大采深条件下采煤活动引起的覆岩移动变形及破坏规律研究.pdf

太原理工大学 硕士学位论文 大采深条件下采煤活动引起的覆岩移动变形及破坏规律研究 姓名魏义强 申请学位级别硕士 专业水工结构工程 指导教师张永波 20100501 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 大采深条件下采煤活动引起的覆岩变形与破坏规律研究 摘 要 近年来随着我国经济的发展基础设施建设项目实施加速矿产资 源被大量地开采尤其是煤炭开采量更大使我国众多矿区的浅层煤炭等 矿产资源面临枯竭而随着经济的进一步发展对煤炭等矿产资源的需求 与日俱增采矿深度在不断增加因此对大埋深采空区的研究具有理论和 现实意义随着计算机技术的进步使数值计算方法不断发展并广泛应用于 科研和工程实践中包括隧道开挖矿业工程以及地下工程等其突出的 优点是能够代替昂贵耗时的试验对所研究的问题进行数值模拟 本课题以忻保高速公路保德煤矿采空区段为实验研究基地运用相似 材料模拟实验和数值模拟计算的方法在其他采矿条件不变的情况下探讨 了不同埋深不同采厚情况下的地表变形规律采空区裂隙带发育高度以 及覆岩破坏发育规律等取得如下主要成果 1根据相似材料模拟实验的结果探讨了煤层开采后覆岩移动和地表变 形规律分析了采空区覆岩裂隙的垂向“三带”和水平“三区”裂隙分布特征并 对裂隙率进行了统计 2根据相似材料模拟实验的结果探讨了覆岩裂隙带发育高度开采 过程中覆岩裂隙从下向上发育开采结束后覆岩碎胀系数从下向上依次减 小覆岩三带的下沉系数从下向上依次减小 3 根据数值计算的结果 探讨了不同埋深情况下地表的移动变形规律 随着采深的增加地表移动盆地的范围逐渐增大地表最大沉降量依次减 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 小在大采深条件下地表移动盆地随着采深的继续增大而减小地表沉 降与采厚呈线性关系 4根据数值计算结果综合考虑采深采厚的影响因素引入采深采厚 比当采深采厚比达到 300 时采煤活动对地表的影响很小当采深采厚 比达到 400 时采煤活动对地表没有任何影响 5根据数值计算结果 开采结束后通过水平应力和岩层的抗拉强度的 比较得到覆岩冒落裂隙带的发育高度研究表明在大采深条件下随着 采深的增加覆岩裂隙带发育高度逐渐减小 关键词采空区地表变形覆岩破坏数值模拟采深采厚比 太原理工大学硕士研究生学位论文 III RESEARCH ON THE OVERBURDEN DEATION AND ITS DAMAGE REGULAR UNDER THE CONDITIONS OF A LARGE MINING DEPTH Abstract In recent yearswith the development of our national economymany infrastructions projects accelerating to put into practicemineral resources had been mined heavlyespecially colliery mined more extensively. many shallow coal mining mineral resources exhausted face. With the further development of the economy more mineral resources are needed increasingly. The mining depth becomes more and more deep.Therefore the study of large embedded depth is of theoretical and practical significance. Along with the progress of computer technology numerical calculation is continuously developed and widely used in scientific research and engineering practiceincluding tunneling excavating mining engineering and underground