开采扰动下近地表溶洞塌陷机理及防治研究.pdf

密密 级级公开 中图分类号中图分类号TD325 硕士学位论文硕士学位论文 开采扰动下近地表溶洞塌陷机理开采扰动下近地表溶洞塌陷机理 及防治研究及防治研究 研研 究究 生生黄友金黄友金 导导 师师朱川曲朱川曲 教授教授 学学 科科矿业工程矿业工程 研究方向研究方向岩石力学与岩层控制岩石力学与岩层控制 2018 年年 6 月月 万方数据 A Thesis ted for the Degree of Master Study on collapse mechanisms and prevention of near-surface karst cave under mining disturbance Candidate You-jin HUANG Supervisor and Rank Prof.Chuanqu-ZHU 万方数据 开采扰动下近地表溶洞塌陷机理及开采扰动下近地表溶洞塌陷机理及 防治研究防治研究 学位类学位类型型 学术型学位学术型学位 作者姓名作者姓名 黄友金黄友金 作者学号作者学号 15010101003 学科（专业学位类别学科（专业学位类别 矿业工程矿业工程 研究方向（专业领域研究方向（专业领域 岩石力学与岩层控制岩石力学与岩层控制 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 朱川曲朱川曲 教授教授 实 践 导 师 姓 名 及 职 称实 践 导 师 姓 名 及 职 称 所在学院所在学院 资源环境与安全工程学院资源环境与安全工程学院 论文提交日期论文提交日期 2018 年年 6 月月 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。 除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的 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后 果由本人承担。 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校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，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南科技大学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， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 万方数据 i 摘要摘要 我国南方岩溶煤矿分布广泛，岩溶塌陷造成的危害越来越严重。而关于开采扰动下 近地表溶洞塌陷机理方面的研究较少。本文依托国家自然科学基金基于浅表水环境保 护的南方岩溶煤矿开采基础理论研究 ，以江西坪湖矿的塌陷情况为研究对象，收集矿 上资料， 查阅相关文献。 通过相似模拟、 数值模拟、 理论分析及工程实践相结合的方法， 对开采扰动下近地表溶洞塌陷机理进行了深入地研究和讨论， 并总结出相应的防治措施， 在工程实践中运用条带开采的方式取得良好的效果。本文主要的工作及结论如下 （1）通过相似模拟试验来分析煤层开采过程中对近地表溶洞的影响情况， 并对比有 无溶洞时的岩层移动规律。研究结果表明，在煤层开采过程中，地表会产生裂缝，溶洞 的四周也会产生裂缝，当地表裂缝与溶洞顶板裂缝进行贯穿时，溶洞顶板很容易发生破 坏。 （2）采用数值模拟方法对开采溶洞下近地表溶洞的发育特征进行分析。 研究结果表 明，在覆盖层较薄时，开采扰动下近地表溶洞的塌陷过程为溶洞的潜伏阶段、溶洞顶 板垮落形成开口溶洞阶段、土洞不断发育阶段、地表塌陷阶段。在覆盖层较厚时，开采 扰动下近地表溶洞的塌陷过程为溶洞的潜伏阶段、溶洞顶板垮落形成开口溶洞阶段、 土洞不断发育阶段。通过对溶洞周围进行应力监测，得到了溶洞顶板破坏即开口溶洞形 成的原因是由于水平应力的急剧减少造成的。 （3）通过相似模拟以及数值模拟结果对近地表溶洞在开采扰动下塌陷的过程分析， 得到溶洞塌陷造成地表塌陷的条件为覆盖层的厚度小于土洞的极限发育高度和地表裂 缝发育的极限深度之和。 （4）利用弹性力学对圆形以及椭圆形溶洞的受力进行分析， 得到其受力状态的计算 公式，并运用摩尔-库伦强度准则，得到开口溶洞形成的判定方法。 （5）运用普氏拱理论对极限土洞尺寸进行分析，得到了土洞平衡的极限高度公式。 结果表明，当开口溶洞形成以后，形成极限平衡土洞的高度主要与上覆土体的荷载 N、 拱脚水平应力 σA、土体普氏系数 f 以及开口溶洞的跨度 a 有关。 （6）运用土力学的知识， 分析了土层的破坏机理， 得到了在采动影响下关于地裂缝 发育深度的公式，结果表明，地表裂缝的发育深度除与土层的本身性质有关以外，还与 地表的水平变形有关。 关键词岩溶塌陷；相似模拟；数值模拟；防治措施 万方数据 ii Abstract Karst coal mines in the south of China are widely distributed, and the damage caused by karst collapse is becoming increasingly serious. Yet, there are few studies on the collapse mechanism of the near surface karst cave under the mining disturbance. This paper is supported by the National Natural Science Fund, “Research on the basic theory of the mining of karst coal mine in the south of China based on the shallow water environment protection“, taking the collapse situation of Jiangxi Ping Lake mine as the research object, we collected mineral data and consulted relevant documents. Through the s of similarity simulation, numerical simulation, theoretical analysis and engineering practice, the mechanism of collapse of near surface karst cave under mining disturbance was researched and discussed in depth, and summed up the corresponding prevention and control measures. Strip mining is used in the engineering practice, and has been found to have a good effect. Some main work and conclusions of this paper are drawn as following. 1The influence of the coal seam mining process on the near surface karst cave was analyzed by the similar simulation test, and moving rules of rock stratum when there is or not karst cave were compared. The research results show that cracks will appear on the surface during the process of coal mining, and cracks will also occur around the cave, when the cracks on the surface and the roof cracks go through, the roof of the cave will easily be destroyed. 