南桐矿区深部开采岩移基本规律的研究.pdf

窜6 蛄 分类* tT I 1 密级 率卞科技大浮 硕士学位论文 Y7 7 8 0 0 3 南桐矿区深部开采岩移基本规律的研究 学位申请人陈学文 学科专业控制工程 指导教师徐琦副教授 姜嘉霎誓昙茎素丝羞喜蔷癸茎呈蠡f 菇硒答辩委员会主席墨垒夔评阅人乏垂疆幽点蹲瞥 华中科技大学硕士学位论文 摘要 由于开采地质条件的复杂性，煤层丌采将引起岩层和地表连续的移动、变形和 非连续破坏，特别是随着采深的逐渐增加，开采沉陷问题越来越突出，对矿井安全 生产带来了严重影响。针对南桐矿务局南桐煤矿和东林煤矿深部丌采的实际情况， 即大倾角煤层的复杂条件，运用实验室相似模型试验和基于显式有限差分基础上的 F L A C 程序，对煤矿煤层开采引起的岩体移动、矿山压力分布和地表沉陷的基本规 律进行了研究，所得结果对现场开采、工作面支护和采空区处理具有一定的指导作 用，为开采所致地表沉陷的治理提供科学依据。 本文首先简要介绍了相似模拟的发展和相似理论，在此基础上建立南桐煤矿和 东林煤矿的相似模拟模型，也即建立采煤工作面倾向剖面的相似模型，对其进行相 似模拟试验研究，基于试验数据和模拟采动对采煤工作面推进时上覆岩层的移动规 律及时空变化规律进行了探讨；其次，在试验研究的基础上，针对南桐矿务局南桐 煤矿深部开采复杂的采矿地质条件，运用求解非线性大变形问题的有限差分法，对 南桐煤矿开采引起的岩体移动、矿山压力分布和地表沉陷进行了研究，也即利用数 值模拟 有限元 对两种倾角煤层开采的位移场、应变场和速度场变化进行研究， 总结出南桐煤矿深部开采引起岩体移动的基本特征、采场周围矿山压力分布规律和 地表沉陷的相关参数最后基于南桐煤矿深部开采的岩移基本规律、矿山压力分布 规律和地表移动变形的基本特征，提出开采沉陷的防治措施，为现场采掘工作提供 科学依据。 关键词地表沉陷，岩体移动，相似模型试验，大倾角煤层，有限差分法 1 华中科技大学硕士学位论文 A b s t r a c t A c c o r d i n gt ot h ec o m p l e xc o n d i t i o n si nN a n t o n gc o a lf i e l d ，t h ed e e pe x c a v a t i o nw i l l c a u s et h ec o n t i n u o u ss u r f a c ed i s p l a c e m e n ta n ds t r a t am o v e m e n t ，w h i c hw i l lr e s u l ti na d i s c o n t i n u o u sd e s t r u c t i o n ．E s p e c i a l l y ，b e c a u s eo ft h ei n c r e a s i n ge x c a v a t i o nd e p t h ，t h e r e s u l t a n ts u r f a c ed i s p l a c e m e n ti sm o r es e r i o u s ，w h i c hi n t e r f e r e ss i g n i f i c a n t l yt h es a f e t y d u r i n gt h ep r o c e s so ft h ec o a lm i n ep r o d u c t i o n ，C o n s i d e r i n gt h ec o m p l e xc o n d i t i o n so f d e e pe x c a v a t i o ni nN a n t o n gc o a lm i n ea n dD o n g l i nc o a lm i n e ，i ．e ．