engineering etc. Its advantage is to replace expensive and time-consuming testto study the problem by numerical simulation. This topic is taking XinBao expressway in the coal mine goafs section as experiments research base, adopting similar material simulation experiment and numerical simulation s discussed the surface deationthe goaf fracture zones development height and the development rule of overburden rock 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV damage under the condition of different buried depth and different thickness when the circumstance of other mining conditions invariable, The main results are as follows 1According to the results of the experiment similar material simulation, discussed the overburden strata movement and ground surface deation law after coal mining, analysed the overburden rock fracture goaf vertical and horizontal fracture distribution characteristics. and statisticed the fracture rate. 2According to the results of the experiment similar material simulation, discussed the rock fracture zone height, mining process of overburden rock fracture upwards, mining development after the hulking coefficient of overburden rock from below, overburden strata in the output from upwards in order. 3According to the numerical calculation results, this paper discusses the different circumstances in the surface deation, with the movement of the increase of mining depth, the surface movement range of basin gradually increasing, the surface subsidence in maximum. In large mining depth, the surface movement under the condition of deep basin with mining to decreases. The surface subsidence by linear relationship with thick. 4According to the numerical calculation results, the comprehensive consideration of the mining depth, by introducing the factors affecting the thickness of mining depth mining thick, when the ratio of depth mining and thickness mining more than 300 ,the effect of coal mining activities on the 太原理工大学硕士研究生学位论文 V surface is very small, when the ratio of depth mining and thickness mining more than 400, no influence on surface activity. 5 According to the numerical calculation results, through the level of stress and tension strength of rock overburden rock fracture zones get height, research shows that the development of mining depth, under the condition of the increase of mining depth, with rock fracture zone, highly decrease gradually. KEY WORDS goafsurface deationoverburden failurenumerical simulationratio of depth mining and thickness mining 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在指导教师的指导下独立进行研究所取 得的成果除文中已经注明引用的内容外本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰 写过的科研成果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 明本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 日期 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管使用学位论文的规定其中包括学校有权 保管并向有关部门送交学位论文的原件与复印件学校可以采用影印缩印或其它 复制手段复制并保存学位论文学校可允许学位论文被查阅或借阅学校可以学术 交流为目的 复制赠送和交换学位论文学校可以公布学位论文的全部或部分内容 保 密学位论文在解密后遵守此规定 签名 日期 导师签名 日期 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪 论 1.1 课题的研究目的和意义 我国中西部的煤炭资源对我国社会主义的建设和国民经济的发展做出了不可估量 的贡献建国以来尤其是改革开放以来煤炭的大规模的机械化开采和无规划不合理的 小煤窑滥采使一些老煤炭能源基地形成了大规模不同程度的坍塌沉陷区岩体力学 性质发生了很大的变化如强度降低刚度减小丧失一定的稳定性前人对此种浅层 埋深的煤矿开采岩层移动变形破坏塌落规律及机理都已做了系统研究随着社会 的进步经济的发展高速公路在我国交通基础建设中呈方兴未艾之势不少高速公路 建设不可避免地途经采空区尤其是在山西省境内修建高速公路时遇到了因人类开采 矿产活动而形成的采空区由于采空区的存在情况复杂随着上覆岩层塌陷冒落一部 分浅埋深采空区对覆岩产生严重影响使地表产生塌陷变形严重影响高速公路的修建和 运营而有一部分大埋深的采空区对地表的影响尚未查明对此类采空区进行传统方法 治理必然不够科学合理因此有必要对大采深采空区进行研究 目前高速公路下伏采空区的处治一般采用充填注浆技术针对该项技术的研究和 实践已经有十多年的历史取得了一定的成效但是由于对高速公路下伏采空区不同 埋深情况下覆岩移动变形及残余裂隙的分布发育规律研究不够导致注浆设计时达不到 要求或者造成资金浪费因此开展对不同采深尤其是大采深情况下覆岩移动变形及采 空区残余残余变形规律的研究可以给高速公路下伏采空区的处治设计提供理论依据 具有重要的经济价值和研究意义 1.2 国内外研究现状 1.2.1 采空区覆岩变形规律研究现状 采空区覆岩变形相关的研究成果有 2000 年郭广礼邓喀中汪汉玉黄振安陈 