固体充填开采地表移动规律研究.pdf

国家自然科学基金重点项目（50834004）资助 国家十二五科技支撑计划课题（2012BAB13B03）资助 硕士学位论文 固体充填开采地表移动规律研究 Study on Surface Deation and Movement Laws in the Solid Backfill Mining 作 者彭科翔 导 师郭广礼 教授 中国矿业大学 二〇一四年六月 万方数据 中图分类号 TD172 学校代码 10290 UDC 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 固体充填开采地表移动规律研究 Study on Surface Deation and Movement Laws in the Solid Backfill Mining 作 者 彭科翔 导 师 郭广礼教授 申请学位 工学硕士 培养单位 环境与测绘学院 学科专业 大地测量学与测量工程 研究方向 开采沉陷及其控制 答辩委员会主席 吴侃 评 阅 人 吴侃 康建荣 二〇一四年六月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 89 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固体充填开采地表移动规律研究 ，是 本人在导师指导下，在中国矿业大学攻读学位期间进行的研究工作所取得的成 果。据我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 彭科翔 在规定的学习年限内， 按照研究生培养方案 的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本 学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同， 论文撰写格式符合学校的相关规定， 同意将本论文作为学位申请论文 送专家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 致致 谢谢 岁月如歌，光阴似箭，三年的研究生生涯即将步入尾声，经历了找工作的喧 嚣与坎坷，我深深体会到了论文写作期间的宁静与思考。回首两年的求学历程， 有诸多引导我、帮助我、激励我的人，他们给我力量前进，在我最需要指引的日 子里，一直在我身边。我心中充满了无限感激，借此机会向他们表达我最诚挚的 感谢。 本文是在导师郭广礼教授的悉心指导下完成的，无论是从论文的选题、搜集 资料、写作，还是修改环节，郭老师都时刻关注我的论文进度，没有郭老师的催 促和关怀，本文难以顺利完成。郭老师在选题初期就对我的论文给予了指导性的 规划，论文实验期间我遇到诸多困难，如第一次模型的失败后，郭老师给予了我 建议，及时调整方向，从哪里跌倒就从哪里爬起来，终于，在第二次实验时，成 功完成了实验。在写作阶段，郭老师经常强调我们要从细节入手，每一段话，甚 至每一个标点符号，都要符合逻辑，让读者明白。在论文修改阶段，郭老师仍然 不让我有一丝的松懈，提醒我要注意一字一句，认真对待每一个字，对自己写的 每一个字负责。郭老师这种严谨负责的态度，让我铭记于心。从入学一开始，我 就深深感受到了郭老师身上的那种认真态度，无论对工作、学术和生活，都抱着 一种全身心投入的态度，这些都使我受益终生再次向郭老师表示崇高的敬意和 深切的谢意。 感谢邓喀中教授、吴侃教授、谭志祥教授、高井祥教授、张书毕教授、王坚 教授、查剑锋副教授、范红东副教授、刘志平讲师及山东交通学院赵斌臣副教授 在论文选题、撰写及评阅过程中提供的指导和帮助。感谢实验室周鸣老师在实验 设备方面给予的大力支持。 感谢王磊、王强、栗帅、徐斗斗、高盼、马洪浩、王明柱、赵自强、米丽倩、 孙爱国等师兄师姐曾在学习和生活上给予的帮助。感谢一起生活学习的朱晓峻、 钱志、吴文娟、王启春，感谢师弟郭庆彪、刘海、陈龙浩、李怀展、赵祥伟、俞 前勇、方齐、卢国豪、王炯、张豪杰、赵军、吴承红在相似材料模型铺设、论文 写作、学习和生活中给予的帮助。大家在实验室一起学习和生活的美好时光将成 为我一生难忘的回忆。 感谢陪我一路走来的室友，感谢方川、周冬、张琦、王亚冬、吉林，在生活 和学习中给予的帮助和关怀。 感谢中国矿业大学环境与测绘学院大地测量学与测量工程硕士 11 班的全体 同学在三年的求学生活中给予的帮助和支持。 万方数据 感谢环境与测绘学院这个大家庭的各位领导老师给我们创造的良好学习环 境。 向所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友们表示由衷的谢意 向文中所引用参考文献资料的作者和单位表示衷心的感谢 感谢含辛茹苦的父母。是你们，为我的学习创造了条件，一如既往的站在我 的身后默默的支持着我 感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授 万方数据 I 摘摘 要要 固体充填开采是一种新型的绿色开采技术，正在全国范围内推广和应用，它 不仅能充分将固体废弃物利用起来， 而且能减小地表大面积沉降带来的潜在灾害 威胁，进而保护地表建构（筑）物的安全，为有效解放“三下”资源提供了一条 绿色道路。本文针对固体充填开采技术理论存在的不足，通过相似材料模型、现 场实测资料和数值模拟等研究手段， 对固体充填开采的地表及岩层移动规律及地 表沉陷质量控制因素进行了研究，所作工作及主要研究成果如下 （1）采用相似材料模型模拟，研究相同条件下固体充填开采和垮落法开采 的岩层移动破坏过程和地表移动特征， 揭示了固体充填开采岩层移动特征和地表 移动过程。 （2）根据花园煤矿地表移动观测站实测资料，首次根据实测资料研究固体 充填开采地表移动特征，求得花园煤矿地表移动动态参数和静态角量参数，研究 了固体充填开采地表动态下沉速度特征。 （3）以花园煤矿地质采矿条件为基础，利用 FLAC3d 软件建立了花园煤矿 固体充填开采与全部垮落法开采岩层移动模型， 对比研究了地表下沉和水平移动 的异同。 （4）根据实测资料研究得到的成果，与数值模拟和相似材料模拟相结合， 分析了固体充填开采岩层移动过程和控制地表沉陷机理， 并结合当前固体充填开 采技术现状，讨论了固体充填开采地表沉陷控制因素。 （5）根据花园煤矿地表移动观测站成果反演得到了花园煤矿固体充填开采 地表沉陷预计的概率积分法模型参数， 并讨论了基于固体充填开采等价采高的概 率积分法预测参数的确定方法。 论文研究成果不仅为指导花园煤矿建筑群下固体充填采煤地表沉陷控制设 计提供了科学依据， 而且为进一步探究固体充填开采岩层移动和地表移动变形关 系提供了试验依据。 该论文有图 56 幅，表 8 个，参考文献 102 篇。 关键词关键词固体充填；实测研究；相似材料模拟；数值模拟；地表移动 万方数据 II 万方数据 III AbstractAbstract As a new green mining technology, solid backfill mining is widely applied and promoted throughout China, not only making full use of solid waste, but also solving the problems of widespread surface subsidence. With the heavy shortage of coal resources, the mining technology has a good prospect. In the paper, it has made the research on the ground surface deation and movement laws in solid backfill mining by the way of similar material model, field observation data and numerical simulation, the main work and research findings are followed as 1 In order to reveal the strata movement characteristic and surface deation and movement process in solid backfill mining, the failure process of strata movement and surface deation and movement characteristic of solid backfill mining and solid backfill mining in the same condition are studied by the similar material model. 2 According to field observation data in Huayuan mine, the surface movement and deation laws for solid backfill mining is studied first, and the dynamic and static angle parameters of the surface movement are computed, then the feature of surface dynamic subsidence velocity is discussed. 3 Based on the geological and mining conditions in Huayuan mine, the strata movement model of solid backfill mining and solid backfill mining is established by the FLAC3d software, and the ground subsidence and horizontal displacement between the two mining conditions are made contrast research. 4 Referring to the above research findings of field observation data, similar material model and numerical simulation, we have summarized strata movement process and the mechanism of controlling surface subsidence for solid backfill mining, and discussed about the control factors of surface subsidence under the background of the current status of solid backfill mining techniques. 