布尔台矿重复采动覆岩移动及地表变形规律研究.pdf

全日制硕士学位论文 布尔台布尔台矿矿重复采重复采动动覆岩移动覆岩移动 及地表变形及地表变形规律研究规律研究 申请人姓名 李红旭 指导教师 宋常胜 副教授 学位类别 工学硕士 专业名称 矿业工程 研究方向 矿山压力及其控制 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 二二○○一一六年六年六六月月 万方数据 中图分类号中图分类号TD325 密密 级公开级公开 UDC622 单位代码单位代码10460 布尔台矿重复采动覆岩移动及地表变形规 律研究 The law of overlying rock strata movement and surface deation under repeated mining at Buertai coal mine 申请人姓名申请人姓名 李红旭李红旭 学位类别学位类别 工学硕士工学硕士 专 业 名专 业 名 称称 矿业工程矿业工程 研究方向研究方向 矿山压力及其控制矿山压力及其控制 导导 师师 宋常胜宋常胜 职职 称称 副教授副教授 提 交 日提 交 日 期期 2016.5.25 答辩日期答辩日期 2016.5.30 河南理工大学 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 致致 谢谢 本论文是在我的导师宋常胜副教授的悉心教导下完成的，从论文的选题、搭建框架 到初稿完成，直到最后的定稿，每个过程无不凝聚着宋老师的辛勤和汗水。在此，谨向 我尊敬的导师致以真诚的感谢和崇高的敬意。研究生生活期间，宋老师严谨的学风和宽 厚的品格无时无刻不对我有着深刻的影响， 让我在专业知识和生活层次上有了很大的提 高。临近毕业之际，衷心祝愿宋老师身体健康，工作顺利 感谢能源学院给予优良的学习环境和良好的教育资源， 感谢采矿专业全体老师给予 的悉心指点和帮助。 感谢董伟硕士，冯俊超硕士，侯得峰硕士，刘大超硕士，于秋鸽硕士在相似材料模 拟实验模型搭建中给予的帮助，谢谢你们 感谢舍友李冰洋硕士，李明硕士，感谢你们在生活和学习上给我无私的帮助，感谢 共同奋斗过 13 级的采矿同学们，愿你们有个灿烂的前程 感谢王晨师弟和郑金雷师弟，在我时间有限的情况下，给予我现场资料搜集过程中 的帮助，谢谢你们，任何项目的完成不仅需要勇气，更需要毅力，愿你们在人生的舞台 舞出自己的精彩 在此感谢给予我默默的关怀和支持的父母及家人们，正是你们默默无闻的付出，我 才能顺利完成自己的学业。 最后，衷心的感谢各位专家能在百忙之中给予论文的评定和审核。 李红旭 2016 年 4 月于河南理工大学 万方数据 万方数据 I 摘 要 随着我国煤炭事业的发展， 开采深度逐年增加， 重复采动所带来的问题也越来越多。 针对重复采动条件下地表移动变形和破坏特征，本文以神东矿区布尔台煤矿为例，研究 重复采动条件下地表移动变形规律， 并结合相应的模拟软件对覆岩破坏特征进行探讨性 研究，主要研究成果如下 1以布尔台矿 42105 重复开采工作面为研究对象， 通过建立相应地表移动变形观测 站，对重复开采条件下引起地表沉陷进行现场实测，根据现场资料，整理分析绘制相应 移动变形曲线，对采动过程中地表移动变形规律进行分析研究。采用特征点求取预计参 数和曲线拟合求取预计参数相结合的方法，综合确定该地质条件下的预计参数。 2对比理论计算值和模拟结果，综合确定重复采动“两带”高度，布尔台矿 2-2 煤 层开采后导水裂缝带高度为 3944.6m，开采 4-2 煤层后导水裂缝带高度为 6066m，受 重复开采的影响上层 2-2 煤导水裂缝带高度进一步发展，最终为 4970m。 3采用 Flac3d 有限差分计算方法对布尔台矿 42105 工作面重复采动下地表移动变 形规律进行模拟研究，当开采下层 4-2 煤层时，原稳定后的地表点再次启动下沉，且下 沉相对更剧烈，下沉系数增大，重复采动地表变形条件下上方采空区“活化”，开采影响 范围进一步增大，得到其相应的活化系数。地表移动变形稳定后，各岩层的最大下沉值 随埋深的变化，并不是均匀的，而是呈现出非线性的曲线，且随埋深的增大，岩层最大 下沉值的变化由快变慢，当埋深超过一定的值之后，岩层最大下沉值随埋深的增加，迅 速增大。 以上研究对于该地质条件下重复开采工作面安全回采、 地表沉陷预计及减小采动损 害具有一定指导意义。 关键词关键词重复采动；地表沉陷；岩层移动；移动变形规律 万方数据 II 万方数据 III Abstract With the development of coal enterprises in our country, the mining depth is increasing year by year, repeated mining problems also became more and more serious. To study the surface movement and deation law and failure characteristics under the condition of repeated mining. Combined with the corresponding simulation software to discuss the damage characteristics of overlying strata by the corresponding simulation software to discuss the damage characteristics of overlying strata, this paper take Buertai Colliery as an example, which is located in Shendong mining district operated by Shen Hua coal group. The main content is as follows 1 By establishing of corresponding surface movement and deation observation based on 42105 repeated mining panel in Buertai mine, the surface subsidence were measured. According to the date of observation, the corresponding movement and deation curve was draw, and the law of surface movement and deation in the process of repeated mining were analyzed. We confirm the angle dimension parameters of ground movement by adopting the special points and probability integral. The results show that the surface subsidence scope is biger, horizontal displacement coefficient is larger, the time of ground movement and deation is shorter under this geological condition. 