厚硬基岩下开采移动变形规律研究.pdf

论文题目厚硬基岩下开采移动变形规律研究 工程领域测绘工程 硕 士 生张燕文 （签名） 指导教师刘长星（校内） （签名） 李赟瑜（校外） （签名） 摘 要 陕西焦坪矿区开采煤层属于下侏罗统延安组含煤地层，煤层上覆基岩综合岩性为中 等坚硬岩层，特别是下白垩统凤凰山段和下白垩统洛河段砾岩岩层整体厚度大，岩层强 度高、岩性坚硬，当煤层开采未达到充分开采、采动距没有达到厚硬基岩破断距地条件 下，该层坚硬岩层对其上覆岩层起支承作用，抑制了因采动引起的移动变形继续向上发 展，减缓地表下沉。因此，研究厚硬基岩开采下地表的移动变形规律对焦坪矿区的安全 生产具有重要的意义。 本文以焦坪矿区崔家沟煤矿开采现状为背景，运用理论分析、现场实测以及数值模 拟的研究方法，对厚硬基岩开采条件下岩层及地表移动变形规律以及覆岩结构稳定性等 方面做了深入研究。焦坪矿区覆岩主要特点是具有巨厚砾岩层，厚度达到 200450m， 与其他采矿地质条件相比，其开采后地表形变呈现出异常。通过关键层理论分析，结合 矿区的地质条件，以及焦坪矿区的实测资料数据，分析得出厚硬基岩下覆岩垮落带、导 水裂隙带的发育情况以及地表移动变形的特点。 利用数值模拟软件，结合相似模拟实验结果以及实测资料，得出工作面开采宽度 对地表开采移动变形的影响， 当单个工作面宽度超过一定宽度时， 地表下沉将明显增加； 厚硬基岩在工作面未达到充分采动时，对上覆岩层起到了控制作用，地表下沉不明显； 当厚硬基岩层破断后，地表出现剧烈下沉，地面出现大量裂缝。当厚硬基岩破断后，工 作面开采宽度越大，垮落带发育高度越高，范围越大，地面下沉值越大。 关 键 词厚硬基岩；关键层；地表移动；数值模拟 研究类型应用研究 万方数据 Subject Research on Mining Moving Deation Laws of Thick hard bedrock Specialty Surveying Engineering Name Zhang Yanwen Signature Instructor Liu Changxing Signature Li Yunyu Signature Abstract Shaanxi JiaoPing mining coal seam belongs to the Jurassic yanan group of coal-bearing strata, coal bed lithology of overlying bedrock for medium hard ation, especially in lower cretaceous and lower cretaceous LuoHe phoenix mountain big conglomerate rock overall thickness, intensity is high, the lithology, hard rock under the certain condition of mining areas to play the role of a control of overlying rock destruction. As a result, the surface movement deation under the condition of thick hard rock mining rule and the structure of the overlying rock mass stability studies focusing on mine safety in production is of great importance. Taking JiaoPing cui at mining area coal mining situation as the background, through the theoretical analysis, field measurement and numerical simulation s, under the condition of thick and hard rock mining strata and surface movement deation and strata structure stability done in-depth research. JiaoPing mining strata main characteristic is the thick conglomerate layer, thickness of 200 450 m, compared with other mining geological conditions, the surface deation appear abnormal after mining. Through analysis on the key strata theory, combined with the geological conditions of mining area, as well as JiaoPing mining area of measured data, the analysis of thick hard rock strata under caving zone and water flowing fractured zone of development situation and the characteristics of the surface movement deation. By using numerical simulation software, combined with the similar simulation experiment results and the measured data, it is concluded that impact on the deation of ground surface mining working face mining width, when a single working face width exceeds a certain width, surface subsidence will significantly increase; Thick hard rock in coal face have not reached full mining, played a controlling role in overburden and surface subsidence is not obvious; When final thick hard rock layer, the surface appears intense subsidence, 万方数据 ground in a large number of cracks. When thick hard bedrock final, working face mining width, the greater the height of caving zone is higher, the greater the range, the greater the surface subsidence value. Keywords Thick hard bedrock; The key layer; Surface movement; The numerical simulation Thesis Application Research 万方数据 目录 I 目目 录录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 研究背景与意义 .............................................................................................................. 1 1.1.1 研究的背景 ............................................................................................................... 1 1.1.2 研究的意义 ............................................................................................................... 2 1.2 国内外研究现状及发展趋势 .......................................................................................... 2 1.2.1 开采沉陷的预计方法 ............................................................................................... 2 1.2.2 开采沉陷学国外研究现状 ....................................................................................... 3 1.2.3 开采沉陷学国内研究现状 ....................................................................................... 5 1.2.4 厚基岩下开采移动变形规律发展现状 ................................................................... 6 1.3 论文研究的主要内容及技术路线 .................................................................................. 7 1.3.1 研究的主要内容 ....................................................................................................... 7 1.3.2 技术路线 ................................................................................................................... 8 1.4 本章小结 .......................................................................................................................... 8 2 厚硬基岩下岩层与地表损害特征分析 ................................................................................ 