工作面开采引起的断层活化对地表移动的影响分析与应用.pdf

分类号分类号TD313TD313 密密 级级公公 开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1 104240424 学学 位位 论论 文文 工作面开采引起的断层活化工作面开采引起的断层活化对对地表移动地表移动 的的影响分析影响分析与应用与应用 姜姜 岳岳 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业专业名名称称构造地质学构造地质学 指导教师姓名指导教师姓名魏魏 久久 传传 职职 称称 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一八年四月二零一八年四月 万方数据 论文题目论文题目 工作面开采引起的断层活化工作面开采引起的断层活化对对地表移动地表移动的的 影响分析影响分析与应用与应用 作者姓名作者姓名 姜姜 岳岳 入学时间入学时间 2015 年年 9 月月 专业名称专业名称构造地质学构造地质学 研究方向研究方向地质灾害防治理论与方法地质灾害防治理论与方法 指导教师指导教师 魏魏 久久 传传 职职 称称 教教 授授 论文提交日期论文提交日期2018 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期2018 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期2018 年年 6 月月 万方数据 ANALYSIS AND APPLICATION OF FAULT ACTIVATION CAUSED BY MINING FACE TO SURFACE MOVEMENT A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF SCIENCE from Shandong University of Science and Technology by Jiang Yue Supervisor Professor Wei Jiu Chuan College of Earth Science and Engineering April 2018 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 中国是一个“缺油、少气、多煤”的国家，虽然煤炭消费比重比以往有所 降低，但是煤炭仍然是中国第一大能源，在短时间内无法被代替。随着东部赋 存条件较好的煤炭资源消耗殆尽，为了延续矿井的服务年限，越来越多的矿井 进入地质构造复杂和深部地区进行开采。由于开采会导致地层中的应力重新分 布，在工作面附近断层可能重新被激活并开始活动，即断层活化。断层活化可 能会引发矿井动力灾害，还会导致地表沉陷区域的异常变化。 本文基于枣庄柴里煤矿地质采矿条件，采用相似材料模拟实验研究工作面 开采引起的断层活化对地表移动的影响。应用高精度工业测量系统观测模型岩 层移动变形，布设压力传感器监测断层应力、开采超前影响和底板应力变化， 利用数值模拟计算开采岩层移动与断层应力分布。综合经典采动覆岩移动与底 板移动模型，研究了采动岩层综合模型和相关参数的计算方法。当断层倾向和 工作面基岩移动角倾向一致时，断层面倾角大于基岩移动角，断层位于工作面 开采影响范围之内，断层阻碍了地表移动范围的发育程度，但是不能完全消除 工作面开采对地表的影响，当开采强度增大时，断层对地表移动范围控制作用 衰弱。根据实验结论结合具体地质采矿条件，研究了工作面开采的可行性。研 究成果对煤矿在同类型断层附近安全开采具有一定的理论意义和实用价值。 关键词关键词煤层开采，岩层移动，断层活化，相似材料模拟，工业测量系统， 数值模拟 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 ABSTRACT II ABSTRACT China is a country with “lack of oil, gas and coal“, although coal consumption is lower than ever, coal is still Chinas largest source of energy and cannot be replaced in a short period of time. With better coal resources consumed in the east, more and more mines have been chosen to mine the complex geological structure and deep areas in order to prolong the service life of the mine. Because the mining will cause the stress redistribution in the stratum, the fault may be activated again and start to move near the working face, that is, the fault activation. Fault activation may cause dynamic disasters in mines, and also lead to abnormal changes in surface subsidence area. Based on the geological and mining conditions of Chai Li coal mine in Zaozhuang, the similar material simulation experiment is adopted to study the influence of fault activation on surface movement caused by mining. The high precision industrial measurement system is used to observe the deation of the rock layer, and the pressure sensor is set up to monitor the fault stress, the influence of the mining ahead and the change of the stress of the floor. The distribution of the strata movement and the fault stress are calculated by the numerical simulation. Combined with the classic mining overburden movement and floor movement model, we studied the comprehensive calculation model of mining strata and related parameters. When the tendency of the fault is consistent with the moving angle of the base rock, the dip angle of the fault is greater than the movement angle of the bedrock, the fault lies within the influence range of the working face mining. The fault hinders the development of the surface movement, but it can not completely eliminate the influence of the surface mining on the surface mining. When the mining strength is increased, the fault control of the moving range is becoming weak. According to the experimental conclusions and the specific geological and mining conditions, the feasibility of mining faces is studied. The research results have certain theoretical significance and practical value for safe mining near the same type of coal mine. Keywords Coal seam mining, Strata movement, Fault activation, Similar material simulation, Industrial measurement system, Numerical simulation 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 目目 录录 1 绪绪 论论 ................................................................................................... 