5 The parameters of probability function by ground subsidence prediction for solid backfill mining in Huayuan mine are obtained with the inversion of the data of ground observation station, and the determination of predictable parameter for probability function based on equivalent mining height theory is discussed in solid fill mining. The research findings provide not only scientific evidence to the design of controlling surface subsidence for the guide of solid backfill mining under buildings, but also experimental basis to further explore the strata movement and the surface movement and deation laws. 万方数据 IV The paper contains 56 figures,9 tables and 108 references. Key wordssolid backfill mining；field observation；the similar material simulation test；the numerical simulation test；surface deation and movement 万方数据 V 目目 录录 摘摘 要要 ................................................................................................................... I 目目 录录 ................................................................................................................... V 图清单图清单 ................................................................................................................. IX 表清单表清单 ............................................................................................................... XIII 变量注释表变量注释表 ........................................................................................................ XV 1 绪论绪论 .................................................................................................................. 1 1.1 论文研究背景与意义 ............................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状 .................................................................................................... 2 1.3 本文主要研究内容 ................................................................................................ 8 1.4 论文研究方法及技术路线 .................................................................................... 8 2 固体充填开采岩层移动相似材料模拟固体充填开采岩层移动相似材料模拟 ............................................................. 10 2.1 概述 ...................................................................................................................... 10 2.2 相似材料模拟试验设计 ...................................................................................... 12 2.3 固体充填开采岩层移动特征 .............................................................................. 23 2.4 固体充填开采地表移动特征 .............................................................................. 35 2.5 本章小结 .............................................................................................................. 39 3 花园煤矿固体充填开采地表实测规律研究花园煤矿固体充填开采地表实测规律研究 ..................................................... 40 3.1 矿区概况 .............................................................................................................. 40 3.2 工作面概况 .......................................................................................................... 41 3.3 地表移动观测站概况 .......................................................................................... 44 3.4 地表移动变形规律 .............................................................................................. 47 3.5 地表下沉速度规律 .............................................................................................. 53 3.6 本章小结 .............................................................................................................. 55 4 固体充填开采地表移动规律数值模拟固体充填开采地表移动规律数值模拟 ............................................................. 57 4.1 数值模拟软件简介 .............................................................................................. 57 4.2 数值模拟模型的建立 .......................................................................................... 58 4.3 数值模拟结果分析 .............................................................................................. 60 4.4 本章小结 .............................................................................................................. 70 5 固体充填固体充填开采开采地表沉陷预计方法及控制因素地表沉陷预计方法及控制因素 ................................................. 71 万方数据 VI 5.1 固体充填开采岩层移动和地表沉陷控制机理 .................................................. 71 5.2 固体充填开采地表沉陷预计 .............................................................................. 73 5.3 固体充填开采地表沉陷控制因素 ...................................................................... 78 5.4 本章小结 .............................................................................................................. 79 6 结论与展望结论与展望 ..................................................................................................... 81 6.1 论文结论 .............................................................................................................. 