9 2.1 概述 .................................................................................................................................. 9 2.1.1 厚硬基岩的概念 ....................................................................................................... 9 2.1.2 关键层理论 ............................................................................................................... 9 2.2 坚硬基岩结构类型分类 .................................................................................................. 9 2.3 厚硬基岩下岩层与地表移动变形的参数特征 ............................................................ 11 2.3.1 坚硬岩层在覆岩中的比例系数与预计参数的关系 .............................................. 11 2.3.2 按覆岩性质分类的概率积分法预计参数的经验值 ............................................. 14 2.4 本章小结 ........................................................................................................................ 14 3 厚硬基岩下地表移动规律 .................................................................................................. 15 3.1 焦坪矿区自然条件 ........................................................................................................ 15 3.2 焦坪矿区地质概况 ........................................................................................................ 15 3.2.1 地层及地质构造 ..................................................................................................... 15 3.2.2 采煤方法、工艺以及开采历史 ............................................................................. 16 3.2.3 矿区开采沉陷研究历史 ......................................................................................... 19 3.3 地表移动观测站基本情况及观测工作 ........................................................................ 20 3.3.1 崔家沟地表移动观测 ............................................................................................. 20 3.3.2 现场观察情况 ......................................................................................................... 23 3.3.3 焦坪矿区地表移动规律分析 ................................................................................. 25 万方数据 目录 II 3.3.4 厚硬基岩条件下开采变形分析 ............................................................................. 26 3.4 本章小结 ........................................................................................................................ 26 4 厚硬基岩下覆岩移动规律 .................................................................................................. 27 4.1 关键层的定义和特征 .................................................................................................... 27 4.2 关键层位置的判别 ........................................................................................................ 27 4.2.1 判别方法 ................................................................................................................. 27 4.2.2 焦坪矿区关键层位置判别结果 ............................................................................. 30 4.3 覆岩关键层破断结构判别 ............................................................................................ 31 4.3.1 判别方法 ................................................................................................................. 31 4.3.2 主关键层破断的形态以及其对地表移动变形的影响 ......................................... 32 4.3.3 覆岩“三带”发育高度 ......................................................................................... 34 4.4 焦坪矿区关键层结构对采区的影响 ............................................................................ 34 4.5 本章小结 ........................................................................................................................ 35 5 相似模拟实验研究 .............................................................................................................. 36 5.1 原型基本条件 ................................................................................................................ 36 5.2 相似模型的建立 ............................................................................................................ 36 5.2.1 相似条件 ................................................................................................................. 36 5.2.2 相似模型建立 ......................................................................................................... 37 5.2.3 测试方案 ................................................................................................................. 37 5.3 模型的开采方法及观测内容 ........................................................................................ 37 5.3.1 模型开采方法 ......................................................................................................... 38 5.3.2 试验过程描述 ......................................................................................................... 38 5.4 模型试验结果分析 ........................................................................................................ 42 5.4.1 地表移动规律 ......................................................................................................... 42 5.4.2 岩体内部移动规律 ................................................................................................. 