1 1.1 课题研究意义 ............................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ......................................................................................... 1 1.3 本文主要研究内容、研究方法及技术路线 ............................................. 3 2 采动断层活化相似材料模拟实验技术与观测成果采动断层活化相似材料模拟实验技术与观测成果 ........................ 5 2.1 相似材料模拟基本原理 ............................................................................. 5 2.2 相似材料模拟实验方案设计 ..................................................................... 6 2.3 模型位移观测系统 ................................................................................... 12 2.4 位移观测方案设计 ................................................................................... 14 2.5 采动覆岩应力变化观测技术与结果 ....................................................... 20 2.6 本章小结 ................................................................................................... 24 3 相似材料模拟实验观测数据分析与参数计算相似材料模拟实验观测数据分析与参数计算 .............................. 25 3.1 采动覆岩内部开采影响范围分析与计算 ............................................... 25 3.2 采动覆岩内部主要影响半径计算 ........................................................... 31 3.3 位移观测数据分析 ................................................................................... 36 3.4 本章小结 ................................................................................................... 42 4 数值模拟计算数值模拟计算 ................................................................................... 44 4.1 有限差分法的基本原理 ........................................................................... 44 4.2 FLAC 3D 模型建立 .................................................................................. 47 4.3 模拟计算结果 ........................................................................................... 48 4.4 数值模拟计算结果分析 ........................................................................... 52 4.5 本章小结 ................................................................................................... 52 5 应用案例应用案例 ........................................................................................... 53 5.1 矿井概况 ................................................................................................... 53 5.2 工作面开采对村庄的影响计算 ............................................................... 55 5.3 工作面开采对地面建筑物的影响预计 ................................................... 56 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 5.4 本章小结 ................................................................................................... 60 6 结论结论 ................................................................................................... 62 参考文献参考文献 ................................................................................................. 63 致谢致谢 ......................................................................................................... 67 攻读学位期间参与项目及发表论文攻读学位期间参与项目及发表论文 .................................................... 68 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 CONTENTS VI CONTENTS 1 Introduction ....................................................................................... 1 1.1 The significance of the research ..................................................................................... 1 1.2 Research status at home and abroad ............................................................................... 