基于非均布载荷下梁结构破断理论的采动地裂缝发育规律研究.pdf

万方数据 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 基于非均布载荷下梁结构破断理论 的采动地裂缝发育规律研究 摘要 煤炭资源地下开采致使地表严重变形，破坏当地的生态环境，包括损 毁建构筑物，影响农作物的生长，引发崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害。 山西作为中西部地区主要的煤炭生产基地， 80以上的煤矿都在山区， 上覆 基岩薄、覆盖黄土层厚度大等特点显著。这种山区薄基岩、厚黄土层条件 下的资源开采使覆岩、地表破坏严重，因此，开展这种条件下煤炭开采过 程中覆岩断裂、地表裂缝形成规律的研究，对煤炭安全开采及土地资源保 护具有重要意义。 以阳煤集团晋南分公司翼城矿区河寨煤矿 2212 工作面为例，运用工程 地质学、 岩石力学和采矿工程等相关理论， 在实地调查的基础上， 采用UDEC 软件进行数值模拟，以河寨煤矿月开采进度作为时空尺度单位，将开采分 为 5 个阶段，研究开采过程中覆岩的破坏形式，以及在这个过程中地表的 移动变形规律，来揭示山区厚黄土层、薄基岩地质条件下煤矿开采覆岩断 裂与地表裂缝的形成机理。运用岩石力学中的“梁”结构解释覆岩断裂机 理，将基本顶初次来压前的结构看成两端固定在煤壁中的固支梁结构，基 本顶周期来压前的结构看成一端悬挂、一端固定在煤壁中的悬臂梁结构， 对山区厚黄土层、薄基岩地质条件下煤矿开采覆岩的断裂形式进行了研究。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 再结合覆岩断裂与地表裂缝的关系，建立了“覆岩断裂-地表开裂”的地表 裂缝预计模型，并进行了实例的验证和分析，得出以下成果 （1）针对该研究区这种山区厚黄土层、薄基岩、基本顶是唯一关键层 的开采条件，采用 UDEC 数值模拟软件对开采过程中覆岩及地表移动变形 规律进行研究。开采初期，基本顶及上覆岩层产生微小变形，并未波及到 地表；随着开采的推进，基本顶因无法承载上覆岩层压力而垮落，覆岩断 裂延伸至地表，地表严重变形并在覆岩断裂处产生台阶裂缝； （2）基于岩石力学“梁”结构理论，将山区厚黄土层、薄基岩地质采 矿条件下的老顶视为梁，采用非均布载荷下固支梁结构、悬臂梁结构，分 别研究基本顶初次断裂及周期断裂规律，得出更为符合起伏地表的覆岩断 裂规律； （3）山区厚黄土层、薄基岩地质采矿条件下，基于非均布载荷下覆岩 断裂规律、地表台阶形裂缝的形成机理，建立了“覆岩断裂-地表开裂”的 地表裂缝预测模型； （4）对“覆岩断裂-地表开裂”进行了实例应用及分析，采用数值模拟 预计的结果与实测数据进行对比，裂缝的发育位置、大小均符合较好，验 证了“覆岩断裂-地表开裂”地表裂缝预测模型的有效性，为相似条件下煤 矿开采地表裂缝预计提供了参考。 关键词厚黄土层，薄基岩，梁结构，非均布载荷，裂缝间距 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 III STUDY ON DEVELOPMENT LAW OF MINING GROUND FISSURE BASED ON BREAKING THEORY OF UNEVEN LOAD BEAM STRUCTURE ABSTRACT Underground mining caused serious deation of the surface of the earth, destroyingthelocalecologicalenvironment,includingdestroyingthe construction, affecting the growth of crops, causing landslides, debris flow and other geological disasters. Shanxi is the main coal production base in the central and western regions. More than 80 of the coal mines are in the mountainous area. The most notable feature is that the overlying bedrock is thin, and the thickness of the overlying loess layer is large. The destruction of overlying rock and surface is serious under the condition of thin bedrock and thick loess layer. Therefore, it is of great significance to study the law of overlying rock fracture and surface crack ation in the process of coal mining under this condition. On the basis of engineering geology, rock mechanics and mining engineering, the UDEC software is used to simulate the 2212 working face of the Hezhai coal mine in Jinnan branch of Yangquan Coal Group, which is 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV divided into 5 stages with the monthly mining progress of the Hezhai coal mine as the space-time scale unit. The break of overlying rock in the mining process and the law of surface movement and deation in this process are studied to reveal the ation mechanism of the overlying rock fracture and the surface crack in the coal mining under the thick and thin bedrock geological conditions in the mountain area. Using the “beam“ structure in rock mechanics to explain the mechanism of overlying rock fracture, the structure of a solid supported beam fixed in the coal wall at the end of the basic top is considered as the structure of a solid supported beam at the two ends. The structure of the cantilever beam before the basic top period is seen as a cantilever beam with one end suspended in the coal wall and the geological condition of the thick loess and thin bedrock in the mountain area. The fracture of overlying strata in lower coal mining is studied. Combined with the relationship between the overlyingrockfractureandthesurfacecrack,the“Overlyingrock fracture-Surface crack”prediction model is established, and the example is verified and analyzed, and the following results are obtained. （1）In this study area, the mining conditions of the thick loess layer, thin bedrock and the basic top are the only key strata, and the UDEC