2The numerical simulation was used to analyze the development characteristics of the near surface karst cave under the karst cave. The research results show that, when the cover layer is thinner, the collapse process of the near surface karst cave under the mining disturbance is as follows The latent stage of the karst cave, the collapse of the cave roof s the opening stage of the opening karst cave, the continuous development stage of the soil cave and the surface subsidence stage. Through the stress monitoring around the cave, took the cause of the failure of the roof of the karst cave, that is, the ation of the opening cave, is caused by the sharp decrease of the horizontal stress. 3Through similar simulation and numerical simulation results, analyzed the collapse process of near surface karst cave under mining disturbance, took the condition of the surface collapse caused by the cave collapse is that the thickness of the cover layer is less than the sum of the limit height of the soil cave and the limit depth of the development of the surface cracks. 4The force of circular and elliptical caverns were analyzed by elastic mechanics, and the calculation ula of its stress state was obtained, then, the determination for the 万方数据 iii ation of open cavern was got by applying the mole Kulun strength criterion. 5The ultimate height ula of the soil hole balance was obtained by the use of the prun arch theory to analyze the size of the ultimate soil hole.The results show that when the open cavern is ed, the height of the limit equilibrium soil cave is mainly related to the load N of the overburden, the horizontal stress A of the arch foot, the F of the soil body and the span a of the open cavern. 6 By using the knowledge of soil mechanics, the failure mechanism of soil layer was analyzed, and the ula about the depth of ground crack under the influence of mining was obtained. The results show that the development depth of the surface cracks is related to the horizontal deation of the earths surface besides the nature of the soil layer. KeyWords karst collapse；； Simulation test；； Numerical simulation；； Prevention and control measures 万方数据 iv 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 目录 摘要摘要 ............................................................................................................................................. i Abstract ...................................................................................................................................... ii 第一章 绪论 .......................................................................................................................... - 1 - 1.1 研究背景及意义 ..................................................................................................... - 1 - 1.2 国内外研究现状 ..................................................................................................... - 2 - 1.2.1 岩溶塌陷机理研究 ................................................................................................... - 2 - 1.2.2 岩溶塌陷数值模拟研究 ........................................................................................... - 4 - 1.2.3 岩溶顶板稳定性分析研究 ....................................................................................... - 6 - 1.3 研究内容以及技术路线 ......................................................................................... - 7 - 1.3.1 研究内容 ................................................................................................................... - 7 - 1.3.2 技术线路 ................................................................................................................... - 8 - 第二章 近地表溶洞在开采扰动下的相似模拟试验 .......................................................... - 9 - 2.1 工程背景 ................................................................................................................. - 9 - 2.1.1 矿井概况 ................................................................................................................... - 9 - 2.1.2 矿井地质及水文地质条件 ..................................................................................... - 10 - 2.1.3 岩溶探测 ................................................................................................................. - 11 - 2.1.4 坪湖矿区的塌陷情况介绍 ..................................................................................... - 13 - 2.2 相似模拟试验研究原理 ....................................................................................... - 13 - 2.3 相似模拟模型的建立及结果分析 ....................................................................... - 16 - 2.3.1 相似模拟试验的模型建立 ..................................................................................... - 16 - 2.3.2 相似模拟的结果分析 ............................................................................................. - 18 - 2.4 本章小结 ............................................................................................................... - 26 - 第三章 开采扰动下近地表溶洞塌陷数值模拟分析 ........................................................ - 27 - 3.1 二维离散元法基本原理 ....................................................................................... - 27 - 3.1.1 运动方程 ................................................................................................................. - 27 - 3.1.2 物理方程 ................................................................................................................. - 28 - 3.2 近地表溶洞塌陷的数值模拟结果分析 ............................................................... - 29 - 3.2.1 不同岩溶跨度及覆盖层厚度的近地表溶洞塌陷形态分析 ................................. - 30 - 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 ii 3.2.2 工作面推进过程中溶洞周围及覆盖层应力变化情况 ......................................... - 34 - 3.3 本章小结 ............................................................................................................... - 40 - 第四章 溶洞致塌机理探究及其影响因素分析 ................................................................ - 43 - 4.1 岩溶塌陷形成的基本条件 ................................................................................... - 43 - 4.1.1 开口岩溶的形成是岩溶塌陷的基础 ..................................................................... - 43 - 4.1.2 松散盖层是岩溶塌陷的物质基础 ......................................................................... - 44 - 4.1.3 动力条件是岩溶塌陷形成的动力来源 ................................................................. - 44 - 4.2 近地表溶洞在开采扰动下塌陷过程分析 ........................................................... - 45 - 4.3 近地表溶洞塌陷影响因素分析 ........................................................................... - 47 - 4.3.1 开口溶洞的形成机制分析 ..................................................................................... - 47 - 4.3.2 土洞塌陷极限条件分析 ......................................................................................... - 52 - 4.3.3 地表裂缝发育深度分析 ......................................................................................... - 57 - 4.3.4 覆盖层的临界厚度及工程实践 ............................................................................. - 60 - 4.4 本章小结 ............................................................................................................... - 61 - 第五章 溶洞塌陷对区域环境的影响分析及防治措施 .................................................... - 63 - 5.1 岩溶塌陷对区域环境的影响分析 ....................................................................... - 63 - 5.1.1 溶洞塌陷对区域土壤的影响分析 ......................................................................... - 