黄土矿区不同采高情况下地表裂缝特征研究.pdf

万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 KeywordsDafosi mine, Surface crack, Numerical simulation, FLAC3D, UDEC Thesis Applied Fundamental Research 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及研究意义 ...................................................................................................... 1 1.1.1 选题背景 .................................................................................................................... 1 1.1.2 研究意义 .................................................................................................................... 2 1.2 国内外研究现状 .............................................................................................................. 2 1.2.1 国外地表裂缝研究现状 ............................................................................................ 2 1.2.2 国内地表裂缝研究现状 ............................................................................................ 3 1.3 主要研究内容与技术路线 .............................................................................................. 5 1.3.1 主要研究内容 ............................................................................................................ 5 1.3.2 技术路线 .................................................................................................................... 5 2 黄土矿区采动地表裂缝分类及形成机理 ............................................................................. 6 2.1 采动地表裂缝的分类及相应的特点 .............................................................................. 6 2.2 拉伸型、挤压型裂缝形成机理 ...................................................................................... 7 2.2.1 采动岩土体的应力分析 ............................................................................................ 7 2.2.2 拉伸型、挤压型裂缝形成机理 ................................................................................ 8 2.3 塌陷型裂缝形成机理 .................................................................................................... 10 2.3.1 关键层的判别 .......................................................................................................... 10 2.3.2 塌陷型裂缝的力学模型 ...........................................................................................11 2.4 本章小结 ........................................................................................................................ 12 3 黄土矿区典型实例剖析 ....................................................................................................... 