告成矿覆岩反倾区开采顶板移动及地表变形规律.pdf

全日制硕士学位论文 告成矿告成矿覆岩反倾区开采顶板覆岩反倾区开采顶板移动移动 及地表变形规律及地表变形规律 申请人姓名 董明丽 指导教师 宋常胜 学位类别 工学硕士 专业名称 矿业工程 研究方向 矿山压力及其控制 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○○一一五五年年四四月月 万方数据 万方数据 中图分类号中图分类号TD325 密密 级公开级公开 UDC 622 单位代码单位代码 10460 告成矿覆岩反倾区开采顶板移动及 地表变形规律 The laws of roof movement and surface deation in reverse overlying strata area at Gaocheng coal mine 申请人姓名申请人姓名 董明丽董明丽 学位类别学位类别 工学硕士工学硕士 专 业 名专 业 名 称称 矿矿业业工程工程 研究方向研究方向 矿山压力及其控制矿山压力及其控制 导导 师师 宋常胜宋常胜 职职 称称 副教授副教授 提 交 日提 交 日 期期 2015.4 答辩日期答辩日期 2015.6 河南理工大学 万方数据 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告成矿覆岩反倾区开采顶板移动及地表变形 规律，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 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 本论文是在导师宋常胜的悉心指导下完成的，大到论文的选题和整体框架，小到 标点符号，论文的每一步无不凝聚着尊师的辛勤和汗水。在此，谨向我尊敬的导师致 以真诚的感谢和崇高的敬意。研究生生活期间，宋老师严谨的学风和宽厚的品格无时 无刻不对我有着深刻的影响，让我在专业知识和生活层次上有了很大的提高。临近毕 业之际，衷心祝愿宋老师在以后的生活中身体健康、工作顺利 感谢能源学院给予的优良学习环境和教育资源， 感谢采矿专业全体老师给予的悉 心指点和帮助 感谢师弟李红旭和孙恒山给予的支持和帮助感谢朝夕相处的同窗舍友侯宏涛、 李海洋和吉小峰在生活和学习上给我的无私帮助感谢全体 12 级采矿的同学们感 谢我的女朋友董鲁豫对我的帮助和鼓励正是由于你们的帮助，我才能克服困难，顺 利地完成了毕业论文。 感谢郑煤集团告成煤矿的程秀印副总工程师、李俊园科长给我提供的帮助和指 导。 感谢我的父母及家人这么多年在我背后的默默支持， 正是由于他们多年来给我生 活和经济上大力支持，我才能够顺利地完成了学业。 最后，衷心的感谢各位专家和老师在百忙之中给予论文的评定和审核 董明丽董明丽 2015 年年 4 月于河南理工大学月于河南理工大学 万方数据 万方数据 I 摘摘 要要 地下采煤使矿区生态环境、建（构）筑物遭到破坏。一般地质采矿条件的矿压理 论、 地表沉陷规律和预计理论已经较为成熟， 但是滑动构造带下开采引起的覆岩移动、 地表变形规律研究成果还不多。 本文以告成煤矿 21031 工作面和 25001 工作面为研究对象， 通过建立地表移动变 形观测站，对滑动构造带影响下覆岩反倾区采煤引起的地表沉陷进行了现场实测。根 据观测站实测数据，运用特征点和概率积分法相结合的方法求取了地表移动角量参 数，利用最小二乘法曲线拟合计算出了概率积分法预计参数。研究表明滑动构造带 影响下覆岩反倾区采煤具有地表下沉范围大、地表移动剧烈、下沉系数偏大、移动角 偏小、地表破坏严重等特点，并发现最大下沉点偏向于工作面上山这一特殊现象。 以告成矿地质采矿条件为原型，采用相似材料模拟试验相结合的方法，研究了滑 动构造影响下覆岩反倾区采煤岩层移动与地表变形规律。试验结果表明垮落带的形 态为抛物线形，弯曲下沉带位于工作面的左上方，工作面下山方向的顶板会发生滑移 并断裂，最终导致最大下沉点偏向于工作面的上山方向。 采用 UDEC 数值模拟研究了反倾覆岩倾角对岩层移动规律的影响， 结果表明 覆 岩倾角为 10和 20时，岩层移动范围以及最大下沉点偏向于工作面的下山方向； 覆岩倾角为 30、40和 50时，岩层移动范围及最大下沉点偏向于工作面上山方 向；覆岩倾角为 60时，岩层移动范围及最大下沉点又偏向于工作面下山方向。主要 是因为覆岩倾角改变时岩层层面的受力不同当岩层倾角较小时，层面主要是受到正 应力的作用，此时岩层发生弯曲下沉。当岩层倾角较大时，层面主要是受到剪应力的 作用，此时岩层发生滑移甚至断裂。本研究对滑动构造带覆岩反倾区“三下”压煤的 安全回采、地表沉陷的准确预计与控制及减轻采动损害具有一定指导意义。 关键词关键词滑动构造带；覆岩反倾；岩层移动；地表变形规律； 万方数据 II 万方数据 III Abstract It is the underground mining of the coal resources that makes the balance between environment and buildings structures in mining area destroyed. The theory of mining pressure, the surface subsidence and expected theory has been relatively mature, but there are few research results on strata movement and the surface deation by mining under gliding structure zone. With 21021 mining face and 25001 mining face of Gaocheng coal mine as research object, this thesis measured the subsidence caused used by mining under gliding structure zone where overlying is reverse inclined through establishing observation station of surface movement. According to the data of observation station, we obtained the angle dimension parameters of ground movement by using the points