王河矿膏体充填开采覆岩移动变形及地表沉陷规律研究.pdf

全日制硕士学位论文 申请人姓名 朱时东 指 导 教 师 赵忠明 学 位 类 别 工学硕士 专 业 名 称 矿业工程 研 究 方 向 开采损害与保护 河南理工大学能源科学与工程学院河南理工大学能源科学与工程学院 二○一五年六月二○一五年六月 王河矿王河矿膏体膏体充填开采充填开采 覆岩移动变形及地表沉陷规律研究覆岩移动变形及地表沉陷规律研究 万方数据 中图分类号中图分类号TD325TD325 密密 级级公开公开 UDC622 单位代码单位代码1046010460 王河矿膏体充填开采 覆岩移动变形及地表沉陷规律研究 Study on the Laws of Overlying Strata Movement and Surface Subsidence in WangHe Coal Mine Paste Filling 申请人姓名申请人姓名 朱时东 申 请 学 位申 请 学 位 工学硕士 学 科 专学 科 专 业业 矿业工程 研 究 方 向研 究 方 向 开采损害与保护 导师导师 赵忠明 职称职称 教 授 提 交 日 期提 交 日 期 2015年4月 答 辩 日 期答 辩 日 期 2015年6月 河南理工大学 万方数据 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文王河矿膏体充填开采覆岩移动变形及地 表沉陷规律研究，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论 文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发 表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作 了明确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文使用授权声明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩印、扫描 或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名学位论文作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 致致 谢谢 本论文是在导师赵忠明教授的悉心指导下得以完成地，从选题、资料收集、 实地调研、文献阅读到论文撰写的整个过程中都凝聚着导师的心血和汗水。在研 究生学习期间，赵老师不论在学习上还是生活上都给予了我太多无私的帮助和热 情的关怀，我将铭记一生。赵老师废寝忘食、认真执着的工作态度和勤俭节约、 艰苦朴素的生活态度为我树立了榜样。值此论文完成之际，谨向赵老师表达我最 诚挚的感谢和最崇高的敬意 感谢能源科学与工程学院给我提供了良好的学习环境，感谢学院全体授课老 师对我的谆谆教导和培养。感谢韦四江老师在我数值模拟软件学习过程中给予的 悉心指导和大力帮助。感谢傅龙舟老师耐心地给我指出错误并提出修改建议。感 谢鹤煤集团王河煤矿郭志磊总工和地测科吴景春科长等相关人员在研究过程中给 我提供了极大的方便。 感谢王刚、席志渊及张乐等同学所给予的帮助和支持感谢董伟、刘勇良、 施天威对我的帮助，感谢室友付东辉、黄小明、周云森及能源学院全体 2012 级硕 士研究生在学习上和生活上的鼎力相助 感谢我的家人多年来给予我的支持和帮助，使我能够顺利完成硕士研究生阶 段的学习和生活，在此向他们表示由衷的感谢 感谢本文所引用文献的各位著、编、译者 最后，向百忙之中抽出宝贵时间来评阅本论文的各位专家、教授们致以深深 的谢意 由于时间和笔者水平有限，文中的不足之处恳请各位专家对本文批评、指正。 朱时东 2015 年 3 月 万方数据 I 摘 要 膏体充填开采指的是将充填体借助充填泵通过充填管道输送到采空区内，从 而来控制覆岩移动变形及地表沉陷，与传统垮落法开采相比，它能减少对土地资 源、水资源、建筑物等的破坏，具有安全性好、采出率高、对环境友好等特点， 是一种有效的绿色开采技术。文章以王河矿 10903 充填开采工作面为背景，研究 了膏体充填开采条件下覆岩移动变形及地表沉陷规律。 本文借助数值模拟和理论分析，对传统垮落法开采和膏体充填开采下的覆岩 破坏特征进行了分析，并计算了充填开采覆岩导水裂隙带高度。在对控制覆岩及 地表移动的影响因素剖析基础上，通过建立岩梁力学模型，得出了充填前顶板移 近量的计算公式。研究表明充填开采后覆岩并没有形成传统的“三带”，而是 只有裂隙带和弯曲下沉带；充填后覆岩导水裂隙带高度为 8.3m，小于隔水层厚度 9.18m，与传统开采相比，充填开采能有效防治矿井水害；影响覆岩及地表移动的 充填因素主要是充填前顶底板移近量、充填体未接顶量、充填率压缩量；通过顶 板移近量公式，计算出充填前顶板移近量为 30mm。 采用 UDEC 数值模拟软件分析了传统垮落法开采和膏体充填开采不同条件下 的覆岩移动变形及地表沉陷规律，得到膏体充填开采不同工作面推进距离、充填 体不同弹性模量、不同充填率时覆岩及地表移动变形规律。结合工作面地表现场 实测，进一步对地表移动特征进行了研究，经计算得到了地表移动相关参数及各 项地表沉陷变形值。研究结果表明当 10903 工作面充填体弹性模量为 1Gpa、充填 率 81时，充填开采能有效控制地表沉陷，满足保护地表建筑的设计要求。本文 的研究成果对王河煤矿后续充填开采具有一定的指导意义，并为其他类似地质采 矿条件下矿区进行“三下”开采提供了相关的科学依据和工程借鉴。 关键词关键词膏体充填；数值模拟；覆岩移动变形；地表沉陷 万方数据 III Abstract Paste filling which fills the filling body to the region through pipeline by filing pump, controls the deation of strata movement and surface subsidence, compared with caving mining, it settles damage caused by coal mining to land resources, water resources, building resources, it has some advantages, such as high security, high recovery ratio and environment friendly, is an effective green mining technology. With the background of 10903 backfill mining working face in Wanghe Mine, this paper researched on the laws between the strata movement and surface subsidence in WangHe coal mine paste filling. This paper, studied the damage laws between caving mining and paste filling of overlying strata character, the growth height of water flowing fractured zone of paste filling was calculated,by using numerical simulation and theoretical analyses.This paper analysis the influence factors of deation of overlying strata movement and surface subsidence,and the approximate calculation ula of displacement of the rock strata is derived through the establishment of rock beam mechanical model.The results show that overlying strata do not the traditional three zone‖,but only the fractured and bended zones in paste filling mining. the growth height of water flowing fractured zone is calculated of 8.3m，less than the height of aquifuge layer,compared with the traditional mining, backfill mining can effectively prevent mine water disaster. The roof to floor convergence before backfilling, the gap between the backfilling body and roof, and the compression amount of the backfilling body are the key factors affecting surface subsidence. The roof convergence amount is 30mm calculated by ula. This paper used the WangHe mine 10903 working face as the model prototype,the numerical simulation software UDEC is used to analyze the different influence of trata movement and surface subsidence deation in different paste filling conditions such as working face advancing distance, strength of filling body and filling rate.Combined with 10903 working face surface field measurement, WangHe coal mine surface subsidence laws were further analysed ,the deation of the extreme surface subsidence was obtained. it proves that backfill mining can effectively control surface subsidence and satisfy the design requirements