14 3.1 大佛寺煤矿 4 煤开采地表移动及裂缝特征分析 ........................................................ 14 3.1.1 40108 工作面概况 ................................................................................................... 14 3.1.2 地表移动观测 .......................................................................................................... 14 3.1.3 开采过程中的地表移动分析 .................................................................................. 15 3.1.4 地表裂缝动态监测 .................................................................................................. 17 3.1.5 地表裂缝特征分析 .................................................................................................. 17 3.2 本章小结 ........................................................................................................................ 20 4 黄土矿区采动地表裂缝特征数值模拟实验研究 ............................................................... 21 4.1 FLAC3D 简介 ................................................................................................................ 21 4.2 本构模型选择 ................................................................................................................ 21 万方数据 目录 II 4.3 数值模拟实验 ................................................................................................................ 22 4.3.1 模型的建立 .............................................................................................................. 22 4.3.2 物理力学参数 .......................................................................................................... 23 4.3.3 边界条件的确定 ...................................................................................................... 23 4.4 数值模拟结果的分析 .................................................................................................... 23 4.4.1 9.5m采高情况下地表裂缝特征研究..................................................................... 23 4.4.2 不同采高情况下地表裂缝特征研究 ...................................................................... 26 4.5 UDEC 软件介绍............................................................................................................. 29 4.5.1 基本概念 .................................................................................................................. 29 4.5.2 UDEC 节理模型 ...................................................................................................... 