s e a n lw i t hd e e pd i p a n g l e ，m o d e lt e s ta n dc a l c u l a t i o nw i t hF a s tL a g r a n g i a nA n a l y s i so fC o n t i n u a F L A C p r o g r a ma r ec a r r i e do u tt op r e d i c ts t r a t am o v e m e n t ，g r o u n dp r e s s u r ea n ds u b s i d e n c ed u e t Om i n i n gi nt h et h e s i s ．T h er e s u l t sa r eo fr e f e r e n t i a lv a l u ef o rm i n i n g ，s u p p o r t i n ga n d p r e v e n t i n go fs u r f a c ed i s p l a c e m e n t ，A c c o r d i n g l y ，i ti sp o s s i b l et h a tw ec a no b t a i ns o m e s o l u t i o n sf o rt h es u r f a c ed i s p l a c e m e n td u et Om i n i n g ． F i r s t l y ，t h et h e s i sd e s c r i b e sb r i e f l yt h es i m i l a rt h e o r ya n dt h eh i s t o r yo ft h es i m i l a r s i m u l a t i o n ．B a s e do nt h es i m i l a rm o d e lo ft h ew o r k i n gf a c ei nN a n t o n gc o a lm i n ea n d D o n g l i nc o a lm i n e ．t h em o d e lt e s t s a r ec a r r i e do u tf o rt h ed e t e r m i n a t i o no fs t r a t a m o v e m e n tc a u s e db yt h ed e e pe x c a v a t i o ni nt h ed i f f e r e n tp e r i o d ．S e c o n d l y ，d u et ot h e c o m p l e xc o n d i t i o n so fd e e pe x c a v a t i o n i nN a n t o n gm i n e ，L a g r a n g i a nA n a l y s i so f C o n t i n u a F L A C p r o g r a ma r ec a r r i e do u tf o rs t r a t am o v e m e n t ，g r o u n dp r e s s u r ea n d s u r f a c ed i s p l a c e m e n td u et oc o a le x t r a c t i o n ．T h ed i s p l a c e m e n tf i e l da n ds t r e s sf i e l da l o n g w i t ht h ev e l o c i t yf i e l dh a v e b e e nr e s e a r c h e du s i n gt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i ．e ．t h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o d ．