of the protection of surface construction 万方数据 IV when strength of filling body is 1Gpa and filling rate is 80. results of this paper have certain guiding significance for the subsequent filling to Wanghe coal mining, and provide scientific basis and engineering reference for other similar mine areas. Keywords Paste filling; numerical simulation; overlying strata movement and deation;surface subsidence 万方数据 V 目 录 摘摘 要要 ................................................................................................................................. I 目目 录录 ............................................................................................................................. V 1 绪论绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 研究背景及意义 ................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................... 2 1.2.1 充填开采技术研究现状 ................................................................................ 2 1.2.2 开采沉陷理论研究现状 ................................................................................. 3 1.3 研究内容及技术路线 ........................................................................................... 4 1.3.1 研究内容 ........................................................................................................ 4 1.3.2 技术路线 ........................................................................................................ 5 2 矿井及工作面概况矿井及工作面概况 ...................................................................................................... 7 2.1 矿区自然地理概况 ............................................................................................... 7 2.1.1 井田位置及范围 ............................................................................................ 7 2.1.2 交通条件 ........................................................................................................ 7 2.1.3 井田自然地理概况 ........................................................................................ 7 2.2 矿区地质概况 ....................................................................................................... 8 2.2.1 煤层 ................................................................................................................ 8 2.2.2 地质构造 ........................................................................................................ 9 2.2.3 水文地质 ........................................................................................................ 9 2.3 工作面水文地质条件 ......................................................................................... 10 2.3.1 工作面概况 .................................................................................................. 10 2.3.2 地面情况 ...................................................................................................... 11 2.3.3 顶底板条件及含水层 .................................................................................. 11 2.3.4 隔水层 .......................................................................................................... 14 2.3.5 突水实例及突水因素分析 .......................................................................... 14 2.4 工作面充填概况 ................................................................................................. 15 2.4.1 充填体强度 ................................................................................................... 15 2.4.2 充填方式的确定 .......................................................................................... 17 万方数据 VI 2.4.3 采煤工艺 ....................................................................................................... 17 2.4.4 工作面充填 ................................................................................................... 18 2.5 本章小结 .............................................................................................................. 19 3 膏体充填开采覆岩移动破坏规律及影响因素探析膏体充填开采覆岩移动破坏规律及影响因素探析 .................................................. 21 3.1 煤矿开采引起的采动影响分析 ........................................................................... 21 3.2 垮落开采与膏体充填开采覆岩破坏特征 ........................................................... 21 3.2.1 垮落开采条件下覆岩的破坏特征 ................................................................ 21 3.2.2 膏体充填开采条件下覆岩的破坏特征 ........................................................ 23 3.3 覆岩导水裂隙带发育高度 ................................................................................... 25 3.3.1 导水裂隙带高度的确定 ................................................................................ 25 3.3.2 导水裂隙带的数值模拟及计算 .................................................................... 26 3.4 膏体充填开采覆岩及地表移动影响因素探析 ................................................... 26 3.4.1 地质采矿条件因素 ........................................................................................ 