开滦矿区深部开采地表移动规律的研究.pdf

硕士学位论文 申请人姓名 陈 勇 指导教师 郭文兵 教授 专业名称 采矿工程 研究方向 开采损害与保护 河南理工大学能源科学与工程学院河南理工大学能源科学与工程学院 二二○一一○年年六六月十日月十日 开滦矿区深部开采地表移动规律的研究开滦矿区深部开采地表移动规律的研究 万方数据 中图分类号中图分类号TD325 密密 级公开级公开 UDC 单位代码单位代码10460 开滦矿区深部开采地表移动规律的研究开滦矿区深部开采地表移动规律的研究 Research on Ground Movement Laws of Deep Mining in Kailuan Mining Area 申请人姓名申请人姓名 陈陈 勇勇 申 请 学 位申 请 学 位 硕士硕士 学 科 专 业学 科 专 业 采矿工程采矿工程 研 究 方 向研 究 方 向 开采损害与保护开采损害与保护 导师导师 郭文兵郭文兵 职称职称 教授教授 提 交 日 期提 交 日 期 2010.4 答 辩 日 期答 辩 日 期 2010.6 河南理工大学 万方数据 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学 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学位论文，是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他 个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做 的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学 学 位 论 文 使 用 授 权 声 明学 位 论 文 使 用 授 权 声 明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩印、扫描 或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名学位论文作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 致致 谢谢 本论文是在导师郭文兵教授的悉心指导下得以完成的，从论文的选题、实地 调研、分析、论文撰写、直至论文定稿都包含着导师辛勤的汗水。导师渊博的学 识、严谨的治学作风、敏锐的思维和对科学研究的无私奉献精神深深地感染和影 响着我，使学生在学术思想、科研和实践能力等方面得到了全面的提高。值此论 文完稿之际，谨向郭老师表达我最诚挚的谢意 在攻读硕士学位期间，能源科学与工程学院的勾攀峰教授、郭健卿教授、李 化敏教授及采矿教研室的各位老师给予了指导和帮助，测绘与国土信息工程学院 的陈俊杰副教授、柴华彬博士、张文志博士也给予了我许多关心和帮助，借此机 会一并向他们表示我最衷心的感谢 衷心感谢我的师弟杨岁寒、黄成飞、陈兴隆、雍强及室友苏发强、杨凯、朱 明阳所给予的帮助和支持感谢能源学院全体 2007 级硕士研究生在学习上、生活 上的鼎力相助 感谢我的家人多年来给予我的支持和帮助，使我能够顺利完成硕士研究生阶 段的学习和生活，在此向他们表示由衷的感谢 感谢开滦集团为本论文提供了大量翔实的资料感谢本文所引用文献的各位 著、编、译者 最后，向百忙之中抽出宝贵时间来评阅本论文的各位专家、教授们致以深深 的感谢 由于时间和作者水平有限，恳请各位专家对本文批评、指正，不胜感谢。 作者作者陈陈 勇勇 2010 年年 4 月于河南理工大学月于河南理工大学 万方数据 ii 摘摘 要要 随着开采深度的增大，矿井开采地质力学环境与浅部开采相比发生了明显改 变，深部开采地表移动变形规律与浅部有着明显的不同之处，要实现深部开采地 表沉陷的准确预测及控制、 “三下”压煤的安全回采， 必须深入研究深部开采地表移 动规律。本文在现场调研、资料收集和综合分析开滦矿区各地表移动观测站实测 资料的基础上，提出了基于 Matlab 求取地表移动预计参数的方法，用此方法方便、 准确地求取了地表移动变形预计参数和角量参数，并回归分析了地表移动变形参 数与地质采矿因素之间的关系，为开滦矿区确定深部开采条件下的地表移动变形 参数提供了参考依据；以开滦矿区吕家坨矿的地质采矿条件为原型，建立了数值 模拟模型，采用 UDEC 数值模拟软件对比分析了深部开采条件下岩层及地表移动 规律与浅部开采的异同点，并研究了开采深度、开采厚度、采区尺寸、深厚比对 深部开采地表移动变形的影响规律。本文的研究成果对开滦矿区深部开采及类似 矿区的地表沉陷预测及控制、“三下”采煤具有一定的理论价值和指导意义。 关键词关键词深部开采；地表移动规律；预计参数；角量参数 万方数据 iii Abstract Compared with geology and mechanics environment of shallow mining, it has been many changes with the increase of mining depth. And surface movement and deation laws of deep mining are significantly different from shallow mining. So, the strata and ground movement laws of deep mining must be in-depth study for accurately predicting and controlling of surface subsidence and safety mining under the “three body”. Based on field investigations, data collection and comprehensive analysis of the results of surface movement observation stations in Kailuan mining area, obtaining s of surface movement and deation predicting parameters is put forward. The results show that this to determining predicting and angle parameters is very convenient and valid. Relation between surface movement and deation parameters and geological and mining factors are regression analysis, which provide some references for Kailuan mining area to determining surface movement and deation parameters of deep mining. According to the geological and mining conditions of Kailuan Lvjiatuo coal mine, the numerical simulation models of deep mining are set up. The sameness and differences between deep mining and shallow mining in laws of strata and ground movement are compared and analyzed, by using UDEC numerical simulation.And the relationship between mining depth, mining height, sizes of working field, the ratio of mining depth and mining thickness, and the laws of surface movement in deep mining are studied. The results can provide theoretical basis and scientific references for Kailuan