of feature and probability integral combined using least squares curve fitting. The results show that coal mining has a large range of surface subsidence, surface movement tempestuous, surface subsidence rate large, the displacement angle small, the surface damagement severe, and so on, and also prove that the largest sinking point leans the direction of raise entry of working face. This paper regarded geological mining condition as prototype and adopted the of analog simulation experiment and deation law of rock strata displace and surface at reversed inclined overlying strata mining area with the influence of slide structure. The test results show that the shape of caving zone is parabola shape; curve subsidence zone is located in the upper left direction of mining face; the roof of working face drop entry will slide and fracture; finally, largest sinking point leans to the direction of working face raise entry. The influence of reversed overlying strata angle to the law of rock strata displace was studied by UDEC numerical simulation. The results show that the range of rock strata displace and the largest sinking point leans to the direction of drop entry of working face when the angles of overlying strata are 10 and 20; the range of rock strata displace and the largest sinking point leans the direction of raise entry of working face when the angles of overlying strata are 30, 40 and 50; the range of rock strata displace and the largest sinking point leans to the direction of drop entry of working face when the angle of overlying strata 万方数据 IV is 60. The main reason is that when the angle of overlying strata change, the pressure of rock strata bedding surface is different. When the angle of rock strata is smaller, the bedding surface is mainly affected by the normal stress and at the same time rock strata occurs bending and sinking. When the angle of rock strata is larger, the bedding surface is mainly affected by shear stress, and at the same time, rock strata slides and even fracture.This study has guiding significance on safe mining, predict and contral the ground subsidence and reduce mining damage of mining under gliding structure zone where overlying strata is reverse. Keywords gliding structure zone; reverse overlying strata; strata movement; law of ground deation 万方数据 V 目 录 摘摘 要要 ...................................................................................................................................... I I ABSTRACTABSTRACT ............................................................................................................................ IIIIII 目目 录录 .................................................................................................................................... V V 1 1 前言前言 .................................................................................................................................... 