绍杰等研究了废弃老采空区及其覆岩的结构形态对老采空区“活化”的形式和程度起控 制作用将长壁老采空区及其覆岩结构分为散体结构碎裂结构块裂层状结构和较完 整层状结构提出了其相对平衡岩体结构模型机理研究表明岩体结构的失稳和采动 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 裂缝空隙压密是造成长壁老采空区地基“活化”地表沉降变形的主要原因并在此基础 上提出了“覆岩结构加固补强法”等四种长壁老采空区地基处理措施并将这些成果应用 于某选煤厂主厂房下局部采动破裂地基处理 [1]2001 年邓喀中 郭广礼谭志祥等在详 细分析采动区建筑物移动变形和地基反力分布规律的基础上研究了采动区建筑物地 基基础协同作用及对建筑物附加内力的影响同时分析了采动区建筑物保护措施合 理性对现有的建筑物附加内力计算方法进行了改进并提出了保护采动区建筑物的一 些新设想 [2]2002 年郭广礼 缪协兴张振南等通过岩石碎胀与压实试验和相似材料模 拟试验研究了采空区破裂岩体碎胀与压密特征指出了长壁采空区破裂岩体碎胀系数 分布规律 [3]2005 年张永波等以辛置煤矿老采空区的地质采矿条件为原型条件 根据相 似材料模拟实验和数值计算结果系统地研究了建筑物荷载的大小作用位置及采空区 采深采深采厚比松散层厚度等对老采空区建筑地基稳定性的影响确立了各影响因 素的主次关系探讨了老采空区建筑地基稳定及其变形破坏的一般规律 [4] 从上述文献检索结果可以看出目前对于采空区的覆岩变形问题还没有得到足够重 视所取得的研究成果主要是针对中等稳定顶板缓倾斜煤层长臂小埋深开采条件 下形成的采空区但是对于大埋深开采条件覆岩及地表残余变形规律研究较少 1.2.2 采空区覆岩裂隙分布规律研究现状 目前针对采空区覆岩裂隙的分布规律方面的研究成果甚少归纳起来主要有八十 年代后期Sirivardane 和 Amanda[5] X. L. Yao[6] Wood [7] 等学者相继运用有限元 和边界元法研究了采动覆岩产生垮落的开采条件和垮落高度覆岩产生离层裂缝的力学 条件及离层裂缝的位置和高度等1997 年钱鸣高许家林等通过实验与理论分析对岩 层移动过程中的离层位置与离层量离层动态发育特征及影响因素进行了深入研究提 出了离层充填与留设煤柱相结合的“覆岩离层分区隔离充填减沉法”发展了覆岩离层充 填减沉技术 [8]2000 年 赵德深通过物理模拟与数值仿真模拟的实验研究分析了采动 覆岩的移动和破坏过程研究了覆岩离层产生发展与分布的时空规律从覆岩控制角 度划分了可充填离层带和不可充填离层带 进一步完善了覆岩离层充填减沉技术 [9]2004 年许家林等应用模型实验图像分析离散元模拟等方法对采空区上覆岩层采动裂 隙分布特征进行了研究揭示了长臂工作面覆岩采动裂隙分布的两阶段特征与“o”形圈 特征建立了卸压瓦斯的“o”形圈抽放理论并将其应用到淮北矿区卸压瓦斯的抽放 取得了显著的效果[10]2005 年张永波等根据相似材料模拟实验和数值计算结果运 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 用分形几何理论研究了采动覆岩分形裂隙网络演化规律分析了充分下沉区非充分下 沉区以及采空区“三带”岩体裂隙发育的差异建立了岩体碎胀系数覆岩下沉系数与采 动岩体分形维数的相关关系 [11] 上述研究成果都是在小埋深采动条件下对采空区覆岩离层裂隙分布规律进行了研 究并得出了许多有益的规律和结论但大埋深采动对离层裂隙的分布规律有很大的 影响它的分布规律与小埋深采动条件下有所不同采空区覆岩残余裂隙的分布发育是 造成采空区路基等破坏的根源关于这方面的研究亟待进行 1.2.3 开采沉陷研究现状 国内外进行了开采沉陷的影响范围及采动后上覆岩层地表的变形移动的规律的 研究经历了从被动地认识开采沉陷规律到主动控制开采沉陷的过程下面对各时期 的研究成果进行介绍及总体评价 15 世纪最早提出的垂线理论以后被 Gonot 发展为“法线理论”又被 Dumont 进 行修正 提出了下沉量的计算模式 cosWmα 后来有一系列的理论和假设被相继提出 如德国人 Jlcinsky 的二等分线理论1876-1884耳哈西的“自然斜面理论”1882法国 人 Fayol的“圆拱理论”1885豪斯的“分带理论”1889-1897等对覆岩变形移动与地表 下沉关系建立了相关的几何理论模型 