30 4.5.3 UDEC 屈服准则 ...................................................................................................... 31 4.6 模型的建立、边界条件及参数 .................................................................................... 32 4.6.1 工程地质背景 .......................................................................................................... 32 4.6.2 数值模拟模型建立 .................................................................................................. 33 4.6.3 边界条件与力学参数 .............................................................................................. 33 4.7 数值模拟结果分析 ........................................................................................................ 34 4.7.1 9.5m采高情况下地表裂缝特征研究..................................................................... 34 4.7.2 不同采高情况下地表裂缝特征研究 ...................................................................... 39 4.8 两个模拟软件模拟结果对比分析及预测模型的建立 ................................................ 45 4.9 本章小结 ........................................................................................................................ 47 5 结论与展望 ........................................................................................................................... 48 5.1 主要结论 ........................................................................................................................ 48 5.2 不足与展望 .................................................................................................................... 49 致 谢 ...................................................................................................................................... 50 参考文献 .................................................................................................................................. 51 攻读学位期间所发表的论文、主要学术活动 ...................................................................... 55 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 我国是世界上煤炭的生产量和消耗量最大的国家，煤炭能源相当的丰富，在我国社 会经济和社会发展中煤炭的生产占据着举足轻重的地位。由于我国社会经济的快速增长, 所以对能量的需求量在不断的增加,这几年来,我国一次能源的构造中煤炭生产与消耗 将近达到 71。由于对煤炭的过度开采,因而使我国东部地区的煤炭资源越来越缺乏, 进而使得我国对西部地区的煤炭资源依靠性越来越明显，所以不得不对西部的煤炭进行 开采[1]。 2010 年全国煤总产量是 32.6 亿 t 其中内蒙古 （7.84t） 、 山西 （7.43t） 和陕西 （3.54t） 三个地区占到了 59。在我国已经考察清楚的煤炭储藏量中，晋陕蒙宁新甘青地区的煤 炭储藏量占到我国煤炭总量的 80.7左右，其中相关专家预测到“十二五”末，对煤炭 的需求量有可能冲破 40 亿 t/年的大关，其中西部六省地区的年产量有望实现 30 亿 t， 因此而导致土壤因雨水冲刷而损耗、 减少或破坏的面积可达 4.20 万公顷， 土地沉陷面积 可达 4.17 万公顷[2]。 西部矿区是主要的产煤基地，其广泛具有埋藏浅、地形起伏变化不均匀、地表支离 破碎、人类居住的生存环境比较脆弱等特点，由于煤炭资源的地下开采，从而会引起不 同的生态环境灾害， 比如地表会产生大量的裂缝、 水土流失严重、 山体滑坡和山坡滑移、 植被枯萎坏死等灾害[3-6]。