神东风积沙矿区开采沉陷主要影响因素研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目神东风积沙矿区开采沉陷主要影响因素研究 英文题目英文题目 The research of shen-dong aeolian sand mining area of main influencing factors of mining subsidence 学位类学位类别别 工程硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 岳 明 学号学号 201202489 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 2014 年 6 月 7 日 分类号分类号 TD325 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 开采沉陷问题的研究是一种复杂的采动损害问题，对于不同的地质和采矿条件，都 会得出不同的地表沉陷规律。目前，我国主要集中在薄松散层矿区和中东部平原矿区进 行开采沉陷问题的研究，而对于神东风积沙矿区的研究则很少涉及。 通过研究神东风积沙矿区开采沉陷的主要影响因素，可以揭示厚风积沙条件下矿区 的地表沉陷规律；并提出控制开采沉陷的措施，为神东矿区安全采煤及其地面保护提供 参考依据。 本文主要采用 FLAC3D软件进行数值模拟分析， 完成了以下几个方面的工作 （1）根据收集的神东风积沙矿区地质资料，总结矿区开采沉陷的主要影响因素。 （2）根据补连塔煤矿 12407 综采工作面钻孔综合柱状图，构建 FLAC3D数值计算模 型；将矿区收集的岩样进行加工并测得煤岩物理力学参数。 （3）分别对松散层厚度、采高、地形以及关键层位置对地表移动的影响进行分析， 总结出的沉陷规律如下 ① 在采深不变的情况下， 伴随松散层厚度的增加， 地表垂直位移最大值和水平位移 最大值会逐渐增大；地表下沉系数也逐渐增大，地表水平移动系数增大到一定程度时， 会趋于某一恒定值保持不变。 ② 随着采高的增加， 地表垂向位移最大值和水平位移最大值均呈线性关系增大； 地 表下沉系数也随之增大，地表水平移动系数则逐渐减小。 ③ 斜坡滑移产生的下沉量，在坡顶与平地沉陷量相互“叠加”，增加了地表下沉量； 在坡中央则与平地沉陷量相互“抵消”，减少了地表下沉量；而在坡底，升降斜坡则滑移 造成地表抬升；升斜坡与降斜坡的水平位移量均小于平地。 ④ 关键层位于上位的结构类型， 一方面， 地表最大下沉值小于关键层位于下位时的 下沉值；另一方面，延缓了拉应力区的向上扩展，推迟了关键层的破断时间，故对地表 稳定是有利的。 （4） 神东风积沙矿区为干旱半干旱气候，制约着充填开采的运用，而条带开采又影 响矿区的高效开采，故沉陷控制方法宜选择协调开采。为更好的控制地表沉陷，当地面 保护区域不大时，应选择全采开采方式；而当地面保护区域较大时，应选择跳采的开采 方式；开采期间开采速度应保持稳定并尽量避免顺序开采方式。 关键词关键词神东风积沙矿区；开采沉陷；FLAC3D；影响因素；沉陷控制 内蒙古科技大学硕士学位论文 II Abstract Study of mining subsidence is a complex problem of mining damage, for different geological and mining conditions, the surface subsidence rule is different. At present, our country for a focus in the study of theory and practice of mining subsidence area, mainly concentrated in the eastern central plains in the mining and mining thin loose bed, and for shen-dong aeolian sand area of mining subsidence research are rarely involved. By study shen-dong aeolian sand mining area of main influence factors of mining subsidence, can be thick aeolian sand was revealed in theory under the condition of the mining area surface subsidence deation mechanism and law of mining subsidence and puts forward control measures, for shen-dong mining area coal mining safety and provide reference for ground protection.This article uses the finite difference software FLAC3D numerical simulation analysis, mainly finished the following several aspects work 1 According to the collection, the geological data of shen-dong aeolian sand mining area, summarizes the main influencing factors of the mining subsidence in the area. 2 According to fill the tower 12407 fully mechanized coal working face drilling comprehensive histogram, FLAC3D numerical model was constructed; The mining area to collect the sample processing and measured coal and rock physical and mechanical parameters. 3 To analyze the influence of surface movement of the loose bed thickness, mining height,topography,the key stratum location,summarized the subsidence laws are as follows ① Under the condition of invariable in mining depth, alone with the increase of the thickness of the loose bed, the surface of the maximum vertical displacement and the maximum horizontal displacement will increase gradually; Surface subsidence coefficient alse increases gradually; The surface horizontal displacement coefficient decreases, and then reaches a certain degree, are no longer changing. ② With the increase of mining height, the surface of the vertical are in linear relationship between the maximum displacement and maximum horizontal displacement; Also increase coefficient of surface subsidence, ground surface level coefficient decreases. 