黄土山区多工作面开采沉陷规律研究.pdf

论文题目黄土山区多工作面开采沉陷规律研究 专 业大地测量学与测量工程 硕 士 生 凌 源 签名 指导教师 汤伏全 签名 摘 要 西部黄土山区是我国重要的煤炭生产基地， 国内外对于该区域的煤炭开采沉陷问题 研究较少，而多工作面同时开采导致的地表沉陷规律更为复杂。因此，该课题研究对于 西部煤矿安全生产和环境保护具有较为重要的意义。 本文以柠条塔煤矿为研究区域，以联合开采的 N1114 工作面和 N1206 工作面开采 地表移动为研究对象， 通过在两工作面上方地表建立观测站， 并对数据进行处理、 分析， 求取了地表移动参数。基于实测资料利用 MATLAB 软件进行最小二乘数据拟合，确定 了两个工作面开采的概率积分法预计模型的参数取值。从地形分析入手，将山区地表形 态分为正坡、负坡、凸形坡和凹形坡等四种典型地貌模型，利用 FLAC3D 数值模拟软件 构建不同的计算模型，获得了不同地貌类型的开采沉陷和变形分布曲线，结合实测资料 分析了地形特征对于开采沉陷的影响。同时，通过模拟计算两个工作面联合开采引起的 地表沉陷变形，揭示了重复采动对于上覆地层破坏和地表移动变形的影响机理。模拟计 算结果与实测资料分析基本一致。 本文研究结果表明， 西部黄土山区多工作面开采的地表沉陷规律受到地形因素和重 复采动的叠加影响而变得更为复杂， 利用实测数据求取的地表移动参数和预计模型参数 具有实用价值，可为类似条件下的开采沉陷与地面保护研究提供借鉴。 关 键 词山区；多工作面；开采沉陷；重复采动；数值模拟 研究类型应用研究 万方数据 Subject Study on Multi-Face Mining Subsidence Law in Loess Mountain Specialty Geodesy and Surveying Engineering Name Ling Yuan Signature Instructor Tang Fuquan Signature ABSTRACT Western Loess Mountain is Chinas major coal production bases， in which coal mining subsidence’s research is less at home and abroad, while at the same time surface subsidence caused by multi-face mining rules are more complicated. Therefore, the research is more important significance for Western coal mine production safety and environmental protection. In this paper, the research is Surface Movement rules under N1114 and N1206 Faces Mining at the same time in Ningtiaota coal mine, through the establishment of stations in the top surface Face, data processing and analysis, at last it obtains the surface movement parameters. It bases on the measured data using MATLAB software for least squares data fitting, and identifies the two-face mining’s predication model parameters values about probability integral . In order to know the effect of the terrain,it makes the surface morphology of mountain slope into the forward and reverse slope, convex slope and concave slope in four typical land model,and obtains varying lands mining subsidence and deation distribution curve using numerical simulation software FLAC3D build a different model, and analyzes the impact of the topographic features for mining subsidence combining the measured data. Meanwhile, it simulates and calculates the working face combined mining subsidence caused, the result reveals the influence of movement and deation mechanism of overlying rock damage and surface mining in repeating mining. Simulation results are consistent with the measured data analysis. The conclusions showed that the western Loess mountains multi-Face Mining Surface Subsidence Rules become more complex by the overlay impacts of terrain and repeated mining, the surface movement parameters and prediction model parameters that are calculated by measured data have practical value, It can provide a reference for the study of mining subsidence and ground protection under similar conditions. 