mining area and similar mining area to predicting and controlling surface subsidence and mining under the “three body”. Key words deep mining; ground movement Laws; predicting parameters; angle parameters 万方数据 iv 目目 录录 致致 谢谢 ................................................................................................................................ i 摘摘 要要 .............................................................................................................................. ii Abstract .......................................................................................................................... iii 目目 录录 .............................................................................................................................. iv 1 引言引言 ............................................................................................................................... 1 1.1 选题的背景和意义选题的背景和意义 ................................................................................................. 1 1.1.1 选题的背景 .................................................................................................... 1 1.1.2 选题的意义 .................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ..................................................................................................... 3 1.2.1 开采沉陷学研究历史与现状 ........................................................................ 3 1.2.2 国内外深部工程开采现状 ............................................................................ 5 1.2.3 本课题研究现状及进展 ................................................................................ 7 1.3 存在的主要问题 ................................................................................................... 10 1.4 论文研究的内容和方法 ....................................................................................... 11 1.4.1 论文研究的内容 .......................................................................................... 11 1.4.2 论文研究的方法 .......................................................................................... 11 2 开滦矿区与观测站概况及观测结果开滦矿区与观测站概况及观测结果 ......................................................................... 13 2.1 开滦矿区概况 ....................................................................................................... 13 2.1.1 地层 .............................................................................................................. 13 2.1.2 地质构造 ...................................................................................................... 13 2.1.3 水文地质条件 .............................................................................................. 14 2.1.4 煤层 .............................................................................................................. 15 2.1.5 其它开采技术条件 ...................................................................................... 16 2.2 矿区观测站概况与观测结果 ............................................................................... 17 2.2.1 钱家营矿观测站概况与观测结果 .............................................................. 17 2.2.2 吕家坨矿观测站概况与观测结果 .............................................................. 19 2.2.3 林南仓矿观测站概况与观测结果 .............................................................. 23 2.2.4 唐山矿观测站概况与观测结果 .................................................................. 25 万方数据 v 2.3 本章小结 .............................................................................................................. 28 3 基于基于 MATLAB 求取预计参数的方法研究求取预计参数的方法研究 ............................................................. 29 3.1 现有求参数方法分析 .......................................................................................... 