弱胶结覆岩高强度开采岩层与地表移动规律研究.pdf

国家自然科学基金面上项目（51674249）资助 国家自然科学基金应急管理项目（41641036）资助 硕士学位论文 弱胶结覆岩高强度开采岩层与地表 移动规律研究 Study on the Strata and Surface Movement Regular of the Weakly Cemented Rock High Intensity Mining 作 者王 冰 导 师郭广礼 教授 中国矿业大学 二〇一七年五月 万方数据 中图分类号 TD821 学校代码 10290 UDC 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 弱胶结覆岩高强度开采岩层与地表移动规律研究 Study on the Strata and Surface Movement Regular of the Weakly Cemented Rock High Intensity Mining 作 者 王冰 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 变形监测及沉陷控制 答辩委员会主席 评 阅 人 二○一七年五月 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 致谢致谢 时间如白驹过隙，三年的硕士研究生生活眨眼间便要结束了。回望这三年在 矿大的求学旅程，充实而又忙碌。在这一路来有太多引导我、帮助我、鼓励我的 人，是他们在我最迷茫困惑时给我指明了方向，是他们在我遭遇挫折时，给了我 前进的动力。回想在我平时学习生活、论文思路框架、实验设计、数据采集等过 程中，得到了他们无私的帮助与指导，借此机会向他们表示我最诚挚的谢意。 本文是在我尊敬的导师郭广礼教授的悉心指导下才得以完成的， 无论从论文 最初的选题、资料的收集整理、实验设计和论文的写作，郭老师都给予了我最无 微不至的帮助与关怀。从师三载，郭老师教会我的不仅是学习，最重要的还是做 人， 每次与郭老师的交流都像是一场精神的洗礼。郭老师严谨治学的态度让我终 身受益，对待事情要多思考，要站在不同的角度想问题，参加工作后这些精神更 要仅仅牢记在心，让自己能够更快的成长。至此毕业之际，向郭老师真诚的说一 声“郭老师，谢谢您 ” 。 感谢矿大环测学院谭志祥老师、查剑锋老师、刘志平老师及王中元老师在选 题过程中提出的宝贵意见。 同时也要对实验室周鸣老师在对我做实验时认真的指 导和实验仪器借助而表示衷心感谢。 感谢实验室师兄朱晓峻博士、李怀展博士、郭庆彪博士、宫亚强博士、刘潇 鹏博士、张国建博士、陈龙浩硕士、方齐硕士、王炯硕士、卢国豪硕士在试验和 论文的指导方面给予的中肯意见；感谢同门王金涛硕士、陈涛硕士及师弟郭凯凯 博士、葛鹏飞硕士、林怡凯硕士、覃双煜硕士、王志勇硕士、杜秋硕士、谭学春 硕士以及实验室最可爱的师妹张文馨硕士在做实验时给予的大力帮助。 三年时光 里，在 B402 这个几十平米的小屋里，我度过了自己这一生最难忘的一段时光， 有过欢笑、有过努力，认识他们，一生无憾。 感谢三年来我们朝夕相处的三位好室友、好兄弟杜国强、刘鑫、李俊刚在我 生活和学习上的帮助。 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 14 级的全班同 学在学习和生活上给予的帮助。 万爱千恩百苦，疼我孰知父母。在这里特别的感谢我的父亲王景瑞先生和我 的母亲张玉荣女士，苦读 19 年，文化不高的他们两个一直默默的支持着我的求 学路， 此恩情我终生难报， 父亲母亲， 你们辛苦了 此外还要感谢我的三个姐姐， 在我求学期间她们在生活上给予了我非常大的帮助，谢谢我可爱的姐姐们。 此外向文中所有参考文献资料的作者和单位表示衷心的感谢。 感谢各位专家、教授在百忙当中评阅我的论文和参加我的答辩。 感谢所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友们。 万方数据 I 摘摘 要要 本文以营盘壕煤矿 2201 工作面地质采矿条件为依托原型，采用实测数据分 析、数值模拟实验与相似材料模拟实验相结合的方法，对弱胶结覆岩高强度开采 下的地表与岩层移动变形规律进行了研究，取得的主要研究成果如下 1）对营盘壕矿区岩层进行实地取样并进行力学实验，实验表明 90的岩层 抗压强度均低于 30MP， 且岩层结构均以泥质胶结为主， 具有胶结性差、 易风化、 对扰动敏感等物理特性，故确定了营盘壕矿区上覆岩层均属于弱胶结性岩层。 2）根据现场实测数据绘制出了地表移动变形曲线图，揭示了弱胶结覆岩地 表动态移动变形的变化规律； 并进一步详细对比分析了营盘壕煤矿与临近的小纪 汗煤矿的地质采矿参数与岩层结构，采用类比法确定了营盘壕煤矿 2201 工作面 地表预计参数大小。 3）采用数值模拟实验研究了一次性采全高与分层开采两种开采方式下的地 表与覆岩移动变形规律以及覆岩内部应力场、塑性区变化规律，揭示了在弱胶结 覆岩地层条件下更适合一次性采全高的开采方式，为 2201 工作面实际开采时提 供了理论支撑。 4）将理论分析与相似材料模拟实验结果相结合，得出了直接顶应力随着距 离开切眼距离的不同而呈现不同类型函数的变化规律；且在高围压状态下，弱胶 结覆岩由于自身物理性质而易产生假塑性弯曲，这些“假塑性体”内部产生了与 正应力呈不同角度的裂隙，依然可以看成为两端固定，中间悬空的“简支梁”平 衡结构；对于地表移动变形而言，下沉曲线收敛速度较一般地质采矿条件下的地 表下沉曲线收敛速度慢，且下沉值偏小。 5）以弱胶结覆岩岩层动态移动过程为研究基础，建立了弱胶结覆岩开采岩 层移动力学模型。并以该力学模型为理论依据，结合材料力学相关知识，推导出 了新的弱胶结覆岩开采垮落带发育高度的预测方法。 6）理论分析了弱胶结覆岩地表下沉系数远远小于我国东部软岩条件下开采 的经验下沉系数的四个因素。三个次要因素弱胶结覆岩水化膨胀因素、似“覆 岩离层注浆”因素、冲洪积砂的流动性因素；一个主要因素岩层的巨厚特性因 素。 岩层巨厚的特点使得其在岩层移动变形向地表传递的过程中形成了类似于东 部煤矿坚硬岩层的抗变形的作用。 该论文有图 54 幅，表 14 个，参考文献 108 篇。 关键词关键词弱胶结覆岩高强度开采；现场实测；数值模拟；相似材料模拟；理论分 析 万方数据 II Abstract In this paper, basing on the geological and mining conditions of Ying Panhao mine 2201 working face, through on the analysis of the measured data、numerical simulation and the similar material simulation in order to study surface and rock mobile deation law on the weakly cemented rock high intensity mining. The principal outcomes are as follows 1） Field rock sampling in the Ying Panhao mine and doing mechanics experiment. The experiment results show that 90 of rock compressive strength is less than 30MP,and strata structure most is argillaceous cementing, it has Poor cementation、 easily weathered、sensitive to disturbance and so on physical properties. So, determined the overlying strata of Ying Panhao mine belong to the weakly cemented rock. 2）According to the field measured data, to draw The surface movement deation curve, revealing the change of the surface dynamic movable deation rule on the weakly cemented rock; And further detailed analysis the geological and mining parameters and rock ations between Ying Panhao mine and adjacent Xiao Jihan mine, determining the surface deation prediction parameters value of Ying Panhao mine 2201 working face by analogy . 3）Based on numerical simulation , what has been studied that the surface and rock movement distortion rule and the change rule of rock internal stress field with plastic zone between mining all height at one time（high intensity mining）with slice mining, that it is more suitable mining all height at one time（high intensity mining）in the weakly cemented rock condition has been revealed. 4 Combined theoretical analysis with the similar material simulation result, that Immediate roof stress is different function with distance open-off cut different has been obtained；And under the high confining pressure state, the weakly cemented rock easily occur fake plastic bending because of its physical properties, these“fake plastic body”interior have yielded fissures with normal stress different point of view, and it still regard as“simply supported beam”equilibrium structure that fixed at both ends、 intermediate suspension; As for ground movement and deation, subsidence curve rate of convergence is slower than general geological conditions, and subsidence values are relatively small. 