27 3.4.2 充填因素 ........................................................................................................ 28 3.5 顶板移近量的计算 ............................................................................................... 30 3.5.1 顶板极限跨距的计算 .................................................................................... 30 3.5.2 顶板移近量的计算 ........................................................................................ 32 3.6 覆岩与地表移动因素的控制措施 ....................................................................... 34 3.6.1 减小充填前顶底板下沉量 ............................................................................ 34 3.6.2 减小充填体未接顶量 .................................................................................... 34 3.6.3 降低充填体压缩 ............................................................................................ 34 3.6.4 加强人为操作 ................................................................................................ 34 3.7 本章小结 ............................................................................................................... 35 4 覆岩移动及地表沉陷数值模拟覆岩移动及地表沉陷数值模拟 .................................................................................. 37 4.1 UDEC 软件简介 ................................................................................................... 37 4.2 数值模型的建立 ................................................................................................... 37 4.2.1 数值计算模型范围的确定 ............................................................................ 37 4.2.2 模型边界条件及初始应力场的确定 ............................................................ 38 4.2.3 模型单元划分及岩体力学参数 .................................................................... 39 4.2.4 模拟方案设计及模拟过程分析 ................................................................... 41 4.3 垮落法开采覆岩移动及地表沉陷数值模拟 ....................................................... 43 4.3.1 不同推进距离下数值模拟结果 ................................................................... 43 万方数据 VII 4.3.2 不同推进距离条件下支承应力变化 ........................................................... 46 4.3.3 不同推进距离条件下地表变形分析 ........................................................... 47 4.4 不同充填条件下覆岩移动变形及地表沉陷数值模拟 ...................................... 49 4.4.1 不同推进距离条件下的覆层移动变形及地表沉陷分析 .......................... 49 4.4.2 不同充填体弹性模量条件下的覆层移动变形及地表沉陷分析 .............. 56 4.4.3 不同充填率条件下的覆层移动变形及地表沉陷分析 .............................. 62 4.5 本章小结 ............................................................................................................. 68 5 膏体充填开采地表移动变形实测与分析膏体充填开采地表移动变形实测与分析 ................................................................. 71 5.1 地表观测站设计 .................................................................................................. 71 5.1.1 地表观测站设计参数 .................................................................................. 71 5.1.2 观测站的类型及布设形式 .......................................................................... 72 5.1.3 观测线位置的确定 ...................................................................................... 72 5.1.4 观测线长度的确定 ...................................................................................... 72 5.1.5 观测站布置及测点 ...................................................................................... 73 5.2 10903 工作面地表移动变形规律 ....................................................................... 74 5.2.1 角量参数的求取 .......................................................................................... 74 5.2.2 超前影响距及影响角 .................................................................................. 77 5.3 地表移动变形特征分析 ...................................................................................... 77 5.4 地表建构筑物受采动影响评价 ....................................................................... 79 5.4.1 地表建构筑物损毁程度评定指标 ............................................................ 79 5.4.2 王河矿膏体充填开采采动影响评价 .......................................................... 79 5.5 本章小结 ............................................................................................................. 80 6 结论与展望结论与展望 ................................................................................................................ 81 6.1 结论 ..................................................................................................................... 81 6.2 展望 ..................................................................................................................... 82 参考文献参考文献 ........................................................................................................................ 83 作者简历作者简历 ........................................................................................................................ 87 学位论文数据集学位论文数据集 ..........................................................