锦界矿开采沉陷主控因素及覆岩移动规律模拟研究.pdf

硕士学位论文 论文题目论文题目锦界矿开采沉陷主控因素及覆岩移动规律模拟研究 英文题目英文题目 Study on Jinjie Coal Mine Main Controlling Factors of Mining Subsidence Coefficient and Overlying Strata Movement Law 学位类学位类别别 工学硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 曾祥柱 学号学号 201202141 学科学科 领域领域 名称名称 矿业工程 指导教指导教师师 王创业 职称职称 副教授 协助指导教协助指导教师师 职称职称 2015 年 6 月 6 日 分类号分类号 TD327 密密 级级 公开公开 U D C 学校代码学校代码 10127 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘 要要 矿产资源被大面积开采出来之后，使上覆岩层中各岩层中的应力平衡状态被打破， 从而引起上覆岩层的持续性的移动及破坏，最终岩层中的应力重新分布达到新的平衡。 因此，把由于开采引起上覆岩层中产生变形、移动、裂隙及冒落等的这种现象称为“开 采沉陷” 。 “开采沉陷”现象是属于采动过程中的复杂损伤问题。目前，国外对开采沉陷 研究的理论比较成熟，国内对开采沉陷的研究主要集中在中东部矿区薄松散层及北部厚 松散层矿区，而对于神东矿区风积沙覆盖区的开采沉陷研究涉及较少。 基于神东矿区锦界矿地质资料和其煤岩物理力学参数，建立锦界矿开采沉陷数值模 型和覆岩移动数值模型，对其进行分析及研究，揭示出在风积沙覆盖条件下的锦界矿开 采沉陷主控因素及其对地表沉陷的影响规律，并提出锦界矿地表沉陷预测模型和覆岩移 动规律，为锦界矿预测地表沉陷、安全开采及其地面保护提供参考依据。 本文主要采用层次分析法（AHP） 、正交试验、方差分析、线性回归，以及DEC3和 D FLAC3数值模拟软件进行综合分析及研究，主要的内容有以下几个方面 （1） 收集锦界矿有关资料，在勘察队取得岩芯并加工成标准试样，通过试验得锦界 矿的煤岩物理力学参数； （2）根据锦界矿地质资料，采用层次分析法（AHP）筛选出锦界矿开采沉陷的主控 因素（松散层厚度、采高和覆岩综合硬度） ； （3）根据锦界矿 31106 综采工作面图和Jb203-1 钻孔柱状图，基于正交试验建立锦 界矿DEC3矿开采沉陷数值模型，并采用方差分析法和线性回归分析法得出了在多因素 共同作用下锦界矿开采沉陷主控因素的敏感性及其对锦界矿开采沉陷规律的影响。根据 锦界矿地质资料及主控因素建立锦界开采沉陷预测模型。 （4）通过对锦界矿覆岩移动数值模拟研究，得出锦界矿31106工作面的上覆岩层是 复合单一关键层。对于上覆岩层来说，其移动是非线性的；下沉量和下沉范围与距煤层 顶板的距离有关，距离越近其下沉量和下沉范围就越大。覆岩移动不仅与距直接顶的距 离有关，还与各岩层的岩性、厚度以及关键层结构与位置有关。 研究结果为锦界矿工作面的安全生产及地表沉陷预测、防治提供一定指导和依据。 关键词关键词锦界矿；开采沉陷；主控因素；覆岩移动；数值模拟 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract After mineral resources are taken out, undermining the original stress balance and distribution of rock mass, causing the surrounding rock movement, deation and destruction, finally, the internal stress redistribution rock to reach a new equilibrium. In this process, so that the Overlying and surface to produce a continuous movement, deation and destruction of non-continuous fracture, caving, etc., a phenomenon known as mining subsidence‖. The main research mining subsidence‖ is a complex issue mining damage. Currently, the study abroad more mature mining subsidence, Our mining subsidence is mainly focused on the exploration and mining of thin loose layer of thick alluvium eastern mining subsidence study the issue, and for Jinjie Coal Mine of Shendong mining area aeolian sand mining subsidence studies involving less. By Jinjie Coal Mine of Shendong mining area mining subsidence main factors and the analysis and study of mining subsidence Jinjie Coal Mine main factor numerical model and strata movement of the numerical model, we can reveal the conditions under cover of aeolian sand mining Jinjie Coal Mine subsidence Rules and proposed aeolian sand cover surface mining subsidence prediction model Jinjie Coal Mine conditions and strata movement for Jinjie Coal Mine subsidence prediction of surface mining, mining safety and the protection provided ground reference. In this paper, using the analytic hierarchy process AHP, orthogonal test, variance analysis and 3DEC numerical simulation software is a comprehensive study, completed its work on the following aspects （1）Geological ination relating to income sector highlights mine and mine in Jinjie Coal Mine rock samples collected for processing and testing of coal and rock mechanical parameters obtained Jinjie Coal Mine; （2）According Jinjie Coal Mine geological data, the use of the Analytic Hierarchy Process AHP Screening main factors Jinjie Coal Mine mining subsidence. （3）According Jinjie Coal Mine 31106 Comprehensive Face histogram chart and 内蒙古科技大学硕士学位论文 III JB203-1 drilling, with 3DEC software for mining subsidence main factors were orthogonal simulation test, and draw a common role in the multivariate analysis of variance under the analytic hierarchy process AHP and linear regression analysis sector mining