补连塔矿区现代煤炭开采对覆岩扰动的研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目补连塔矿区现代煤炭开采对覆岩扰动的研究 英文题目英文题目Research of Modern Coal Mining on Overlying Rock Deation in Bulianta Mining Area 学 位 类学 位 类别别 工学硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 薛瑞雄 学号学号 2013023170 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 二〇一六年五月三十一日 分类号分类号 TD3TD32727 密密 级级 公开公开 U D C 学校代码学校代码 1012710127 万方数据 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘 要 现代煤炭开采加剧了对生态脆弱区环境的损伤，具体表现为开采导致覆岩出现 垮落及裂隙，水资源大量流失，植物大量死亡，且地表产生移动，使某些区域处在拉 伸状态，导致植物根茎拉断而死亡；导水裂隙带发育较高，有时达到地表，使工作面 安全受到影响。 补连塔矿区地处典型生态脆弱区，开采工艺采用一次采全高长壁式开采、全部垮 落式顶板管理方式，是典型的大采高现代化煤炭开采矿井。本文基于补连塔煤矿 12407 工作面煤层赋存特征，利用 FLAC3D 和 UDEC 数值模拟软件对补连塔矿区覆 岩的移动和破坏进行综合分析，主要内容包括如下 1）建立了不同采高开采模型，量化分析了采高与地表移动、覆岩破坏、拉伸区 的关系；2）建立了不同沙基比的三维地质模型，对开采引起的煤层覆岩移动和破坏 进行了数值模拟，分析了现代煤炭开采过程中覆岩的位移和应力分布规律，讨论了不 同沙基比对覆岩移动和破坏的影响；3）对不同结构介质条件下的现代煤炭开采分别 进行数值试验，试验结果表明，在同样强度的开采下，坚硬覆岩具有较强的抗扰动能 力，工作面安全开采及地表受到的影响相对较小，而软弱覆岩抗扰动能力较弱，并且 硬岩层离工作面较近时，覆岩受开采扰动影响较大；4）运用 UDEC 数值模拟软件建 立不同采高的二维地质模型，分析了不同采高下导水裂隙带的发育规律，结果表明， 关键层对导水裂隙带的发育规律有较大的影响， 导水裂隙带的发育高度与采高呈正相 关关系，补连塔矿区平均导采比为 18.7；5）基于正交试验优化组合建立了 16 个数值 模型，分别对覆岩影响敏感性和覆岩破坏程度进行了分析，进而通过方差分析，得到 开采工艺因素对覆岩影响敏感性由大到小依次为采高、开采速度、工作面长度；6） 通过顶板管理也可以减小地表的移动变形。 现代煤炭开采对补连塔生态脆弱区造成较大的影响， 本文根据补连塔实际开采工 艺及地质情况，分析了补连塔矿区在不同情况下的覆岩移动和破坏程度并总结出规 律，对补连塔矿区绿色开采有一定的指导意义。 关键词现代煤炭开采；补连塔矿区；数值模拟；覆岩移动和破坏 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II Abstract Modern coal mining causes serious environmental damage in ecologically fragile region, specific perance are that Coal mining lead to overlying rock falling and crack, make the loss of the underground water, which lead to death of many plants; coal mining lead to the surface movement which make some areas tensile state, which lead to broken roots and die; water flowing fracture area develops higher, up to surface sometimes, which impact the working face safety. The Bulianta mining area is located in the typical ecological fragile region. The mining systems use long wall mining with once mining entire height and management mode of the roof is all caving, which is the typical modern coal mining mine in the large mining height. By the seam deposit features of Bulianta 12407 coal mining face in the paper, using FLAC3D and UDEC numerical simulation software comprehensively analyze the overlying rock movement and damage of Bulianta mining area, its main contents include the following aspects 1 Different mining height model are established and relationship between different mining height and surface movement, overlying rock damage, tensile areas are respectively quantitative analyzed; 2 The 3D geological model of the coal mining face was established at the same time, overlying rock movement and damage occurred by the coal mining operation is numerical simulation. The paper analyzed the displacement and stress distribution law of the strata above seam during the coal mining process and had a discussion on influence of different ratio of sand and bedrock on overlying rock movement and damage; 3 The results from numerical tests of modern coal mining under different structural medium, show that under the mining of the same intensity, hard cover rocks have stronger ability to resist deation, so the influence of the working face safety mining and the surface is relatively weaker; Whereas flexible cover rocks have weaker ability to resist deation, when hard cover rocks are nearer from the working face, coal mining is larger influence for cover rocks; 4 the different mining height 2D geological model of the 