麟游矿区综放开采地表移动变形规律研究.pdf

分 类 号 TD325 密 级 学 号 201412706 硕士学位论文硕士学位论文硕士学位论文硕士学位论文 Thesis for Master’s Degree 麟游矿区综放开采地表移动变形麟游矿区综放开采地表移动变形麟游矿区综放开采地表移动变形麟游矿区综放开采地表移动变形 规律研究规律研究规律研究规律研究 申请人姓名 刘飞 指 导 教 师 赵兵朝（校内） 刘振广（校外） 类别 全日制专业学位硕士 工 程 领 域 矿业工程 研 究 方 向 开采损害与环境保护 2017 年 6 月 万方数据 万方数据 论文题目麟游矿区综放开采地表移动变形规律研究 工程领域矿业工程 硕 士 生刘 飞 （签名） 指导教师赵兵朝 （校内） （签名） 刘振广 （校外） （签名） 摘 要 麟游矿区是陕西继彬长矿区后又一个开发的大型煤炭基地，该矿区地表为残塬沟壑 梁峁相间地貌，煤层埋藏深、开采厚度大，且覆岩中存在厚硬岩层，其对地表移动变形 起着控制作用，当该矿区进行大范围综放开采时，覆岩结构将发生破坏，可能诱发强矿 压和地表沟壑区滑坡灾害的发生。 因此， 开展麟游矿区综放开采地表移动变形规律研究， 对麟游矿区实现安全、绿色、高效开发具有重要意义。 论文以麟游矿区郭家河煤矿 3煤层 I 盘区开采为研究对象，通过分析 1303 和 1305 工作面开采地表移动变形观测数据可知单一工作面开采结束后，地表下沉量较小，下 沉系数η为 0.140，但局部沟壑区域地表下沉量较大；两个工作面开采结束后，下沉系 数η也仅为 0.254。针对这一现象，应用物理相似材料模拟和数值模拟对郭家河煤矿综 放开采覆岩运移规律展开研究，研究表明① 郭家河煤矿覆岩中存在高位厚硬岩层， 其为研究区域的关键层；② 区段煤柱对覆岩起到一定的支撑作用，当两个工作面开采 结束后，上覆岩层在区段煤柱的作用下形成连续垮落拱，拱形结构对覆岩运移起到了重 要控制作用；③ 关键层为高位厚硬岩层，覆岩破坏未波及至关键层，关键层位于弯曲 下沉带，抑制了地表的下沉量；④ 揭示了在接近充分采动条件下，下沉系数较小的原 因；⑤ 应用计算机反演模拟及对沟壑区坡体自身稳定性进行综合分析，给出了局部沟 壑区域地表下沉系数增加的原因由于坡体自身稳定差，在采动影响下将产生一定的滑 移量，导致下沉系数略大。研究成果不仅为麟游矿区综放开采地表移动变形规律研究提 供了科学依据，也对该矿区地面建筑物保护、预防地表沟壑区滑坡灾害的发生及井下强 矿压的防治等具有一定的指导价值。 关 键 词地表移动变形规律；地表观测；综放开采；坡体稳定性；高位厚硬岩层 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 Subject Research on Rules of Surface Movement and Deation under Fully mechanized caving mining in Linyou mining area Specialty Mining Engineering Name Liu Fei （（（（Signature）））） Instructor Zhao Bing-chao （（（（Signature）））） Liu Zhen-guang （（（（Signature）））） ABSTRACT Linyou mining area is a large-scale development coal base after Binchang mining area in Shaanxi province. The mining area surface is gully and hilly for land, coal seam buried depth, mining thickness, and the existence of thick and hard rock overburden which plays a controlling role on the surface deation. When a large scale fully mechanized caving mining occurs in this mining area, the overlying rock structure will be destroyed, which may cause strong rock pressure and landslide in the surface gully region. Therefore, to carry out the Linyou mining caving mining surface deation study has important significance to achieve safe green and efficient development of Linyou mining area. This paper takes the first panel of 3 coal in Linyou Guojiahe coal mining area as the research object, through analysising the 1303 and 1305 working face of the deation of surface movement observation data that indicates After the completion of single face mining, surface subsidence is small, subsidence coefficient is 0.140, but the local area of gully surface subsidence is large; When the two working faces are over, the subsidence coefficient is only 0.254. In view of this phenomenon, similar simulation of Guo Jiahe coal caving mining overburden movement law of material, physics simulation and numerical studies show that ① High thick and hard rock of the Guojiahe mine overburden is the key layer in the study area; ② The coal pillar plays a supporting role of the overburden, after two mining working faces are over, overlying strata the continuously arch structure under the effect of coal pillar, which plays an important role in controlling the migration of overlying strata; ③ The key stratum is high thick and hard rock, The overburden failure did not reach the key stratum, the key layer was located in the bending zone,which suppressed the surface subsidence; ④ The reasons for the smaller subsidence coefficient under the condition of near full mining are 万方数据 revealed; ⑤ The application of computer simulation and inversion of the slope stability in gully region to conduct a comprehensive analysis is given the reason for the increase of the surface subsidence coefficient in the local gully region due to the poor stability of