B a s e do nt h ea n a l y s i so fN a n t o n gm i n e ，t h eb a s i cf e a t u r e so fs t r a t a m o v e m e n t ，t h ef u n d a m e n t a lb e h a v i o ro fg r o u n dp r e s s u r ea n dt h er e l a t e dp a r a m e t e r so f s u r f a c ed i s p l a c e m e n ta r eo b t a i n e d ．F i n a l l y ，t h es o l u t i o n sa r ep r o p o s e df o rt h ep r e v e n t i o n o fs u r f a c ed i s p l a c e m e n td u r i n gt h ed e e pm i n i n g ，I ns o m ee x t e n tg u i d a n c ei sp r e s e n t e df o r m i n i n g 洫c o n if i e l d ． K e y w o r d s S u r f a c eD i s p l a c e m e n t ；S t r a t aM o v e m e n t ；M o d e l i n gE x p e r i m e n t ；D e e p D i pA n g l eS e a m ；F L A C I I 独创性声明 本人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。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担， 学位论文作者虢l 睇务 日期枷西年r 月8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密回。 请在以上方框内打“4 ” 学位论文作者签名 1 螗务 日期弘咿f 年f 月罗日 指导教师签名，；牟旗 日期p 两年r 月占日 华中科技大学硕士学位论文 ； ； 1 绪论 1 ．1开采沉陷的研究现状及意义 煤层开采引起岩层和地表产生连续的移动、变形和非连续的破坏 丌裂、冒落 等 ，即“开采沉陷” M i n i n gS u b s i d e n c e ，此问题由来已久，但由于地质条件的复杂 性和采煤方法的多样性，使得问题仍未得到彻底解决。特别是随着我国经济建设的 飞速发展，对各类能源的需求量不断加大，就煤炭而言，由于对产量的要求使得矿 山的开采范围不断扩大，从而使“三下” 建筑物下、水体下、铁路下 采煤引起的矿 山岩层和地表移动这类问题日益突出。仅从我国“三下”的压煤量来看，就可以显示 出开采沉陷研究的重要性。据1 9 8 2 年底的不完全统计，我国生产矿井“三下”压煤量 总计达到1 3 3 ．4 8 亿吨，其中建筑物下7 8 ．1 8 亿吨、水体下f 包括承压灰岩水上 3 6 ．3 9 亿吨、铁路下1 8 ．9 1 亿吨。若通过开采沉陷研究能将“三下”的压煤采出一半，即6 6 ．7 4 亿吨，便可供6 6 个年产1 0 0 万吨的大型矿井生产1 0 0 年。但迄今为止我国“三下” 采煤量不足7 亿吨，仅占整个“三下”压煤量的5 ％左右，由此可见，只有进一步加 强对开采沉陷的研究，才能逐步满足我国经济发展的需要。 基于上述展开开采沉陷研究的重要性，国内外科技工作者因此投入大量时间进 行岩层移动的研究工作，迄今已取得了丰硕的研究成果。前苏联、波兰、德国、澳 大利亚、加拿大、美国等采矿业发达国家对开采沉陷的理论和实践都进行了较为深 入的研究。前苏联学者早在3 0 年代就开始了相关研究，对开采后的岩层移动进行了 地面观测和地下观测，获得了大量的原始资料和实测数据，并在此基础上对岩层控 制和采煤工艺进行了改进和完善，不仅提出了各类顶板的支护阻力和下沉量的计算 方法，而且研究了岩层及地表受采动影响后的运动特征、影响和破坏的范围及程度 ⋯【2 】[ 3 】 a 我国对开采沉陷理论的研究则从5 0 年代才开始起步，经过几十年的努力，积 累了大量的实测资料，在借鉴国外先进技术、经验的基础上，经过工程技术人员的 l 华中科技大学硕士学位论文 创新改进，国内也逐渐形成了独具特色的且非常适用的开采沉陷理论，其中中国矿 业大学在开采沉陷研究领域居领先地位。