万方数据 Key words mountain; multi-face ;mining subsidence; repeat mining; numerical simulation Thesis Application Research 万方数据 目录 I 目录 1 绪论 ...................................................................................................................................... 1 1.1 选题的背景及研究意义 ............................................................................................. 1 1.1.1 选题的背景 ...................................................................................................... 1 1.1.2 研究的意义 ...................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 .......................................................................................................... 2 1.2.1 开采沉陷理论的研究现状 ............................................................................... 2 1.2.2 黄土山区地表沉陷国内外研究现状 ............................................................... 3 1.2.3 开采沉陷预计方法的现状 .............................................................................. 4 1.2.4 存在的问题与不足 .......................................................................................... 5 1.3 论文主要内容及技术路线 .......................................................................................... 6 1.3.1 研究内容与方法 ............................................................................................... 6 1.3.2 技术路线 ........................................................................................................... 7 2 黄土山区开采观测数据处理与分析 ................................................................................. 8 2.1 研究区地理位置及地形地貌 ..................................................................................... 8 2.1.1 研究区地理位置 .............................................................................................. 8 2.1.2 研究区地形地貌 .............................................................................................. 8 2.2 煤层特征 ..................................................................................................................... 9 2.3 地表观测站的布设 ................................................................................................... 10 2.4 地表观测站观测 ....................................................................................................... 12 2.4.1 外业测量方法及技术要求 ............................................................................ 12 2.4.2 观测成果处理与分析 .................................................................................... 14 2.5 地表角量参数分析 ................................................................................................... 25 2.6 概率积分参数的求取 ................................................................................................ 27 2.6.1 经验分析法求参数 ........................................................................................ 27 2.6.2 数学模型拟合求参数 .................................................................................... 28 2.6.3 模型参数验证分析 ......................................................................................... 29 2.7 本章小结 ................................................................................................................... 30 3 黄土山区开采变形数值模拟 ............................................................................................ 31 3.1 黄土山区地貌特征 ................................................................................................... 31 3.2 FLAC3D 应用简介及特点 ....................................................................................... 32 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 II 3.3 本构模型选择及力学参数选取 ............................................................................... 33 3.3.1 力学模型选择与边界条件设置 .................................................................... 33 3.3.2 岩体力学参数的选取 ..................................................................................... 34 3.4 数值模拟结果的分析 ............................................................................................ 34 3.4.1 单一斜坡 ........................................................................................................ 36 3.4.2 组合斜坡 ........................................................................................................ 38 3.5 单一工作面与多工作面地表变形模拟 ................................................................... 40 3.6 特殊地貌模拟分析 .................................................................................................. 41 3.7 本章小结 ................................................................................................................... 42 4 结论与展望 .......................................................................................................................... 