2009 年 8 月 3 日陕西日报中报道到 “榆林许多煤矿的开采区 都出现了泉水开始水流断绝、井里干枯无水、植被树木枯萎凋谢等灾害问题。 ”由于对 煤炭资源的开采[7]， 进而造成全市因地下矿层采空后所形成的空间面积已达 418.31 平方 公里，其中因塌陷而形成的面积已达 88.214 平方公里，受到灾难的人数已达万人，房子 毁坏 3686 间。2008 年 4 月 1 日新华社报道到我国产煤量最大的县是陕北的神木县， 由于煤炭开采的范围比较大进而促进了其当地社会经济的发展。由于煤矿的开挖造成的 塌陷也很多，生存环境也受到了不小的破坏。形成了“煤挖空了、水流尽了、地坍塌沉 陷了、草枯死完了、人穷困潦倒了”的“难看”的局面。 由以上的综述可以看出地表缝隙的发生和发展，主要是因为煤炭资源的开拓和很好 的运用给人类带来了很大的社会经济效益，并且也给人类生长存活的环境产生了一系列 的不利的影响[8-10]。其中，由于煤矿开采而造成的塌陷对环境的影响是比较明显的。采 煤造成的沉陷容易导致地表土地受到破坏，从而引起地表移动和变形、盆地进行积水、 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 地表裂缝等等。 一直以来， 国内国外对煤矿开采煤造成的塌陷的研究给予了很大的关注， 学者们从各种不同的角度、按照不一样的要求对采煤塌陷进行了一系列的研究[11]。 1.1.2 研究意义 西部由黄土遮盖的地区是我国进行煤炭生产非常重要的基地，煤炭能源的开拓与合 理运用在对西部进行大开发中具有很大的意义。煤炭能源的开采会对矿区的地表造成严 重破坏,形成许多的地表裂隙[12],并会激发山体滑坡、土体坍塌等地质灾害。据统计的情 况来看，产生的地表裂隙地质灾害有 1136 起,以上地质灾害中由于地下的采空而形成的 采空型地表裂隙已达到 1131 起,约占地表裂隙地质灾害总数的 99.6，地表裂隙灾害所 造成的经济亏损占不同种类地质灾害所造成的经济亏损总量的 41.2。 将煤层开采进行到一定程度以后，因为岩层的移动而引起地表产生不平衡的移动量 进而发生移动变形[13]，当变形量大于一定值后就会产生裂隙。我国是地表裂隙灾害产生 比较严重的地方之一，地表裂隙的产生已经引起了国内国外许多研究者浓厚的兴趣。为 保障我国社会经济的快速增长,对西部矿区煤炭能源进行开挖是必须进行的。 综上所述,对黄土矿区不同采高情况下地表裂缝的特征进行研究，找出地表裂缝的 分类及形成原因[15]，揭示地表裂缝的产生与移动变形的关系，从而准确地预测地表裂缝 的产生，对矿区上建筑物的保护有指导意义，煤炭能源无污染的开采，对经济发展和生 态环境的保护具有一定的指导意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外地表裂缝研究现状 19 世纪英国学者 C.莱伊尔曾写的书中有关于地表裂缝最早记载，在书中作者对地 表裂隙的不同形成原因进行了描述[16-18]。进入 20 世纪，世界各地出现了许多不同类型 的地表裂缝造成的灾害，随着对地表裂缝的描述逐渐增多其研究也逐渐深入。通过对国 外地表裂隙研究成果的检索，美国是国外开始研究地表裂隙问题较早的国家，其对地表 裂隙进行了深入的研究，其他国家虽然也有一定的研究成果，但是总体研究程度还是比 较低的[19]。 20 世纪 50 年代美国学者对地表裂缝展开了全面性的研究，随着时间的推移地表裂 缝的发现越来越多，造成的破坏也在逐渐的增加。二十世纪二十年代末 Leonard 从地震 角度分析了在亚利桑那州皮卡桥城附近出现的地表裂缝的成因，认为与发生在亚利桑那 州东南部森城附近的地震有关，此次地震活动导致了岩层的破裂，并使已具破裂面的岩 层重新复活。Carpenter 于二十世纪九十年代初通过对 Picacho 盆地地表缝隙的移动水平 变形和地表沉降的长久观测数据，运用 Okada 的三维位错理论及 Matsuuar 的结构裂变 万方数据 1 绪论 3 修正模型对地表裂隙的形成原因进行了分析，认为断层位移对地表裂隙在水平方向和垂 直于水平方向的变形会产生影响[20-22]。 Feth在二十世纪五十年代研究了亚利桑那州中南部出现的地表裂缝，认为含水层局 部厚度由于变化从而引起了不均匀的沉降，进而产生拉应力最终导致地表产生了裂缝。 二十世纪七十年代Schumann对地下水开采成因观点进行了进一步深入的研究， 认为由于 基岩表面形态的突变或由于具有压缩性图层厚度的不同进而产生明显的差异，进而导致 松散层图层的差异压密沉降，在地表压密沉降差异最大处会形成拉张应力，当其中达到 一定值就会产生开裂变形。Holzer等人于1984年对一些地方的地表裂隙的实际情况、环 境地质条件以及观测数据进行了分析，认为该地域结构活动与地表以下的水进行开采是 影响地裂隙发育及活动的两个主要原因。为了对结构活动和地面的下沉对地表裂隙活动 性的影响进行很好的评价，Holzer等人将地表裂隙的变形分为两种，即错断和开裂开 裂主要表示的是垂直破裂面的位移；而错断表示的是产生平行于破裂面的位移。结构活 动对地表变形的影响主要在错断位移方面表现出来[23]。 研究过新墨西哥等州的地表裂隙 的许多研究者都同意了Holzer的看法。 二十世纪九十年代Bell通过分析LasVegas盆地的地 质环境因素， 进而分析了地表裂隙的发育特征， 觉得地面因沉陷而显现出来的地表裂隙， 是由于变形而产生的，并对地表裂隙的产生过程提出了不一样的解析模式[24]。Haneberg 于二十世纪九十年代在Holzer对地表裂隙变形分类的原有基础上，将地表裂隙的形成原 因形式分成开裂形式、剪裂形式及撕裂形式。