1 1 1.1 选题背景及意义 .................................................... 1 1.2 国内外研究历史及现状 .............................................. 2 1.2.1 开采沉陷国外研究历史及现状 .................................... 2 1.2.2 开采沉陷国内研究历史及现状 .................................... 3 1.2.3 滑动构造带及反倾覆岩区开采研究现状及进展 ...................... 5 1.2.4 断层附近开采地表移动的一般规律 ................................ 6 1.2.5 褶曲构造开采地表移动的一般规律 ................................ 7 1.3 本文的研究内容和方法 .............................................. 9 1.3.1 本文研究内容 .................................................. 9 1.3.2 本文研究方法 .................................................. 9 1.3.3 本文创新点 .................................................... 9 1.3.4 技术路线 ...................................................... 10 2 2 告成煤矿和观测站概况告成煤矿和观测站概况 .................................................................................................. 1111 2.1 位置与交通和自然地理概况 ......................................... 11 2.1.1 位置与交通 ................................................... 11 2.1.2 自然地理概况 ................................................. 14 2.2 告成井田地质概况 ................................................. 14 2.2.1 告成井田地层条件 ............................................. 14 2.2.2 告成煤矿滑动构造特征 ......................................... 15 2.2.3 滑动构造带影响下覆岩反倾特征 ................................. 16 2.2.4 水文地质概况 ................................................. 18 2.2.5 开采煤层及顶底板特性 ......................................... 19 2.2.6 其他开采技术条件 ............................................. 19 万方数据 VI 2.3 地表移动变形观测站概况及观测工作 ................................. 20 2.3.1 地表移动变形观测站概况 ....................................... 20 2.3.2 现场观测情况 ................................................. 23 2.4 本章小结 ......................................................... 24 3 3 覆岩反倾区开采岩层移动及地表变形规律的相覆岩反倾区开采岩层移动及地表变形规律的相似模拟似模拟 .............................................. 2525 3.1 实验原理 ......................................................... 25 3.2 相似条件 ......................................................... 25 3.3 相似材料的选择 ................................................... 26 3.4 倾向模型一 ....................................................... 27 3.4.1 试验系统 ..................................................... 27 3.4.2 相似材料配比 ................................................. 27 3.4.3 模型的建立 ................................................... 30 3.4.4 倾斜模型覆岩运动变形分析 ..................................... 31 3.4.5 21 采区地表移动变形分析 ....................................... 35 3.4.6 小结 .......................................................... 37 3.5 倾向模型二 ....................................................... 37 3.5.1 实验系统的开发 ............................................... 37 3.5.2 相似比 ........................................................ 