5 Based on the study of the weakly cemented rock strata dynamic movement 万方数据 III process, established the strata movement mechanics model. And regard the mechanical model as the theoretical basis, combined with material mechanics knowledge, derived a new forecasting of weakly cemented rock mining caving zone height. 6 Having analysed the four agents for the weakly cemented rock subsidence value far less than east soft rock of china subsidence value. Three secondary factors weakly cemented rock hydration expansion factor、 like“grouting separated strata zone in overburden”factor、quicksand liquidity factor；one major factor thickness characteristics of rock ations. This feature make it like the hard rock ation in eastern coal mines which prevent the moving deation transfer from the rock to the surface. This paper contains 54 figures, 14 tables, and 108 references. Keywords the weakly cemented rock high intensity mining; the field measurement; the numerical simulation; the similar materials simulating; theoretical analysis 万方数据 IV 目目 录录 摘摘 要要............................................................................................................................ I 目目 录录......................................................................................................................... IV 图清单图清单...................................................................................................................... VIII 表清单表清单......................................................................................................................... XI 变量注释表变量注释表 ............................................................................................................... XII 1 绪论绪论............................................................................................................................ 1 1.1 选题意义与背景 ...................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状和问题的提出 .............................................................................. 2 1.3 研究内容 .................................................................................................................. 8 1.4 研究方法和技术路线 .............................................................................................. 9 2 弱胶结覆岩高强度开采地表移动规律实测分析弱胶结覆岩高强度开采地表移动规律实测分析 .................................................. 11 2.1 矿区基本情况 ........................................................................................................ 11 2.2 小纪汗煤矿实测数据分析 ................................................................................... 13 2.3 小纪汗煤矿沉陷预计参数反演 ........................................................................... 18 2.4 类比法确定营盘壕煤矿预计参数 ....................................................................... 20 2.5 本章小结 ................................................................................................................ 21 3 弱胶结覆岩高强度开采数值模拟研究弱胶结覆岩高强度开采数值模拟研究 ................................................................. 22 3.1 模拟软件的介绍与选取 ........................................................................................ 22 3.2 模型的建立与赋参 ................................................................................................ 22 3.3 数值模拟结果分析 ................................................................................................ 27 3.4 本章小结 ................................................................................................................ 38 4 弱胶结覆岩高强度开采相似材料模拟研究弱胶结覆岩高强度开采相似材料模拟研究 ......................................................... 40 4.1 概述 ........................................................................................................................ 40 4.2 模型的设计与铺设 ................................................................................................ 42 4.3 相似材料模型的开挖与监测 ............................................................................... 46 4.4 直接顶应力动态规律分 ........................................................................................ 49 4.5 地表移动特征分析 ................................................................................................ 52 4.6 相似材料模型岩层动态移动规律分析 ................................................................ 54 4.7 本章小结 ................................................................................................................ 60 5 弱胶结覆岩开采岩层与地表移动特殊性分析弱胶结覆岩开采岩层与地表移动特殊性分析 ...................................................... 