的 钻孔向岩移过程中形成的离层空洞内充填外来材料，从而起到支撑覆岩的作用，以达 到降低岩层向地表移动传播的速度。但是， 目前对于覆岩离层注浆沉陷控制原理还有 待进一步研宄，且国内针对覆岩离层注浆控制地面沉陷的工程实例也较少。 淮北矿区位于安徽省淮河以北，矿区面积大，矿区井田多处于平原地带，村庄建 筑物密集，搬迀村庄选址和安排农民生产生活等方面存在很大困难，煤炭企业需要承 受巨额的经济负担并面临复杂的工农关系。此外，煤炭开采造成的地表塌陷会对地面 建 （ 构）筑物造成严重破坏，不但缩短矿井的服务年限，而且还会造成煤炭资源严重 浪费。因此，在开采煤炭资源的同时，有效地保护土地资源，对煤矿区经济的可持续 发展有着特别重大的意义。 近年来，随着矿区地下煤层的开采，淮北矿区仅建（ 构）筑物下压煤多达300处， 压煤量占总储量的47， 每年的征迀费用高达8〜10亿元， 平均吨煤提取征迀费用达2 0〜30元，且面临迀村采煤难度大、费用高等问题。采用充填开采法采煤是解决上述 1 问题的理想途径，注浆充填法采煤对采动覆岩变形起到有效控制作用，并有效解决采 区沉陷与和“三下” 压煤问题，可以在尽可能减小对环境破坏的前提下回收一部分资 源，满 足 建 （ 构）筑物地下压煤开采的沉陷的控制要求。 本文以淮北矿区祁南煤矿某首采工作面作为剖析对象，该工作面上方村庄位于煤 层切眼的一侧，属 于 “切眼侧局部压煤” ，注浆充填控制宽度和注浆终止时段与已往有 所不同，该工作面煤层采高3.5m，对于注采匹配的控制极为苛刻，上述典型特点在淮 北矿区均属首次。论文首先从理论上对覆岩离层发育和充填层位进行研宄，以离层注 浆充填实验为技术支撑，基于相似材料物理实验与数值模拟实验相结合的手段对离层 注浆充填过程进行模拟，通过采动覆岩离层区注浆充填具体的工程实施情况和地表注 浆充填效果检测孔的观测成果， 分析总结覆岩离层注浆对地表沉降的控制机制。 最后， 以理论、实验、工程三者相结合的手段，对地表减沉效果进行评价，充分展示隔离注 浆充填的优势，为淮北矿区煤炭资源的合理开采、矿区生态环境资源的保护、土地塌 陷的综合治理、地表沉陷的预计提供决策依据[ 3 ] 。 1 .2 国内外研究现状及发展趋势 国内外围绕煤矿区开采沉陷以及注浆充填减沉等问题，已经开展了较为广泛而深 入的研宄。 1.2.1开采沉陷的研究理论与方法 人们开始认识开采沉陷是从开采沉陷对人们日常生活、生产产生影响开始的。19 世 纪 30年代，比利时政府开始针对列日城地下采动对地面破坏情况做出了调查，出现 了最早的开采沉陷理论，即垂线理论。进 入 20世 纪 20年代，史密茨在实际观测资料 的基础上总结出地面最大下沉值与地下工作面开采范围之间的作用关系[ 4 ] 。 20世 纪 30 年代，美国、英国、苏联、波兰等国家对地面移动变形情况进行了系统观测，总结出 了一些地表移动变形规律。建国后，该学科在我国也渐渐地发展创立起来，从 1953 年开溧矿务局建立起第一个地表移动变形观测站后，其他一些矿区陆续开始建立起各 自的地表移动变形观测站开始进行地表变形观测工作， 并得到了大量珍贵的观测数据。 20世 纪 70年代至80年代，苏联人对覆岩离层注浆充填控制地表下沉做了现场试验。 20世 纪 80年代末，波兰学者J.Pa la ski对离层注浆降低地面下沉速度、减小地表下 沉量控制减沉效果进行研宄。 20世 纪 30年代以来，人们大量开始地表移动变形的观测工作，开采沉陷理论也 得到更好、更快地发展。20世 纪 30年代末，史米茨、巴尔斯开始对开采沉陷预计手 段提出受采动持续影响作用下影响函数，巩固加深了影响函数法在开采沉陷预计方法 西安科技大学硕士学位论文 2 1 绪论 中的基础。20世 纪 50年代，波兰学者李特威尼什研宄获得开采沉陷随机介质理论， 与此同时，有限单元法也在开采沉陷预计领域内得到更大发展[ 。 20世 纪 50年代，我国周国铨等人依照开溧煤矿观测站实测数据，创立起地表塌 陷盆地负指数剖面函数。20世 纪 60年代，廖国华、刘宝琛等人又在 煤矿地表移动 基本规律一书中在波兰学者李特威尼什提出的随机介质理论基础上，做了进一步改 进与完善，并在我国首次提出了概率积分法对地表沉陷做出预计。20世 纪 80年代， 刘天泉、仲惟林等学者在概率积分法预计理论的基础上，结合工程实践经验，总结了 上覆岩层破断的一般性规律，给出了冒裂带高度计算方法。20世 纪 80年代末，张玉 卓在连续介质理论基础上提出了岩层位错移动理论，郝庆旺又在此基础上，建立了岩 体沉陷空隙扩散模型。20世 纪 90年代初，范学理等人根据不同条件地质、采矿下开 采煤层的上覆岩层，利用平面相似材料物理模型对其做出了研宄试验。20世 纪 90年 代末，谢和平、于广明等人根据开采地表沉陷规律，提出非线性开采沉陷原理及规律。 同期，余学义基于克诺特理论，推出覆岩移动变形极坐标的普适模型表达式[1_ 1 1 ] 。 近年来，国内外学者又在非连续岩层的物理模型基础上，建立了采动岩体分形裂 隙网络演化等理论，进一步完善解决了地下开采造成的地表沉陷的机理问题。 1.2.2充填开采研究理论与应用 充填开采由于其对开采煤层上覆