岩盐水溶开采地表移动预计研究.pdf

分类号分类号 TD803TD803密密级级公公开开 U D CU D C 单位代码单位代码1042410424 学学 位位 论论 文文 岩盐水溶开采地表移动预计研究岩盐水溶开采地表移动预计研究 王王珊珊 申申请请学学位位级级别别硕士学位硕士学位专专业业名名称称大 大地 地测 测量 量学 学与 与测 测量 量工 工程 程 指指导导教教师师姓姓名名姜姜岩岩职职称称教教授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一六年二零一六年六六月月 万方数据 论文题目论文题目 岩盐水溶开采地表移动预计研究岩盐水溶开采地表移动预计研究 作者姓名作者姓名王王珊珊入学时间入学时间20132013 年年 9 9 月月 专业名称专业名称大 大地 地测 测量 量学 学与 与测 测量 量工 工程 程研究方向研究方向工工程程测测量量与与工工业业测测量量 指导教师指导教师姜姜岩岩职职称称教教授授 论文提交日期论文提交日期2016 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期2016 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 STUDY OF SURFACE MOVEMENT IN SALT SOLUTION MINING A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Wang Shan Supervisor Professor Jiang Yan College of Geomatics June 2016 万方数据 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，， 除了所列参考文献和世除了所列参考文献和世 所公认的文献外所公认的文献外，，全部是本人在导师指导下的研究成果全部是本人在导师指导下的研究成果。。该论文资料尚没有该论文资料尚没有 呈交于其它任何学术机关作鉴定。呈交于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 AFFIRMATION Ideclarethatthisdissertation,tedinfulfillmentofthe requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘摘要要 由于岩盐有着优良的收敛性和低渗透性性能，是一种储存能源的理想介质。利用 深部盐矿水溶开采形成的地下采空区进行能源储备是国际上广泛认可的能源储备方 式，盐穴地下能源储备已成为国家能源战略的重点，为此，近年来我国建造了大规模 的地下盐穴能源储备库。但不可避免地，地下储库灾难事故如油气泄漏、储库区地 表沉陷等时有发生，因此，着眼于岩盐地下能源储备，开展岩盐水溶开采地表移动 预计研究，对我国地下能源储备计划的顺利完成具有重要的意义。本文在阅读大量文 献资料的基础上，主要研究了以下几个方面 第一，地下矿产开采的沉陷机理以及岩盐水溶开采下的盐穴分析，通过对煤矿开 采上覆岩层移动规律的总结，再结合岩盐水溶开采现状，对岩盐水溶开采下沉形成的 移动盆地、盐穴形态以及沉陷特点进行了分析总结； 第二，根据某盐矿的实际地质概况，提出岩盐水溶开采保护矿柱的留设理论，参 考借鉴煤矿开采技术中的保护矿柱的设计，并结合某盐矿实际矿区概况，经计算获得 保留矿柱的宽度为 53.125m，在实际设计时，为了防止地表沉降，维护顶板稳定性， 保护矿区周围的环境以及居民生活安全，实际选取时的井组排间距要比理论值大； 第三，为了达到更好的预计效果，基于随机介质理论，推导出适合于岩盐水溶开 采的三维模型，并根据一定的数学原理得到单元开采地表沉降三维表达式； 第四，依据三维预计模型分别建立了圆柱形、椭球形和球形等不同形状下盐穴的 下沉预计公式，结合某盐矿的矿区概况以及相关文献资料，再运用 MATLAB 软件显示 其结果和精度，并曲线化表示。 关键词关键词水溶开采，保护矿柱，概率积分法，盐穴预计模型 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Abstract Abstract Since rock salt has a good convergence properties and low permeability, it is an ideal medium for energy storage. Using deep salt solution mining ed the underground goaf in energy reserves are internationallywidely recognized way of energy reserves, underground salt cavern energy reserves has become the focus of national energy strategy. Therefore, in recent years, our country has built a large-scale underground salt cavern energy storage.But inevitably, the underground storage of disasters such as oil and gas leaks, reservoir area of ground subsidence, etc. have occurred.Thus, focusing on the energy reserves of underground rock salt ,to carry out the research on surface movement prediction of rock salt solution mining is of great significance to the successful completion of Chinas underground energy reserve plan.On the basis of reading a lot of literature , this paper mainly studies the following aspects First, the underground mining subsidence mechanism and the analysis of salt cavern under the rock salt solution mining . Through summarizing the movement law of overlying strata in coal mining, and then combining with the current situation of salt solution mining, the ation of the basin, salt cavern and the characteristics of salt cavern are analyzed and summarized; Second, according to the actual geological conditions of a salt mine, putting forward the protection pillar design theory of solution mining of rock salt, and by referencing design protection pillar coal mining technology, combined with the actual situation of a salt mine, ultimately retain the pillar width is 53.125m. In the actual design, in order to prevent surface subsidence, maintenance the roof stability , as well as to protect the environment around the mining area and the safety of residents , when selecting the actual distance the well group row is greater than the theoretical. Third, in order