numerical simulation software is used to study the deation law of overlying rock and surface movement during the mining process. In the early stage of mining, the basic top and overlying strata produced small deation and did not spread to 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V the surface. With the development of mining, the basic roof collapsed because of the failure to load the overlying strata pressure. The overlying rock fracture extended to the surface, the surface of the surface was seriously deed and the step cracks were produced at the overlying rock fracture. （2） Based on the theory of “beam“ structure of rock mechanics, the old roof of the thick loess layer and the thin bedrock under the geological mining condition is regarded as the beam. The structure of the solid supported beam and the cantilever beam under the uneven distribution load are adopted to study the initial fracture and the periodic fracture regularity of the basic top respectively, and the law of overlying rock fracture more in line with the undulating surface is obtained. （3）Under the geological and mining conditions of thick loess and thin bedrockinmountainousareas,the“Overlyingrockfracture-Surface crack”prediction model is established on the basis of the law of overlying rock fracture and the ation mechanism of the surface step shape crack under the uneven distribution load. （ 4 ） The “Overlying rock fracture-Surface crack”prediction model is applied and analyzed. The results of the numerical simulation are compared with the measured data, and the position and size of the fracture are in good agreement, and the effectiveness of the “Overlying rock fracture-Surface 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VI crack”prediction model is verified, and it is a coal mining area under similar conditions. Table cracks are expected to provide reference. KEY WORDS thick loess layer, thin bedrock, beam structure, uneven load , spacing of cracks 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 目 录 摘要......................................................................................................................................... I ABSTRACT..............................................................................................................................III 第一章 绪论...........................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义..........................................................................................................1 1.1.1 研究背景............................................................................................................1 1.1.2 研究意义............................................................................................................2 1.2 国内外研究现状..........................................................................................................2 1.2.1 采场上覆岩层活动规律研究现状....................................................................2 1.2.2 采动地裂缝研究现状.......................................................................................4 1.2.3 存在的问题及不足............................................................................................6 1.3 研究目标和研究内容..................................................................................................7 1.3.1 研究目标...........................................................................................................7 1.3.2 研究内容...........................................................................................................7 1.4 研究方法和技术路线..................................................................................................8 1.4.1 本文研究方法...................................................................................................8 1.4.2 技术路线...........................................................................................................9 