20 世纪是开采沉陷学科迅速发展并逐步走向较成熟的世纪 Halbanm 将采空区上方 岩层作为悬臂梁推导出地表应变与曲率半径成反比的理论[12] 1903之后Korten根 据实测结果提出了水平移动与变形的分布1909Fckt 把岩层移动过程视为各岩层逐层 弯曲的结论1913Lehmann 认为地表沉陷类似于一个褶皱的过程1919Schimizx 等 研究了开采影响的作用面积及其分带形成了影响函数的概念1923-1932前苏联学者 阿威尔辛 应用数学塑性理论提出了下沉剖面方程呈指数函数形式 及水平移 动与地表倾斜成正比的著名论点[13] 1947波兰学者布德雷克Budryk和克诺特Knothe 提出了几何理论 [14] 1950 得出了正态分布的影响函数波兰学者李特维尼申 J.Litwiniszyn提出了随机介质理论[15]将岩层移动视为一随机过程南非的沙拉蒙 Salamon应用弹性理论提出了面元原理[16] [17] 1960将连续介质力学与影响函数法 相结合为现在的边界单元法奠定了基础西德学者克拉茨H.Kratzsch总结概括了煤矿 开采沉陷的预测方法并发表采动损害及其防护 [18] 勃劳纳Brauner提出了水平移 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 动的影响函数并发展了圆形积分网格法计算出地表移动[19] 1961 另外关于开采沉陷对 公路和建筑物的损害二十世纪七十年代 Jones等人[20]研究了采矿塌落对公路的影响 二十世纪八十年代以来Jones[21]Sergeant[22]M. C. Wang 等人[23]又分别研究了采矿及 下伏空洞对建筑物地基的危害 我国自20世纪50年代开始应用相似材料模拟研究开采沉陷规律及开采沉陷的现场 实际观测工作系统的研究工作是自 60 年代初开始的研究工作主要分为地表的移 动规律用各种数学函数描述地表的下沉曲线条带开采地表下沉移动规律数值摸拟 方法有有限元法线性非线性边界元法离散元法等力学方法为厚硬岩层的力学 性质对地表沉陷的影响覆岩中的结构对地表沉陷的影响等具体研究成果如下刘宝 探廖国华出版了专著煤矿地表移动的基本规律1965将概率积分法全面引入我 国至今已成为预计开采沉陷的主要方法[24]刘天泉等对水平煤层缓倾斜煤层急倾 斜煤层开采引起的覆岩破坏与地表移动规律作了深入的研究[25] 1981 提出了导水裂隙 带概念建立了垮落带与导水裂隙带计算公式为提高煤层开采上限减少煤炭资源损 失作出了很大贡献何国清马伟民王金庄建立了碎块体理论一地表沉陷的威布尔分 布[26] 1981周国铃崔继宪提出了负指数函数法计算地表移动[27] 1983何万龙等总 结出山区地表移动计算公式[28] 1983白矛刘天泉对条带法开采中条带尺寸进行了研 究[29] 1983李增琪应用积分变换法推导出层状岩层移动的解析解[30]1983张玉 卓应用边界元法研究了断层影响下地表移动规律及提出了岩层移动的错位理论[31] [32] 19571959而谢和平的损伤非线性大变形有限元法[33]1955何满潮的非线性光滑 有限元法[34] 1989杨伦于广明的岩层二次压缩理论[35]1987将地表沉陷与岩层的 物理力学性质联系起来刘文生对条带开采采留宽度合理尺寸减小地表沉陷进行了研究 [36] 1988 杨硕建立了开采沉陷的力学模式[37] l990王泳嘉将离散单元法和边界元法 [38] 1992应用于开采沉陷中应力 位移变形的研究邓喀中提出了开采沉陷的结构效 应[39]1993吴立新王金庄建立了条带开采覆岩破坏的托板理论[40]1994麻凤海应 用离散元法研究了岩层移动的时空过程[41]1996于广明应用分形及损伤力学研究了开 采沉陷中岩层非线性影响的地表沉陷规律[42] 1997唐春安给出线弹性有限元法 [43]1997 戴华阳建立了基于倾角变化的开采沉陷模型[44]郭增长建立了极不充分开采 条件下地表移动的预计方法[45]等等 在上述研究成果中有的是采用力学方法经过许多的简化处理后得到的理想状态下 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 的模型并且各有很强的针对性在条件相符的情况下解决了许多实际问题有的成 果是采用影响函数法获得的在上覆岩层的岩性差别不大且无地质构造条件下反映覆 