to achieve the expected results, through combining the mechanical principle and phenomenological theory , deduced the 3D model which suitable for rock salt mining . And get the 3D expression of surface subsidence in mining unit according to the certain mathematical principle; Fourth, the 3D models are expected to establish a different shape of cylindrical, spherical and ellipsoidal cavern subsidence prediction equation, combined with some salt mine mining area survey and related literature, then using MATLAB software to display the results and precision, and curve the representation. Keywords water solution mining, protection pillar, probability integral , prediction model of salt cavern 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 目目录录 1 绪论绪论................................................................................................................ 1 1.1 研究背景和意义................................................................................................................1 1.2 国内外研究现状................................................................................................................2 1.3 主要研究内容....................................................................................................................4 2 地下开采的沉陷机理以及岩盐水溶开采下的盐穴研究地下开采的沉陷机理以及岩盐水溶开采下的盐穴研究............................ 6 2.1 地下开采沉陷机理............................................................................................................6 2.2 岩盐水溶开采盐穴分析...................................................................................................9 2.3 本章小结...........................................................................................................................11 3 某盐矿地质概况及保护矿柱的留设某盐矿地质概况及保护矿柱的留设........................................................... 12 3.1 地质概况...........................................................................................................................12 3.2 岩盐水溶开采保护矿柱的留设....................................................................................18 3.3 本章小结...........................................................................................................................22 4 岩盐水溶开采地表移动预计方法岩盐水溶开采地表移动预计方法.............................................................. 23 4.1 地表移动预计..................................................................................................................23 4.2 传统概率积分法..............................................................................................................24 4.3 概率积分三维预计模型.................................................................................................28 4.4 本章小结...........................................................................................................................33 5 不同形状盐穴的地表移动预计模型不同形状盐穴的地表移动预计模型.......................................................... 34 5.1 基于不同形状盐穴的地表下沉预计...........................................................................34 5.2 不同形状盐穴的地表移动预计计算分析.................................................................. 42 5.3 圆柱形盐穴地表下沉预计............................................................................................ 46 5.4 本章小结...........................................................................................................................48 6 总结与展望总结与展望.................................................................................................. 49 6.1 总结................................................................................................................................... 49 6.2 展望................................................................................................................................... 50 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 参考文献参考文献.......................................................................................................... 