subsidence main factors of sensitivity and function. Finally the establishment of mining subsidence prediction model of Jinjie Coal Mine. （4）Through the study of numerical simulation of mobile mine Jinjie Coal Mine overburden, the Jinjie Coal Mine 31106 working face overburden layer is a single key. The movement of overlying strata is nonlinear, from the roof of coal seam is near, the greater the amount of sinking; with the advance of the working face, above the working face roof subsidence and subsidence range increasing. Rock movement not only directly with the distance from the top on the distance, but also with the strata lithology, thickness and the key layer. The results of the study for the future Jinjie Coal Mine and Shendong mining area, the surface subsidence prediction and provide certain scientific basis for prevention and control work effectively to carry out. Key wordsKey wordsJinjie Coal Mine；Subsidence Coefficient；Main Controlling Factors；Overlying Strata；Numerical simulation 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 目目 录录 摘 要 .................................................................................................................................................... I Abstract .................................................................................................................................................... II 1引言 ........................................................................................................................................................ 1 1.1选题背景及目的意义 ............................................................................................................... 1 1.1.1 选题背景 ............................................................................................................. 1 1.1.2 选题目的 ............................................................................................................. 1 1.1.3 研究意义 ............................................................................................................. 2 1.2国内外研究现状 ........................................................................................................................ 2 1.2.1 国外开采沉陷研究历史与现状 ......................................................................... 3 1.2.2 国内开采沉陷研究历史与现状 ......................................................................... 3 1.2.3 开采沉陷因素研究现状 ..................................................................................... 4 1.2.4 近水平浅埋煤层下覆岩移动规律研究现状 ..................................................... 4 1.3研究内容、方法及技术路线 ................................................................................................... 5 1.3.1 研究内容 ............................................................................................................. 5 1.3.2 研究方法 ............................................................................................................. 5 1.3.3 技术路线 ............................................................................................................. 6 2神东矿区及锦界矿地质概况 .............................................................................................................. 7 2.1神东矿区地质概况 .................................................................................................................... 7 2.2神东矿区自然概况 .................................................................................................................... 7 2.3神东矿区地层特征 .................................................................................................................... 8 2.4神东矿区煤岩特征 .................................................................................................................... 