1 1.3 Research Contents, s and Technical Route ......................................................... 3 2 Similar materials simulation experimental techniques and observations ....................................................................................... 5 2.1 Basic principles of similar material simulation .............................................................. 5 2.2 Similar material simulation experiment scheme design ................................................. 6 2.3 Model displacement observation system ...................................................................... 12 2.4 Displacem ent observation scheme design ................................................................... 14 2.5 The observation technology and result of the stress change in strata ........................... 20 2.6 Chapter summary .......................................................................................................... 24 3 Observation data analysis and parameter calculation in similar materials simulation ........................................................................ 25 3.1 Impact range analysis and calculation in strata ............................................................ 25 3.2 The main influence radius calculation in strata ............................................................ 31 3.3 Displacement observation analysis ............................................................................... 36 3.4 Chapter summary .......................................................................................................... 42 4 Numerical simulation ...................................................................... 44 4.1 The basic principle of finite difference ............................................................ 44 4.2 Model establishment of FLAC 3D ............................................................................... 47 4.3 Numerical simulation results ........................................................................................ 48 4.4 Numerical simulation results analysis .......................................................................... 52 4.5 Chapter summary .......................................................................................................... 52 5 Application case ............................................................................... 53 5.1 General situation of mine ............................................................................................. 53 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 CONTENTS VI 5.2 The impact of working face mining on the village ....................................................... 55 5.3 Prediction of impacts of working face mining on ground buildings............................. 56 5.4 Chapter summary .......................................................................................................... 60 6 Conclusion ........................................................................................ 62 References .............................................................................................. 63 Acknowledgements ................................................................................ 67 Main Achievements During Pursuing Master Degree ....................... 68 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪绪 论论 1.1 课题课题研究意义研究意义 中国是一个“缺油、少气、多煤”的国家，2017 年全国原煤产量 34.45 亿 吨，煤炭占能源消费比重约 62，虽然比以往有所降低，但是煤炭仍然是中国 第一大能源，在短时间内无法被代替。随着东部赋存条件较好的煤炭资源消耗 殆尽，为了延续矿井的服务年限，越来越多的矿井选择向地质构造复杂和深部 地区进行开拓。由于开采会导致地层中的应力重新分布，在工作面附近相对稳 定的大断层重新被激活并开始运动，断层活化可能会引发矿井动力灾害，还会 导致地表的建筑物、道路、桥梁等的损坏。 研究对象为枣庄柴里煤矿，该矿位于鲁西地块的鲁西南断块凹陷的东缘、 鲁中断块凸起的西侧，属于鲁西诸多断块中的一个凹陷块体，内部构造比较复 杂，按照断层走向划分为近南北、近东西、北东、北西向四组，落差较大，这 些断层对矿井开拓、工作面布置以及安全管理等方面都带来一定的影响。