开采沉陷会导致地表大面积沉陷进而会发 生地表裂缝，虽然世界上有许多国家发生过地表裂缝，但大多数国家对其研究的重点是 不一样的。美国学者HolzerT.L.于二十一世纪十年代对地表以下的水进行开采进而引起 的亚利桑那州地表裂隙进行了研讨，从研究中发现在最大裂缝处的地表最大水平位移最 大，且在裂缝形成后，横向拉伸变形继续累积增加，幅度为30-120微应变/年；二十世纪 初MuniramBudhu通过对岩层进行了相关的力学分析[25-27]，进而在此分析的基础上明确 了地表裂隙产生的机制和原理，给出了地表裂隙发育的临界值条件即为疏松层厚度为含 水层厚度的2倍。 1.2.2 国内地表裂缝研究现状 二十世纪五十年代在西安小寨地区发现了地表缝隙，在此以后西安许多地方的地表 缝隙开始慢慢增加，毁坏效果也越来越明显，特别是二十世纪七十年代西安北部地区发 生了有感地动以后， 人们才真正开始注意到地表缝隙地质灾害并对其进行深入的研究[28]。 我国三位学者李永善、杨凯元、张家明分别就西安市地表缝隙的基本特征、成因、力学 特征、监测方法以及对其危害进行治理等方面展开了深入的研究，提出西安地表裂缝的 成因主要是以构造作用为主，充分叠加了地表和地下水影响的两个因素，强调了强震高 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 潮对地表裂缝有明显增强作用的观点，以及增强穿越地表裂缝的管线强度、定期监测等 相应的防治措施。姜振泉于二十世纪九十年代末对临汾地表缝隙的产生与结构影响因子、 地表以下水开采之间的联系开展了深入的研究[29-34]，从研究中得出了一些结论，相关结 论如下地表缝隙是存在于结构开裂后的开裂面的重新复生，新结构活动对地表缝隙活 动产生相应的促进，地表以下水开采会产生相应的引导和激化作用[35]。 许多学者对岩层移动进行了深入的研究，研究成果有二十世纪七十年代末钱鸣高 等学者提出了砌体梁结构假设，后来又提出了关键层理论和复合关键层理论，进而研究 了开采沉陷问题；谢和平学者运用有限元方法很好的对岩层移动规律进行了分析[36]；张 玉卓学者对岩层移动的错位理论和边界元法在开采沉陷中的应用进行了研究；王永嘉学 者在对岩层移动的研究中运用了离散单元法；何满潮在研究岩层移动中运用了非线性有 限元法结合岩层的物理力学性质的方法[37-40]；唐春安对开采影响下覆岩跨落过程用线弹 性有限元法进行了数值模拟研究；谢立民用实测的方法研究了葫芦岛煤矿地面塌陷与地 表裂缝的成因，将地表土的力学性质和地表上的点产生的变形结合起来，提出了一个关 于地表裂缝分布规律的动态计算模型，研究了由于开采而引起的地表裂缝的分布规律； 成都理工大学崔杰等在对地表缝隙与倾斜的地面变形毁坏的变化模式的研究中采用了 物理模拟方法；孟伟对不一样成分作用下对地表稳定性的影响的研究采用的是FLAC数 值模拟方法[41]。 王云龙等对渭北大面积的开煤地带由于开采而造成的地表缝隙及分布规 律和其对地面上构筑物的影响进行了研究；余学义对浅煤层开采缝隙的破坏机理进行了 研究；王宏图采取有限元的方法研究了近水平煤层开采地表移动规律[42-46]；刘宝深借鉴 随机介质理论基础进而发展了概率积分法，研究了由于开挖而引起的岩层及地表移动规 律的相关问题。张家明检测地表缝隙的方式是通过建立牢固的观测站，就地表缝隙与地 面沉降工程地质勘测的研究工作进行了开展，全面研究了西安地裂缝的分布特征、形成 机理与机制、地面的沉降与地表裂缝的相关活动以及防治措施。王景明对地表裂缝的演 化规律以及危害进行了深入的研究，对地裂缝的活动和裂缝灾害预测以及防治提供了有 力的理论依据[47]。 国内学者在地表缝隙形成原因的了解上有许多的相似性，有了相关的研究成果。二 十世纪九十年代卢积堂将地表缝隙划分成了四级是通过地表缝隙形成的主要诱导成分 和显示条件，当中的一级分类又分为两种即人类活动地表缝隙和自然因素地表缝隙[48-51]， 然而人类活动地表缝隙又包括开挖塌陷地表缝隙和构筑物形变地表缝隙两种。 针对由于开采原因而造成的地表缝隙， 2001 年王来贵等在对不同的覆岩强度、 不同 的开采范围、不同深度的条件下地表沉陷以及地表缝隙的研究中采取了可以描述拉张分 裂的有限元方法即数值模拟方法[52-54]，得出了一些定性结论，开采深度越小缝隙就越容 易形成、覆岩强度越小越容易产生缝隙、开采范围越大产生的地表缝隙就越多、地表缝 隙的方向大致垂直于工作面的推进方向；二十一世纪初期郑辉等研究了开采地表缝隙的 万方数据 1 绪论 5 平面分布规律，从中得出了缝隙的动态发育规律来确定缝隙分布范围的角量参数，进而 对缝隙与水平变形之间的关系进行了分析[55-58]。 1.3 主要研究内容与技术路线 1.3.1 主要研究内容 本文主要研究内容如下 1收集地表分类裂缝的资料，并从中分析出其各自的特点，对不同裂缝的产生理论 机制进行相关的研究分析。 2依据所收集到的咸阳市彬县大佛寺煤矿开采区 40108 工作面观测站实际观测的 资料，并结合实测数据和裂缝分布图分析总结出大佛寺煤矿开采区地表裂缝特征。 3在以上研究的基础上，借助 FLAC3D 和 UDEC 数值模拟软件对该实验矿区进行 不同采高下的数值模拟，分析两个模拟软件模拟结果的优越性，结合以上模拟数据和实 测数据建立起来的函数关系式，为矿区安全生产和矿区生态环境保护提出科学合理的建 议。 