the slope, there will be a certain amount of slip under the influence of mining, resulting in a small coefficient of subsidence. Research results not only provide a scientific basis for the research on deation law of surface movement for the mining of the coal mine Linyou, mining ground buildings protection, prevention of landslide surface gully area occurred and the underground strong mine pressure control has certain guiding value. Key wordsthe rules of surface movement and deation; surface observation; fully mechanized caving; stability of slope; High and thick strata of hard rock Thesis Application Research 万方数据 目 录 I 目 录 1 绪 论......................................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义.........................................................................................................1 1.1.1 研究背景..........................................................................................................1 1.1.2 研究意义..........................................................................................................1 1.2 论文研究领域国内外的研究现状.............................................................................2 1.2.1 国外研究现状..................................................................................................2 1.2.2 国内研究现状..................................................................................................3 1.3 研究内容及研究目标.................................................................................................6 1.3.1 研究内容..........................................................................................................6 1.3.2 研究目标..........................................................................................................6 1.4 研究方案及技术路线.................................................................................................7 2 地表移动观测站布设............................................................................................................9 2.1 矿井概况.....................................................................................................................9 2.1.1 I 盘区地层结构.................................................................................................9 2.1.2 I 盘区地表地形地貌.......................................................................................14 2.1.3 I 盘区地质采矿条件.......................................................................................14 2.2 地表移动观测站布设...............................................................................................15 2.2.1 设置地表移动观测站的目的........................................................................15 2.2.2 地表移动观测站设计....................................................................................16 2.3 本章小结...................................................................................................................17 3 地表移动观测数据分析......................................................................................................18 3.1 观测成果分析...........................................................................................................18 3.1.1 启动距............................................................................................................18 3.1.2 超前影响角....................................................................................................18 3.1.3 边界角、移动角............................................................................................19 3.2 采动过程中地表移动分析.......................................................................................21 3.2.1 地表点的下沉速度及下沉曲线....................................................................21 3.2.2 