9 2.5神东矿区构造特征 .................................................................................................................... 9 2.6锦界矿地质概况 ........................................................................................................................ 9 3神东矿区开采沉陷影响因素 ............................................................................................................ 11 3.1 地质因素 ................................................................................................................................. 11 3.2 采矿因素 ................................................................................................................................. 15 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 3.3本章小结 .................................................................................................................................. 16 4锦界矿开采沉陷主控因素筛选 ........................................................................................................ 17 4.1 层次分析法 ............................................................................................................................. 17 4.2 层次分析法的计算 ................................................................................................................. 21 4.3 锦界矿开采沉陷主控因素选取 ............................................................................................ 25 4.4 本章小结 ................................................................................................................................. 26 5 锦界矿开采沉陷数值模拟 ............................................................................................................... 27 5.1锦界矿煤岩物理力学参数 ..................................................................................................... 27 5.2 锦界矿开采沉陷数值模型 .................................................................................................... 31 5.2.1 3DEC 数值模型 ................................................................................................ 31 5.2.2 正交试验设计 .................................................................................................. 34 5.2.3 基于正交试验的数值模型 .............................................................................. 34 5.3 锦界矿开采沉陷数模型分析 ................................................................................................ 35 5.3.1 采高对锦界矿开采沉陷的影响 ...................................................................... 36 5.3.2 松散层厚度对锦界矿开采沉陷的影响 ........................................................... 41 5.3.3 覆岩综合硬度对锦界矿开采沉陷的影响 ....................................................... 45 5.3.4 方差分析 .......................................................................................................... 49 5.4 线性回归 ................................................................................................................................. 54 5.4.1 线性回归及计算 .............................................................................................. 54 5.4.2 下沉系数线性回归 ........................................................................................... 56 5.4.3 水平移动系数线性回归 ................................................................................... 56 5.5 本章小结 ................................................................................................................................. 57 6 锦界矿覆岩移动数值模拟 ............................................................................................................... 58 6.1 锦界矿覆岩移动数值模型 .................................................................................................... 58 6.1.1 FLAC 软件简介 ................................................................................................ 58 6.1.2 计算目的 ........................................................................................................... 