2 Comparing with the theoretical calculation and simulation results, the “two zone” height was determined. The result show that the height of transmission fissure zone after mining coal seam 2-2 is 3944.6m;The transmission fissure zone height is 6066m, while the height of transmission fissure zone after repeated mining is 4970m. 3 The ground movement and deation under the conditions of repeated mining was studied at Buertai Colliery by using FLAC3d Fast Lagrangian Analysis of Continua. When the lower 4-2 coal seam was mined, the original stable points in the ground again start to sink, subsidence is relatively more intense, subsidence coefficient increases, the old gob activate, and mining influence scope further increases and the activation coefficient. After the surface movement deation became stability, the maximum subsidence value of different strata along with the change of buried depth is not uni, but presenting a nonlinear curve, the change of the maximum subsidence value by fast slow down along with the increase of buried depth and the rock maximum subsidence value increase quickly with the increase of buried depth when buried depth exceeds a certain value. 万方数据 IV The study has great guiding significance on mining safety, predicting and controlling the ground surface movement in the similar geological conditions. Key words repeated mining; ground subsidence; rock strata movement; movement and deation law 万方数据 V 目目 录录 摘摘 要要 ................................................................................................................................... I Abstract ........................................................................................................................... III 目目 录录 ................................................................................................................................. V 1 前言前言 ................................................................................................................................ 1 1.1 选题背景及意义 ................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................. 3 1.2.1 开采沉陷国外发展进程 ................................................................................ 3 1.2.2 开采沉陷国内发展进程 ................................................................................ 4 1.2.3 重复开采研究现状 ....................................................................................... 5 1.3 本文研究内容及方法 ......................................................................................... 7 1.3.1 本文研究内容 .............................................................................................. 7 1.3.2 本文研究方法 .............................................................................................. 7 1.3.3 本文创新点 .................................................................................................. 8 1.3.4 技术路线 ..................................................................................................... 8 2 布尔台煤矿及观测站概况布尔台煤矿及观测站概况 ............................................................................................ 9 2.1 矿井位置及自然地理 ......................................................................................... 9 2.1.1 位置和交通 .................................................................................................. 9 2.1.2 自然地理 ................................................................................................... 11 2.2 矿井地质概况 ................................................................................................... 12 2.2.1 矿区地层 ................................................................................................... 12 2.2.2 可采煤层 ................................................................................................... 13 2.3 工作面概况及顶底板特性 ............................................................................... 15 2.3.1 工作面概况 ................................................................................................ 15 2.3.2 工作面顶底板特征 ..................................................................................... 