44 4.1 结论 .......................................................................................................................... 44 4.2 不足与展望 ............................................................................................................... 44 致谢 .......................................................................................................................................... 46 参考文献 .................................................................................................................................. 47 万方数据 1 绪论 1 1 绪 论 1.1 选题的背景及研究意义 1.1.1 选题的背景 地下矿藏开采后，形成的采空区致使其周围的原岩应力平衡状态遭到破坏，从而岩 体的应力进行了重新分布，最终达到平衡。在这个过程中，产生了上覆岩层和地表移动 与变形称为开采沉陷[1]。矿区的开采沉陷会对周围的地下、地表的构筑物产生损害，会 产生资源的损坏与环境的破坏，同时也会产生严重的经济损失，这严重影响着矿区的经 济可持续发展。 煤炭是世界三大能源之一。我国的煤炭不仅储量非常丰富，而且生产数量和消费数 量也相当巨大，同时相较其它能源，煤炭的地位始终比较突出[2]。我国已探明煤炭资源 储量为 1 万亿吨，已探明可开采煤 1145 亿吨，其中可开采的煤在世界上排名第三位， 我国已成为世界产煤大国[3]。同时煤炭作为一次性主要消费能源，截止到 2003 年，我国 的煤炭消费比重保持在 67.1,从 2002 年到 2004 年，中国的煤炭消费三年增加了 45。 从 2005 年开始，煤炭消费增长趋势有所缓解。但从我国的资源格局来看，在未来一些 年里，煤炭依旧是我国主要消费能源[4]。从地域分布来看，我国煤炭资源北多南少，西 多东少，其中山西、陕西、云南、贵州、河南、内蒙古及安徽为富煤地区，其储量和占 全国的 81.8[3]。 我国黄土矿区下的煤矿资源比较丰富， 就陕北侏罗纪煤田矿区的储量占全国储量的 15， 其中含煤总面积约为 24561km 2， 能开采的煤层有 14 层， 通常开采的煤层有 5 层[5]。 陕北的侏罗纪煤田在 90 年代已进入大规模开采， 目前其开采仍在继续。 在开采过程中， 因开采技术水平低导致资源浪费，资源过度开采引起环境问题日趋严重，生产中安全事 故较多。 因黄土矿区的地质地貌条件的特殊性，一些学者已经做了一定的研究，对开采具有 一定的参考作用，但不能直接套用，同时针对黄土山区多工作面的开采沉陷规律的研究 较少。 1.1.2 研究的意义 我国的煤炭资源一部分处于黄土矿区，而黄土矿区大多地形条件比较复杂，在采动 条件下，受沟壑地形的影响，引起沟壑两侧的松散层向沟壑底部滑移[6]。因黄土矿区的 煤层呈现出多煤层状态，为了将资源有效的利用，其开采方式多样化。本文在前面学者 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 对山区下开采沉陷的基础上，对山区的多个工作面的联合开采进行了研究。通过对矿区 地表建立观测站获取数据并进行实测数据分析，获取各工作面的参数，再利用数值模拟 软件模拟了地形以及单独开采和联合开采， 综合的分析了多工作面联合开采下的沉陷规 律。对其沉陷规律的研究不仅增加了黄土沟壑区开采沉陷研究成果，而且有一定的工程 实际意义。 1.2 国内外研究现状 开采沉陷是一个复杂的时空变化过程，因覆岩的复杂性、开采方法的多样性、地貌 的多态性，其沉陷结果较难预测。为了了解矿区开采地表沉陷规律，获取其预计参数， 世界各国均在地质条件不同的矿区建立了大量的地表移动观测站， 获取了大量的实测数 据，对其矿区的地表沉陷规律进行了研究，取得了丰硕的成果。 1.2.1 开采沉陷理论的研究现状 开采沉陷学曾用名矿山岩层和地表移动是研究地下开采引起的沉陷与相关工程 问题的一门学科。它主要研究开采沉陷机理、开采沉陷预计、开采损害与开采沉陷的控 制与治理。 在 15 至 16 世纪，比利时曾经颁布了一条法令，对使列日城的水源（含水层）遭到 地下开采破坏的责任人处以死刑[1]。人们对开采沉陷的影响已经有了一定的认识。在 19 世纪末,人们已经对地下开采产生的岩层移动变形与破坏以及连带产生的井巷与地面建 筑物的损害现象进行了关注;二十世纪初,人们为了对地表移动变形进行系统性地观测， 建立了地表移动观测站。之后,国外矿山测量工作者与釆矿工作者以不同手段、不同的 角度对地下开采沉陷机理与沉陷预计进行了大量研究,取得了丰硕的研究成果。 19 世纪许多国外学者就提出了一些初始的理论。 1858 年,比利时人哥诺特 （Gonot） 以较小采深的实测数据为基础,提出了 “法线理论”,认为采空区上下边界开采影响范 围可利用相应点的层面法线来确定[7]。1876 年,德国人依琴斯凯Jicinsky建立了 “二等 分线理论” ， 将上覆岩层的移动过程分为下沉剧烈和缓慢移动两个阶段。 1882 年,耳西哈 教授建立了“自然斜面理论”,分析得到从岩石到厚含水冲积层的六种岩层的自然斜面 角,以此来确定下沉影响范围。