1.3.2 技术路线 技术路线图如图 1.1 所示 图 1.1 技术路线图 实际调研、收集资料，整理分析 总结相关理论 分析黄土矿区地表裂缝产生的机理 对黄土矿区开采实例进行剖析 建立模型理论，分别用两个软件来进行模 拟，分析实验结果 分析结果，建立数学模型为矿区合理生产提供理论依据 结论与展望 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 6 2 黄土矿区采动地表裂缝分类及形成机理 2.1 采动地表裂缝的分类及相应的特点 （1）开采过程中的临时性裂缝 这类缝隙通常会发生在工作面的上方，伴随着开挖的推进，由于覆岩不断的破断 进而影响到地表，直到地表开裂从而形成的，如图 2.1（a）所示。随着工作面推进并 经过缝隙后，地表因为受到压缩从而产生变形，从而导致位于下沉盆地中的许多缝隙 会慢慢的闭合。 主要特点有形成的速度快，和工作面的发育是同步的；具有动态性、临时性和可 以自己愈合的性质。 （2）地表稳沉后的永久性裂缝 这类缝隙通常发生在工作面界线邻近地区，即地表产生拉伸变形的最大区域，从开 始进行开挖直到地表趋于稳定，缝隙不仅逐渐增大并且会永久性的存在，如图 2.1（b） 所示。 主要特点有发育的程度深、宽度比较大；很难自己愈合。 （a）临时性裂缝 （b）永久性地裂缝 图 2.1 根据发育时段的分类 依据其形成机制，开采地表裂缝可以划分为拉伸型裂缝、挤压型裂缝和塌陷型裂缝 等三种。 （1）拉伸型裂缝 因为地表水平拉伸变形值大于表土抗拉伸应变的极限值，所以导致表土被直接拉裂 从而生成的，通常在地表拉伸变形区域内发育比较密集。 主要特点有在采动过程中随着地表拉伸变形超过表土极限拉伸变形从而形成，一 般在工作面前方一定的距离，其发育缓慢、宽度较小、没有台阶。如图 2.2 所示。 万方数据 2 黄土矿区采动地裂缝分类及形成机理 7 （2）挤压型裂缝 因为地表受到压缩而产生变形并且超过了表土的抗压缩能力的极限，所以表土会因 为受到挤压从而形成隆起，进而在地表压缩变形地域内发育。 主要特点有随着工作面不断的推进，会慢慢的愈合，地表会凸起，缝隙的宽度较 小，有一定的自我愈合能力。如图 2.2 所示。 （3）塌陷型裂缝 因为开采从而引起覆岩不断地破断进而会导致地表塌陷从而形成的，一般在工作面 的正上方，其发育和工作面的推进是同时进行的。 主要特点有 一般在开采工作面的后面， 会伴随着工作面的不断推进， 慢慢的愈合， 宽度比较大、发育程度深、落差比较大。如图 2.2 所示。 （a）拉伸型裂缝 （b） 挤压型裂缝 （c）塌陷型裂缝 图 2.2 根据形成机制的分类 2.2 拉伸型、挤压型裂缝形成机理 2.2.1 采动岩土体的应力分析 岩体在受到采动的影响后，会产生一些破坏形式，其主要有断开破裂、弯曲、垮 落、离层等，从力学机理上可以归结为四种破坏机制，如张力破坏、剪力破坏、构造体 的滚动、构造体沿构造面的错动和滑动，当深度与厚度的比比较小的时候，垮落带、裂 缝带有可能直接到达地表，从而会形成地表裂隙[59]。 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 8 运用弹性有限元法进行分析，煤层进行开挖后其上覆岩土体内部的应力分布如图 2.3 所示，图中（1）代表的是拉应力的区域， （2a）代表的是拉压应力的区域， （2b）代 表的是顶部正曲率拉应力的区域， （3a）代表的是顶部负曲率区压应力的区域， （3b）代 表支撑压力的区域。 图 2.3 采动岩土体应力分布图 根据图上区域的分布进而能够判断出，采空区界限上面的覆岩主要受到拉应力和压 应力的作用。位于采空区上方的地表，在程度方向上主要受到压缩的作用，由此可知在 地表主要会受到挤压应力，进而会形成挤压型缝隙，但是煤柱上方的地表，其主要受到 程度拉力的作用，进而会形成拉伸型缝隙。 2.2.2 拉伸型、挤压型裂缝形成机理 由于受到开采的影响，因此在地表沉降影响的范畴以内，会有两个变形区域即拉伸 和压缩变形区域，地表变形的拐点处是两个变形域的分界点位。如图 2.4 所示，在工作 面不断的推进过程中，拉伸型缝隙通常会在工作面前方的拉伸地域内发育，挤压型缝隙 通常在工作面后面的压缩地域内发育，记拉伸型缝隙超前距为dL，即表示的是拉伸型缝 隙和工作面推进的位置之间的水平距离，记拉伸型缝隙超前角为δL，即表示的是缝隙与 工作面推进的位置的连线和水平线之间的夹角。记挤压型缝隙滞后距为dJ，即表示的是 挤压型缝隙和工作面推进的位置之间的水平距离，挤压型缝隙滞后角为δJ，即表示的是 缝隙与工作面推进的位置的连线和水平线之间的夹角。它们的值可以按照公式2.1、公 式2.2分别计算求出。 tanδL H dL 2.1 tanδJ H dJ 2.2 以上公式中，H 表示的是缝隙发育位置处的采深，m。 万方数据 2 黄土矿区采动地裂缝分类及形成机理 9 图 2.4 拉伸型裂缝和挤压型裂缝 地表上任一点处水平变形可以通过以下式子来计算 根据公式可以求出地表上任一点x,y处的下沉 Wx,y 1 W0 w0xw0y 2.3 公式中， w0代表的是当走向和倾向两个方向开挖都到达充分开采时地表处最大的下沉值； w0x代表的是倾向方向到达充分开采时在走向方向上横坐标为 x的点的下沉值；w0y 代表的是走向方向到达充分开采时在倾向方向上横坐标为 y的点的下沉值。 沿任意φ方向的倾斜ix,y,φ是 ix,y,φ 1 W0 [i0xW0y cosφW0xi0y sinφ] 2.4 沿任意φ方向的曲率Kx,y,φ是 Kx,y,φ 1 W0 [K0xW0ycos2φK0yW0xsin2φ i0xi0y sin 2φ 2.5 沿任意φ方向的水平移动Ux,y,φ是 Ux,y,φ 1 W0 [U0xU0y cosφU0y U0x sinφ] 2.6 沿任意φ方向的水平变形εx,y,φ是 εx,y,φ 1 W0 {ε0xW0ycos2φε0yW0xsin2 φ [U0 xi 0yU 0 yi 0x]sin φcosφ} 2.7 万方数据