51 攻读硕士期间的主要成果攻读硕士期间的主要成果.............................................................................. 56 致谢致谢.................................................................................................................. 57 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Contents Contents 1 Introduction...................................................................................................................................1 1.1 Background and Significance.............................................................................................................1 1.2 Reach status.........................................................................................................................................2 1.3 Main research contents....................................................................................................................... 4 2 Underground mining subsidence mechanism and the study of salt cavern of rock salt solution mining..........................................................................................................................6 2.1 Subsidence mechanism of underground mining............................................................................... 6 2.2 Analysis of rock salt cavern................................................................................................................9 2.3 Summary............................................................................................................................................11 3 A salt mine geology and protection pillar design................................................................12 3.1 Geology..............................................................................................................................................12 3.2 The protection of pillar design in rock salt solution mining..........................................................18 3.3 Summary............................................................................................................................................22 4 The surface movement prediction in salt solution mining................................23 4.1 Surface movement prediction...........................................................................................................23 4.2 Traditional probability integration ..................................................................................... 24 4.3 Three dimensional probability integral prediction model..............................................................28 4.4 Summary............................................................................................................................................33 5 Surface movement prediction model of salt cavern in different shapes....................... 34 5.1 Surface subsidence prediction based on salt cavern with different shapes...................................34 5.2 Calculation and analysis of surface movement in different shapes of salt cavern.......................42 5.3 Surface subsidence prediction of cylindrical salt cavern...............................................................46 5.4 Summary............................................................................................................................................48 6 Summary and prospects...........................................................................................................49 6.1 Summary............................................................................................................................................49 6.2 