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 III coal mining face was established by using the UDEC software, and the paper analyzed the development law of water flowing fracture zone. The results show that key stratum have a larger effects on the development law of water flowing fracture zone; The development height of water flowing fracture zone and mining height are positive correlation; The average the ratio of height of water flowing fracture zone and mining height is 18.7; 5 Using the orthogonal experiment design established FLAC3D numerical model, overlying rock influence sensitivity and overlying rock damage extent were analyzed, the mining height has the greatest sensitivity to the overlying rock influence, and the mining speeds has the greater sensitivity than working face length by variance analysis; 6 Through the roof management can also reduce the surface movement and deation. Modern coal mining on Bulianta ecological fragile region caused great influence, this paper according to the mining systems and geology of Bulianta mining area analyzes the extent overlying rock movement and damage in different situations and sums up the law, which has a certain guiding significance to green mining of Bulianta mining area. Key Words Modern coal mining; Bulianta mining area; Numerical simulation; Overlying rock movement and damage 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 目 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 ......................................................................................................... 3 1.2.1 煤炭开采对覆岩扰动的研究现状 .................................................................. 3 1.2.2 煤炭开采减损的研究现状 .............................................................................. 5 1.3 研究内容、方法及技术路线..................................................................................... 7 1.3.1 研究内容 ........................................................................................................... 7 1.3.2 研究方法 ........................................................................................................... 7 1.3.3 技术路线 ........................................................................................................... 8 2 补连塔矿区概况及开采沉陷影响因素 ............................................................................ 10 2.1 补连塔矿区概况 ....................................................................................................... 10 2.1.1 矿区自然环境概况 ......................................................................................... 10 2.1.2 矿区地质条件及开采环境特征 .................................................................... 10 2.1.3 矿区主要开采技术与方法 ............................................................................ 11 2.2 补连塔矿区开采沉陷影响因素 .............................................................................. 12 2.2.1 地质因素 ......................................................................................................... 12 2.2.2 采矿因素 ......................................................................................................... 14 3 开采沉陷基本理论.............................................................................................................. 16 3.1 开采引起的覆岩移动、变形和破坏 ...................................................................... 16 3.1.1 覆岩移动和破坏 ............................................................................................. 16 3.1.2 地表移动与变形 ............................................................................................. 