刘宝琛、廖国华等基于J ．L i t w i n s z y n 的随 机介质理论，提出的“概率积分法”已为工程技术人员普遍采用，成为国内较成熟的 开采沉陷预测方法之一。 另一方面，近年由于数学、力学、建筑、计算机等学科的不断发展，使得开采 沉陷学科形成了许多新方法、新理论。J ．L i t w i n s z y n 对随机介质理论作了更深入的 研究；刘宝琛将随机介质理论发展为多项介质的耦合计算；李文秀、张玉卓将模糊 数学引入随机介质理论中；中国矿大的学者们通过对地层结构的研究，提出了托板 及关键层理论，形成了一种独特的研究方法尤其在数值分析方面，王泳嘉将离散 元应用于开采沉陷研究；邹友峰编制了条带开采沉陷预计的三维层状介质计算机程 序；锹乾生、疏开生应用非线性三维有限元法对开采沉陷引起岩层移动进行了模拟 分析【4 】【5 】1 6 1 [ 7 1 。 开采沉陷预测是开采沉陷学科的核心内容之一，对开采沉陷的理论研究和生产 实践具有十分重要的现实意义。利用预测结果不仅可以定量研究岩层与地表移动的 时间和空间分布规律，而且对建筑物下、铁路下、水体下的开采实践具有重要的指 导意义，尤其是建筑物下所进行的开采，预测结果常被用于判别建筑物是否受开采 影响及影响程度，作为对该建筑物进行维修、加固或就地重建、采取地下开采措施 等的依据；在铁路下采煤时可根据预测结果铁路下的开采可能性进行判断，估算铁 路维修工作量和材料用量；针对水体下采煤，预测结果通常被用于判断矿井受水患 威胁的严重程度，及通过研究堤坝等水工建筑物受开采影响破坏的大小，便于及时 对建筑物采取维修或保护措旌。值得注意的是，过于保守 或偏大 的预测结果，将 导致不必要的保护费用，从而造成浪费 致保护措施不力，使保护对象受到破坏 全‘8 】￡9 1 1 1 叭。 1 ．2目前开采沉陷的主要研究方法 1 ．现场观测及探测法 过于低估 或偏小 的预测结果，则可能导 造成不必要的经济损失，甚至危及生命安 华中科技大学硕士学位论文 迄今为止，被广泛采用的现场观测及探测方法主要包括上覆岩层移动观测、豢 体应力观测、钻孔量测、工程物探等等。上述方法通过观测地表及覆岩移动、变牙 破坏的规律，得到围岩应力应变及岩体力学性质的实际资料，为后续的理论研究罄 定基础，即为其提供必不可少的参量。此外。现场观测与量测也是检验理论研究 ． 论可靠性的有效手段。 目前比较先进的现场观测及探测系统有美国S O N O E X 沉降系统、英茂 E 2 ／O M S 0 3 ／R 4 8 全站型仪器系统、平顶山和枣庄的网状观测站 包括多道数字地薏 仪、钻孔电视、钻孔C T 技术等 等等㈩。 2 ．理论分析法 近百年来，对开采沉陷领域的理论分析已取得了很大进展，提出的理论研究●、 法主要包括几何法、随机介质法、数理统计法、材料力学法、结构力学法、弹塑性 法和粘弹性法等等，其中由J ．L i t w i n s z y n 提出的随机介质菲连续颗粒体介质模型≮ 其延伸的各种沉陷理论应用最为广泛，并经过现场试验的进一步验证而日趋完善叫．． 3 ．室内物理模拟法 开采沉陷的研究中最常用的室内物理方法是相似材料模拟法，其次是离心模拟、 电模拟、光电模拟等等。随着采面机械化程度的提高，采深的增加，煤层间的相7 C 影响日趋严重。不仅造成巷道维护困难，而且己成为制约生产能力的主要因素，严 重影响矿井安全生产。因此，研究煤层开采时的应力影响范围及下煤层开采时上镘 岩层的破坏形态及移动变形规律对确定煤层间的合理采序及回采巷道布置均有现’其 意义。由于岩层移动及采场应力的影响因素多，物理过程复杂，目前相似模拟试验 是一种研究该问题的有效手段。前苏联于1 9 3 7 年首次采用相似材料模拟法研究岩层 移动问题，国内五十年代末才开展这方面的研究。 相似模拟试验主要是研究戊组煤的开采对丁组煤的影响。在试验时，模型与原 形之间遵守几何、容重、强度及时间相似等相似准则。