43 5.5 本章小结 ........................................................................................................................ 44 6 厚硬基岩下岩层与地表移动规律数值模拟 ...................................................................... 45 6.1 离散单元法的原理及应用 ............................................................................................ 45 6.1.1 离散单元法的基本原理 ....................................................................................... 45 6.1.2 3DEC 软件及其功能 ............................................................................................. 46 6.2 数值模型的建立 ............................................................................................................ 46 6.2.1 模型范围的确定 ..................................................................................................... 46 6.2.2 模型的边界条件 ..................................................................................................... 47 6.2.3 数值模型的选择 ..................................................................................................... 47 万方数据 目录 III 6.3 数值模拟计算分析 ........................................................................................................ 48 6.3.1 模拟步骤 ................................................................................................................. 48 6.3.2 模型计算分析 ......................................................................................................... 49 6.3.3 存在的问题 ............................................................................................................. 51 6.4 本章小结 ........................................................................................................................ 51 7 结论与展望 .......................................................................................................................... 52 7.1 主要结论 ........................................................................................................................ 52 7.2 展望 ................................................................................................................................ 53 致 谢 ........................................................................................................................................ 54 参考文献 .................................................................................................................................. 55 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景与意义 1.1.1 研究的背景 中国是目前最大的煤炭消费国、生产和进口国。中国的一次能源 60以上是煤炭， 近 20 年来，我国煤炭开采量不断增加，每年从地下开采数十亿吨的煤炭。根据我国发 布的相关资料，虽然近几年由于煤炭价格低迷，我国产煤量连续走低，2015 年我国全年 产煤达到 36.94 亿吨，比 2014 年下降 3.5，但仍接近全球产煤量的一半。我国仍然是 一个发展中国家，虽然我国也拥有储量很大的天然气，但是开采价值很低；清洁能源如 风能、水能等利用率有限；随着国家的快速发展和城市化提高，对能源需求的增加仍然 是不可避免的，在未来几十年，煤炭占一次能源比重会逐步降低，但仍将是我国的主要 能源。 煤炭给我们带来了巨大的经济效益和快速的城市发展，但是也给生产矿区带来了严 重的生态破坏。煤炭开采后，采空区周围的岩层失去支撑逐渐向采空区垮落，形成垮落 带，随着煤层的不断采出后，垮落带不断向上发展，导致地表出现下沉。我国因煤矿开 采导致的地表下沉给矿区人民的生产和生活带来很大影响，同时造成巨大的经济损失， 如山西省因大量采煤产生的采空区几乎占山西国土面积的 1/8；由于煤层开采引起大量 地下水流失，我国因开采导致的地下水流失以及河流污染范围达到 2 万余平方公里，给 矿区人民正常的生产生活带来困难；煤矸石堆积占用大量土地，并造成土壤污染，为国 民经济带来了巨大损失。所以，研究和分析煤层采出后引起的地表移动变形规律，对保 护矿区的安全生产以及人们的生活安全有重要意义。 本文依托焦坪矿区崔家沟煤矿为研究背景，崔家沟煤矿位于焦坪矿区西部，处于关 中盆地与陕北黄土高原的过渡带， 地质条件特殊； 具有黄土层薄、 基岩厚度大、 强度大、 整体性强、煤层埋深大，地面村庄分布较广等特点。由于开采条件的限制，留设了保护 煤柱，以避免地表出现大面积的变形和下沉。崔家沟煤矿对二盘区 2109 工作面进行开 采，开采深度较大（450～470m） ，开采厚度高（2～6m） ，开采方法以走向长壁放顶煤 为主，煤层顶板实行全部跨落法管理模式。但 2109 工作面上方有一村庄核桃峪组，该 村位于杏树坪村西北方向约 3 公里的山区内，与外界只有一条大车路相通，交通较为不 便，约有 30 户人家，60 余间房屋，近百余亩耕地，隶属杏树坪村管辖。由于 2109 工作 面的开采，可能引起地表的变形，从而会对村庄的房屋及其它建构筑物造成影响甚至破 坏，因此必须对此进行具体的研究。 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 1.1.2 研究的意义 我国煤炭地质条件复杂，煤层上覆厚硬基岩的煤矿约占全国三分之一左右，且集中 分布在一半以上的矿区，如山西省同煤集团，2、3、11、12岩层属于坚硬岩层，北 京城子矿 8煤层直接顶，内蒙古大柳塔煤矿，新疆夏库坦煤矿，贵州木冲沟煤矿等。随 着综采技术的快速发展，接近一半的生产工作面属于上覆厚硬基岩条件下开采。根据数 据分析， 在所统计的 33 种液压支架架型中， 用于厚硬基岩下的就有 16 种， 占 48.5[1]。 所以，研究和分析厚坚硬基岩下开采的移动变形规律，对煤矿安全生产有重要意义。 铜川矿区地处陕西渭北重镇铜川市境内，是我国西部重要的煤炭生产基地。地理坐 标为东经108 48109 26，北纬35 01 35 22。矿区按地质年代有南北两个独立的自 然矿区，南部为铜川南区，北部为焦坪矿区。现有生产矿井 9 对，铜川南区有东坡矿、 鸭口矿、徐家沟矿、金华山矿、王石凹矿；焦坪矿区有玉华矿、下石节矿、陈家山矿、 崔家沟煤矿[2]。 焦坪矿区属于厚硬基岩下开采，地质条件特殊，有厚达 450 米左右的巨厚砾岩层， 且强度大，整体性强，该采煤条件下引起的地表以及覆岩移动变形特征比较特殊。煤层 采出后引起的 “三带” 发展高度在我国已经有大量的实测资料， 通过分析这些实测资料， 总结出了硬岩层下的经验计算公式，但是由于厚硬基岩在覆岩中起到的控制作用，经验 公式不足以满足该地质条件下的“三带”高度的计算。钱鸣高教授提出的关键层理论， 分析了大量的硬基岩条件的开采移动变形规律，但是对厚度达到 400 米以上的巨厚关键 层条件下开采没有做出具体的分析，因此，厚硬基岩下开采沉陷的研究和分析有很重要 的意义。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 1.2.1 开采沉陷的预计方法 （1）影响函数法（The influence ） 影响函数法是目前开采沉陷预计的一种常用方法。其理论基础为分布函数。典型的 影响函数法有巴尔斯（Bals） 、培尔茨（Perz） 、别耶尔（Beyer） 、扎恩（Sann） 、柯赫 曼斯基（Kochmaniski） 、布德雷克-克诺特（Budryk-Knothe） 、刘宝琛等理论方法。 （2）理论模型方法（The theoretical ） 理论模型方法是以力学模型以及建立在弹性或塑性理论基础上的计算方法。依靠计 算机强大的运算能力，理论模型方法近年来在开采沉陷预计中逐渐普及。目前，常用的 计算方法有边界元法（Boundary Element , BEM） 、有限单元法（Finite Element , FEM） 、离散元法（Discrete Element, DEM） 、拉格朗日元法（Fast 万方数据 1 绪论 3 Lagrangian Analysis of Continua, FLAC）等[3]。 离散单元法由美国学者 Cundull 在 1971 年提出，1986 年由东北大学的王泳嘉和安 徽理工大学万禧引入国内。由于离散元法在处理非连续介