厚冲积层地表沉陷数值模拟及应用研究.pdf

分类号分类号 TD325TD325密密级级 公公开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 学学 位位 论论 文文 厚冲积层地表沉陷数值模拟及应用研究厚冲积层地表沉陷数值模拟及应用研究 梁庆华梁庆华 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位专业名称专业名称安全技术及工安全技术及工程程 指导教师姓名指导教师姓名温温 兴兴 林林职职称称副副教教授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零零六年六月二零零六年六月 论文题目论文题目 厚冲积层地表沉陷数值模拟及应用研究厚冲积层地表沉陷数值模拟及应用研究 作者姓名作者姓名梁梁 庆庆 华华入学时间入学时间 20032003 年年 9 9 月月 专业名称专业名称安全技术及工程安全技术及工程研究方向研究方向灾害预测与防治灾害预测与防治 指导教师指导教师温温 兴兴 林林职职称称副副 教教 授授 刘刘 伟伟 韬韬副副 教教 授授 论文提交日期论文提交日期20062006 年年 6 6 月月 论文答辩日期论文答辩日期20062006 年年 6 6 月月 授予学位日期授予学位日期 STUDY OF NUMERICAL SIMULATIONAND APPLICATION ON THICKALLUVIUM SURFACE SUBSIDENCE ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Liang Qinghua SupervisorAssociate Professor Wen Xinglin College of Natural Resources and Environmental Engineering June 2006 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于 其它任何学术机关作鉴定。其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Doctor of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘摘要要 本文在深入了解与调查地表沉陷理论的研究历史及研究现状的基础上，以葛亭煤矿 为例，建立了 ANSYS 数值模型，对厚冲积层地表沉陷进行了研究，得出了厚冲积层地 表沉陷的特有规律。 通过对葛亭煤矿水文地质条件的分析，合理地评价了矿区含水层类型。以厚冲积层 土体固结理论为基础，建立了葛亭煤矿地表沉陷的数学模型，运用 ANSYS 软件，模拟 研究了综采放顶煤开采条件下的覆岩体内应力、变形与破坏机理，获得了地质开采条件 下的覆岩导水裂缝带空间发育形态。 模拟了厚冲积层土体粘聚力及内摩擦角度变化、土体弹性模量变化以及粘土层厚度 对地表沉陷的影响，并得出了厚冲积层土体力学特征对地表沉陷的影响规律。 根据开采沉陷概率积分法理论，推导了厚冲积层土体结构失水对开采沉陷影响的计 算公式，并利用 ANSYS 软件，模拟了考虑厚冲积层土体结构失水情况下对地表沉陷的 影响， 比较了采用推导公式计算与计算机模拟两种情况下， 对厚冲积层地表沉陷的变化。 通过模拟得出，在考虑厚冲积层对开采沉陷的影响情况下，粘土层土体结构失水对 开采沉陷影响比较大。对于葛亭煤矿来说，含水层失水引起的地表下沉占煤层开采下沉 的 20。因此，粘土体结构失水对开采沉陷的影响是不能忽略的，应该加强粘土体结构 失水方面的防范措施。对于计算厚冲积层粘土层失水对地表沉陷的影响问题，可以利用 概率积分法求得在不考虑粘土层失水下的地表沉陷情况，然后利用模拟软件进行模拟， 根据相似原理，得出总的地表沉陷情况；也可以根据推导公式进行计算得出。这对于研 究土体结构失水对地表沉陷的影响来说，提供了一种较好的研究计算方法。 关键词关键词地表沉陷，数值模拟，厚冲积层，土体结构失水，固结理论 山东科技大学硕士学位论文摘要 ABSTRACT This paper based on the thorough understanding and inquisition on the research history and present research conditions of the surface subsidence theories, to take the Geting coal mine as an example, built up the ANSYS number model, get the regulation on the research of the thickalluvium surfacesubsidence. Combining the actual mining circumstance of Geting coal mine, by the conditional analysis of the hydrology geology, it uated containing water layer of the mineral area reasonably. With soil concretion theories of thickalluvium for foundation, this paper build up the mathematics model for the surfacesubsidence of Geting coal mine. With the