该方法能较直观地研究地表 移动，尤其便于观察岩层内部的运动特征，可弥补理论研究的不足，但因模拟条件 复杂、边界条件难以满足、材料配比相似性差等局限性，相似材料模拟法并不能作 - _ _ _ _ _ _ _ - ●_ _ _ _ _ - 一一 3 华中科技大学硕士学位论文 z ；； ； ；≈ 为一种单一的方法来研究开采沉陷规律㈣【1 4 1 。 4 ．数值分析法 随着数值理论的发展。有限元法、边界元法、离散元法等方法的应用领域越来 越广泛。二十世纪七十年代，国内外的研究人员开始利用数值分析法对开采沉陷进 行研究，其中有限元法在开采沉陷领域发展较快。他们积累了丰富的经验，并开发 出成熟的计算软件，如S A P 系统、A D I N A 系统、N C A P 系统等，这些软件已在国内 得到广泛应用。作为显式有限差分法的应用程序，F L A C F a s tL a g r a n g i a nA n a l y s i so f C o n t i n u a 将所求解运动学方程的方式定为时间步长方式，从而在性能方面即可能将 所研究的体系视为随时间渐变的系统。在地表沉陷领域，时间是十分重要的概念， 因此人们一直在寻找地表沉陷的动态模型，而F L A C 能在某种程度上满足这一要求。 F L A C 是由美国M i n n e s o t a 大学和美国I t a s c a 咨询股份有限集团联合开发的连续 介质有限差分计算机程序。算法模型根据计算对象的形状，通过多边形单元和区域 构造成相应的网格，然后每一单元在外载和边界条件的约束条件下，按照约定的线 性或非线性应力一应变关系得到力学响应。此模型专门应用于岩土力学与工程，尤 其适合模拟计算构筑岩土类材料和岩土中某些工程结构的力学特性[ 1 “。 F L A C 程序是建立在拉格朗日算法的基础上，因而特别适合于精确模拟大变形和 材料失稳 塑性流动、脆性破坏等 。F L A C 程序设有多种本构模型，可用于计算岩土 类材料的高度非线性 包括应变硬化／软化 、不可逆剪切破坏和压密、粘弹 蠕变 、 孔隙介质的固一流耦合、热一力耦合以及动力学行为等，包括 1 各向同性弹性材料模型； 2 横观各向同性弹性材料模型； 3 莫尔．库仑弹塑材料模型； 4 应交硬化／软化塑性材料模型 5 1 双屈服塑性材料模型； 6 遍布节理材料模型 7 空单元模型 主要用于模拟地下洞室的开挖和矿体开采 。 由于F L A C 程序主要是为岩土力学和工程而开发出来的岩石力学计算软件，计 华中科技大学硕士学位论文 算程序中包括了反映地质材料力学效应的特殊计算功能，特别适合于解决岩土力学 和岩土工程问题 边坡稳定、地基基础设计、采矿和隧道设计、岩体和土体锚固、 重力坝设计、地震工程和采矿岩爆研究、爆破动力响应和震动、底下水渗流、核废 料处理的热力学效应等 。此外，程序设有界面单元，可以模拟断层、节理和摩擦边 界的滑动以及张开和闭合行为，同时．支护结构 如砌衬、锚杆、刚架或板壳等 与围岩的相互作用也可在F L A C 中进行模拟。用户还可根据需要在F L A C 中建立自 己的本构模型，进行各种特殊的修正和补充。F L A C 程序具有强大的后处理功 能，用户可以直接在屏幕上绘制或以文件形式创建和输出打印多种形式的图形。使 用者还可以根据具体需要，将若于个变量合并在同一幅图形中进行研究分析。 F L A C 采用显式算法来获得模型全部运动方程 包括内变量 的时间步长解， 从而可以追踪材料的渐进破坏和跨落，这对研究岩土工程设计十分重要。此外，程 序允许输入多种材料模型，亦可在计算过程中改变某个局部的材料参数，增强了程 序应用的灵活性，极大方便了岩土工程对于开挖与支护等工序在模拟计算上的处理。 与国内同类计算软件相比，F L A C 的计算功能更具有先进性，因此本研究应用该软 件对重庆市南桐矿务局东林煤矿 急倾斜煤层 和南桐煤矿 倾斜煤层 开采所引 起的地表沉陷和移动进行计算分析。 综上所述，目前的开采沉陷理论研究方法还存在许多问题，采用假设、简化方 法均不能达到较理想的实际效果。因此本课题研究结合南桐矿区和东林矿区地质背 景，采用相似模拟试验与数值模拟两种方法，研究该地区地表沉陷的一般规律、沉 陷参数和特点参数，揭示岩石移动破坏规律等，探求各种不同方法的共同点和差异 点，真正解决矿山沉陷中的实际问题。 