岩的移动规律和变形接近于实际情况但是上述研究成果大多是在小采深情况下获得 的在大埋深情况下不具普适性在上覆岩层的岩性差别较大情况下特别是在有厚硬 岩层冲积层地质构造情况下预计覆岩的移动和变形与实际情况有一定差别 1.3 研究内容 本课题以山西省忻-保高速公路保德煤矿采空区为研究对象主要在总结场区工程 地质条件的基础上采用现场调查研究相似材料模拟实验研究和数值模拟计算分析相 结合的方法对煤层开采后地表移动变形规律及上覆岩层移动破坏变化规律进行研究 具体研究内容包括以下几方面 1研究不同采深条件下地表移动与变形规律地表移动与变形的极值及其位置 上覆岩层破坏的分布规律 2通过数值模拟得到煤层开采后覆岩的应力场位移场研究不同埋深与地表移 动及变形的关系特别是大采深下地表移动变形规律 3根据相似材料模拟实验结果研究分析了煤层开采后覆岩裂隙的发育的分带 分区规律并对裂隙率进行了统计分析 4通过实验和数值模拟分析对采空区的裂隙带发育高度进行了探讨 1.4 研究方法和技术路线 1 在对试验基地已有资料的分析和整理基础上 查明研究区地形地貌 地层岩性 岩石力学性质地质构造水文地质条件开采煤层的厚度倾角埋深以及煤矿开 采方法开采面积顶板管理方法等地质采矿条件建立了合理的地质模型 2建立采煤工作面剖面的相似模型模拟开采沉陷过程研究采煤工作面推进结 束时上覆岩层的移动规律及裂隙发育规律在开采沉陷基本稳定之后实验设计从岩层 内部到地表的多层测点进行观测从而在模型的全剖面范围内观测位移由观测到的位 移变化规律来分析采空区覆岩及地表的变形特点并进行了地表沉降及变形量的计算分 析 3 根据相似材料模拟实验结果 分析采动破坏后采空区及其上覆地层的裂隙发育 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 情况对覆岩竖直方向和水平方向的破坏程度进行了分析并画出区带并对裂隙率进行 了统计 4以保德煤矿采空区的地质采矿地层参数为原型条件进行数值模拟计算根据 研究需要以采厚为依据设计四组以不同采厚设计八组共设计 32 个模型进行数值模 拟计算通过改变采深采厚以及采深与采厚比研究覆岩及地表变形破坏规律 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 第二章 研究区概况 2.1 工程概况 忻州至保德高速公路位于山西省北中部路线全长 190.2km其中 G4 合同段起点 为 k151500终点为 k190200长 38.7km路基宽 24.5m分离式路基宽度 12.25m 分离式隧道净宽 10.25m 净高 5m 桥面净宽 210.75m保德煤矿采空区影响郝家里隧 道和路基沿线煤矿共有 6 处分别是桥头村煤矿郝家里煤矿支农煤矿炭峪沟煤 矿河实盘煤矿和保德煤矿其中郝家里煤矿和保德煤矿采空区对路线有影响各个煤 矿采空区分布如图 2-1 2.2 研究区地质概况 2.2.1 地形与地貌 研究区属于黄土丘陵区地貌地表受雨水冲刷形成了支离破碎的梁峁和沟型地 形侵蚀冲沟方向为北西南东向宽度 10120m切割深度为 850m,形态呈树枝 状沟底两侧有小面积的基岩出露由于人工整修地面多为台阶和耕地大多与路线 斜交海拔高程在 1104886m之间植被稀少以农作物为主局部有灌木 2.2.2 地层岩性 1石炭系上统太原组C3t 岩性为砂岩泥岩和薄层石灰岩中部赋存 I01113煤层厚度分别为 3 m 7m和 5m该组以 13煤层底板砂岩为界分为晋祠和玉门沟两个岩石组合段晋祠段 厚度 30m 含煤 12 层煤层不可采玉门沟段厚约 60m含煤 35 层,大部分煤层可 采构成砂砾岩泥岩煤油页岩灰岩页岩的岩性旋回Kl74690 处出露该组 上部的砂泥岩本组厚度 90m 2石炭系上统山西组C3s 岩性为泥岩砂岩下部赋存 8煤层煤层厚度为 8m该组以 8煤层顶为界划 分为桑建窑和西铭两个岩石组合段桑建窑段厚度为 30m碎屑岩中粗碎屑含量较大 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 ZK174 K174 ZK175 K175 ZK176 K176 ZK177 K177 ZK178 K178 ZK179 K179 ZK180 K180 ZK181 K181 K182 桥头村煤矿 炭峪沟煤矿 郝家里煤矿 采空区 支农煤矿 双 层 三 层 桥头村办煤矿河石盘煤矿 保德煤矿第一 段采空区 单 层 