15 2.3.3 工作面地质条件 ......................................................................................... 16 2.3.4 其它开采技术条件 ..................................................................................... 16 2.4 地表移动变形观测站概况及观测工作 ........................................................... 16 2.4.1 地表移动变形观察站概况 ........................................................................... 16 万方数据 VI 2.4.2 观测工作 ................................................................................................... 18 2.5 本章小结 ........................................................................................................... 20 3 重复重复采采动动覆岩运动规律覆岩运动规律 .............................................................................................. 21 3.1 重复采动覆岩运动相似模拟 ........................................................................... 21 3.1.1 相似理论 ................................................................................................... 21 3.1.2 相似准则 ................................................................................................... 22 3.1.3 相似材料的选取 ......................................................................................... 22 3.1.4 方案设计 ................................................................................................... 23 3.1.5 模型建立 ................................................................................................... 23 3.1.6 实验结果分析 ............................................................................................ 27 3.2 重复采动覆岩运动数值模拟 ........................................................................... 34 3.2.1 基于连续介质离散元简介 ........................................................................... 34 3.2.2 模拟过程 ................................................................................................... 34 3.2.3 模拟结果 ................................................................................................... 36 3.2.4 结果分析 ................................................................................................... 37 3.2.5 导水裂缝带高度 ......................................................................................... 38 3.3 本章小结 ........................................................................................................... 39 4 重复重复采采动动地表移动变形规律地表移动变形规律 ...................................................................................... 41 4.1 重复采动稳定后地表移动变形规律 ............................................................... 43 4.1.1 地表移动变形值分析 .................................................................................. 43 4.1.2 地表移动角量参数特性分析 ....................................................................... 46 4.2 重复采动过程中地表移动变形规律 ............................................................... 48 4.2.1 地表移动变形曲线 ..................................................................................... 48 4.2.2 地表移动启动距 ......................................................................................... 52 4.2.3 超前影响角 ................................................................................................ 52 4.2.4 最大下沉速度滞后角 .................................................................................. 53 4.2.5 地表下沉速度及地表移动延续时间 ............................................................. 54 4.3 重复采动预计参数 ........................................................................................... 56 4.3.1 经验公式求取预计参数 .............................................................................. 56 4.3.2 曲线拟合求取参数 ..................................................................................... 