1 ．3 论文的研究背景及内容 1 ．3 ．1 研究背景 南桐矿区地处重庆市南部，位于重庆与贵州交界地带 今万盛区 ，有川黔铁 路、川湘公路经过该区。过去，南桐矿区在“三下”采煤方面做了大量的工作，已基 5 华中科技大学顽士学位论文 ； 本上掌握了浅部开采的地表移动与变形规律，对南桐矿区的“三下”采煤工作起到了 指导作用。随着南桐矿区的采掘活动逐渐向深部发展，已有事实证明深部开采引起 的地表移动和变形规律与浅部开采间存在很大区别。浅部开采所认识的规律己难于 用来正确指导南桐矿区深部开采的“三下”采掘工作，故提出对南桐矿区深部采掘后 地表及岩层内的移动变形规律进行研究。由于现场观测涉及征地维护、日常观测等 许多环节，需要大量的人力、物力、财力支持，耗时多，周期长，是一项庞大的系 统工程。本文将相似模拟实验研究与数值计算分析相结合，针对南桐矿务局南桐煤 矿和东林煤矿深部开采的实际情况进行研究，通过与现场实测所得的各种岩移参数 和移动变形规律相比较，以及对研究区域涤部开采 急倾斜煤层和倾斜煤层两种情况 的岩移基本规律进行对比和综合分析，得到较准确的南桐矿区深部开采岩移基本规 律。研究相似模拟试验与数值分析方法在多大程度上能够替代现场实测研究，并确 定适合于南桐地区的“开采沉陷”基本规律，为“三下”采煤提供可靠的依据。 1 ．3 ．2 论文的主要研究内容 研究采用相似模拟试验研究和数值分析相结合的方法，对南桐煤矿二井三区 倾 斜煤层 和东林煤矿二一区 急倾斜煤层 的地表移动及上覆岩层移动的时空变化， 即地表移动与变形范围及形态、地表移动与变形的极值及其位置、地表移动与变形 的动态基本规律、上覆岩层离层时空位置及分布规律等进行研究。主要研究内容如 下 1 对区域内地表各观测点的观测资料进行分析； 2 对区域内的地质资料、工作面生产技术资料和煤岩物理力学性质进行分析研 究； 3 进行相似模拟试验研究，建立采煤工作面倾向剖面的相似模型，研究采煤工 作面推进时上覆岩层的移动规律及时空变化规律； 4 根据实验室研究结果，采用理论研究和数值分析相结合的方法对两种倾角的 煤层开采引起的位移场、应变场和速度场变化进行研究； 5 采用F L A C 软件对研究区域的开采沉陷进行有限差分法的计算机模拟。 6 华中科技大学硕士学位论文 - ； 1 ．4 论文的章节安排 本文共分四章。第一章主要介绍开采沉陷的研究现状和意义以及丌采沉陷研究 的主要方法，阐明本文研究的主要内容、任务及方法。第二章对研究区域的位置交 通、环境以及该区域的地质力学性质和特征进行了简要描述，并具体介绍了南桐煤 矿和东林煤矿的地质特征情况。第三章详细介绍相似模拟的发展和相似理论，运用 此理论建立了南桐煤矿和东林煤矿的相似模拟模型，并阐述了相似模型的条件和相 似材料配比要求；同时，对模型进行了模拟采动，得到有关的实验数据和实验结果， 然后根据实验结果，进行有关计算和分析，最终得到南桐煤矿和东林煤矿岩层移动 和沉陷的基本规律；第四章详细介绍了数值分析研究理论，运用其中当前国内外发 展较为完善的有限差分法进行数值模拟，借助F L A C 程序软件的分析计算，对南桐 煤矿岩层移动和沉陷的基本规律进行研究。第五章在相似模拟试验和数值分析的基 础上，给出南桐煤矿和东林煤矿岩层移动和沉陷的基本规律，并提出大力开展本课 题理论研究的建议。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 ．1位置交通 2 研究区域概述 南桐矿区地处四川盆地与云贵高原的交界地带，重庆市的南部 今万盛区 ， 地理坐标北纬2 8 。3 5 ‘4 9 ”～2 8 。4 5 ’2 1 ”，东经1 0 6 。2 3 ’3 8 ”～1 0 6 。3 5 ‘2 9 ”。有川黔铁路、川 湘公路经过，平均海拔4 0 0 m 左右。矿区内有两家军工企业，并有水用、鱼塘等民 用设施分布。 2 ．2 气象水文 本区属于亚热带温湿季风气候，冬暖夏热。最冷月一月平均气温一般在零上 5 ℃。