usage of ANSYS software, it imitated to study the overburden stress, the mechanism of distortion and breakage under condition of fullymechanized coal mining and sublevel caving, acquired the space growth appearance of the water flowing fractured zone in overburden under the geology mining. This paper has simulated influence of surface subsidence under the change of soil cohesive force, the change of the internal friction angle, the change of soil elasticity coefficient and the clay thickness. By analyzing the entire factor, this paper has obtained the influence rule of thickalluvium soil mechanics characteristic to the surface subsidence. According to the probability integral theory of mining subsidence, this paper deduced the calculation ula under the influence of mining subsidence which caused by the clay with dewatering of aquifer in thickalluvium. By usage of the software of ANSYS, it imitated the influence of surface subsidence to considering the clay with dewatering of aquifer in thick alluvium, and compared the variety of surface subsidence in thickalluvium with the adoption the ula calculation to deduce and calculators to imitate. By imitation, considering the influence of thickalluvium, the clay with dewatering of aquifer is greatly influenced on the miningsubsidence. For the Geting coal mine, the surface subsidence by considering the clay with dewatering of aquifer is 20 of mining surface subsidence. Therefore, we cant neglect for the influence of miningsubsidence with dewatering of clay aquifer. We should strengthen the guard measure to the clay with 山东科技大学硕士学位论文摘要 dewatering of aquifer. For the calculation problem of surfacesubsidence with clay dewatering in thickalluvium, we can make use of probability integral to make the condition of surfacesubsidence under taking no account of the clay with dewatering of aquifer, and then simulate the model by the software. According to the similitude principle, we can gain the total surface subsidence, also can according to the deduced ula to carry on the calculation. To study the influence of surface subsidence by considering the clay with dewatering of aquifer, this theory put forward a kind of better . Keywords surface subsidence, numerical simulation, thickalluvium, clay with dewatering of aquifer, concretion theory 山东科技大学硕士学位论文目录 目目录录 1 绪论绪论1 1.1 课题来源及研究意义1 1.2 国内外研究的现状1 1.3 课题研究的主要内容4 1.4 采取的技术路线5 1.5 主要创新点6 2 厚冲积层厚冲积层粘粘土体的力学性质土体的力学性质8 