内蒙古科技大学硕士学位论文 III ③ The lift and slope topography has the following characteristics the bottom part of the subsidence is positive, the slope slip cause near bottom uplift; In the top part of the sliding surface subsidence caused by negative, namely the slip surface subsidence. ④ When the key is located in the lower layer, the surface of the maximum subsidence value is greater than the critical layer is located in the upper value of subsidence, damage degree is greater than the same key strata in the superior conditions, therefore, other things equal, the key is located in the upper layer of structure is good for the surface stability. 4 The subsidence control measures are put forward, and the numerical simulation is made on the optimal exploitation scheme to better control the surface subsidence, ground protection area is not big, should choose to clean mining way; And the local surface protection area is larger, should choose to jump by way of mining; At the same time, should be avoided in the process of mining sequence mining s. Key wordsShen-dong aeolian sand mining area；Mining subsidence；FLAC3D；Influencing factors；Subsidence control 内蒙古科技大学硕士学位论文 IV 目目 录录 摘 要........................................................................................................................................... I Abstract ........................................................................................................................................... II 1绪 论 ...................................................................................................................................... 1 1.1问题的提出及研究意义 .................................................................................................. 1 1.1.1选题背景 ............................................................................................................... 1 1.1.2选题目的 ............................................................................................................... 2 1.1.3研究意义 ............................................................................................................... 2 1.2国内外研究现状 .............................................................................................................. 3 1.2.1厚松散层条件下开采沉陷研究现状 ................................................................. 3 1.2.2开采沉陷数值模拟研究现状 ............................................................................. 4 1.2.3开采沉陷影响因素研究现状 ............................................................................. 5 1.3研究内容与研究方法 ...................................................................................................... 6 1.3.1研究内容 ............................................................................................................... 6 1.3.2研究方法 ............................................................................................................... 7 2神东矿区地质条件及沉陷影响因素分析 ................................................................................ 8 2.1神东矿区概况 .................................................................................................................. 8 2.2神东矿区地质条件 .......................................................................................................... 9 2.2.1神东矿区煤层赋存条件 ...................................................................................... 9 2.2.2神东矿区松散层类型和性质 ........................................................................... 10 2.3神东矿区沉陷影响因素分析 ....................................................................................... 11 2.3.1 地质因素 ............................................................................................................ 11 2.3.2 采矿因素 ............................................................................................................ 