保 德 煤 矿 保德煤矿第二 段采空区 单 层 88303 现采工作面 88304 现采工作面 保 德 煤 矿 8830588314规划工作面 保 德 煤 矿 图 例 路 线 单层采空区 矿 界 双层采空区三层采空区 山西省忻州至保德高速公路G 4 合同段煤矿及采空区分布图 比例 1 2 0 0 0 图 2-1 保德煤矿采空区分布图 Fig2-1 The plane location of baode mining goaf 太原理工大学硕士研究生学位论文 9 含 8煤层形成以砾岩含砾砂岩泥岩煤为主要类型的岩性旋回西铭段厚约 20m含煤 12 层形成以砂岩泥岩煤泥岩为主要类型的岩性旋回ZK174770 处出露该组下段的砂岩本组厚度 50m 3二叠系下统下石盒子组Plx 该组分上下两段下段为灰黄灰白色含砾粗粒石英杂砂岩黄绿色页岩黑色炭 质页岩薄煤层和煤线底界砂岩为钙铁质胶结的含砾岩屑石英杂砂岩和长石岩屑杂砂 岩分界砂岩明显该段厚度为 50m上段为紫黄绿杂色页岩泥岩和黄绿色中细 粒长石石英杂砂岩该段厚度为 66m“桃花泥岩”为紫色泥岩含少量鲕粒Kl74810 和 KI76500 等处沿冲沟两侧出露本组厚度 116m 4二叠系上统上石盒子组P2s 该组分上中下三段下段为紫红色泥岩夹紫色斑团的灰绿色砂岩条带中段夹 煤线上段为紫色泥岩和砂质泥岩Kl77500 处出露本组厚度 316m 5新生界上第三系上新统N2b 岩性为深红色亚粘土夹钙质结核层卵石和砾岩层厚度为 020m 6第四系Q 第四系分布范围较广项目区内第四系可分为 Q2l离石组Q3m马兰组及 Q4全新统 地层 中更新统离石组Q2l淡红色亚粘土及亚砂土硬塑坚硬含少量钙质结核土 质较均匀分布黄土缓坡一般不具湿陷性属于冲洪积沉积物厚度 040m 中更新统Q3m马兰组灰黄色亚砂土疏松具大孔隙垂直节理发育多分布在 黄土梁和黄土缓坡主要分布于塬梁峁一般为级自重湿陷属风积成因厚 度 025m 全新统 Q4黄色亚砂土砂砾石及卵石层分布于朱家川河及冲沟一带朱家川河 发育漫滩和一级阶地厚度 015m 2.2.3 地质构造与地震 1构造 研究区位于山西西北部鄂尔多斯断块内兴县石楼南北向褶带的北部岩层总体走 向呈南北向向西倾斜 Kl75l65Kl75200 发育一条正断层断距为 15m断层产状为 14275地质构造 太原理工大学硕士研究生学位论文 10 较简单 2地震 勘察区是地震多发地区据史料记载保德共发生 4 级以上地震 15 次其中 7 级以 上 3 次根据中国地震动峰值加速度区划图和山西省地震动反应谱特征周期区划 图确定勘察区动峰值加速度 0.05g地震基本烈度反应谱特征周期为 0.45s 2.3 煤矿采空区工程地质勘察 忻-保高速公路位于山西省北中部路线全长 190.2kmG4 合同段沿线煤矿共有 6 处分别是桥头村煤矿郝家里煤矿支农煤矿炭峪沟煤矿河实盘煤矿和保德煤矿 地层倾向西北沿线向西北煤层埋深逐渐增大保德煤矿根据开采方法和开采时间不同 把煤矿采空区分为两个段落 第一段采空区分布于右线 K175150K175840长 690m左线 ZK175120 ZK175820长 700m累计长度 1390m开采时间为 20002003 年短壁式开采采 厚 3m采空区埋深 2565m采深采厚比 822回采率 70 第二段采空区分布于右线 K176610K177340长 730m左线 ZK176590 ZK177335长 745m累计长度 1475m开采时间为 2005今长壁式开采平均采 厚 5.5m采空区埋深 132176m采深采厚比 2432回采率 90路基位于煤矿采 空区之上勘察期间发现地表大量裂缝和塌陷煤矿采空区对路基影响严重 右线 K175840K176610 和左线 ZK175820ZK176590 为煤矿现使用巷道 巷 道采用挂网锚喷支护断面尺寸为 5m宽4m高通过计算分析巷道对拟建线 路无影响 2.4 试验段地质采矿条件 模拟区位于保德煤矿单层开采 8缓倾斜煤层模拟断面K176920K177220 煤矿分布于右线 K175150K182082左线 ZK175120ZK181651终点原名 为康家滩煤矿2003 年 3 月进行技术改造煤矿隶属于神华集团开采时间为 2000 今 开采 8煤层 厚度不同 年生产能力 1000 万吨 斜井开拓 煤层产状 2652954 9煤层伪顶伪底均为泥岩老顶为巨厚层状粗粒砂岩老底为砂质泥岩模拟断面采 