地表点的下沉持续时间................................................................................23 3.3 地表移动参数分析...................................................................................................24 3.4 地表移动变形特征分析...........................................................................................26 3.5 本章小结...................................................................................................................27 4 物理相似材料模拟研究......................................................................................................29 万方数据 目 录 Ⅱ 4.1 实验目的...................................................................................................................29 4.2 实验器材与设备.......................................................................................................29 4.3 相似常数及材料配比................................................................................................30 4.3.1 相似常数........................................................................................................30 4.3.2 材料配比........................................................................................................31 4.3.3 模型铺设与观测方案....................................................................................32 4.4 实验现象与数据分析...............................................................................................33 4.4.1 覆岩破断特征................................................................................................33 4.4.2 覆岩移动变形规律分析................................................................................38 4.5 本章小结...................................................................................................................40 5 覆岩运移规律数值模拟研究..............................................................................................41 5.1 数值模拟软件简介...................................................................................................41 5.2 模型建立...................................................................................................................41 5.3 数值模拟结果与分析...............................................................................................43 5.3.1 地表最大下沉量............................................................................................43 5.3.2 覆岩破坏塑性区分布规律............................................................................45 5.4 本章小结...................................................................................................................46 6 麟游矿区综放开采地表移动变形规律..............................................................................47 6.1 覆岩运移对地表移动变形的影响...........................................................................47 6.1.1 关键层对覆岩运移的控制............................................................................47 6.1.2 区段煤柱对地表移动变形的影响................................................................48 6.2 概率积分理论拟合度分析.......................................................................................48 6.3 沟壑区坡体稳定性对地表移动变形的影响...........................................................51 6.4 麟游矿区综放开采地表移动变形规律...................................................................53 6.5 本章小结...................................................................................................................55 7 结论及展望..........................................................................................................................56 7.1 主要结论...................................................................................................................56 7.2 展望...........................................................................................................................56 致 谢........................................................................................................................................57 参考文献..................................................................................................................................58 附 录........................................................................................................................................62 万方数据 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 研究背景及意义 1.1.1 研究背景 近年来，随着浅部煤炭资源开采的逐渐枯竭，使得开采深度不断的加深，而对于深 部煤层的开采，覆岩的运移及地表的移动变形与浅部开采存在差异。