38 3.5.3 模型的制作及观测 ............................................. 39 3.5.4 试验结果及分析 ............................................... 41 3.5.5 小结 ......................................................... 46 3.6 本章小结 ......................................................... 46 4 4 覆岩反倾区开采岩层移动及地表变形规律数值覆岩反倾区开采岩层移动及地表变形规律数值模拟模拟 .................................................. 4747 4.1 UDEC 软件概述 ..................................................... 47 4.2 模型的建立 ....................................................... 47 4.3 覆岩反倾区开采岩层移动与地表变形规律 ............................. 49 4.3.1 反倾区开采覆岩移动规律 ....................................... 49 4.3.2 覆岩垂直位移分布规律 .......................................... 49 4.3.3 地表沉陷规律 ................................................. 54 4.4 结果分析 ......................................................... 56 万方数据 VII 4.5 小结 ............................................................. 57 5 5 滑动构造影响下覆岩反倾区采煤地表移动变形滑动构造影响下覆岩反倾区采煤地表移动变形规律规律 .................................................. 5959 5.1 21031 工作面地表变形规律 .......................................... 59 5.1.1 角量参数的求取 ............................................... 59 5.1.2 地表移动预计参数的求取 ....................................... 64 5.2 25001 工作面地表移动规律 .......................................... 65 5.2.1 角量参数的求取 ............................................... 65 5.2.2 动态参数的求取 ............................................... 69 5.3 地表裂缝特征研究 ................................................. 72 5.3.1 地表裂缝实测分析 .............................................. 72 5.3.2 地表裂缝特征分析 ............................................. 73 5.3.3 地表裂缝与周期来压的关系分析 ................................. 74 5.4 本章小结 ......................................................... 75 6 6 结论与展望结论与展望 ...................................................................................................................... 7777 6.1 结论 ............................................................. 77 6.2 展望 ............................................................. 78 参考文献参考文献 .............................................................................................................................. 7979 作者简历作者简历 .............................................................................................................................. 8383 学位论文数据集学位论文数据集 .................................................................................................................. 8585 万方数据 VIII 万方数据 1 前言 1 1 前言 1.1 选题背景及意义 我国生产矿井“三下” （建筑物下、水体下、铁路下）压煤 140 亿吨以上，其中 建筑物下压煤量达 87.6 亿吨[1]。随着大量的煤炭资源从地下采出,所引起的地表沉陷 及其环境灾害问题日益突出。 矿山开采沉陷不仅破坏了人们赖以生存的矿区生态环境, 而且对地表及其建构筑物造成了严重损害 [2]。郑煤集团告成井田属于登封煤田，为 华北沉积类型，矿区二1和一1煤层为可采煤层。告成煤矿矿区以低山丘陵地形为主， 井田范围内自然村庄较多，有全国重点文物保护单位观星台遗址，还有河南省重点文 物保护单位五处，登封铁路颖河特大桥等建（构）筑物。这些村庄、建（构）筑物压 占了大量的煤炭资源，而且，随着采矿生产的进行，影响范围也越来越大，地表各类 建（构）筑物下压煤开采问题日益突出。 重力滑动构造简称滑动构造属于断裂构造中正断层的范畴[3]，与其他地质领域 的构造相比，属于新兴的构造模型。