29 3.2 曲线拟合法基本原理 .......................................................................................... 31 3.3 主断面上地表移动变形预计公式 ...................................................................... 32 3.4 MATLAB 在开采沉陷中的应用 .......................................................................... 34 3.5 基于 MATLAB 求取预计参数实例 .................................................................... 36 3.6 本章小结 .............................................................................................................. 41 4 矿区深部开采地表移动参矿区深部开采地表移动参数规律研究数规律研究 .................................................................... 43 4.1 矿区地表移动参数的求取 .................................................................................. 43 4.1.1 预计参数的求取 ......................................................................................... 43 4.1.2 角量参数的求取 ......................................................................................... 46 4.2 深部与浅部地表移动参数对比分析 .................................................................. 47 4.2.1 预计参数对比分析 ..................................................................................... 47 4.2.2 角量参数对比分析 ..................................................................................... 47 4.3 矿区地表移动参数规律 ...................................................................................... 48 4.3.1 参数规律研究方法 ..................................................................................... 49 4.3.2 预计参数的变化规律 ................................................................................. 52 4.3.3 角量参数的变化规律 ................................................................................. 56 4.4 本章小结 .............................................................................................................. 58 5 深部开采地表移动规律的数值模拟研究深部开采地表移动规律的数值模拟研究 ................................................................ 59 5.1 离散单元法概述 .................................................................................................. 59 5.2 UDEC 软件简介 .................................................................................................... 60 5.3 数值模拟模型的建立 .......................................................................................... 60 5.3.1 数值模型范围的确定 ................................................................................. 60 5.3.2 边界条件及初始应力场的确定 ................................................................. 61 5.3.3 岩体及节理力学参数的确定 ..................................................................... 61 5.3.4 模型准则的选取 ......................................................................................... 62 5.4 深部开采上覆岩层移动规律 .............................................................................. 63 万方数据 vi 5.4.1 覆岩垂直应力分布规律 .............................................................................. 63 5.4.2 覆岩垂直位移分析 ...................................................................................... 67 5.4.3 地表动态变化规律 ...................................................................................... 74 5.5 地质采矿因素对深部开采地表移动的影响规律研究 ....................................... 78 5.5.1 开采深度对地表移动的影响规律 .............................................................. 78 5.5.2 开采厚度对地表移动的影响规律 .............................................................. 82 5.5.3 深厚比对地表移动的影响规律 .................................................................. 85 5.5.4 采区尺寸对地表移动的影响规律 .............................................................. 86 5.6 本章小结 ............................................................................................................... 