19 3.2 地表移动与变形指标及其计算方法 ...................................................................... 22 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 3.3 开采水平煤层地表移动与变形分布规律 .............................................................. 24 3.4 本章小结 .................................................................................................................... 25 4 补连塔矿区开采沉陷数值模拟研究 ................................................................................ 27 4.1 数值模型的建立 ........................................................................................................ 27 4.1.1 利用 FLAC3D 建立数值模型 ....................................................................... 27 4.1.2 利用 UDEC 建立数值模型 ........................................................................... 29 4.2 基于 FLAC3D 各影响因素分析 ............................................................................. 29 4.2.1 采空区面积对地表最大下沉值的影响 ....................................................... 31 4.2.2 不同采高对覆岩移动和破坏的影响............................................................ 32 4.2.3 不同沙基比对覆岩移动和破坏的影响 ....................................................... 38 4.2.4 不同覆岩结构对覆岩移动和破坏的影响 ................................................... 43 4.3 基于 UDEC 分析不同采高对导水裂隙带发育的影响 ........................................ 49 4.4 本章小结 .................................................................................................................... 53 5 减损工艺的数值模拟分析 ................................................................................................. 55 5.1 基于开采工艺的减损措施 ....................................................................................... 55 5.1.1 数值模拟过程 ................................................................................................. 55 5.1.2 结果分析 ......................................................................................................... 57 5.2 基于管理顶板的减损措施 ....................................................................................... 61 5.2.1 研究思路 ......................................................................................................... 61 5.2.2 建立模型 ......................................................................................................... 62 5.2.3 结果分析 ......................................................................................................... 62 5.3 本章小结 .................................................................................................................... 64 结 论 .................................................................................................................................. 65 参考文献 .................................................................................................................................. 67 在读研期间研究成果.............................................................................................................. 71 致 谢 .................................................................................................................................. 72 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 引言引言 1.1 选题选题背景及背景及目的意目的意义义 1.1.1 选题选题背景背景 煤层被采出后，采空区周围的岩层受煤炭开采的影响，其原始状态陆续遭到不同 程度的破坏，接着岩体岩体内部应力会重新分布并最终达到另一个新的平衡状态，应 力重新分布的过程中， 同时伴随着地表和岩层产生连续的移动、 变形和非连续的破坏， 这种现象被称为“开采沉陷”。煤炭在中国能源结构中占有很重要的位置，而大面积煤 炭资源的开采不仅会导致区域环境污染和资源的破坏， 还会因为上覆岩体内部的变化 诱发各种灾害。 近年来，国家极力倡导绿色开采，明确指出要实现绿色发展，保护水资源，建设 可持续发展的经济增长模式。绿色开采，其实就是针对地下资源被大量采出后所造成 的水资源和生态遭到严重破坏等问题提出的，如井下突水事故、地表沉陷或者产生地 裂缝、山体滑坡、农田及建筑设施的损坏和地下水资源遭到破坏而引起的缺水问题等 等， 而对开采沉陷造成的损害及生态恢复领域的研究与治理正是这一政策的贯彻与落 实。