芦店滑动构造区是河南省西部嵩（山）箕（山） 地区滑动构造群中的一个典型实例， 成因类型为掀斜断块型[4]， 总体构造为芦店向斜。 朝阳沟河以西，地层走向近东西，倾向南偏西，地层倾角 10～49 ，与下伏地层相对 而倾。 图图 1- -1 卢店滑动构造平面分布图卢店滑动构造平面分布图 Fig. .1- -1 Distribution of gliding structure in Ludian 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 图图 1- -2 卢店滑动构造卢店滑动构造剖面剖面 Fig.1-2 section of gliding structure in ludian 郑煤集团告成煤矿位于卢店构造区西南、朝阳沟背斜南翼西段，滑体上盘覆岩倾 向与下伏二1煤层和滑面相对而倾，称为覆岩反倾，见图 1-1 和图 1-2。由于滑动构 造的存在，告成煤矿井田内断层及褶曲构造发育，煤层条件复杂且厚度变化较大，滑 面二1煤层与滑体覆岩反倾导致开采过程中覆岩运动及地表变形的时间与空间变化过 程异常复杂。文献检索和查新表明，滑动构造影响下覆岩反倾区开采的岩层与地表移 动规律研究还基本处于空白。 通过现场实测对覆岩反倾区采煤的地表移动规律进行研 究，为滑动构造影响下反倾区“三下”开采奠定基础。 本研究对滑动构造影响下覆岩反倾开采的地表沉陷和控制具有积极地作用， 有利 于保护煤柱的设计以及工作面的合理布置；这对地表建（构）筑物的保护、 “三下” 压煤的开采具有一定的指导意义。 1.2 国内外研究历史及现状 1.2.1 开采沉陷国外研究历史及现状 地下有用的矿物被采出以后，开采区域周围岩体的原始应力状态受到破坏,应力 重新分布，以达到新的平衡，在此过程中，岩层和地表产生连续的移动、变形和非连 续的开裂、冒落等破坏现象，统称为开采沉陷Mining subsidence [5]。 1838 年，比利时人哥诺特提出了第一个关于开采沉陷的理论“垂线理论” ，然后 哥诺特根据实测的资料提出了“法线理论” ，认为采空区上下边界开采影响范围可用 相应的层面法线确定。1885 年，法国人裴约尔提出了“拱形理论” 。后来，史米茨等 人相继研究了开采影响的作用面积及分带，提出了连续影响分布的影响函数。 Sirivardan 和 Amanda[6]、X.L.Yao[7]、Wood[8]等学者相继运用有限元和边界元法研究 万方数据 1 前言 3 了采动覆岩产生垮落的开采条件和垮落高度等。 1947 年， 前苏联学者阿维尔申利用塑 性理论对开采沉陷进行了细致的理论分析， 并结合经验方法建立了地表下沉盆地剖面 方程，提出了水平移动与地面倾斜成正比的著名观点[9]。1954 年，波兰学者李特维尼 申提出了开采沉陷的随机介质理论。该理论把岩层移动过程视为一个随机过程，逐渐 发展为概率积分法，把开采沉陷理论的研究提高到了一个新的阶段 [10]。 60 年代初，英国学者贝里（Berry）和赛勒斯（Sales）将岩体视为均质弹性体， 分为平面各向同性、 横观各向同性、 空间问题三类和采区边界条件不闭合、 部分闭合、 全闭合三种形式，提出计算岩体下沉方法。在南非，色拉蒙应用弹性理论提出的面元 原理将连续介质力学与影响函数法相结合，成为后来边界单元法的基础[11]。 综上所述，自 19 世纪 30 年代末到 20 世纪 70 年代，相关专家学者对开采沉陷进 行了积极的研究和探索，提出了很多关于岩层移动及地表沉陷的假说。对地表下沉以 及覆岩垮落进行的理论分析及实践研究，得出了一系列的理论体系及相关计算公式。 20 世纪 80 年代开始，地表沉陷得到了全面的发展。把科学技术运用到开采沉陷的研 究当中，理论和实践相结合，将经典的理论编写成程序导入到计算机软件中，解决了 许多难于计算的难题。 1.2.2 开采沉陷国内研究历史及现状 我国对地表沉陷的研究较晚，从二十世纪五十年代开始进行现场实际观测，进而 利用相似材料模拟进行研究，进行系统的研究是在二十世纪六十年代初。刘宝琛和廖 国华在 1965 年出版了煤矿地表移动的基本规律一书[12]，将概率积分法引入国内， 已经成为预计地表沉陷的主要方法。刘天泉（1981）对水平煤层及倾斜煤层开采所引 起的岩层移动及地表变形规律进行了深入研究， 建立了一系列的开采沉陷及地面防护 的理论技术[13]。何国清等（1981）提出了碎块体理论而且确立了地表沉陷的威布尔分 布[14]； 刘宝琛和颜荣贵 （1981） 研究了岩体内部的移动规律[15]； 周国铨和崔继宪 （1983） 提出了用负指数函数计算地表移动变形的方法[16]；杨伦和于广明（1987）的岩层二次 压缩理论[17]、谢和平（1988）的损伤非线性大变形有限元法[18]和何满潮（1989）的非 线性光滑有限元法将地表沉陷与岩层的物理力学性质联系了起来[19]。张玉卓、仲惟林 和姚建国（1989）得出了台阶状下沉的数学公式，为地表不连续移动的研究提供了一 个有效的方法[20]。 李永树和王金庄等研究了不同地质构造下煤层开采的地表移动规律及预计方法 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 4 [21-24]。麻凤海和范学理等利用离散元数值模拟方法，研究了覆岩移动以及地表的动态 移动过程[25]。高延法（1996）利用位移反分析方法得出了岩层与地表移动规律[26]。王 金庄和李永树等（1997）通过现场实测以及实验研究揭示了厚松散层采煤岩层破坏机 理及岩层移动及地表沉陷的关系[27]。王悦汉和邓咯中等（1998）指出采动后岩石碎胀 量与开采深厚比成正比， 并得到初次采动及重复采动下的岩层内部及地表下沉系数的 计算公式[28]。崔希民和缪协兴等（1999）以 Knothe 时间函数为基础，分析了此函数 的局限性，得出了符合实际的时间函数[29]。谢和平和周宏伟等（1999）用 flac 对开采 沉陷进行模拟， 通过与概率积分法得出的结果相对比发现 flac 能模拟真实的地质条件 [30]。郭广礼和邓喀中等（1999）通过现场实测资料，研究了综采放顶煤地表移动规律 [31]。邓咯中、张冬至和张周权（2000）基于实测资料得出了极不充分开采条件下概率 积分法的计算公式及深部开采下沉系数表达式[32]。 许家林和钱鸣高（2000）利用实验、现场实测的方法对关键层对覆岩以及地表的 控制作用进行了研究，提出了“砌体梁”结构位移曲线的拟合方程[33]。尹光志（2001） 等利用实验室相似材料实验及数值模拟对大倾角煤层开采的矿山压力、 岩层移动及地 表移动规律进行了研究[34]。李德海（2001）研究了巨厚松散层下条带开采岩层