高位硬厚岩浆岩运移特征与地表沉陷规律研究.pdf

国家自然科学基金项目（国家自然科学基金项目（51374139）） 山东省自然科学基金资助项目（山东省自然科学基金资助项目（ZR2013EEM018）） 分类号分类号TD745 密密 级级 公公 开开 U D C 单位代码单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 高位硬厚岩浆岩运移特征与地表高位硬厚岩浆岩运移特征与地表 沉陷沉陷规律研究规律研究 马富武马富武 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业专业名名称称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名 蒋金泉蒋金泉 职职 称称 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一二零一六六年年六六月月 万方数据 论文题目论文题目 高位硬厚岩浆岩运移特征与地表高位硬厚岩浆岩运移特征与地表 沉陷规律研究沉陷规律研究 作者姓名作者姓名 马富武马富武 入学时间入学时间 2013 年年 9 月月 专业名称专业名称采矿工程采矿工程 研究方向研究方向 矿山压力矿山压力与岩层与岩层控制控制 指导教师指导教师 蒋金泉蒋金泉 职职 称称 教教 授授 论文提交日期论文提交日期2016 年年 6 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 THE RESEARCH ON THE MIGRATION CHARACTERISTICS AND GROUND SUBSIDENCE REGULARITY OF HIGH-POSITION HARD AND THICK MAGMATIC ROCKS A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by MA Fuwu Supervisor Professor Jiang Jinquan College of Mining and Safety Engineering 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，除了所列参考文献和世所公认的文献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所公认的文献 外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作 鉴定。鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the 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 1 摘要摘要 硬厚岩浆岩在我国多个矿区广泛分布，硬厚岩浆岩对上覆岩层结构、离层空间分布 等都起着决定性的控制作用，硬厚主关键层的运移会引起覆岩结构的演化、地表沉降的 突变、积蓄弹性能的转化等力学效应，诱发强烈的动力现象，甚至耦合地质动力灾害。 本文通过相似材料模拟试验和理论分析研究了工作面高位硬厚岩浆岩下采动覆岩结 构演化、裂隙发育和硬厚岩浆岩破断；利用数值模拟（UDEC2D）和理论分析研究了工 作面高位硬厚岩浆岩下采动地表沉陷规律；通过杨柳煤矿和华丰煤矿对硬厚岩浆岩的离 层瓦斯突涌、地表下沉、地表裂缝进行了工程实例验证，得到如下结论 （1） 覆岩随关键层的破断以结构拱的形式不断向上向前发育， 硬厚岩浆岩对覆岩结 构在纵向上的发育具有屏蔽作用，改变了覆岩结构拱发育形态，其结构拱发育经历型 型型过程。 （2） 工作面高位硬厚岩浆岩下开采， 覆岩离层在走向断面上经历了三角形梯形 月牙形。工作面开采后上覆岩层的主要离层裂隙空间集中在关键层下的最大离层。 （3） 在工作面侧与开切眼侧上方均形成了岩层的竖向裂缝与岩层间的离层相互贯通 的梯子型裂隙，为瓦斯流通提供了梯子型通道。 （4）高位硬厚岩浆岩作为主关键层控制着地表下沉量、下沉速度及水平移动，岩浆 岩破断会导致地表下沉量、下沉速度及水平移动值出现跳跃式增加。 （5） 不同厚度岩浆岩的破断均导致其地表下沉量、 地表下沉速度和地表水平移动量 发生跳跃式上升，而且随着岩浆岩厚度的增加，地表下沉量、地表下沉速度和地表水平 移动量明显增加。 关键词关键词硬厚岩浆岩；瓦斯突涌；覆岩运移；结构拱；地表沉陷 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 ABSTRACT 1 ABSTRACT Hard and thick magmatic rocks are widely distributed in Mining Area. It plays a decisive role in the overlying strata structure、separated strata space and so on.The transportation of main key stratum will cause mechanical effect, such as evolution of overlying strata structure, surface subsidence mutations，and conversion of elastic energy savings, etc.Induced strong dynamic phenomena, even coupled disasters of geological dynamic. By similar material simulation test and theoretical analysis, studied mining overlying strata structure evolution, fracture development and hard-thick magmatic rocks breaking in the high-position hard and thick magmatic rocks.According to numerical simulation UDEC2D and theoretical analysis, studied the law of the Mining Induced Ground Subsidence in the high-position hard and thick magmatic rocks.Though instance validation of Huafeng and Yangliu Coal Mine, studied the gas inrushing of abscission layer, surface subsidence, and ground fissure, the following conclusions First Overlying strata upwards and forward development, with the key strata break off in of the arch structure. Hard and thick magmatic rocks have shielding effect to the development of overlying strata structure in the longitudinal direction .And change the developmental shape of the overlying rock structure arch. The structure arch development experiences like this . Second Covered rock separation strata experience the triangle - trapezium – crescent on to a cross-section, mining in the high-position hard and thick magmatic rocks. After