夏季因地形郁闭，气候闷热，最热月七月平均气温2 7 * 2 左右，重庆一带2 9 “ 2 ， 极端最高气温曾达4 4 “ C 1 9 3 3 年7 月2 5 日 ，号称长江流域夏日三大“火炉”，是我 国夏季热中心之一。全年无霜期始于- - , E l 初，长达1 1 个月。日平均气温稳定，通过 O ℃和1 0 ℃的日数分别约3 6 0 天和2 6 0 天。年降水量约l1 0 0 ．1 3 0 0 m m 。重庆地区河 谷冬春多雾，有雾都之称。生长期农田水分盈余4 0 0 ．5 0 0 m m 。主要灾害性天气是夏 日兰3 5 ℃的酷热天持续时间较长，秋冬春川江多发大雾，一般雾日达1 0 0 天以上， 最多可达2 0 0 天。 2 ．3 研究区域概况 研究区域地处四川盆地东南部，周边中低山环绕，主要有大巴山、巫山、大娄 山和金佛山等，多数海拔在1 0 0 0 m 以上，其中南川的金佛山达2 2 5 1 m ，地形为条状 背斜山岭，与河谷相间分布。 在所有研究区域中，石灰岩、砂岩和页岩占了绝大部分，地表土壤多呈红褐色， 是侏罗系砂岩风化而成。由河谷和公路两侧的岩体露头可以看出，砂岩和石灰岩所 占的比例比较大。石灰岩的颜色从浅灰色到黄色，直至褐色和紫色均有出现。砂岩 8 华中科技大学硕士学位论文 的颜色以灰色和黄色为主。 区内地质构造较多，情况较为复杂。由于灰岩在地层中所占比例较大，所以区 内溶洞相当发育，地下水十分丰富。从开采后的现场实地考察，发现节理、裂隙较 发育，断层大的裂隙带时有发现。 2 ．4 南桐矿区概况 南桐矿区主要的产煤地层为上三叠系须家河组和上二叠系龙潭组。须家河组的 煤层比较薄，一般在l m 以下，属薄煤层与极薄煤层。顶板和底板的主要承载岩层 关 键岩层 是砂岩和粉沙岩。龙潭组煤层较厚，一般在l m 以上，有的甚至可达3 m ， 成为南桐矿区的主要采煤层。其顶底板的主要承载岩层为灰岩，顶部关键层为长兴 组灰岩，底板关键层为茅口组灰岩。龙潭组的4 4 、5 4 及6 “煤层为南桐矿区的主要采 煤层，这三层煤按从上到下的顺序来排列。其中以5 4 煤层较薄，丽4 9 和6 4 煤层较厚。 本文研究的是4 4 和6 4 主煤层。 煤层倾角为3 5 。左右，平均采深为5 0 0 m 左右。南桐矿二井三区采用走向长壁采 煤法，采空区采用全部垮落法管理顶板。采区内地质构造较多，溶洞较发育，地下 水丰富。节理、裂隙发育，断层多。南桐煤矿的岩层力学参数如表2 一l 所示，南桐矿 区的岩性描述及分层情况见表2 ．2 。 袁2 1南桐煤矿岩层力学特性参数 ＼埒拦 弹性模量 泊松比内聚力 内摩擦角单轴抗压强单轴抗拉强 岩石≥瓠＼ t 0 4 M P a u M P a o 度 M P a 度 M P a 石灰岩1 2 ．0 5 60 ．2 7 31 45 13 3 ．47 0 ．2 7 03 ．2 1 8 泥质石灰岩1 ．5 3 20 ．2 8 81 4 ．5 13 3 ．42 7 ．6 2 20 ．7 1 l 煤层O ．1 6 30 ．2 3 91 ．0 43 4 ．21 1 ．8 3 30 ．3 5 8 石灰岩1 2 ．0 5 6 0 ．2 7 31 4 ．5 13 3 ．4 7 0 ．2 7 0 3 ．2 1 8 一一 9 华中科技大学顽士学位论文 ； ； ； ； ； 表2 2 南桐矿区岩性描述及分层情况 。一 系 组 厚度 m 岩性描述 一 2 9 褐色、中至细粒岩屑石灰岩 6 0 黄色、褐灰色细粒i i 灰岩、含九层煤线 须家河组 8 4 石英粉砂岩、浅灰色厚层至块状，细至中粒 T 3 x j 5 0 石英粉砂岩、石英砂岩 2 5 5 细至中料石英砂岩，浅黄色、黄绿色 5 1 水云母粘士岩、石英砂岩 1 1 6 黄灰色、黄褐色页岩 雷口坡组T 2 I 叠4 6厚至中厚层状浅灰色白云母石灰岩 系2 8 8 灰色石灰岩 T 3嘉陵江组 3 6 石灰岩，下为黄色上为紫色 Z , j 3 1上部为灰黄色页岩，下部为灰色石灰岩 9 7深灰色薄至中厚石灰岩 3 3黄色页岩 1 2 0钙质泥岩，肝紫色 飞仙关组T t f 4 4 石灰岩 1 0 1 灰色、紫色、石灰岩 二 氏兴组P 2 C 6 5深灰色棕色巨厚层状灰岩 叠 龙潭组P 2 1 9 4泥岩、砂页岩，4 4 、5 4 、6 4 煤 系 茅口组P 2 m 2 4 0棕灰色厚层状石灰岩 T 2栖霞组P 3 X l l O深灰色沥青质厚层石灰岩 2 ．