2.1 冲积层的基本概念8 2.2 冲积层粘土的物理特性8 2.3 厚冲积层粘土力学性能的基本概念11 2.4 本章小结12 3 厚冲积层工程地质特征厚冲积层工程地质特征13 3.1 葛亭煤矿矿井概况13 3.2 厚冲积层土体结构特征13 3.3 葛亭煤矿厚冲积层工程地质特征14 3.4 厚冲积层水文地质特征及其采动效应17 3.5 本章小结21 4 固结理论固结理论22 4.1 单向固结的普遍方程22 4.2 太沙基单向固结理论25 4.3 比奥固结理论28 4.4 本章小结31 5 厚冲积层地表沉陷力学模型建立厚冲积层地表沉陷力学模型建立32 5.1 有限元基本概念32 5.2 土体内任意四边形单元数学分析33 山东科技大学硕士学位论文目录 5.3 厚冲积层地表沉陷力学模型建立35 5.4 岩土体中的 DruckerPragerDP材料37 5.5 本章小结40 6 ANSYS 模型建立与数值模拟初步分析模型建立与数值模拟初步分析41 6.1ANSYS 的基本原理41 6.2ANSYS 有限单元法介绍与分析流程43 6.3ANSYS 数值模拟模型的建立与初步分析46 6.4 本章小结54 7 厚冲积层厚冲积层土体性质土体性质对地表沉陷的影响研究对地表沉陷的影响研究55 7.1 厚冲积层土体力学性能对地表沉陷的影响55 7.2 厚冲积层粘土体厚度对地表沉陷的影响62 7.3 本章小结66 8 厚冲积层厚冲积层粘土体失水对地表沉陷的影响研究粘土体失水对地表沉陷的影响研究67 8.1 葛亭煤矿开采引起粘土体结构失水介绍67 8.2 粘土体含水层失水引起的地表下沉机理与计算方法68 8.3 考虑粘土体结构失水力学模型修正72 8.4 粘土层失水 X、Y 方向的位移变化情况分析73 8.5 粘土体失水各应力变化情况分析75 8.6 本章小结79 9 结论与展望结论与展望80 9.1 结论80 9.2 展望81 致谢致谢83 参考文献参考文献84 山东科技大学硕士学位论文目录 Contents 1 Introduction1 1.1 The project Source and Researching significances1 1.2 The Present Research Condition of the Domestic and International1 1.3 Main Contents of the Topic Research4 1.4 Technique Route of Adoption5 1.5 The Main Innovation Points6 2 Mechanics Property of the Soil in ThickAlluvium8 2.1 Basic Concept of ThickAlluvium8 2.2 The Physics Characteristic of the Soil8 2.3 Basic Concept of the Clay Mechanics Function in ThickAlluvium11 2.4 Brief Summary of This Chapter12 3 The Engineering Geology Characteristic of ThickAlluvium13 3.1 The General Situation of Geting Coal Mine13 3.2 The Structure Characteristic of ThickAlluvium13 3.3 The Engineering Geology Characteristic of Geting Coal Mine’s ThickAlluvium14 3.4 The Hydrology Geology Characteristic and Moving Effect of ThickAlluvium17 3.5 Brief Summary of This Chapter21 4 Concretion Theories22 4.1 Widespread Equation of the OneWay Concretion22 4.2 Terzaghi’s OneWay Concretion Theory25 4.3 Biot’s Concretion Theory28 4.4 Brief Summary of This Chapter31 5 The Mechanics Model Establishment of Surface Subsidence in ThickAlluvium32 5.1 Basic Concept of Finite Element32 5.2 The Arbitrarily Square Unit Mathematics Analysis in Soil33 5.3 The Mechanics Model Establishment of Surface Subsidence in ThickAlluvium35 山东科技大学硕士学位论文目录 5.4 The DruckerPragerDP Material Within Rock and Soil 37 5.5 Brief Summary of This Chapter40 6 The ANSYS Model Establishment and the Initial Analysis of Numbers Imitation41 6.1 Basic Principle of ANSYS41 6.2 The Introduction and Analysis Process of ANSYS Finite