mining, the main separated strata fracture pore space of overlying strata concentrated in maximum separated strata of key stratum Third The upper side of working face and Open-off Cut both ed a interpenetrating ladder-type crack between the vertical cracks and separated strata of the strata, providing a ladder-type channels for gas circulation. ForthThe high-position hard and thick magmatic rocks, as the main key strata , control surface subsidence, sinking speed and the horizontal movement. And magmatic rocks breaking will lead to the range of them increase by leaps and bounds. Fifth Different thickness magmatic rocks breaking caused the range of surface subsidence, sinking speed and the horizontal movement occurred leaping rise. Besides, with the increase of the thickness of the magmatic rocks, surface subsidence, surface subsidence 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 ABSTRACT 2 speed and surface horizontal movement increased significantly. Key words Hard and thick magmatic rocks; Gas Inrushing; Overlying strata moving; Arch structure; Ground Subsidence 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 1 目目 录录 1 1 绪绪 论论 ............................................................................................................................................................... 1 1.1 课题提出的背景及意义 ................................................ 1 1.2 国内外研究现状 ...................................................... 2 1.3 主要研究内容和方法 .................................................. 5 2 2 高位硬厚岩浆岩下采动覆岩结构演化与岩浆岩高位硬厚岩浆岩下采动覆岩结构演化与岩浆岩破断规律破断规律 ....................................... 7 2.1 相似材料试验设计 .................................................... 7 2.2 工作面高位硬厚岩浆岩下采动覆岩结构演化规律 .......................... 9 2.3 高位硬厚岩浆岩的破断 ............................................... 14 2.4 本章小结 ........................................................... 19 3 3 高位硬厚岩浆岩下采动裂隙发育规律高位硬厚岩浆岩下采动裂隙发育规律 ................................................................................. 21 3.1 覆岩离层裂隙产生机理 ............................................... 21 3.2 高位硬厚岩浆岩下覆岩裂隙发育试验分析 ............................... 22 3.3 高位硬厚岩浆岩下瓦斯突涌 ........................................... 31 3.4 本章小结 ........................................................... 32 4 4 工作面高位硬厚岩浆岩下采动地表沉陷规律工作面高位硬厚岩浆岩下采动地表沉陷规律 ................................................................. 34 4.1 矿山开采沉陷的一般规律 ............................................. 34 4.2 UDEC 数值模型的建立 ................................................. 38 4.3 工作面高位硬厚岩浆岩下采动地表下沉研究 ............................. 40 4.4 工作面高位硬厚岩浆岩下采动地表水平移动分析 ......................... 50 4.5 不同厚度岩浆岩对地表沉陷的影响 ..................................... 53 4.6 本章小结 ........................................................... 57 5 5 工程实例验证工程实例验证 ......................................................................................................................................... 59 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 2 5.1 杨柳煤矿工程实例验证 ............................................... 59 5.2 华丰煤矿工程实例验证 ............................................... 61 5.3 本章小结 ........................................................... 63 6 6 主要结论主要结论 .................................................................................................................................................... 64 致谢致谢 ..................................................................................................................................................................... 