这角与现在的移动角比较相似。1885-1887 年，豪斯 （Hauses）建立了采空区上方的三带分布沉陷模式，由下至上分别为冒落带、裂隙带、 弯曲下沉带[8]。在 20 世纪,因欧洲工业的快速发展,对矿产资源需求量不断增长,地下开 采活动日益增长,使得开釆沉陷理论得到了巨大的发展。 不仅研究了各种沉陷分布,同时 研究了采动地表下沉与水平变形规律。1947 年,阿维尔申在对岩层移动变形进行分析时 采用了塑性理论,同时利用实践经验建立了呈指数函数形式的下沉剖面方程,总结出了 水平移动与地面倾斜值成正比的结论 [9]。1950 年,波兰学者克诺特提出了几何理论，布 万方数据 1 绪论 3 德雷克在其基础上进行了总结发展,得到了正态分布影响函数[10]。1953 年波兰学者萨武 斯托维奇Salustlwicz使用弹性基础梁理论推导出波动下沉剖面方程。1954 年,波兰学者 李特维尼申（J.Litwiniszy）把采动覆岩看作离散不连续介质，将岩层移动过程作为一个 随机运动过程,提出了随机介质理论。 1960 年,南非的沙拉蒙首先采用弹性理论推出面元 理论,再将影响函数法应用于连续介质力学,为边界元理论做铺垫 [11]。 国内对开采沉陷规律的研究起步比较晚, 新中国成立以后， 我国才开展了开采沉陷 的研究工作。直到 20 世纪 60 年代才开始系统的研究。虽然起步晚,但是在开采沉陷理 论与实践方面的研究成果也相当丰富。其中较为主要的研究成果有刘宝琛院士、廖国 华教授对李特维尼申随机介质理论的进一步发展，在 1965 年出版了专著煤矿地表移 动的基本规律[12],将概率积分法引入我国，标志着我国开采沉陷系统性研究的开始。 何国清、吴戈分析实际情况，于 1981 年分别提出了威布尔分布方程和Γ分布方程的地表 下沉预计方法；刘天泉[13]等发展了三带理论，在 1981 年第一次提出导水裂隙带概念, 并给出了垮落带与导水裂隙带预计公式,在煤层资源有效开采得到很好的利用；郝庆旺 [14]提出了空隙扩散和空源的概念,导出了空隙扩散问题的微分方程,同时初步研究了该 方程在开釆沉陷中的应用； 李增琪[15]将开挖引起的地表移动看成是多层横观各向同性介 质的弹性力学平面问题, 其中层间既满足力学平衡条件又满足几何接触条件， 采用富氏 积分变换方法推导出了层状岩层与地表的移动模式； 邓喀中[16]提出了岩体开采沉陷的结 构效应理论； 吴侃[17]等对采空区上覆岩层移动破坏的时空规律动态力学模型的应用进行 了研究；杨帆[18]等阐述了采空区上覆岩层移动是一个复杂的动态时空过程，结合流变力 学与薄板弯曲理论研究了上覆岩层移动的时间、空间过程，推导了考虑时间因素的岩层 下沉计算公式和得到了岩层的下沉时间系数公式。 1.2.2 黄土山区地表沉陷国内外研究现状 地下开采将会产生一定的地表采动灾害，山区的地表灾害表现样式较多。一般有地 面下沉、表土层整体滑移、山体开裂、滑坡及崩塌等灾害[19]。注意到山区采动损害程度 远较平原地区严重复杂，其地表移动规律不好把握的现象，国内外也都开展了这一方面 的研究。我国西部山区典型的地貌主要为黄土沟壑区,我国对山区地表沉陷规律的研究 开始的较早,上世纪 50 年代开始观测,在 70 年代末 80 年代初开始理论研究工作。国 外在此方面的也有一些研究,英国进行过山区地表移动的相似材料模拟实验研究,美国 布设了山区地表移动观测站进行了观测研究,但对山区地表移动理论方面的研究较少 [20-21]。 我国在山区地表沉陷规律方面的研究取得了丰硕的研究成果。 其中有代表性的主要 包括 何万龙1981通过在山西阳泉矿区半丘陵地带近水平煤层布设地表观测站,对实测 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 资料进行分析,得出山区地形条件下地表移动受地质采矿条件、地表倾斜以及表土层的 强度的影响，其中水平移动受地表倾斜影响最明显；随后1986提出了山区地表移动向 量是开采影响分量和采动滑移分量的叠加,导出了山区地表主剖面以及任意点移动与变 形的预计数学模型； 之后在叠加原理的基础上， 结合几何分析和力学分析方法,首先分析 了采动滑移特征,再通过简化模型，提出了山区典型“地貌滑移应力应变模型” ，其次 又对山区地表采动滑移机理与向量进行了分析1991[22-27]。伍俊鸣、田家琦于 1982 年根 据观测资料假设山区地表移动是单纯开采作用和采动影响下的滑移作用两因素的综合 影响。 颜荣贵[28]基于随机介质理论导出了山区地表下沉的剖面方程； 余学义等[29]基于克 诺特理论推导出了山区地表移动变形预计公式；胡友健[30]等分析传统预计方法的缺点， 提出了一种新的负指数函数法得山区地表移动预计模型； 李文秀[31]利用模糊数学原理建 立了采动山体岩体变形预测模型。 汤伏全[32-33]等通过对渭北矿区滑坡灾害的机理进行了 研究，认为斜坡失稳的模式可归结为先是地下采空，其次后缘破坏，最后前缘蠕动的推 动式的顺层滑坡破坏的形式。 黄土沟壑区地形地貌条件复杂，地质条件特殊，在开采过程中地表变形破坏呈现特 殊性。夏玉成等于 2006 年以铜川矿区全部地面岩移观测站资料为基础，以相似材料模 拟和计算机上数值试验为手段，总结了典型黄土山区地表变形破坏特征。余学义[34]等针 对黄土沟壑区地质地貌条件，揭示了开采下巨厚湿陷性黄土地表裂缝产生的机理。梁明 [35]等基于山区地表移动的特点， 将山区地表移动看作是开采影响分量和开采影响下的山 坡滑移分量叠加的结果，对铜川矿区的地表变形预计方法进行了研究。汤伏全[36]等基于 随机介质理论原理，将上覆岩层分为土层与岩层两种不同介质介质，建立了厚黄土层矿 区地表移动变形预计模型。