Element 43 6.3 The ANSYS Model Establishment and the Initial Analysis of Numbers Imitation 46 6.4 Brief Summary of This Chapter54 7 The Influence of ThickAlluvium Soil Characteristic to the Surface Subsidence55 7.1 The Influence of ThickAlluvium Soil Mechanics Characteristic to the Surface Subsidence55 7.2 The Influence of Clay Thickness to the Surface Subsidence62 7.3 Brief Summary of This Chapter66 8 The Influence of Surface Subsidence by Considering the Clay Dewatering in Thick Alluvium67 8.1 The Introduction of Clay Dewatering Due to Mining of the Geting Coal Mine67 8.2 The Mechanism and Calculation s of Surface Subsidence Due to the Clay Dewatering68 8.3 The Mechanics Model Correction by Considering the Clay Dewatering 72 8.4 The Circumstance Analysis on the X, Y Direction and Total Displacement Changes by Considering Clay Dewatering73 8.5 Each Stress Variety Circumstance Analysis by Considering the Clay Dewatering75 8.6 Brief Summary of This Chapter79 9 Conclusions and Prospect80 9.1 Conclusions80 9.2 Prospect81 Acknowledgement83 Reference84 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1 绪论绪论 1.1 课题来源及课题来源及研究意义研究意义 实现可持续发展，创建和谐社会，是当前世界各国共同关注的重大问题。随着社会 的飞速发展，采矿活动的正规化、科学化也步入了高速轨道行列。大批矿业科技工作者 积极寻求安全与可持续化的采矿理论和方法。 有用矿物被采出以后，开采区域周围岩体的原始应力平衡状态受到破坏，应力重新 分布。在此过程中，使岩层和地表产生连续的移动变形和非连续的破坏开裂、冒落等， 这种现象谓之“开采沉陷”[1]。 开采沉陷在地表的表现便是地面塌陷。 地面塌陷作为一种外生地质灾害， 破坏耕地， 损害建筑物，给工农业带来严重危害，并严重影响着生态环境，产生了与社会化大生产 不协调的社会经济矛盾，甚至影响到子孙后代。 中国的部分地区如华北、华东地区有厚冲积含水层的煤矿，开采沉陷表现出一系 列独特的工程地质现象，诸如最大下沉值接近或大于采厚，地表沉陷范围扩展，边界处 水平移动值大于垂直移动值，活跃期剧烈而集中，地表沉陷稳定所需时间长等，加重了 对地表的破坏强度[2]。因此，研究厚冲积层地表沉陷具有重要的理论价值和现实意义。 1.2 国内外研究的现状国内外研究的现状 我国从上世纪50年代开始地表移动观测研究，多年来取得了大量的实测资料，并建 立了相应采矿地质条件下的地表移动变形的计算方法，为建筑物下、铁路下和水体下采 煤提供了依据，并且取得了明显的经济、环境和社会效益[1]。 近年来，开采沉陷的研究发展较快。对于厚冲积层条件下开采沉陷的独特现象产生 机理的研究在 80 年代后期才真正开始。 一般认为产生这些现象的影响因素主要有煤层上 覆岩层岩性偏软、含水层向采区渗流及集中应力的影响等，并且从城市及农业抽水造成 的地面沉陷规律中得到启示，认为主要原因是开采造成的导水裂隙带波及上覆松散合水 层，造成水位下降或孔隙水压力降低，有效应力增加造成含水层和隔水层的压缩。实际 上，含水层失水只是开采沉陷造成的土体内部一系列变化过程的一个方面。中国矿业大 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 学的狄乾生教授以工程地质理论为基础，建立了开采岩层移动工程地质研究的新途径和 方法。这一方法从工程地质和水文地质勘测入手，在仔细了解地质、工程地质、水文地 质条件的基础上，建立物理模型和数值模型，研究岩土体移动变形破坏的模式、机制及 规律，在解释岩层移动机理，揭示岩土层内部应力、变形和移动规律，预测覆岩破坏高 度和地表沉陷方面取得了一定成果，并相继应用于煤田勘探阶段岩土层移动规律及防水 煤岩柱预计、采前勘探阶段合理防水煤岩柱及地表移动预计、浅部老采空区上覆岩体稳 定性评价等[3][4]。 中国科学院渗流流体力学研究所的刘建军将渗流力学与弹塑性力学相结 合，考虑地下水和岩土骨架之间的相互作用，建立地下水流固耦合渗流数学模型，根据 有限元原理得出其计算方法，并给出耦合求解方法，这对于真实模拟地下水渗流状况具 有重要的意义[5]。 中国矿业大学的吴侃等人对开采沉陷在土体中的传递进行了实验研究， 设计了相似材料模型实验系统。