5 东林矿区概况 东林矿区地质构造较多，与研究区域南桐矿区的地质存在许多相似之处。与南 桐区一样，由于灰岩在地层中所占的比例较大，所以区内的溶洞相当发育，地下水 相当丰富。但东林煤矿位于褶皱的背斜部位，有几条断层通过背斜的核心部位，二 者的力学特性与岩性存在一些差别。东林煤矿岩层的力学特性参数如表2 - 3 所示， l o 华中科技大学顽士学位论文 东林煤矿的岩性描述及分层情况见表2 - 4 。 表2 - 3 东林煤矿岩层的力学特性参数 嘴性弹性模量泊松比单轴抗压强度 单轴抗拉强度 ＼ 厚度 m 岩石狲 1 0 4 M P a u M P a M P a 石灰岩7 9 ．8 51 20 5 602 7 3 7 0 ，2 7 0 3 ．2 18 钙质泥岩 2 2 ．1 1 1 ．5 3 2 0 ．2 8 82 7 ．6 2 207 1 】 泥砂岩1 3 1 ．2 51 ．5 3 20 ．2 8 82 7 ．6 2 2 0 ．7 18 灰岩 2 1 31 20 5 602 7 37 02 7 0 32 18 泥岩 1 2 ．11 ．5 3 20 ．2 8 82 76 2 2 O7 1 1 煤层2 ．8O ．{ 6 30 ．2 3 91 18 3 3O ．3 5 8 铝土屡2 4 ．51 ．5 3 20 ．2 3 92 7 ．6 2 2O ．7 1 1 表2 - 4 东林煤矿岩性描述及分层情况 系组 厚度 m 岩性描述 7 9 ．8浅灰层薄层状石灰岩 b 仙关F 段2 2 ．1紫色中层状浅灰色石灰岩 叠 T l n 一5 1 0 ．6薄至中厚层状浅灰色石灰岩 系 3 1 ．6中厚层状白灰色石灰岩 1 9 ．I 中厚与厚层状深灰色石灰岩 长兴P 2 C 一● 3 0 ．O中厚与厚层状灰色石灰岩 3 ．8 褐色岩石 叠 系 龙潭P 2 11 7 ．9中厚石灰岩、下部泥岩 3 0灰岩、泥岩、页岩夹煤 茅口P 2 m 2 3 0深灰色石灰岩 2 ．6 本章小结 本章首先简要描述了研究区域的地理位置、交通以及地质地貌，然后进一步详 细描述了南桐煤矿和东林煤矿的地质条件和地质特征。通过认识和掌握研究区域的 基本情况，以便更好地理解开采沉陷研究的目的、任务和意义。 l l 华中科技大学硕士学位论文 3 开采沉陷的相似模拟试验研究 现代社会经济高速发展，对能源的需求不断增加，煤矿开采也在不断深入。随 着开采机械化程度的提高和采深的不断增加，煤层与煤层之间、煤层与岩层之间、 岩层与岩层之间的相互影响日趋严重，不仅造成采矿巷道维护困难，而且也成为制 约生产能力的主要因素，严重影响矿井的安全生产。因此研究煤层开采时的应力影 响范围及下煤层开采时上覆岩层的破坏形态及移动变形规律，对确定煤层间的合理 采序及回采巷道布置均有重要的现实意义。岩层移动及采场应力的影响因素较多， 物理过程复杂，目前相似模拟实验是一种研究该问题的有效手段。 相似模拟研究是以相似理论和因次分析为依据，运用相似材料，按照采矿的现 场生产条件，以一定的比例缩小成模型，然后在模型中按相似比进行采矿试验，并 观测模型的变形、位移以及破坏发展的全过程。实验中，模型与原形之间遵守几何、 容重、强度及时间相似等相似准则。一般而言，模型几何比越大，其精度越高，越 能反映原形的实际情况，但所需成本和时间也越多。实践证明，只要材料性能合适， 在提高加工精度及砌筑工艺水平、采取较高精度量测设备等技术措施的基础上，适 当缩小模型的几何比是可行的【1 6 】㈣。 针对重庆市南桐矿务局南桐煤矿二井三区和东林煤矿二一区的开采地质条件 进行相似模拟试验。南桐煤矿二井三区主要产煤地层为上三叠系须家河组和上二叠 系龙潭组，龙潭组的4 、5 及6 号煤层为南桐煤矿的主采煤层，5 号煤层较薄，4 号和 6 号煤层较厚，平均厚度在l m 以上，部分地区可达到3 m ，煤层倾角为3 5 0 左右，平均 采深为5 0 0 m 。二井三区采用走向长壁采煤法，全部垮落法管理顶板。采区