89 6 结论与展望结论与展望 ................................................................................................................. 93 6.1 主要结论 ............................................................................................................... 93 6.2 展望 ....................................................................................................................... 94 参考文献参考文献 ......................................................................................................................... 95 作者简历作者简历 ....................................................................................................................... 101 学位论文数据集学位论文数据集 ........................................................................................................... 103 附附 录录 ........................................................................................................................... 105 万方数据 1 引言 1 1 引言引言 1.1 选题的背景和意义选题的背景和意义 1.1.1 选题的背景选题的背景 开滦（集团）有限责任公司前身为开滦矿务局，始建于 1878 年，迄今已有近 132 年的历史。随着社会的发展，开滦百里矿区内村庄、企事业单位星罗棋布，基 础设施四通八达，公路遍及城乡，京山铁路横贯矿区开平主向斜。这些村庄、企 事业单位、基础设施等压占了大量的煤炭资源。据不完全统计，开滦矿区 9 个生 产矿井（不含东欢坨矿和嘉盛公司）中，就有唐山市、丰南市、古冶镇、开平镇、 钱营镇、林南仓镇等 6 个市镇、101 个村庄和企事业单位。截止到 2000 年底，各 生产矿井保有地质储量仅剩 284267 万 t，可采储量 152216.3 万 t。其中“三下”压煤 地质储量 203621.3 万 t，占总地质储量的 71.6，压占可采储量 100113.6 万 t，占 总可采储量的 65.7。在“三下”压煤中，直接影响工农关系的建筑物下压煤问题最 为严重，其中，压占地质储量 161103.1 万 t，占总地质储量的 56.7；压占可采储 量 189809.4 万 t，占总可采储量的 59。而且，随着开采深度的增大，地表各类建 （构）筑物的保护煤柱尺寸随开采深度的增加而迅速增大，建筑物下压煤将采区 切割成块段，增大了矿井巷道布置的难度，导致生产系统复杂化，使企业管理、 安全、效益受到制约，严重影响了百年矿区的正常生产和可持续发展。 因此，如何将各类建（构）筑物压煤开采出来，并保护地表建（构）筑物和 矿区生态环境，是开滦集团公司可持续发展的关键问题。但是，开滦矿区内采煤 方法多、松散层厚度、开采深度、煤层厚度、煤层倾角变化大等复杂地质采矿因 素，使得岩层与地表移动规律存在很大差异，给地表沉陷预测与控制带来了困难。 为此，开滦集团在钱家营、林南仓、唐山矿、吕家坨、赵各庄、范各庄等矿井建 立了几十条地表移动观测站，来监测各种地质采矿条件下的地表移动规律。其中， 深部开采条件下的地表移动观测站共有十个测站，这些观测站的实测资料为研究 开滦矿区深部开采条件下地表移动规律奠定了基础。 1.1.2 选题的意义选题的意义 随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部资源日益减少，国内 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 外矿山都相继进入深部资源开采阶段。我国煤矿开采深度由最初浅部 200～300m 逐步发展到深部 700～800m，部分煤矿开采深度已达到 1000m 以上[1]。根据目前 资源的开采状况，我国煤矿开采深度以每年 8～12m 的速度增加，东部矿井正以 10～25m/a 的速度向下延伸[2]。预计未来 20 年内我国很多矿井将进入 800～1500m 的深部开采。深部开采是世界上大多数主要采煤国家目前或将要面临的首要问题 [34]。 随着煤层埋藏深度的增大，地表各类建（构）筑物的保护煤柱尺寸也迅速增 大，深部赋存的“三下”压煤量占矿区煤炭储量的百分比也就更大。据不完全统计， 我国生产矿井“三下”压煤量达 140 亿吨，其中建筑物下压煤 87.6 亿吨，占“三下” 压煤总量的 63.5％，居“三下”压煤量之首。特别是我国东部地区，煤炭资源正在枯 竭，矿井储量逐年减少，剩余储量 50以上属于“三下”压煤，其中以建筑物下压 煤量最大[56]。开采煤炭资源所引起的地表沉陷不仅破坏了矿区生态环境，而且对 地表建（构）筑物造成了严重损害[57]。在保证地面建（构）筑物安全的前提下， 最大限度的开采煤炭资源是开采沉陷学科目前面临的主要问题。建（构）筑物下 采煤的关键问题之一是控制岩层及地表沉陷。 然而，随着开采深度的增大，矿井开采地质力学环境与浅部开采相比发生明 显改变，深部开采岩石力学行为与浅部明显不同，基于浅部开采形成的岩层控制 理论与技术已不能适应深部开采[8]，由此也给地表沉陷预测与控制提出了新的课 题。同时，目前我国大多数矿区进行地表沉陷预测与控制时所用的参数是参照建 筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程确定的，可是，这些参 数大都是根据采深小于 400m 的观测站数据求得的，只适用于采深小于 400m 情况 下的地表沉陷预测与控制。在深部开采条件下，如果仍照搬浅部煤层开采的地表 移动参数和方法进行沉陷预测与控制，势必会产生较大的偏差，使得深部“三下” 压煤量迅速扩大[911]，煤炭资源得不到合理的开采利用，影响矿井的生产效益。因 此，深入研究深部开采条件下岩层与地表移动规律是迫切需要解决的课题。本论 文的研究不仅对促进深部开采地表沉陷预测与控制研究具有积极作用，而且对于 促进深部开采技术在“三下”采煤中的应用和发展， 提高地下煤炭资源采出率， 保护 地表建（构）筑物和生态环境，实现煤炭工业的可持续发展等，具有重要的理论 价值和实际意义。 万方数据 1 引言 3 1.2 国内外研国内外研究现状究现状 1.2.1 开采沉陷学研究历史与现状开采沉陷学研究历史与现状 煤矿地表沉陷研究历史悠久，早在 15 世纪英国和比利时就有预防开采损害的 法律[12]。1825 年对比利时的列日城受采动影响的调查及由此提出的垂线理论，以 后被 Gonot 发展为法线理论。后来，杜马特对该理论进行了修正，并提出了地表 下沉量的计算公式 Wmcosa，m 为采厚，a 为煤层倾角。此后提出的理论和假设 有[13]1876 年德国人 Jlcinsky 的二等分线理论，1882 年耳西哈的自然斜面理论， 1885 年法国人 Fayol 的圆拱理论，豪斯的分带理论。 20 世纪是开采沉陷学大发展的阶段。这个时间地表沉陷学的研究基本上是沿 着经验方法、连续介质力学和非连续介质力学三个方向发展。1903 年 Halbaum 提 出了采空区上方岩层为悬臂梁的观点，并导出了地表应变与曲率半径成反比的结 论[12]。1913 年艾卡特提出了岩层移动过程是各分层逐层弯曲的结果的观点。1919 年莱曼则提出了地面沉陷是类似于一个褶皱的过程的观点。之后，斯奇来茨、凯 因斯特和巴斯研究了开采影响的作用面积，形成了影响函数的概念。1925 年凯因 斯特提出了水平移动计算公式 UWtan，为地表点到开采中心的连线与铅垂线 的夹角。 1945 年以后，岩层移动计算理论趋向系统化。前苏联学者阿维尔辛应用