王业显[6]等以神东矿区大柳塔矿的一个工作面为例，研究了 黄土沟壑区地形影响下地表移动变形规律， 得到地表滑移中垂直分量与水平分量的比值 与地形坡度之间存在一定的线性关系。 刘辉[37]通过各种方法结合实测数据对西部黄土沟 壑区地下开采引起的地表裂缝进行了研究，得出了预计公式，并对裂缝的治理提出了意 见。 虽然国内外对山区地表移动变形机理、规律进行了大量研究,得到了一些因素的变 化对山区地表移动变形影响的规律,并根据实测资料建立了山区地表移动预计模型,其 中多工作面开采也做了一些研究，但由于地质采矿条件的不同以及山区地貌的多样性， 对山区的沉陷规律仍难把握，因此对已有预测方法及函数仍需进一步改进与完善,使其 能在不同地质采矿环境、不同地形地貌条件下具有良好的开采沉陷预测结果,为矿区有 效资源开采以及控制地面沉陷灾害提供理论依据。 1.2.3 数值模拟的发展现状 数值模拟法是在边界条件基础上利用数值逼近力学控制方程解决具体问题的方法， 万方数据 1 绪论 5 可以用来解决某些理论研究计算复杂而实际较难计算的问题。在数值方法中，分为两大 类，一类为非连续介质方法，一类为连续介质方法。目前建立在弹塑性理论基础上应用 于开采沉陷常用的数值模拟计算方法有离散元法（DEM） 、有限差分法（FDM） 、边 界元法（BEM） 、有限元法（FEM） 。 离散元[38]法起初的研究对象主要是非连续介质的力学行为， 近年来其应用领域又扩 展到求解连续介质及连续介质向非连续介质转化的力学问题。 它既允许单元之间的相对 运动，也不需要满足位移连续和变形协调条件，因此可以用来模拟地下开采引起的岩层 大变形及其破坏过程。其中代表软件有 UDEC 和三维 3DEC，主要用于模拟节理岩石或 离散块体岩石在静载或动载条件下力学及采矿岩石运动过程的工程问题。 Cundall P.A 和 Strack O.D.L 开发了 Ball 程序[39-40]，用于研究颗粒介质的力学行为。王永嘉[41]、麻凤海 [42]等教授将离散元应用于采矿工程研究中，得到了较好的成果。 有限差分法可以用来求偏微分方程及方程组定解问题的数值解， 是采用显示拉格朗 日算法并混合离散分区技术求解三维数值的计算方法，无需形成刚度矩阵，用较小内存 空间就足以求解大范围的三维问题 可解决众多有限元难以模拟的复杂问题， 如大变形、 大应变、非线性问题；能用来模拟分析土质、岩石的三维结构受力特性，在模拟岩层及 地表沉降中显示了独特的优势。 该方法最具有代表性的软件是美国的Itasca公司利用c 语言开发的 FLAC3D。 但该方法需要比较准确的掌握地质采矿条件和上覆岩层的力学参 数，这一点在地面沉降预计中往往难以实现，所以通常用作开采沉陷的某一参数的对沉 陷影响的定性分析。 边界元法是一种连续介质的积分法[43]，即把区域问题转化成边界问题求解的一种离 散方法。该法只需在定义域的边界上进行单元划分。通过限定和离散求解区域的边界， 将已知问题的维数降低，减少了计算的工作量，同时具有较高的精度。其缺点是该法以 弹性理论为基础，所以仅适用于线弹性介质问题的求解。 有限元法是基于最小势能变分原理[44]，它的最基本思想是单元离散，即把连续体结 构离散为通过结点互联的有限单元体来表达复杂的实际对象， 然后根据变形协调条件综 合求解，目前代表性的软件是 ANASYS、RFPA、ADINA 等。有限元法以位移函数来描 述单元的变形，使位移、应力等物理量得以求解的一种数值计算方法。该方法应用于复 杂的地质条件中能获取岩体内部的应力与位移分布。不过，在有限元方法中，采用的是 连续的位移近似函数，力学平衡方程是通过变分原理以弱解形式满足的，不适合对非连 续变形分析，所以不太适合应用于煤层开采的沉陷预计。 1.2.4 存在的问题与不足 黄土山区开釆沉陷问题十分复杂,从现有的研究成果来看,关于黄土山区地表移动 与变形规律的研究并不完备,仍需要研究的问题有 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 6 （1）黄土的特性比较复杂，开采过程中沉陷影响因素较多，虽然有了一定的研究 成果但每一种理论和方法都有其一定局限性和地域性， 因此应进一步对黄土山区沉陷理 论进行研究。 （2）黄土山区因地质地貌的影响，其开采过程中地表的移动特征表现出特殊性。 在地表坡度的变化过程中，其沉陷也相应的变化。因此要研究地形地貌对地表移动变形 的影响。 （3）黄土山区地面建筑物保护煤柱留设的研究较少,为了能够减少对资源的浪费， 对保护煤柱移动角量参数应进一步研究。 （4）在开采方式不同的情况下，其矿区的地表移动将会有所变化。在多工作面开 采时，由于多工作面的联合影响，使得开采沉陷规律变得复杂，对开采过程中的沉陷预 测不准确，其沉陷规律需要进一步研究。 总之，因地质地貌等多种因素的影响，黄土山区开采沉陷引起地表移动变形规律比 较复杂,需要解决的问题也较多。 1.3 论文主要内容及技术路线 1.3.1 研究内容与方法 为了研究多工作面联合开采的地表沉陷规律， 本文在以柠条塔矿区 N1206 工作面和 N1114 工作面为研究对象， 利用对实测数据的分析， 总结多工作面开采下地表移动特征， 并获得工作面开采角量参数与概率积分参数。再利用 FLAC3D 数值模拟软件构建简化模 型，在两工作面联合开采的情况下，分析地表移动规律。 具体的研究方法如下 1搜集研究区域地质采矿条件资料，包括地质结构、岩层物理力学特性、煤层的 赋存状况、两煤层的开采方式、开采次序以及顶板管理方法，实地进行调查，查看研究 区域地形地貌特征，并且同时搜集黄土山区开采沉陷相关资料与研究区的成果资料。 2对柠条塔矿区 N1206 工作面和 N1114 工作面地表布设 5 条观测线，其中走向主 断面各一条，倾向主断面各一条，两工作面之间再布设一条。再采用 GPS 和全站仪结 合的方法对水平位移进行监