1.5 本章小结.....................................................................................................................10 第二章 研究区地质采矿条件.................................................................................................11 2.1 河寨煤矿地理位置.....................................................................................................11 2.2 河寨煤矿地貌特征.....................................................................................................12 2.3 矿区地质采矿条件....................................................................................................13 2.3.1 矿区地层特征..................................................................................................13 2.3.2 煤层特征..........................................................................................................14 2.3.3 煤层开采方法..................................................................................................14 2.3.4 地层力学性质..................................................................................................14 2.4 本章小结....................................................................................................................15 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 第三章 裂缝形成机理的数值模拟实验研究.........................................................................17 3.1数值模拟方法简介..................................................................................................17 3.2 实验目的及方案设计................................................................................................17 3.2.1 实验目的.........................................................................................................17 3.2.1 方案设计.........................................................................................................18 3.3 山区地形开采覆岩层及地表动态移动变形模拟与分析.........................................19 3.3.1 覆岩运动及地表移动模拟.............................................................................19 3.3.2 覆岩运动及地表移动结果分析.....................................................................29 3.4 本章小结....................................................................................................................31 第四章 采动地表裂缝分布规律研究.....................................................................................33 4.1 岩层控制的关键层理论.............................................................................................33 4.1.1 关键层的概念..................................................................................................33 4.1.2 河寨煤矿的关键层判断.................................................................................35 4.2 基于梁结构的覆岩破断原理....................................................................................36 4.2.1 岩石的破坏原理.............................................................................................36 4.2.2 梁结构的分类.................................................................................................36 4.2.3 覆岩初次断裂的力学模型.............................................................................37 4.2.4 覆岩周期断裂的力学模型..............................................................................39 4.3“覆岩断裂-地表开裂”裂缝预测模型.........................................................................41 4.3.1 台阶状裂缝形成机理.....................................................................................41 4.3.2 “覆岩断裂-地表开裂”裂缝预测模型.............................................................43 4.4 本章小结.....................................................................................................................43 第五章 “覆岩断裂-地表开裂”模型应用及精度分析............................................................45 5.1 实例概况.....................................................................................................................45 5.2 