因此，对深部厚煤 层综放开采地表移动变形规律的研究具有重要的意义。 目前，麟游矿区正在生产的主要大型煤矿只有郭家河煤矿，该矿区煤层埋藏较深且 煤层厚度大， 地表为植被覆盖的沟壑区。 在该采矿地质条件下使用综放开采方法， 因此， 论文对于麟游矿区综放开采地表移动变形规律的研究以郭家河煤矿为工程实例。由于一 次采放比过大会导致覆岩破坏严重、覆岩纵向裂缝发育、地表变形程度大等[1]。待矿区 大规模开发后， 矿区的开采损害程度比一般开采条件下的损害程度严重， 如 农田耕地、 山路、地表植被等的损害，影响该矿区实现第四代矿井和矿井的可持续发展。 在大采深、高应力的作用下，随着开采强度与深度的增加，使得采动程度（开采宽 度与开采深度之比）逐渐降低并趋于不充分采动。当采动程度为非充分采动条件时，采 动影响范围与地表的移动变形量都比充分采动条件下小[2,3]。 由于埋藏深度大， 岩层中存 在厚硬岩层，随着矿体开采范围的扩大，在达到充分采动时，地表移动变形呈现非充分 采动下的移动变形盆地[4]。对于麟游矿区煤层开采工作面间留设的区段煤柱，虽然其对 覆岩有一定的支撑作用，但随着开采范围的增大，当区段煤柱将发生失稳破坏，会造成 覆岩及地表发生大范围整体下沉。为避免大范围下沉，可留设合理尺寸的煤柱，最大程 度的保护或减少覆岩及地表损害。 麟游矿区地表为植被覆盖的沟壑区，地表坡体由于植被覆盖增强了其力学属性，对 地表移动变形起到一定的抑制作用。在受到采动影响条件下，坡体会发生移动变形，由 于坡体受自身稳定性的影响较大，坡体会由于稳定性差，有发生坡体滑移的可能，产生 一定的坡体滑移量，使得坡体移动变形量比常规地表大。 煤层开采引起顶板岩层的运移是导致地表变形的直接原因， 常常会使地表发生不同 程度的损害。因此，为了实现矿山开采与生态环境的共同发展，研究深部煤层综放开采 地表移动变形问题亟待解决。 1.1.2 研究意义 麟游矿区与黄陇矿区、亭南矿区采矿地质条件虽大致相同，但其在开采深度、煤层 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 厚度、覆岩结构等方面仍存在一定的差异。麟游矿区郭家河煤矿煤层开采，已造成地表 房屋发生损坏、农田产生台阶下沉、局部出现塌陷坑、黄土沟壑坡体产生一定的滑移等 损害现象。由于郭家河煤矿煤层开采深度大，基岩厚度大且存在厚硬岩层，对岩层运移 及地表移动变形起到了重要的控制作用，当该矿区进行大范围综放开采时，工作面间留 设的区段煤柱，承受上覆岩层的集中应力作用，可能发生破坏，导致地表及覆岩发生大 规模的整体下沉，诱发强矿压和地表沟壑区滑坡灾害的发生。当工作面开采结束后，一 般在区段煤柱上方覆岩中存在较大局部空隙，并且在各亚关键层位置局部区域存在一定 的空隙，会导致地表最终下沉系数偏小[5]。与此同时，由于麟游矿区地表为黄土沟壑， 其在受采动影响下，地表移动变形量与水平地表存在差异，坡体因自身稳定性影响易失 稳，产生坡体滑移量，使得坡体下沉量偏大，移动变形量异常。因此，开展麟游矿区综 放开采地表移动变形规律研究，不仅对麟游矿区地表移动变形规律对矿区建筑物下安全 开采、地表黄土沟壑灾害防治提供科学依据，也对麟游矿区实现安全、绿色、高效开发 具有重要意义。 1.2 论文研究领域国内外的研究现状 1.2.1 国外研究现状 由于地下开采活动频繁，使地表产生大量的矿山灾害。人们开始对采空区沉陷理论 重视， 开采沉陷学逐渐有了很长的发展史。克诺特和布德雷两位学者为了研究地表 沉陷的数学公式， 在几何理论的研究基础上， 得出了开采沉陷的影响函数为正态分布[6]。 李特维尼申以矿山开采引起岩层移动为一个随机的过程，证明了覆岩的下沉服从柯尔莫 哥罗夫方程，提出了随机介质理论[7]。 勃劳纳[8]通过多年研究，得出了地表水平移动的影响函数，给出了计算地表移动变 形的圆形积分网格法。 Cundall P.A.教授[9,10]在 1971 年提出的一种适用于不连续岩体稳定 性分析的数值方法，即离散元法，由于单元之间可以相对运动，因此，可以模拟岩层 大变形的演化过程。克拉茨[11]通过对矿山开采引起的地表沉陷的深入研究，在 1978 年 发表了采动损害及其防护 。二十世纪八十年代国外学者 Jone、Sergean 等[12,13]对矿山 开采活动及下伏空洞对地表建筑物地基的影响程度作了深刻研究。 随着计算机的不断发展， 八十年代后期国外学者 Wood、 X.L.Yao 等[14,15]通过运用有 限元以及边界元法对采动影响覆岩垮落的开采条件、覆岩“三带”高度分布、离层裂隙 发育相关采矿属性及力学情况等作了详细的研究。Jones 和 Siddle[16]对南威尔士表土层 滑坡现象运用实验室模拟研究，指出了地下开采活动导致采空区影响范围内顶板会产生 拉应力，加强弱结构岩层的节理裂隙的发育。 Ramesh P. Singh[17]通过对实际观测的数据进行理论分析，认为用弹塑性理论分析地 万方数据 1 绪 论 3 表移动比较合理， 最后得出地表移动的相关力学模型； Benko[18]分别采用有限差分软件 和离散元软件对不同开采深度、开采方法、开采高度以及复杂的地形属性等因素运用数 值模拟对坡体变形进行深入研究。 RAJENDRA SINGH[19]通过打钻孔的方法，对采动过程中覆岩运移进行分析，提出 一种对地表及覆岩移动进行动态监测研究方法。 Finnie[20]以电子传感器技术为关键技术， 对开采过程中覆岩运移及地表的移动变形进行了深入的研究。 C. Carnec[21]通过雷达技术对某矿区开采影响范围内的地表进行多年监测， 以观测数 据为基础对地表移动变形进行了深入研究。 Tomam AmbromiW[22]以人工神经网络方法为 主要方法，对地表移动变形的预计作了深入的研究。 Donnelly 等[23]通过对比 South Wales 滑坡与 Pennines 滑坡的不同，对受采动影响的 沟壑区地表的移动变形和坡体稳定性分析，指出边坡稳定性随软弱夹层的增多而降低， 坡体的滑坡具有一定的蠕变特征。 西班牙学者[24-26]以 Knothe 理论模型为研究基础， 采用三维的 n-k-g 影响函数在考虑 了覆岩载荷、顶板冒落和底鼓等因素的影响下建立了时间影响函数来预测地表移动变 形。 Holzer T.L.[27]对地下水的开采使地表产生地裂缝的研究表明，地表最大水平位移位 于最大裂缝的位置，且随着横向拉伸变形继续累积，幅度为 30-120 微应变/年；Muniram Budhu[28]通过对岩层力学属性分析，指出了当松散层厚度为含水层厚度的2倍时，地表 裂缝发育临界条件的机理。 1.2.2 国内研究现状 地表移动变形预计主要有以下几种方法 ① 经验方法，主要以大量实测数据为基 础，采用比较简单实用的函数公式来得到准确的预计结果，一般适用于具备观测经验的 矿区；② 分布函数法，主要是以单元开采地表移动变形为研究对象，建立的相关表达 式进行累加积分来模拟采空区内地表下沉，常用于不规则工作面开采影响范围内的地表 沉陷的预计；③ 理论模型方法，主要是通过建立相关岩石力学模型、抽象假设数序模 型及复杂的力学计算来求解，但是这种方法目前处于初级阶段，有待深入发展[29,30]。 ⑴⑴⑴⑴ 深部开采地表移动变形深部开采地表移动变形深部开采地表移动变形深部开采地表移动变形 对于矿山深部开采地表变形规律研究比较多，由于开采的深度较大，