81 6.2 论文展望 .............................................................................................................. 82 万方数据 VII ContentsContents Abstract ............................................................................................................... III Contents ............................................................................................................. VII List of Figures ....................................................................................................... IX List of Tables ...................................................................................................... XIII List of Variables ................................................................................................... XV 1 Introduction ....................................................................................................... 1 1.1 Background and Significance of This Paper ............................................................. 1 1.2 Research Status at Home and Abroad...................................................................... 2 1.3 Main Research Contents in This Paper ..................................................................... 8 1.4 of Study and Technique Route ................................................................... 8 2 The Similar Material Simulation of Strata Movement in Solid Backfill Mining ..... 10 2.1 Summary ................................................................................................................ 10 2.2 Experimental Design of The Similar Material Simulation ...................................... 12 2.3 Strata Deation and Movement Characteristic of Solid Backfill Mining .......... 23 2.4 Surface Deation and Movement Characteristic of Solid Backfill Mining ....... 35 2.5 Conclusion of This Chapter .................................................................................... 39 3 Study on Field Observation Law for Solid Backfill Mining in Huayuan Mine ........ 40 3.1 Mining Area Situation ............................................................................................ 40 3.2 Working Face Overview.......................................................................................... 41 3.3 Surface Movement Observation Station Situation ................................................ 44 3.4 Surface Movement and Deation Laws ........................................................... 47 3.5 Surface Subsidence Speed Laws .......................................................................... 53 3.6 Conclusion of This Chapter .................................................................................... 55 4 The Numerical Simulation for Surface Movement and Deation in Solid Backfill Mining ..................................................................................................... 57 4.1 Introduction of Numerical Simulation Software .................................................... 57 4.2 The Model Establish of Numerical Simulation ....................................................... 58 4.3 Results of Numerical Simulation ............................................................................ 60 4.4 Conclusion of This Chapter .................................................................................... 70 5 The Surface Subsidence Predict and Control Factors for Solid Backfill Mining ..... 71 万方数据 VIII 5.1 Strta Movement and Surface Subsidence Control Mechanism by Solid Backfill Mining .......................................................................................................................... 71 5.2 Surface Mining Subsidence Steady Prediction ....................................................... 73 5.3 Effect Factors of Solid Filling Surface Subsidence Control ..................................... 78 5.4 Conclusion of This Chapter .................................................................................... 79 6 Conclusion and Prospection............................................................................... 81 6.1 Conclusions ............................................................................................................ 81 6.2 Prospects ................................................................................................................ 82 万方数据 IX 图清单图清单 图序号 图名称 页 码 图 1-1 技术路线图 9 Figure 1-1 Technology roadmap 9 图 2-1 相似材料模型设计图 14 Figure 2-1 Design figure of similar material model 14 图 2-2 实验所用材料和加载物 16 Figure 2-2 Test material and loading material 16 图 2-3 软质泡沫 A 应力应变曲线 16 Figure 2-3 Stress-strain curve of Soft foam A 16 图 2-4 软质泡沫 B 应力应变曲线 17 Figure 2-4 Stress-strain curve of Soft foam B 17 图 2-5 硬质泡沫应力-应变曲线 17 Figure 2-5 Stress-strain curve of rigid