实例分析.....................................................................................................................46 5.2.1 采煤地质概况.................................................................................................46 5.2.2 精度分析.........................................................................................................47 5.3 本章小结.....................................................................................................................47 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 III 第六章 结论与展望.................................................................................................................49 6.1 主要结论.....................................................................................................................49 6.2 创新点.........................................................................................................................50 6.3 不足和展望.................................................................................................................50 6.3.1 不足..................................................................................................................50 6.3.2 展望..................................................................................................................51 参考文献...................................................................................................................................53 致谢.......................................................................................................................................57 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 研究背景及意义 1.1.1 研究背景 随着社会主义市场经济的快速发展，新能源不断涌现，抢占市场先机，但传统能源 的消耗和消费依然是不可或缺的一部分[1]。在许多工业、化工业生产过程中，煤炭因为 运输方便、热值高、对设备要求低等特点，仍然占据主导地位。据预测，煤炭在我国未 来一次能源消费中仍会占主导地位， 2050 年煤炭在我国一次能源消费结构中的比例仍占 35以上[2]。我国未来经济发展的动力仍脱离不了煤炭工业，煤炭工业依旧是 21 世纪能 源工业的主力军[2,3]，然而，由煤炭的开采造成的土地沉陷面积多达 4.18 万公顷/年，水 土流失面积达 4.39 万公顷/年[4]。 随着东部地区煤炭资源的枯竭，中西部地区成为煤炭开采的热门地带，在中部的山 西、陕西，西部的宁夏、新疆以及内蒙古西部地区相继出现了许多大型煤矿。这些煤矿 的基岩顶板较薄，一般在 3050m 之间；松散层厚度较厚，一般厚度在 100m 以上[5]。 如神东煤田，该煤田煤层浅、基岩薄、上覆松散黄土层较厚，神东煤田探明储量 2.2361011t，占全国探明储量的 1/3[6]。但在薄基岩煤层的回采生产过程中，工作面矿压 显现异常剧烈，顶板岩层容易呈整体切落式垮落，上覆黄土松散层会随着破裂段的基岩 层发生同步下沉运动， 极易对工作面形成瞬间冲击载荷[7,8]。 继而出现地裂缝、 地表塌陷、 滑坡、泥石流发等地质灾害[9,10,11]。 在煤炭老生产基地山西，几乎所有的煤炭资源都埋藏在山区[12]。山区开采地下矿产 资源带来了很多负面影响，长期大面积的高强度开采作业使得地表产生大量的裂缝、沉 陷，加上地表坡度较大，使得山区地表稳定性受到严重影响，继续演变下，可能会造成 坍塌、滑坡、泥石流等矿山地质环境危害。地表的变形、沉陷、裂缝还会破坏原本脆弱 的植被覆盖、造成地下水系统的紊乱、毁坏了耕地和其它农用地、加剧了水土流失和沙 漠化的灾害。尤其是在农田毁坏方面，据调查资料表明，开采每万吨原煤将造成的土地 塌陷在 0.58 亩之间，基本平均为 23 亩[13]。农田耕地的损失，对于土地资源本来就紧 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 缺的山区地貌无异于雪上加霜， 十分不利于社会的可持续发展， 给采区周围人民的生产、 生活带来了较大的困难。山区地形的起伏较大，地质采矿条件复杂，开采过程中，上覆 岩层及覆盖松散层间的相互作用复杂多样， 目前已有的理论不能完全解释这些复杂多变 的开采沉陷问题。 图 1-1煤层开采地表台阶式采动裂缝 Fig. 1-1surface step type mining cracks in seam mining 1.1.2 研究意义 地下开采对地表破坏的影响不言而喻，为了研究两者之间的关系，国内外学者从地 质构造、岩石力学等不同方面进行了大量的研究，在理论和实践方面都取得了丰硕的成 果。但随着东部地区煤炭资源的枯竭，资源开采逐渐西移，针对中西部地区山区厚黄土 层薄基岩下煤矿开采的研究显得有些匮乏，不能很好的揭示地表破坏的内在机理，已有 的地表移动变形规律尤其是地表裂缝分布规律理论与之不符。 因此，在针对山区厚黄土层薄基岩地质条件下的煤矿开采，需要对已有的理论、方 法进行改进。通过建立“覆岩破断-地表开裂”的山区厚黄土层薄基岩裂缝位置预计模 型，揭示裂缝形成机理和分布规律。在丰富山区地表移动变形规律的同时，为相似条件 下煤矿开采地表变形提供参考，为减少生态环境破坏和井下安全生产提供有效保护。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 采场上覆岩层活动规律研究现状 地下煤层开采后，工作面后方会形成采空区，原有应力场随之改变，包括覆岩层、 采空区周围煤壁的原有应力均发生变化。覆岩所受应力达到承载极限时，覆岩层断裂， 上覆黄土层随之断裂延伸至地表，地表产生裂缝。故研究地表的裂缝发育规律的归根结 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 底为研究覆岩层的断裂。 国内外学者在煤层开采引发上覆岩层活动规律研究方面已经开 展过大量工作。 15 世纪， 比利时学者就发现煤矿开采会引起岩层和地表的移动变形， 并形成了最初 的地表沉陷假说，即“垂线理论”[14]。该假说认为，地表的沉陷与变形只发生在采空区 正上方，下沉的沉降值与煤层开挖的厚度相等，但煤矿保护柱上方的地表不予发生沉降 [15]；1916 年，德国学者施托克提出了“悬臂梁”假说，他认为煤层开采后，回采工作 面上方的顶板可视为梁，覆岩层构成了悬臂梁，随着煤层的开采，覆岩层周期性断裂， 该假说解释了工作面近煤壁处顶板下沉、支架所受的载荷最小，而随着与煤壁之间的距 离增大两者均大的现象，但是该假说未能揭示覆岩层的活动规律，单凭悬臂梁计算出来 的结果与实际覆岩层下沉量相差甚远[6]；1928 年，德国学者哈克和吉里策尔提出“压力 拱”假说，在回采工作面上方，由于岩层之间内力的相互作用，形成了一个类似的拱顶， 随着工作面的推进，其拱顶也在不断前移。该假说认为回采工作面的支架只承受压力拱 顶内的岩石重量[6]；20 世纪 50 年代，由前苏联库兹涅佐夫和比利时学者 A.拉巴斯又分 别提出了“铰链岩块”假