62 万方数据 V 5.1 弱胶结覆岩开采岩层移动特征分析 .................................................................... 62 5.2 弱胶结覆岩开采地表移动特征分析 .................................................................... 73 5.3 本章小结 ................................................................................................................ 76 6 结论与展望结论与展望 ............................................................................................................. 77 6.1 结论 ....................................................................................................................... 77 6.2 不足与展望 ............................................................................................................ 78 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 80 作者简历作者简历 ..................................................................................................................... 87 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ................................................................................................. 88 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................... 89 万方数据 VI Contents Abstract ........................................................................................................................ II Contents ..................................................................................................................... VI List of Figures ......................................................................................................... VIII Lists of Tables ............................................................................................................ XI List of Variables ........................................................................................................ XII 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 Topic selection of the background and significance ................................................ 1 1.2 Research actuality of home and aboard and the main problem ............................... 2 1.3 Main research content .............................................................................................. 8 1.4 Main Research Content ............................................................................................ 9 2 The Measured Analysis of Surface Movement Regularity on the Weakly Cemented Rock High Intensity Mining ................................................................... 11 2.1 Brief introduction of the mining area ..................................................................... 11 2.2 The analysis of measured data in xiao jihan mine ................................................. 13 2.3 The obtained of prediction parameters in xiao jihan mine.................................. 18 2.4 Determine the prediction parameters in xiao jihan mine by analogy .... 20 2.5 Summary of the chapter ......................................................................................... 21 3 The Study on the Numerical Simulation of the Weakly Cemented Rock High Intensity Mining ......................................................................................................... 22 3.1 Introduction and selection of numerical software .................................................. 22 3.2 The establishment and parameters valuation of model .......................................... 22 3.3 Numerical results analysis ..................................................................................... 27 3.4 Summary of the chapter ......................................................................................... 38 4 The Study on similar material model simulation of the Weakly Cemented Rock High Intensity Mining ................................................................................................ 40 4.1 Summary ................................................................................................................ 40 4.2 Design and laying of the model ............................................................................. 42 4.3 Excavating and monitoring of the experimental design of the similar materials model ............................................................................................................................ 46 4.4 The analysis of stress dynamic laws in the immediate roof ................................... 49 万方数据 VII 4.5 The analysis of Surface movement characteristics ................................................ 52 4.6 Strata Dynamic Movement Law of Similar Material Model ................................. 54 4.7 Summary of the chapter ......................................................................................... 60 5 The Specificity analysis of Strata and