我国西部生态脆弱矿区的大规模现代化煤炭开采所引起的环境问题尤为严峻，如 何解决相关问题，这就需要追根溯源，对开采导致的覆岩扰动进行研究。本文正是基 于上述背景，结合“十二五”国家科技支撑计划项目开展研究的。 1.1.2 选题目的选题目的 我国是煤炭生产与消费大国。由于我国多煤的能源结构，煤炭产量一直保持在世 界总产量的 40左右，位居第一，因此煤炭开采规模较大，其引发的矿区土地贫瘠、 水资源大量流失、建筑物的不可修复的破坏等一系列损害问题，已成为危害矿区生产 和人民生活的主要灾害源，已成为急需解决的社会问题。 大规模煤炭开采所引起的一系列问题表现为以下几点 （1）煤炭被采出后，地表受采动影响而产生下沉，甚至有裂缝生成，这样就会 导致土地遭到严重破坏，引发水土大量流失，致使土壤质量下降，植物生长受到严重 影响，矿区地貌发生改变，引起生态恶化，导致矿区环境恶性循环，更加难以治理。 （2）破坏了地下水层，导致地表植被缺水而大量死亡。富煤地区往往也是贫水 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 地区， 这在我国西部区特别明显。 在工作面推进过程中， 为了保证工作面工人的安全， 需要进行人为疏干排水，使地下水流大量流失，水平衡遭到严重破坏；采矿如果影响 到地下隔水层的完整性，就会导致矿区水荒，植被因缺水干枯。 （3）导致矿区土壤质量下降，加快了荒漠化进程。煤炭资源开采引发的地表形 态改变会使地表植被遭到损害，致使裸露坡面增多，出现土地荒漠化。 针对补连塔矿区煤炭开采与生态环境协调的生态建设， 需要首先对该区域的开采 沉陷规律有一个明确的认识。而煤炭开采对覆岩扰动问题的研究涉及采矿、地质、力 学、建筑等诸多学科知识，是一个难度较高的采动损害问题，因为地质条件的不同或 者采矿工艺的不同，都会导致地表沉陷形态的不同；虽然国内外许多专家学者在开采 对覆岩扰动研究方面取得了很多有代表性的成果， 但是这些成果主要集中在中东部平 原矿区，该地区生态自修复能力强。但是对于西部生态脆弱区的煤矿开采对覆岩扰动 的研究则很少涉及，研究表明，生态脆弱矿区的煤炭开采对覆岩扰动具有一定的特殊 性。因此对其影响因素的深入研究以及开采沉陷规律的总结，是补连塔矿区现代煤炭 开采中急需研究的重点课题。 1.1.3 研究意义研究意义 通过对该区域开采沉陷主要影响因素进行研究， 有利于采空区覆岩移动破坏理论 的发展和完善，对矿区现实开采中具有一定的指导意义。 由于补连塔矿区的厚煤层、浅埋深和地表为风积沙等特点，因此对该矿区进行开 采沉陷课题的专门研究显得十分必要。通过研究分析补连塔矿区特点，总结该矿区地 表移动变形和覆岩破坏规律，为该矿区的工作面安全开采以及地面生态、建筑物等保 护提供一定的理论依据， 同时为矿区工作面确定合适的开采工艺和提前预计开采对覆 岩的扰动程度，确保矿区开采的最大合理化提供创新思路，可作为以后补连塔矿区绿 色开采的参考依据。 通过研究现代煤炭开采工作面在推进过程中补连塔矿区覆岩扰动 的程度，然后分析总结出控制覆岩移动变形和破坏程度的技术措施，提前采取措施， 以防开采过程中对工作面安全造成影响，从而提高企业经济效益，推动现代化绿色矿 区模式的建立。研究成果对于保护矿区土地和建筑物等有重要价值，且促进补连塔矿 区经济可持续发展有一定的实际意义。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 煤炭开采对覆岩扰动的研究现状煤炭开采对覆岩扰动的研究现状 国外的专家学者很早就开始注意到大量资源开采所引起的岩层移动和破断以及 由此所诱发的地面损害问题。对开采沉陷规律研究的代表性成果有 [1,2]比利时最早 的“垂线理论”、Jicinsky 的“二等分线理论”、Gonot 的“法线理论”、哥尔哈的“自然斜 面理论”和 Hausse 的“分带理论”等。在这一时期，人们对开采沉陷所形成的认识大多 都是基于开采实践提出来的，并没有形成系统的理论。 进入 20 世纪以后，开采沉陷理论发展较快，在国外，Halbaum 构建了悬臂梁模 型，并且提出了地表应变与曲率半径成反比关系；Fckardt 把矿体开采后，岩层移动 和变形的过程看为各岩层的逐层移动和变形；Korten 对现场实测进行分析， 总结出地 表水平移动变形规律；Schmitz、Keinhorst、Bals 等人把几何理论应用到开采沉陷影 响分布中；前苏联一些学者先后采用弹、塑性力学及地表移动观测等方法建立了岩层 移动的“三带理论”；Litwiniszyn 将随机介质理论引入开采沉陷，并建立了矿体开采后 地表移动的表达式； Budryk 和 Knothe采用高斯曲线作为影响曲线来分析覆岩的移动； Berry 和 Sales 把岩体作为均质弹性体后进行对岩体分析，提出了岩体下沉计算的方 法；salamon 把影响函数法和连续介质力学相结合进行分析，得出了面元原理，即一 般的线弹性分析原理；Brauner 把积分网格法运用到开采沉陷中；艾卡特提出的两端 固定梁理论；姆列尔提出的松散介质理论。 国内开始大量的研究开采沉陷开始于上世纪 50 年代一些矿区建立的地表移动观 测站，现场测出大量数据，然后进行综合分析，最后总结出该矿区的一些地表移动和 变形参数，为矿区工作面安全开采和水资源的保护提供了参考依据，并且为地表沉陷 理论的发展提供了重要数据。刘宝琛等将 Litwiniszyn 的随机介质理论进行了研究分 析和改进，提出了适合我国实际地质情况的地表移动变形概率积分法。自上个世纪 80 年代起，我国专家对矿体开采沉陷规律的探索研究开始进入了快速发展时期，重 要的研究成果主要有 [3～13]钱鸣高的“砌体梁理论”和“关键层理论”从本质上分析了覆 岩的移动和破坏规律；何国清运用偏态表达式“威布尔分布”具体分析了地表下沉曲 线；于广明应用开采沉陷非线性机理和分形损伤分析了地表沉陷和岩体损伤；杨硕的 开采沉陷力学模型具体分析了岩体受开采扰动后的力学特征； 张玉卓的岩层移动位错 理论分析了覆岩内部的岩体移动和变形；宋振琪院士的传递岩梁假说；邓喀中的岩体 开采沉陷结构效应分析了覆岩内部结构对开采沉陷影响； 麻风海的岩层移动时空效应 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - 分析了时间、空间和岩层移动的关系；吴立新等人通过对条带开采后岩层破坏的形态 进行分析总结后，提出了托板理论；黄庆享的“砌体梁理论”和“台阶岩梁理论”分析了 矿体开采后，岩层破坏的几种形态；余学义的开采损害控制与治理体系。 在对开采沉陷的课题研究中，其中对覆岩移动破坏的预测是非常关键的部分，预 测的准确程度，会直接关系到所采用的预防措施的制定与实施，进一步关系到对采动 破坏预防的效果。最近十几年，随着经济高速发展，矿山开采规模不断扩大，伴随着 形成了不同的地表移动、变形预测理论，可以总结为以下几个类型 [14～18] （1）经验公式法，即在开采地质与开采方法不变，采集实测数据进行分析总结， 绘制沉陷盆地主断面的移动变形曲线，并拟合公式，此公式有一定的局限性，只可作 为相近采矿条件下的地表移动和变形预测的参考。典型的经验函数方法有负指数函 数法、Kowalczyk 的积分格网法、英国煤田法； （2）剖面函数法，主要利用函数公式对指定断面的地表移动与变形进行预测， 如 Donez 剖面函数、负指数函数法、双曲线函数法等； （3）影响函数法，是利用分布函数对地表的移动和变形进行预测，典型的影响 函数法是 Knothe 时间函数； （4）理论模型法，以力学模型为基础，运用弹性或塑性理论基础进行计算。如 King 和 Whetton 通过对岩体移动机理进行分析总结，提出了弹性分析法；Marshall 和 Astin 提出的粘弹性分析法；并由弹塑性理论派生出的有限单元法、离散元法、 非线性力学法等数值方法，对开采沉陷的预测同样发挥了重要作用。 地质因素和开采因素对采空区覆岩移动变形和破坏规律都有直接影响。 地质因素 对覆岩的形态变化起着控制作用，因此，国内外很多专家学者对地质因素在煤层开采 过程中覆岩的移动变形及破坏程度的影响机理进行了很多研究。研究成果表明煤层 开采以后，其上覆岩层中的厚硬岩层对其以上岩层具有很强的控制作用，它的破坏、 断裂以及断裂后形成的结构形式会对岩体及地表的移动变形产生重要的影响 [19～21]；