63 - 5.1.2 溶洞塌陷对区域水系的影响分析 ......................................................................... - 65 - 5.1.3 塌陷对地表生物及非生物的影响分析 .................................................................. - 66 - 5.2 岩溶塌陷的防治措施 ........................................................................................... - 66 - 5.2.1 地表塌陷预防技术 ................................................................................................. - 67 - 5.2.2 地表塌陷土地复垦技术 ......................................................................................... - 67 - 5.3 溶洞塌陷的防治实例 ........................................................................................... - 68 - 5.3.1 模拟结果分析 ......................................................................................................... - 69 - 5.3.2 应用实例 ................................................................................................................. - 69 - 第六章 结论与展望 ............................................................................................................ - 71 - 参考文献 .............................................................................................................................. - 73 - 附录 攻读学位期间发表的论文与科研成果清单 ............................................................ - 77 - 致 谢 .................................................................................................................................. - 79 - 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 - 1 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 碳酸盐岩在我国的分布很广， 约 34x104km2， 70的碳酸盐岩出露面积被第四纪 松散堆积及少数屑碎岩所覆盖。 自 50 年代后， 岩溶塌陷在快速发展的人类工程活动 中应运而生。越来越大的发生概率和强度，导致危害性也同样增大。在我国岩溶塌 陷的现状非常严重，很多地方都发生过，可以说遍及了中国的大部分地区，形成了 大大小小的塌陷坑，给当地带来了巨大的经济损失[1]。中国岩溶塌陷分布如图 1.1 所 示。 图 1.1 中国岩溶塌陷分布图 Fig. 1.1 Distribution map of karst collapse in China 湖南恩口煤矿的岩溶塌陷数量非常大。塌陷开始于 1972 年，在 1976 年，一次 引起的塌陷 200 多个，19771979 年塌陷发展至高峰，塌陷增至 5000 个，至 1986 年共有塌陷 6100 多个。在山口冲地段仅 0.1km2范围内塌陷坑达 500 多个，毁田 6.33km2，水库 8 座，迁房 18300m2，河水最大灌入量 8165m3/h，到 1982 年，赔偿 治理费用已达 980 万元。湖南斗笠山煤矿在 19671983 年期间引起的岩溶塌陷，已 造成 4 人死亡，多人受伤，并且毁田、房屋及排水量增大了 2.5 倍，花费 500 多万 元，影响长达 40km。湖南煤炭坝煤矿在 19601983 年引起的塌陷，使公路两个月无 法行车。最大坑的直径为 85m，增大坑道涌水、泥、砂量，年花费 10 万元。湖南水 口山铅锌矿为岩溶大水矿山之一。 塌陷始于 1959 年， 当时坑道突水， 地面塌陷 3 个。 万方数据 第一章 绪论 - 2 - 1966 年塌陷再次活跃，至 1986 年塌陷达 850 多个，塌陷影响半径为 3.2km。期间塌 陷毁农田 0.35km2，迁房 6643m2，大量河水灌入坑道。在 1966 年1970 年的赔偿与 排水费达 710 万元[1]。通过对贵州省地质灾害分布的调查研究表明，在 2011-2013 年 之间，岩溶塌陷地质灾害共 843 处，其中因矿山引起的岩溶塌陷共 586 处[2]。 岩溶塌陷是一种动力地质作用与现象，指的是在自然或者人为因素的作用下导 致岩溶洞穴上面的覆盖层变形破坏，并向隐伏在其下的早期溶洞垮落，结果在地表 形成塌陷坑。岩溶洞穴的存在是发生岩溶塌陷的原因，关于岩溶塌陷时的塌陷体可 以分为两种，一类可以是溶洞顶板处的基岩，另一类可以是组成地表的松散盖层。 由于人为或自然因素影响，使得溶洞顶板处的基岩以及赋存在其中的水和气体原有 的平衡状态受到破坏，当这种破坏力度达到其承受的极限时，会导致其发生破坏垮 落，进而形成岩溶塌陷，这就是岩溶塌陷的形成过程[3-7]。岩溶地区的环境本来就比 较脆弱，在人为的作用下，很容易发生岩溶塌陷，而当发生岩溶塌陷时，会使得环 境恶化以及严重的水土流失，让本就脆弱的环境变得更加严峻，而且这种相当脆弱 的地质环境被破坏后想要恢复到原来的状况是几乎不可能的。 许多国家的专家学者们在针对岩溶塌陷的机理、溶洞顶板的稳定性，以及如何 有效的减缓与降低岩溶塌陷的灾害规模和损失大小做了大量研究性工作。但是有关 于开采扰动作用下近地表溶洞塌陷机理的研究较少。近年来，环境保护越来越受到 重视，而且岩溶地区的生态环境较脆弱，在开采扰动下引起的溶洞塌陷能引起地表 大范围下沉甚至塌陷，危及人们及地表建筑物安全。因此，研究开采扰动下近地表 溶洞塌陷机理，对于开采扰动下地表保护措施提供了理论支撑，对于岩溶区的生态 环境保护以及社会经济保护都具有重要意义。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 岩溶塌岩溶塌陷机理研究陷机理研究 近年来，关于岩溶塌陷机理[8]的研究，国内外学者做了大量的研究与工作，专家 们所做的工作以及研究成果如下 。 （1）潜蚀论潜蚀论是由俄国学者己浦洛夫提出的，并且该理论在国际上受到 了大部分人的认可。该理论认为，在地下水渗透的作用下，不断地冲刷着土体以及 赋存在孔隙中的土壤颗粒，使得溶洞顶板处发生垮落，土洞也就初步形成，而随着 地下水地不断作用，土洞不断发育扩大，最终达到土洞的发育极限而发生塌陷。 Cooley[9]首先分析了岩溶地面塌陷的过程， 其认为在地下水的作用下， 对溶洞顶板的 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 - 3 - 覆盖层土体进行冲刷，使得其进行迁移，导致土体的强度下降，土洞的稳定性受到 影响。当溶洞变成地下水的主要通道时，此时的潜蚀作用得到加强，不断冲刷着土 壤颗粒，使得岩溶塌陷的可能性大大增加。郭强[10]在研究和解释贵州遵义岩溶塌陷 成因中运用了潜蚀的观点。任新红[11]等在研究裂隙开度对覆盖型岩溶潜蚀塌陷的影 响及其变化规律时采用了模型试验的方法， 并得到了关于临界裂隙开度的估算方法。 Jiang 等[12]通过物理相似模拟试验，对土层的渗