65 参考文献参考文献 .......................................................................................................................................................... 66 攻读硕士期间成果攻读硕士期间成果.................................................................................................................................... 71 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 contents 1 Contents 1 Introduction ........................................................................................................... 1 1.1 Research background and Significance ................................................................................................. 1 1.2 Overseas and domestic research status ................................................................................................... 2 1.3 Research content and ................................................................................................................. 5 2 Mining leads to overlying strata structure evolution under the high-position hard and thick magmatic rocks and magmatic rocks breaking .................................................... 7 2.1 The project of similar material simulation test ....................................................................................... 7 2.2 Mining Leads to overlying strata structure evolution under the high-position hard and thick magmatic rocks ............................................................................................................................................................. 9 2.3The high-position hard and thick magmatic rocks breaking ................................................................. 14 2.4 Chapter summary ................................................................................................................................. 19 3 Mining leads to fracture under the high-position hard and thick magmatic rocks ......21 3.1 The generation mechanism of overburden bed separation ................................................................... 21 3.2 The experimental analysis of overlying strata fracture under the high-position hard and thick magmatic .................................................................................................................................................... 22 3.3 The gas inrushing out of high-position hard and thick magmatic ........................................................ 31 3.4 Chapter summary ................................................................................................................................. 32 4 The general law of mining surface subsidence under high-position hard and thick magmatic ................................................................................................................ 34 4.1 The general law of mining surface subsidence..................................................................................... 34 4.2 The establishment of uded numerical model ........................................................................................ 38 4.3 The analysis of surface subsidence induced mining under high-position hard and thick magmatic .... 40 4.4 The analysis of surface Horizontal displacement induced mining under high-position hard and thick magmatic .................................................................................................................................................... 50 4.5 Surface subsidence influenced by different thickness of magmatic rocks ........................................... 