14 2.4本章小结 ......................................................................................................................... 15 3 FLAC3D数值计算模型建立 ..................................................................................................... 16 3.1 FLAC3D介绍 .................................................................................................................. 16 3.1.1 FLAC3D软件简介 .............................................................................................. 16 3.1.2 FLAC3D特点 ....................................................................................................... 16 3.1.3 FLAC3D基本原理 .............................................................................................. 17 内蒙古科技大学硕士学位论文 V 3.2 工作面概况及煤岩物理力学参数 .............................................................................. 18 3.2.1工作面概况 ......................................................................................................... 18 3.2.2煤岩物理力学参数 ............................................................................................ 19 3.3 三维数值模型建立 ....................................................................................................... 23 3.3.1 三维计算模型范围的确定 ............................................................................... 23 3.3.2 边界条件的确定 ............................................................................................... 23 3.3.3 选取煤岩物理力学参数 ................................................................................... 23 3.3.4 三维计算模型 .................................................................................................... 23 3.4本章小结 ......................................................................................................................... 24 4 各主要影响因素对开采沉陷的影响规律 ............................................................................. 25 4.1松散层厚度对开采沉陷的影响规律 ........................................................................... 25 4.1.1 模型建立 ............................................................................................................ 25 4.1.2模拟结果分析 ..................................................................................................... 25 4.2 采高对开采沉陷的影响规律 ...................................................................................... 30 4.2.1模型建立 ............................................................................................................. 30 4.2.2 模拟结果分析 .................................................................................................... 30 4.3地形对开采沉陷的影响规律 ....................................................................................... 35 4.3.1 模型建立 ............................................................................................................ 35 4.3.2模拟结果分析 ..................................................................................................... 36 4.4 关键层位置对开采沉陷的影响规律 .......................................................................... 40 4.4.1模型建立 ............................................................................................................. 40 4.4.2 模拟结果分析 .................................................................................................... 40 4.5本章小结 ......................................................................................................................... 44 5开采沉陷控制方法研究 ........................................................................................................... 45 5.1 开采沉陷控制方法 ....................................................................................................... 45 5.1.1 条带开采 ............................................................................................................ 