58 6.1.3 模型建立 ........................................................................................................... 59 6.1.4 边界条件 ........................................................................................................... 59 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 6.2 锦界矿覆岩移动模型分析 .................................................................................................... 59 6.2.1 覆岩水平位移分布规律 ................................................................................... 59 6.2.2 覆岩垂直位移分布规律 ................................................................................... 62 6.3 本章小结 ................................................................................................................................. 64 结 论 ................................................................................................................................................. 66 参考文献................................................................................................................................................. 67 在读研期间研究成果 ............................................................................................................................ 71 致 谢 ................................................................................................................................................. 72 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1引言引言 1.1选题背景选题背景及及目的目的意义意义 1.1.1选题背景选题背景 神东煤炭集团有限责任公司是中国神华集团的全资子公司，由神东煤炭公司、神东 煤炭分公司、万利分公司和金峰分公司四家公司合并整合而成的。神东公司横跨陕西、 内蒙古、山西三省及自治区，神东煤炭集团拥有 19 个矿井，整体产能年年递增。2005 年，神东公司的煤炭产量达到 1.0241 亿吨，建成共和国第一个现代化亿吨级煤炭生产基 地。 在跨进 “十二五” 后， 神东公司的煤炭年产量一路攀升, 2011 年为 1.8941 亿吨， 2012 年为 2.02 亿吨，2013 年突破 2.15 亿吨，2014 年为 2.4 亿吨。神东煤田是我国最大的煤 炭生产基地，在促进国民经济发展的同时，其矿区开采沉陷问题也日益严重，据调查近 年来神东矿区共形成接近 60km2的沉陷面积，这严重影响了当地人的生活和生产及当地 生态环境。神东矿区开采沉陷由上覆岩层结构破坏引起的，地表沉陷持续增大，从而引 起矿井涌水量呈继续增加的趋势以及地下水流失严重。地表沉陷引起了一系列的地质及 生态问题，例如对地下水资源、地表建筑物的破坏以及植被生长的影响[1]。 其中对矿区当地生活和生产影响最严重的是对生态环境造成了不可逆转的破坏，其 表现为 （1）开采沉陷对土地资源进行破坏，诱发地质灾害的发生； （2）开采沉陷对地下水资源进行破坏，加剧土壤和水的流失； （3）开采沉陷对建筑物进行破坏，影响生活和生产。 以锦界矿为研究对象，由层次分析法（AHP）得到锦界矿开采沉陷主控因素，基于 正交试验，建立DEC3沉陷数值模型，分析及研究地表开采沉陷的主控因素，并用线性 回归分析法建立了锦界矿开采沉陷预测模型。 同时， 建立 D FLAC 3 锦界矿覆岩移动模型， 来研究锦界矿覆岩移动规律及对地表沉陷的影响。研究结论对于锦界矿预测和分析地表 沉陷有一定的现实指导意义，对研究神东矿区地表移动破坏规律、工作面支护、地下水 的流失以及植被生长都有一定的借鉴意义。 1.1.2选题目的选题目的 开采沉陷学属于较为复杂的采动损伤问题，开采沉陷学主要包含采矿方面的专业知 识、 岩石力学和计算机计算及等众多专业性知识相互交叉形成的一门专业型学科 [2～3]。 沉 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 陷规律会随着地质条件和开采条件的变化而变化，开采沉陷因素在不同的地质条件和开 采条件下对地表沉陷的影响也不同。截止到现在，开采沉陷学取得了许多真实可靠的实 践经验和规律，但开采沉陷学仍然存在大量问题需要我们去解决。 现阶段，我国开采沉陷主要对普通地质条件下的矿区进行研究，而在特殊地质条件 下的矿区研究较少，对风积沙覆盖条件下矿区的研究基本上没有。因此，本文对风积沙 覆盖条件下矿区的开采沉陷进行研究。其研究成果不光对煤炭资源丰富的西北地区有积 极的意义，还推进我国煤炭资源的绿色开采。 1.1.3研究意义研究意义 主要意义有以下几点 （1）基于层次分析法（AHP）得到锦界矿开采沉陷主控因素，可以揭示在风积沙覆 盖条件下的矿区地表沉陷规律，能够完善和丰富开采沉陷学。 （2）锦界矿有厚松散层、薄基岩、浅埋深、关键层单一等特点，对锦界矿开采沉陷 课题进行研究，建立锦界矿开采沉陷模型，为锦界矿工作面支护及地表开采沉陷预防提 供一定的理论指导。 （3） 建立了锦界矿开采沉陷预测模型， 这可以更好的了解在整个开采过程中地表沉 陷过程及预测地表沉陷，为保护土地资源、地表水资源以及地表建筑物提供一定的科技 依据和理论支持，推动绿色矿区现代化模式的建立。 （4） 通过对锦界矿覆岩移动规律模型的研究， 可以总结出锦界矿覆岩移动规律及其 对地表的影响。为今后锦界矿乃至神东矿区矿产资源高效利用，矿区生态环境保护地表 开采沉陷预测及防治工作有效开展提供一定科学依据。 1.2国内外研究现状国内外研究现状 开采沉陷学是一个很古老的课题， 早在 15～16 世纪， 比利时人就做出大量相关研究， 随着开采沉陷对人类的生活及生产危害的增大，越来越多的世界产煤国的科研人员开始 重视对开采沉陷学的研究工作。 在开采沉陷理论和预测控制技术方面， 早期的澳大利亚、 英国以及德国等世界主要产煤国都进行了深入的研究，并取得了丰富的研究成果。新中 国成立后，国内的专家学者开始对开采沉陷学进行研究工作。早在 20 世纪 50 年代，开 滦、阳泉和淮南等矿区就开始了地表移动观测研究，并通过大量的地表移动实测数据统 计分析，形成了一系列的地表移动沉陷预测方法。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 1.2.1国外开采沉陷研究历史与现状国外开采沉陷研究历史与现状 开采沉陷学具有悠久的历史， 早在15 世纪比利人就专门制定了预防开采损害的法律 法规，并在 1825 年提出了“垂线理论” [4]，后来被 Gonot 发展为“法线理论” ，杜马特 在比利时人研究的基础上，提出了地表下沉量mcosW  [5]。紧接着开采沉陷学又提出 了一些重要的假设和理论， 其中主要有 1876 年德国人Jlcinsky [6]出的 “二等分线理论” ， 1882 年 Oester 提出的“自然斜面理论” [7]，1885 年法国人 Fayol 提出的“圆拱理论”[8]， 还有House [9]建立了三带条件下的沉陷模型等。