在开 采过程中， 应力平衡状态被破坏， 为了达到应力新平衡状态， 应力将重新分布， 由于断层数量多、 落差大， 在活化的过程中对岩层和地表都会产生一定的影响。 本文针对枣庄柴里煤矿工作面开采引起断层活化与地表移动对村庄影响，采用 相似材料模拟实验和数值分析方法，为解决村庄保护煤柱安全开采提供依据。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 由于地下开采导致开采区域岩层原始应力平衡状态受到破坏，应力将会重 新分布到周围的岩层上，达到新的应力平衡。在应力重新平衡的过程中，内部 岩层和地表都会因为应力状态的改变而发生变化，主要为移动、变形和非连续 性破坏。影响岩层和地表移动变形受到许多因素的影响，其中特殊的地质构造 断层，对地表移动变形模式与下沉盆地形态产生一定的特殊控制作用。 1. .2. .1 国内研究现状国内研究现状 煤层开采后， 会形成采空区， 其附近的岩层因为原始平衡应力受到了破坏， 为了达到新的应力平衡状态，岩层出现移动和变形[1]。当开采中途遇到断层活 化时，岩层移动表现出与常态不同的规律，并且可能在断层附近出现台阶状下 沉。 引起断层活化有较多因素， 断层活化对岩层与地表移动的影响极其复杂[2]。 国内关于煤矿断层研究主要集中在断层突水[3-5]、 冲击地压等[6-8]、 煤与瓦斯突出 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 [9,10]，关于断层对地表移动的影响研究并不丰富，主要研究成果分为观测研究、 数值模拟、相似材料模拟等方面 文献[2]对抚顺、 辽源、 鹤壁、 阜新等矿区工作面进行了长期实地观测研究， 发现断层引起的台阶状下沉最大可以达到最大下沉值的 1/3，但是不会超过最 大下沉值， 并总结出了影响断层活化一些影响因素。 文献[11]统计了淮南大通矿、 九龙矿与枣庄煤矿等断层露头位置的岩层移动情况，在断层露头附近房屋破坏 严重，马路出现裂缝和台阶状下沉。文献[12,13]应用边界元计算断层滑移和变 形对岩层移动的影响， 文献[14,15]研究了采动影响的断层结构效应， 文献[16,17] 研究断层活化的分形问题。文献[18-20]采用相似材料模拟研究断层活化问题， 得到了一些有价值的结论。文献[21-27]研究了断层附近地表移动特征与预计方 法等，文献[28-30]研究断层对地表沉降的影响等。目前，研究断层影响主要手 段有实地观测、相似材料模拟实验等手段，但是基本上都是对现象的描述，并 没有从覆岩内部移动规律进行更加深入的研究。 1. .2. .2 国外研究现状国外研究现状 Whittaker（1989）指出[31]，断层主要影响是在开采过程对下沉盆地变形曲 线产生不规则的影响，并且断层的影响有可能传播到表面。根据真实案例研究 发现，断层能对局部下沉产生一定的不规则影响，在开采初期，断层附近会存 在一定的早期运动，有可能是肉眼无法辨别的非常微小的变形，表明断层对采 动影响非常敏感，随着开采进度的增加，采动对断层的影响越来越大，越靠近 断层，断层活化的可能性就越大。 断层有多种形式存在， 其本质是地层连续性的一种破坏。 不同性质的断层， 对地表和岩层的影响都是不同的[32]。在煤矿开采中，最常见的断层的类型是正 断层， 一般认为其形成原因是在较高垂直应力和较低水平应力的状态下形成的， 因此会造成水平移动的增加。在开采过程中，正断层最有可能变形移动，因为 断层受到张力的影响， 断层上盘和下盘可能会分离， 导致断层面摩擦力变小[33]。 根据英国约克郡煤矿开采的案例[31]， 图 1.1 显示下沉曲线在断层附近出现不 规则的特点，这些断层大部分靠近地表附近，早期的开采导致的岩层内部应力 变形主要集中于断层的附近。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 图图 1.1 断层影响下沉曲线断层影响下沉曲线 Fig.1.1 The sinking curve of fault affects Kratzsch1983[34]研究了德国的断层活化的情况，分析了 Pflaging1974、 Boranne1978和 Matous1979的案例。Kratzsch 分析断层重新活化与断层的位 置有关，这取决于工作面在下盘或上盘位置。厚松散层也被认为对断层台有深 远的影响，扩大了断层露头周围的地表变形区域。 哈萨克斯坦主要产煤区域是有断层分布的的埃基巴斯图兹盆地[35]，这些煤 层位于西伯利亚高原的南缘，开采引起了断层活化，对矿区的生活和基础设施 造成了一定的的影响。 综合国内外文献，断层对地表移动的影响因素复杂，工程案例与相关规律 性研究成果较少，有许多问题需要深入研究与探讨[36-38]。 1.3 本文主要研究内容、研究方法及技术路线本文主要研究内容、研究方法及技术路线 本文以枣庄柴里煤矿地质采矿条件为背景，研究断层对工作面开采的影响 问题。计划开采的 3上和 3下工作面被地面村庄部分压覆，工作面进入村庄保护 煤柱 40 米， 开采可能会引起工作面附近断层活化及对村庄建筑物产生一定的影 响。由于采动覆岩内部移动变形和应力变化是不可视的，为了实现对研究问题 的直观描述与可视化，采用相似材料模拟技术与有限元数值计算，获取相关参 数，为工作面安全开采提供依据。 1. .3. .1 主要研究内容与方法主要研究内容与方法 本文主要研究内容 （1）开采引起的断层活化与断层活化对地表移动的影 响； （2）覆岩内部开采影响范围与断层活化规律； （3）断层应力变化情况与地 表移动变形参数。主要研究方法 （1）根据枣庄柴里煤矿地质采矿条件，利用 相似材料模拟技术，模拟 3上和 3下煤层开采对断层和岩层移动的影响； （2）使 用高精度工业测量系统对模型位移进行观测， 为研究岩层与地表移动提供依据； 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 4 （3）在模型岩层内部布设压力传感器，监测开采过程中的超前影响距离、底板 破坏深度、断层附近应力变化状况等，为推断覆岩内部开采影响范围与断层活 化规律提供基础； （4）采用数值模拟分析对相似材料模型进行计算，研究开采 过程中断层应力变化情况与地表移动变形参数，为实际案例应用提供依据。 1. .3. .2 技术路线技术路线 资料收集实验方案 钻孔 资料 区域 构造 工作 面设 计说 明 概化岩层条件 相似 材料 模拟 实验 工业 测量 系统 观测 数值 模拟 计算 压力 传感 器 煤层 开采 可视 化 岩层 移动 补充 验证 覆岩 内部 影响 范围 应用案例采动影响半径指数非线性关系 图图 1.2 技术路线图技术路线图 Fig.1.2 Technical route 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 采动断层活化相似材料模拟实验技术与观测成果 5 2 采动断层活化采动断层活化相似材料模拟实验技术相似材料模拟实验技术与与观测成果观测成果 相似材料模拟实验是由前苏联科学家库兹涅科夫于 1930 年提出的。 从 1937 年前苏联全苏矿山测量科学研究院首次采用相似材料模拟实验研究以来，随后 相似材料模拟实验在全苏联的矿山测量和煤炭研究院等应用，并在其他一些国 家，例如波兰、德国、捷克等国家也得到了广泛应用。1958 年，相似材料模拟 实验传入中国，随后各个院校和科研院所开展了相似理论和实验的研究工作[1]。 目前，相似材料模拟实验已经成为国内外采矿、土木工程、水利、建筑等学科 的一种重要的研究手段[39]。相似材料模拟实验是实际矿山开采的微缩模式，是 研究煤层开采问题的主要研究手段之一。在开采过程中，模型上的变形是十分 微小的，常规的测量仪器无法满足测量的精度要求，因此，在观测模型移动情 况时，需要更高的观测精度。一般变形测量方法主要有透镜法、小钢尺水准仪 法、全站仪测量法等[38]，由于以上方法操作起来比较繁琐，精度也不能满足实 验的需要[40,41]，因此，本次实验采用精密工业测量系统进行模型位移观测。 2.1 相似材料模拟基本原理相似材料模拟基本原理 由于矿山岩层是一种复杂的载体，开采引起的岩层移动也是一个复杂的空 间力学过程。在采动影响下，不同的岩层、岩层的不同位置会产生不同的影响 和现象，而这些影响在实际生成的过程中是无法被察觉的，为研究岩层移动理 论和实际观测带来许多不便。因此，通过在实验室建立相似材料模拟实验重现 开采过程，可以在短时间内了解开采过程中的力学机理和岩层移动情况。 根据相似原理，将矿山岩层按照比例缩小，用相似材料制作模型，然后再 模型上模拟开采，并观测开采前后的岩层移动变形情况，再根据