实验结果表明，开采沉陷边界在土体中的传递与土层的 性质是密切相关的；地表下沉由采动引起的基岩面下沉、地下水位下降引起的下沉、附 加荷载引起的下沉和土体的流动组成，实验结果可以解释目前所出现的厚表土层地区的 特殊沉陷规律[6]。黄涛、杨立中等人在裂隙围岩介质渗透性能等效处理的基础上，提出 了渗流与应力耦合环境下裂隙围岩隧道涌水量预测计算的确定性数学模型方法包括理 论解析法、经验解析法和水文地质数值模拟法，并用一隧道工程实例进行计算验证[7]。 中国矿业大学的隋旺华在大量总结开采沉陷土体变形情况下，总结出了开采沉陷土体变 形规律，并用软件模拟进行验证[2]。 以上叙述可以看出，目前对这种现象产生的机理尚处于不完全成熟阶段，尤其对开 采沉陷厚冲积层的影响及含水层失水固结变形问题以及数值模拟方面， 研究还不够深入。 国际上，二十世纪30年代，原苏联开始矿山岩层与地表移动实地观测工作。1936年 成立了矿山测量研究所，后来规模扩大改称全苏矿山测量研究院简称ВНИМИ，统一组 织和领导全苏各矿区的实地观测和研究工作。1947年苏联学者АвершинСГ出版了 Сдвижениегорных пород при по дземных разработках[23]，中译版称煤矿地下开采 的岩层移动。该书在对大量实测数据分析研究基础上，确立了水平和倾斜煤层开采条 件下地表移动矢量的垂直分量η和水平分量ζ间的重要微分关系式K为常 xd d K dx d 2 2   数。世界各国在地表移动计算中至今大都采用此关系式。该书首次应用塑性力学理论研 究地表移动规律，求出了地表移动预计公式。后来经过多年的实践，说明Авершин.СГ 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 在塑性力学理论基础上建立的地表移动计算公式难于在实践中应用。此后苏联学者主要 应用实地观测方法研究岩层和地表移动。1958年ВНИМИ出版了Сдвижение горных породиземной поверхности[23]岩层与地表移动。这是一本实践性很强的代表性著作。 书中首次提出采空区上方岩层移动的形式垮落带、断裂带和整体弯曲带，所谓三带 理论。系统地分析研究了地表移动和变形分布规律及有关参数规律。提出了苏联通用的 地表移动变形计算方法典型曲线法。 波兰也很重视开采沉陷的研究工作。二十世纪50年代先后提出了三种地表移动变形 预计方法1布德雷克克诺特方法；2柯赫曼斯基方法；3李特维尼申方法。 文献检索表明，前西德、加拿大、澳大利亚、日本和美国等国家也发生竖井破坏， 并对破坏机理进行分析。据资料文献检索和查新，国外只有建井施工和生产期间因采动 影响造成的破坏实例，较少涉及煤矿受疏水引起松散层沉降形成的破坏。另外，国外地 表沉陷的研究主要集中在城市地表沉降方面。 从以上分析可见，对厚冲积层下开采沉陷研究的主要进展有[2] 1厚冲积层地区开采沉陷观测表明了地表移动变形与无厚冲积层地区相比具有特殊 的沉陷规律和岩移参数。 2对厚冲积层地区地表移动变形特殊性产生的原因作了一些探讨。 3发展或改进了一些数学方法对地表下沉盆地的描述，并在计算中普遍考虑了松散 层厚度这一因素，一致认为传统的方法难以取得令人满意的效果。 4认识到研究开采沉陷中考虑水土、水岩耦合作用的重要性，并对总应力变化造成 的主固结问题进行了分析。 当前开采沉陷的一些基本机理有待进一步揭示，例如 1基岩移动变形与土层移动变形之间的关系有待深入研究。 2采动裂隙或原始裂隙导致开采后基岩含水层中水的流失和水位下降，影响到冲积 层底部含水层水位下降的计算及影响程度的评价研究。 3对厚含水松散层下放顶煤开采的覆岩导水裂缝带形态与发育高度只做了部分观测 工作，特别对极薄基岩条件下综放面提高开采上限技术研究不足，开采上限范围一般控 制在基岩厚度30～40m左右。 上述课题的研究对拓展煤矿工程地质学的研究领城、促进开采沉陷学的发展有重要 的理论意义，对评价水体下开采的可靠性以及确定符合可持续发展模式的开采沉陷控制 山东科技大学硕士学位论文绪论 4 与治理方案具有实用价值。 本文拟采用ANSYS进行数值模拟。 利用ANSYS进行开采沉陷模拟具有以下优点[8] 1 节点及单元数无限制；2单元类型足够多，可根据需要选择某一类型单元或多种类型单 元相组合；3岩土层数及材料类型可根据需要任选；4网格剖分自由，自适应性强；5 几何模型建立方便；6可视性强；7后处理能力强；8模型适应性强、应用方便，沉陷 规律的揭示能为工程决策者提供依据和指导。 1.3 课题研究的主要内容课题研究的主要内容 本论文研究的主要内容是结合葛亭煤矿实际情况，对土体尤其是粘土体工程地质 特征进行深入分析，研究厚冲积层在土体性质变化下对开采沉陷的影响以及粘土层失水 对地表沉陷的影响，得出厚冲积层地表沉陷的规律，并利用大型工程软件 ANSYS 进行 数值模拟研究。 1.3.1 厚冲积层土体工程地质特征厚冲积层土体工程地质特征 通过收集现有资料，分析地表沉陷中地层的沉降、土体应力、应变关系的变化，总 结并分析厚冲积层土体变形规律。在现有理论的基础上，对土体颗粒的空隙性、压缩性、 储水系数、渗透率和渗流系数进行总结，进而对土体颗粒和水体作用的机理作理论上的 分析。 1.3.2 建立厚冲积层下地表沉陷的数学模型建立厚冲积层下地表沉陷的数学模型 考虑含有厚冲积层的上覆岩层对地表沉陷的影响， 建立厚冲积层地表沉陷力学模型。 地下矿体开采后，上覆岩层在断裂之前，发生弯曲下沉。在实际开采中岩层的应力状态 比较复杂，可采用简化的固支梁进行估算，由此建立断裂的一些基本条件，建立厚冲积 层下地表沉陷的数学模型。 1.3.3 厚冲积层地表沉陷数值