Prospects............................................................................................................................................50 References.......................................................................................................................................51 Main Work Achievement of the Author during Working on Master Paper....................56 Acknowledgements........................................................................................................................57 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1 绪论绪论 1.1 研究背景和意义研究背景和意义 中国岩盐资源矿产丰富，已探测出的产量大约有四万四千亿吨，而水溶法开采岩 盐则是大部分矿山所采用的方法。由于岩盐有着优良的收敛性和低渗透性性能，是一 种储存能源的理想介质。我国对能源的存储有着很大的需求，利用深部盐矿水溶开采 形成的地下采空区进行能源储备是国际上广泛认可的能源储存方法，盐穴地下能源储 备已成为国家能源战略储存的重点，为此，近年来我国建造了大范围的地下盐穴储气 库，它在有益于环境保护的同时也有着重要的经济和技术开发价值。岩盐地下开采， 地下原有的应力破坏，使盐穴周围岩石发生了某种形式的移动与变形[1]。然而，相对 于其他储存围岩体，岩盐地下能源储存库尽管具有较好的安全性，但不可避免地，地 下储库灾难事故如油气泄漏、储库区地表沉陷等时有发生，若不采取有效合理的措 施，地表农田、建筑物等都会遭到破坏，甚至发生地表塌陷、矿区透水等事故，严重 影响矿山的生产效益以及附近居民的生活环境。 Ege  2 1984 年提出了因从水溶液中提取矿盐而导致地面沉降的理论，并重点研 究了由于地下盐穴的部分或全部坍塌引起的地面沉降。他强调覆岩的强度特性对于支 撑由岩盐溶解而产生的盐穴十分关键，而且他认为盐穴的空隙转移到地表上面属于盐 穴坍塌引起的沉降机制。覆岩和岩盐的联系十分紧密，当覆岩表面受到流水、风力、 日照等自然因素的侵蚀形成盐穴，地表继而也会有发生沉陷的可能。Ege 研究岩盐沉 降主要在北美地区，尤其关注中泥盆世地层大草原，从北达科他州和蒙大拿州向西北 延伸的区域。自然沉降在相当长的时间内持续发生，盐穴导致地表出现沉陷塌陷的特 征。直径 244 米、深 6 米的火山湖属于典型的自然沉陷类型。Ege 研究岩盐水溶采矿 并阐述了一种特定的方法的重要性，即利用油层或封闭气垫层来控制溶解过程的进 展。这种方法可以使水溶液集中在岩盐矿床的下部，从而增加腔室顶部的稳定性。采 用这种方法可以使盐穴的几何形状更加好控制。 Walters 在 1977 年已经研究讨论了堪萨斯州中部岩盐水溶液开采可能导致下沉盐 穴的风险。他给出的一个具体的例子是在 1974 年 10 月，在堪萨斯州的哈钦森进行卤 水提取的时候，一个直径 90 米的下沉盐穴在生长了三天以后，导致铁轨悬挂在下陷 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 盐穴上。涉及的岩盐床是位于地下 120 米深，厚度为 105 米厚的的岩盐床。岩盐和二 叠系页岩上覆盖着松散的砂，砾石和土壤。1888 年以来本地持续出产矿盐，如今已经 形成了大量的盐穴。在北美盐场，卤水泵取作业导致下沉盐穴的形成已经成为地表下 沉的常见形式。在 1959 年，每 12 个小时，堪萨斯州的巴顿县都会出现一个直径 90 米、15-18 米深的下沉盐穴。这好像是由于盐水处理井的缘故，使不饱和盐水直接接 触到深度为 300 米左右的盐面造成的。 德克萨斯州有最主要的大盐丘，水溶开采在过去一直持续。在 1976 年期间，城 市中出现了一个 15 米深的下沉盐穴。在美国密歇根州底特律的格罗斯卤水提取厂， 发生过下沉孔洞坍塌事故。格罗斯岛位于底特律河，主要由白云岩和砂岩构成，并覆 盖着一层松散的沉积物。矿盐主要分布在地下 340 米深延伸至地下 400 米的区域。岛 上的盐水井分布密集。1971 年期间岛上出现直径分别为 60 米和 135 米的下沉盐穴。 这些塌陷事故表明卤水泵取作业会导致表面出现下沉盐穴。 在地下岩盐水溶开采方面，我国的云应盐矿  3 和长山盐矿都发生过地表沉陷，它 们破坏的不仅仅是围岩体、 地貌地形以及地表构筑物等， 更严重的水溶液涌出地表面， 使地下水系、各种农作物植被等受到污染，使附近的土地盐碱化，这些破坏极大影响 了工、农业生产和人民的生活环境  4 。 因此，研究岩盐水溶开采地表移动规律，建立行之有效的预测模型，对减少因开 采移动而导致的安全事故和环境灾害的发生，对合理开采矿山资源、提高矿山的安全 生产管理以及矿区生态环境的保护具有重要的意义，也符合我国的可持续发展战略。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 目前矿山开采地表移动的研究基本上都是针对地下采煤而进行的，由于其开采方 式互不相同，水溶开采地表移动与煤炭开采地表移动有许多不同之处，使岩盐水溶开 采地表移动有别于煤矿开采。 1.2.1 岩盐水溶开采地表移动研究岩盐水溶开采地表移动研究 在对岩盐水溶开采地表移动的研究当中，查阅国内外近些年来与岩盐水溶开采有 关的文献，大多数都是利用盐穴作为储油库、储气库或者用作处置核废料的容器 ]155[  。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 德国的 Rokahr 和中国的杨春和等， 对岩盐的蠕变特性研究付出长久的时间与努力 ]7 , 6[ ， 且通过数值分析等方法分析了地下盐穴储库的安全性，还有瑞典的学者通过建立了黏 弹/塑性的模型以研究盐穴的稳定性状况 16 ；加拿大等学者，研究了关于使用盐穴储 库来处置一些有毒废料和放射性物质等的安全性 17,13,12 。德国的斯托蒙特等人，在关 于地下盐穴储库的建设过程中，为观测盐穴的破坏范围以及保证它的安全与稳定而采 用了陆地地震监测的方法 18 。 西方发达国家对许多大型地下盐穴储库的成功建造付出 了艰辛的努力，在很多方面都进行了较为深入的研究，而且也取得了非常好的经济和 社会效益，为世界各国塑造了典范，但是在岩盐 开采 沉陷这方面所作的研究和成果 却不是很理想。 在国内岩盐水溶开采沉陷方面，山东科技大学姜岩团队 21,20,19, 1 和重庆大学姜德义 团队 ]47, 8[ 在此领域有着深入的研究。文献 2322 等使用概率积分法研获得了覆岩的移动 表达式并研究了其破坏规律。文献 24 根据金坛盐矿矿区地质水文条件，通过经验 类 比的方法分析了水溶开采对上覆岩层的稳定性影响，并根据经验公式 计算了地表移 动参数与地表变形参数。文献 25 通过模拟实验，对薄层状盐矿和复层状盐矿开采引起 的地面沉降做了相关研究。 同样地，国内学者在研究盐穴的稳定性方面也取得了相关成绩。文献 26 采用 ADINA 非线性有 限元数值模拟方法对盐矿水溶开采盐穴的稳定性进行了相关的分 析。文献 27 中作者以弹塑性双参数为基础分析了盐穴顶板，并根据顶班的破裂垮塌条 件以及顶板破坏前后的矿井压力规律，采用岩石耦合模型分析盐穴的稳定性。文献 28 中作者采用轴对称线性弹性有限元法，分析并计算了岩盐开采中盐穴在厚盐矿体中的 稳定性。 1.2.2 开采沉陷预计理论方法开采沉陷预计理论方法 矿山开采沉陷有着多年的研究历史，在大量现场实验与测量的基础上，形成了各 种日趋成熟的理论，大致包含经验法、实验法以及理论模型等方法。随着随机介质理 论的提出，中国学者以此为基础创立了概率积分法，进而使中国岩移工作的开展得到 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 4 了极大地促进，例如文献 3029 等根据随即介质理论解决了地表移动的平面预计问题， 文献 3231 等应用时序分析法， 并以实测资料为基础， 对概率积分法的公式进行了修正， 大大提高了预计精度，文献 47 以唯象学理论为基础，考虑到力学因子，提出了分层次 传递新三维概率积分模型。经验法主要有典型曲线法和剖面