45 5.1.2 协调开采 ............................................................................................................ 46 5.1.3 充填开采 ............................................................................................................ 47 5.2 沉陷控制方案数值模拟 ............................................................................................... 49 5.2.1模拟方案 ............................................................................................................. 49 5.2.2 模拟结果分析 .................................................................................................... 50 内蒙古科技大学硕士学位论文 VI 5.3本章小结 ......................................................................................................................... 54 结 论 ........................................................................................................................................ 55 参考文献........................................................................................................................................ 56 在学研究成果 ............................................................................................................................... 59 致 谢 ........................................................................................................................................ 60 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪绪 论论 1.1问题的提出及研究意义问题的提出及研究意义 1.1.1选题背景选题背景 矿产资源的开发破坏了周围岩体中的应力平衡状态，将重新分布岩体中的应力至新 的平衡， 连续的移动和变形以及非连续的破坏在地表和覆岩中产生， 这个过程被称为“开 采沉陷”。开采沉陷本身就是一种环境灾害，主要由人类的生产活动引发；高强度的矿产 资源开发一方面会导致资源破坏和环境污染，另一方面会造成岩土体的位移变化，以致 出现各种地质灾害。 我国煤炭产量以占到世界总产量 40的规模稳居世界第一的位置，是名副其实的煤 炭生产与消费大国。煤炭资源进行大规模开发，开采范围已经波及到人类的生产、生活 区内。地下采煤导致各种灾害发生，如建筑物损害、地表塌陷、裂缝和山体滑坡、水资 源枯竭等，矿井的生产和人民的生活受到严重威胁，不仅矿区经济遭到重大损失，人民 的生命财产安全也得不到保障。 煤炭资源开发导致的损害突出表现为 （1）土地和植物资源遭到严重破坏，土壤质量也在大幅度下降。露天开采堆积的排 土场以及地下开采造成的地面塌陷坑和裂缝，使地貌发生改变，严重影响土地耕作和植 被生长，并使土壤质量下降。 （2）地下水资源遭到破坏，当地成为贫水地区。为了确保安全生产，煤炭开采期间 进行的人工疏干排水，严重破坏了地下水均衡系统。地下隔水层一旦被破坏，就会出现 地下水位下降，进而导致矿区发生水资源危机，成为贫水地区。 （3）水土流失和荒漠化程度加剧。煤炭开发过程中引起的沉陷使地面植被遭到破 坏，生态环境恶化，荒漠化特征比较明显。开发过程中企业为确保安全对地下水进行疏 干，使该地区出现水资源危机，并进一步加剧该地区的沙漠化进程。西部地区的水土流 失和荒漠化使北京、天津和华北地区的沙尘天气日益严重。 本文指的风积沙矿区主要位于神东矿区。神东矿区位于陕西北部的榆林和内蒙古南 部的鄂尔多斯境内，毛乌素沙漠的边缘，是我国探明的具有最大储量的煤田和最重要的 煤炭生产基地之一。神东矿区大部分煤层为浅埋煤层，埋深小于 200m，地表风积沙覆 盖广泛，形成大范围的厚松散层；同时地形高低起伏，具有复杂的地质特征，自然灾害 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 非常容易发生；地下煤炭开采不仅产生了大范围的地面沉降，而且增加了植被破坏和荒 漠化进程，给生态坏境造成损害。 近年来，国家提出要实现绿色发展，大力推进生态文明建设，构建和谐社会，在资 源开发领域就是倡导绿色开采。煤炭资源的大量开发造成日益严重的环境问题，如地面 塌陷、山体滑坡、煤矸石占用耕地等等，绿色开采亟待进行发展。我们要加强矿产资源 的合理开发利用， 使地表生态环境不因地下开采而出现灾变， 从而推动煤炭行业的高效、 协调、可持续发展。 1.1.2选题目的选题目的 开采沉陷问题涉及到采矿学、地质学、力学、测绘学、开采沉陷学和计算机技术等 诸多学科知识，属于复杂的开采损害问题。如果地质条件和采矿条件发生变化，就会得 出不同的地表沉陷规律。 虽然这个问题在采矿界已研究了许多年， 也获得了众多的成果， 但仍然存在大量需要深入研究的问题。例如，如何准确地进行开采沉陷预计与规律研究 就是亟待解决的重要问题。 目前，我国主要集中在薄松散层矿区和中东部平原矿区进行开采沉陷问题的研究， 而对于神东风积沙矿区的研究则很少涉及。相关实际资料显示，神东风积沙矿区具有特 殊的开采沉陷规律，对其产生机理和主要影响因素进行研究，是一项重大的研究课题。 同时，对神东风积沙矿区开采沉陷问题进行深入研究，将所得成果推广到煤炭资源更丰 富的新疆地区，可以更好的促进我国煤炭资源的可持续开发。 1.1.3研究意义研究意义 研究此课题的意义有 （1） 通过研究神东风积沙矿区开采沉陷的主要影响因素， 可以揭示厚风积沙条件下 矿区的地表沉陷规律，能够发展和完善现有的地表移动变形理论，丰富了开采沉陷学的 研究内容。 （2）神东矿区的地质特点为煤层厚、松散沙层厚、基岩薄、埋深浅，对神东风积沙 矿区开采沉陷课题进行专门研究，显得十分必要。通过建立神东风积沙矿区地表沉陷模 型，分析开采沉陷的主控因素，为矿区地面保护提供新的思路和依据。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - （3） 神东风积沙矿区开采沉陷规律的研究， 可以更好的了解在整个开采过程中地表 的动态沉陷过程，并总结出控制开采沉陷的措施，推动现代化绿色矿区模式的建立。研 究成果对于促进资源高效利用，矿区生态环境保护，具有重要意义。 1.2国内外研究现状国内外研究现状 开采沉陷问题严重影响着矿区的经济和人民的生活，需要进行深入研究。前苏联、 美国、英国、德国、澳大利亚、波兰、日本和加拿大等国家都对开采沉陷问题投入了大 量的时间进行专门研究，成果颇丰。半个世纪以来，我国一些条件比较好的煤矿也都建 立了自己的地表移动观测站，进行沉陷观测，一方面积累了大量的实测资料，另一方面 又更加深入的认识了开采沉陷规律。 1.2.1厚松散层条件下开采沉陷研究现状厚松散层条件下开采沉陷研究现状 松散层是一种沉积层，主要由新第三纪和第四纪的岩石沉积而来。地表如果覆盖有 松散层，将严重影响其移动变形。松散层一般情况下分为四类风积沙类、砾石类、粘 土类和黄土类。本文研究的神东风积沙矿区上部覆盖着大量的风积沙以及砾石，其共同 构成厚松散层。通过对厚松散层条件下开采沉陷的规律进行研究，将为神东风积沙矿区 开采沉陷的研究指明方向，同时在研究方法与