57 万方数据 VII 4.4 本章小结 .............................................................................................................. 60 5 重复重复采采动动地表移动规律数值模拟地表移动规律数值模拟 .............................................................................. 61 5.1 FLAC3D 简介 .................................................................................................... 61 5.2 模型的建立 ....................................................................................................... 61 5.3 材料性质及参数 ............................................................................................... 62 5.4 加载及边界条件 ............................................................................................... 63 5.5 模拟结果 ........................................................................................................... 63 5.6 结果分析 ........................................................................................................... 67 5.7 最大下沉值函数方程 ....................................................................................... 68 5.8 本章小结 ........................................................................................................... 69 6 结论与展望结论与展望 .................................................................................................................. 71 6.1 结论 ................................................................................................................... 71 6.2 展望 ................................................................................................................... 72 参考文献参考文献 .......................................................................................................................... 73 作者简介作者简介 .......................................................................................................................... 77 学位论文数据集学位论文数据集 .............................................................................................................. 79 万方数据 VIII 万方数据 1 前言 1 1 前言 1.1 选题背景及意义 我国能源近十年的快速发展，形成了以煤炭为主题，电力、石油天然气和可再生能 源全面发展的能源供应格局。据相关数据显示，我国一次能源结构中煤炭生产与消费一 直在 70左右，远高于 OECD经济合作与发展组织国家 20左右的平均值，同时日前 发布“十三五”规划纲要中提出，要加强“煤炭清洁高效利用”，并列为我国 100 项国 家重大工程项目之一，正确看待、清洁利用煤炭已成为历史的必然，但从我国能源资源 赋存特点出发，煤炭作为我国主题能源的地位不会在短时间内发生改变，这意味着以煤 炭为主题的能源发展格局不会发生本质改变。煤炭作为主题能源的大规模高强度开采， 满足了我国国民经济的发展需要，但同时也存在着一些不利的影响。 有用的矿物被采出以后，开采区域周围的岩体的原始应力平衡状态受到破坏，应力 重新分布，达到新的平衡。在此过程中，使岩层和地表产生连续的移动、变形和非连续 性的破坏（开裂、冒落等），这种现象称为“开采沉陷”[1]。开采沉陷现象的产生会导 致上部区覆岩的变形、垮落、移动等对地表造成影响，进而对地表上方的土地、铁路， 建筑物等造成破坏，采动损害不仅损害地表的建筑物，而且会对农田、森林、水体等造 成严重的破坏，对矿区居民的生命安全、财产等方面造成严重的威胁，甚至还会加剧一 些矛盾冲突，对我国农业、工业等方面的正常生产造成严重的影响，阻碍国民经济的可 持续发展。因此，加强地表移动和变形规律的研究，对开采沉陷的综合治理，改善矿区 居民的生产环境有着重要的意义。 我国煤炭行业在取得优异成绩的同时，在新形势下面临新的问题，浅部的煤炭资源 正逐渐趋于枯竭，同时我国国有煤矿的平均采深平均以 10-25m/a 的速度正在向深部延 伸[2]。矿井向深部延伸后继续开采，势必会对工作面对应上方地表造成二次扰动，由于 先前工作面上方岩层和地表曾受过一次采动的影响，产生过移动和变形等破坏，而矿井 深部延伸之后继续开采，再次使原先遭受过破坏的岩层和地表进一步遭到破坏的现象， 即称为“重复采动”。重复采动是指采煤工作面上方的岩层和地表经历过上层或平行 煤层的开采的影响，曾发生移动和变形等破坏，在进行再次开采相近工作面下层或平 行的煤层时，原已经遭受破坏的上覆岩层和地表再一次遭到变形和破坏的采动方式。 随着开采强度的不断加大，新老矿井的逐步延伸，重复采动的程度不断加大，在今后的 煤炭开采过程中，重复采动将成为一种主要的采动方式[3]。煤炭被开采完毕后，采空区 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 上方的顶板直接冒落，在岩层的内部形成相应的冒落带、裂隙带和弯曲下沉带逐渐向上 传递并波及到地表，采空区对应上方地表受到采动的破坏，下组煤层的再次开采必定会 造成原已下沉稳定后的岩层再一次发生破坏，进而使地表收到重复采动的破坏，对地表 上方建筑物等构筑物造成影响。所以，对重复采动条件下的地表移动变形规律和破坏特 征进行研究，为矿区“三下压煤”、保护煤柱的留设等方面提供相应的理论依据，保障 矿区正常的安全生产，是我们必须面对的和急需进行解决的问题[4]。 中国神华能源股份有限公司布尔台煤矿（以下简称布尔台煤矿或该矿），隶属于中 国神华能源股份有限公司， 矿井位于内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗乌兰木伦镇布尔台格 乡。布尔台煤矿井田面积 192.86km，地质储量 33 亿吨，可采储量 20 亿吨，可采煤层 10 层，分 3 个水平开采。设计年生产能力 2000 万吨，是集生产、洗选、储装等综合布 局的特大型现代化矿井。该矿 42105 工作面 4-2 煤于 2015 年 6 月份开始回采，其上水 平回采 2-2 煤的 22104 工作面及附近工作面于 2013 年已全部回采结束。为满足矿区正 常安全生产的需要， 为地表上方建筑物等构筑物保护煤柱的留设提供依据， 在该矿 42105 重复采动工作面上方建立地表移动变形观