53 4.6 Chapter summary ................................................................................................................................. 57 5 Engineering example verification ........................................................................... 59 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 contents 2 5.1 Engineering example verification of Yang Liu coal mine .................................................................... 59 5.2 Engineering example verification of Hua Feng coal mine ................................................................... 61 5.3 Chapter summary ................................................................................................................................. 63 6 Main conclusions .................................................................................................. 64 Acknowlegement ..................................................................................................... 65 References .............................................................................................................. 66 Main research achievements during the study for the masters degree ............................. 71 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪绪 论论 1.1 课题提出的课题提出的背景及意义背景及意义 煤炭工业在我国能源组成中具有举足轻重的地位，是中国经济实现快速和可持续发 展的重要保障。2013 年，我国煤炭开采总量为 36.8 亿吨，约占一次能源消费的 65.7。 随着我国经济发展对能源需求量的不断增加，煤炭资源的开采强度显著增大，煤矿开采 深度平均以每年 8-12m 的速度向深部延伸[1]，煤矿开采深度日益加大，深部矿井数量越 来越多；煤矿开采地质条件较好的矿井、采区或煤层越采越少，条件差的矿井或煤层越 来越多，开采地质条件日益复杂[2-5]。 硬厚岩层在我国多个矿区广泛分布，如济宁三号煤矿巨厚岩浆岩、兖州鲍店煤矿厚 层红砂岩、新汶华丰煤矿巨厚砾岩、淮北杨柳煤矿两层厚度较大的岩浆岩、淮北海孜煤 矿巨厚岩浆岩、铜川焦坪煤矿巨厚砾岩、义马常村煤矿巨厚砾岩等[6-11]。硬厚主关键层 对上覆岩层结构、围岩应力分布、离层空间展布等都起着决定性的控制作用，硬厚主关 键层的运移会引起覆岩结构的演化、支承压力的变异、地表沉降的突变、积蓄弹性能的 转化等力学效应，诱发强烈的动力现象，甚至耦合地质动力灾害。硬厚岩层具有厚度大 （几十米甚至几百米） 、强度高（单向抗压强度 50-110MPa） 、赋存层位高（距离开采煤 层高度几十米到一百多米）等特点。在采场上覆岩层中存在硬厚岩层时，由于硬厚岩层 的大面积悬空和破断运动，使采场围岩处于高应力集中状态并发生显著变异，采场覆岩 结构发生重大转化，极易诱发矿震、煤岩冲击、支架冲击荷载、煤与瓦斯突出等地质动 力灾害，造成重大的经济损失及人员伤亡。硬厚岩层下方离层裂隙充分发育，当上覆岩 层富含水或煤层瓦斯富集时，极易在离层空间内形成离层水或离层瓦斯，硬厚岩层破断 失稳释放出大量的弹性势能和重力势能，将诱发离层瓦斯和离层水突涌等动力灾害。硬 厚岩层作为主关键层，控制着上覆岩层直至地表的运动，硬厚岩层突然大面积的垮落， 导致地表突然沉陷，对地表建筑物造成破坏。 针对煤矿开采过程中， 采场上覆硬厚岩浆岩带来的一系列问题， 本文通过理论分析、 相似材料模拟及数值模拟等手段对硬厚岩浆岩下开采覆岩运移特征、地表沉降、离层瓦 斯突涌进行了系统研究，为含硬厚岩浆岩工作面的安全回采提供了理论依据，为具有相 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 似地质条件下的离层瓦斯突涌、地表裂缝等动力致灾的防治提供了依据，对促进煤矿安 全高效生产具有重要意义。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 采场上覆岩层运移规律现状采场上覆岩层运移规律现状 采场上覆岩层运移一直是矿山压力与岩层控制研究的主要内容，国内外广大学者经 过长期的理论与实践研究，形成了一系列较为科学的覆岩运动规律的假说及理论。特别 是进入 20 世纪以来，国内外学者的研究提出了各种矿山压力假说。 德国人施托克（K.Stoke）于 1916 年完善和发展了悬臂梁假说，该假说将上覆岩层 视为是一端在采空区已冒落岩石上，另外一端嵌固在岩体中的梁。 德国人哈克（W.Hack）和吉利策尔（G.Gillitzer）于 1928 年提出了压力拱假说，该 假说认为上覆岩层运动平衡后会在已开采煤层采空区的上部空间形成压力拱，压力拱的 前脚在工作面前方煤体，压力拱的后脚在采空区矸石上，应力升高区在前后拱脚处，而 拱内为应力降低区。 前苏联学者库兹涅佐夫在 1950～1954 年又提出了铰接岩块假说， 该假说将采空区上 覆岩层划分为垮落带和规则移动带，并认为规则移动带内的岩块相互铰接成一条多环节 的铰接链，分析了给定载荷‖和给定变形‖两种条件下的工作面支架状态。 20 世纪 50 年代初期，我国学者钱鸣高院士[12-16]等就开始了断裂岩块间的力学关系 研究，在总结铰接岩块假说和预成裂隙假说的基础上，以大屯孔庄矿开采后岩层内部移 动现场观测为对象， 于 70 年代末提出上覆岩层的砌体梁力学模型。 该模型重点研究了砌 体梁结构中的关键块平衡及S-R‖稳定条件。 山东科技大学宋振骐院士[17]在同一时期提出以岩层运动为中心，预测预报、控制设 计及控制效果判断三位一体的传递岩梁理论。传递岩梁理论认为基本顶是采场矿压显现 有明显影响的一组或几组岩梁，该岩梁始终向拱前臂前方及采区矸石传递作用力。 钱鸣高[18]院士等将基本顶看作板结构，并将基本顶破断前的边界支承条件归类为一 边固支三边简支、 两邻边固支两邻边简支、 三边固支一边简支以及四边固支板四种形式， 然后根据 Marcus 修正简化解，分别计算了 4 种边界形式岩板的初次破断步距表达式。 在硬厚岩层方面，我国学者也进行了一定的研究。 蒋金泉[19]等基于板壳理论建立了两邻边固支、两邻边简支条件下高位主关键层（硬 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 厚岩层）的力学模型，利用瑞利-里兹法，推导出高位主关键层（硬厚岩层）弯曲挠度函 数的近似解析式和应力分布表达式。 史红[20]等建立体积力作用下的两端嵌固梁的力学模型，对硬厚岩层的破断规律进行 了分析，并提出了判断厚硬岩层破断的力学方法。 廖孟柯[21]等针对厚或超厚老顶在掘进中破断的情况，运用数值模拟软件结合 Reissner 理论对厚老顶破断进行了分析，得出厚老顶随厚度增加，顶板断裂点应力逐渐 变小，越远离顶板屈服极限，断裂点位置出现在矩形边的中点附近，并逐渐远离采空区 边