空区剖面地质图图 2-2 太原理工大学硕士研究生学位论文 11 图 2-2 采空区地质剖面图 Fig 2-2 Goaf geological profile 太原理工大学硕士研究生学位论文 12 模型选择 ZK3 揭露的地层为试验点在现场进行钻孔取芯测定岩层的岩土力学 性质指标见表 2-1 表 2-1 岩土物理力学指标 Table 2-1 physical mechanic index of rock and soil 岩性 厚度 累计厚 度 密度 /103kgm -3 弹性模量 E/104MPa 抗压强 度 c / MPa 抗拉强 度 t /MPa 泊松比 亚粘土 13.50 13.50 1.83 卵石 1.00 14.50 1.95 强风化泥岩 5.50 20.00 2.42 0.56 30.48 2.78 0.38 弱风化砂岩 0.60 20.60 2.55 0.7 38.60 4.28 0.34 弱风化砂质 泥岩 10.90 31.50 2.48 0.64 34.92 3.17 0.31 弱风化砂岩 7.60 39.10 2.58 0.74 41.80 4.64 0.28 微风化砂质 泥岩 14.10 53.20 2.54 0.68 39.2 4.9 0.30 砂岩 6.60 59.80 2.6 0.83 46.25 4.63 0.24 泥岩 20.20 80.00 2.58 0.70 41.86 5.23 0.29 砂岩 2.40 82.40 2.62 0.86 49.0 5.4 0.22 泥岩 10.00 92.40 2.6 0.74 45.10 5.01 0.28 砂岩 2.70 95.10 2.64 0.92 51.62 5.16 0.20 泥岩 16.20 111.30 2.62 0.78 49.50 5.5 0.26 砂岩 15.20 126.50 2.70 0.96 58.90 5.89 0.19 泥岩 6.00 132.50 2.62 0.84 55.60 5.6 0.24 砂岩 14.00 146.5 2.70 1.0 66.30 6.02 0.19 泥岩 3.20 149.7 2.62 0.90 59.45 5.95 0.24 8煤层 8.00 157.7 1.36 0.6 28.6 2.86 0.36 泥岩 6.2 164 2.62 0.90 59.45 5.95 0.24 10煤层 3.00 167 1.36 0.6 28.6 2.86 0.36 泥岩 20.00 187 2.62 0.90 59.45 5.95 0.24 太原理工大学硕士研究生学位论文 13 第三章 相似材料模拟实验研究 3.1 实验模型的设计 3.1.1 相似常数的选择 本次实验是在相似理论的基础上总结前人的经验结合实际地质勘察条件地表 条件选择合理的地段进行的相似常数的选取及模型的具体几何尺寸如下模型尺寸 以长高宽来说明几何尺寸为62.250.25长高宽模拟断面高 187m 依据相似理论并结合实际实验模型现确定相似常数如下 1几何相似常数 模型架的尺寸为62.250.25长高宽模拟断面高 187m因此确定模型的几 何相似常数 l α100 2容重相似常数 原型中的岩层多为泥岩细砂岩根据以往经验取容重相似常数 a1.5 3应力相似常数 根据相似指标 lσγ ααα可得 100 1.5150 lσγ ααα 4时间相似常数 时间相似常数为10 tl αα按现场正规工作每小班实际进尺速度模拟试验 3.2.2 相似材料的选取 相似材料的选取依据以往相关实验及前人做过的材料配比成果进行借鉴选择最佳 的配比选择最佳配比的依据为材料配比后的容重抗压极限强度抗剪极限强度等 主要物理力学指标此次实验材料的配比依据阜新矿业学院对石膏相似材料配方所做 试验结果选择试验相似材料的配方及配比 根据相似材料的性质及模型的特点本试验选取石英砂河砂云母做骨料石灰 石膏碳酸钙做胶结材料表层黄土取原装黄土加以模拟 鉴于石膏凝结硬化快做胶结材料时需要加缓凝剂试验选用硼砂做缓凝剂硼 砂的取用原则为硼砂水溶液浓度为 1.0云母粉的主要作用在于模拟岩石原生分层 太原理工大学硕士研究生学位论文 14 3.2.3 相似材料的用量计算 材料用量的计算以模型分层为条件每一个模拟地层为一个计算单元结合相似常 数分别计算出各层材料用量材料基本计算公式如下 各层材料总量 iimi Gl m hγ 3-