正断层影响下地下采煤引起斜坡变形模拟研究——以山西省风峁顶为例.pdf

万方数据 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 正断层影响下地下采煤引起斜坡变形模拟研究 以山西省风峁顶为例 摘 要 煤炭是中国的重要能源之一，大量的煤炭开采在为国民经济的发展做 出重大贡献同时，也引发了一系列的环境问题和社会问题。煤层被开采后， 周围岩层原有的力学平衡被打破，在自重的作用下，岩层逐渐会发生弯曲、 张裂和冒落等现象，上覆岩层变形继续延伸到地表，会引起地面塌陷、地 裂缝等地质灾害，对地表及其地表构建物造成破坏。山区地形变化多样， 地质构造繁杂，煤矿开采导致的斜坡变形破坏时有发生，严重威胁着周边 人民的生命财产安全。断层作为一种常见的地质构造，两侧一定范围内的 岩石一般较为破碎，其强度远小于周围连续岩层的强度，断层的存在使得 斜坡变形破坏情况更加复杂。 本文以具有代表性的山西省中西部山区风峁顶为研究区，对正断层条 件下地下采煤引起的斜坡变形进行模拟研究。主要工作如下 （1）以研究区为原型，建立数值模型，然后改变模型正断层的断距、 倾向、倾角得到新的 9 个数值模型，采用 MIDAS/GTS 进行数值模拟，并根 据模拟结果讨论正断层对地下采煤引起斜坡变形的影响。 （2）在自然条件中正断层往往成组出现，所以建立 4 个模型分别为无 正断层、有一条正断层、两条正断层、三条正断层，并将其进行对比分析， 研究断层的叠加效应，讨论正断层的数量对地下采煤引起斜坡变形的影响。 （3）以实地调研、实验室物理力学测定得到的资料为出发点，进行了 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 相似材料模拟试验，从开采沉陷的角度研究正断层存在的条件下，斜坡内 部岩层移动规律和地表破坏特征。 （4）对研究区地质构造、上覆黄土性质以及斜坡变形特征进行分析， 总结了山西省古交一带正断层对采煤引起斜坡变形的影响及规律。 关键词正断层；斜坡；采煤沉陷；相似材料模拟；数值模拟 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 III Simulation of slope deation caused by underground mining under the influence of normal fault -- Taking Fengmaoding as an example Abstract Coal is one of the most important sources of energy in China. A large number of coal mining has made a great contribution to the development of the national economy, and it has also caused a series of environmental and social problems. After the coal seam is mined, the original mechanical balance of the surrounding rock layer is broken. Under the action of self weight, the strata will gradually bend, crack and fall, and the overlying strata deation continues to extend to the surface, which will cause ground collapse, ground cracks and other geological disasters, causing damage to the surface and surface construction. The mountain terrain is varied and the geological structure is complex. The slope deation and damage caused by coal mining is a serious threat to the safety of life and property of the surrounding people. As a common geological structure, the rock in a certain range is generally relatively broken, its strength is far less than the strength of the surrounding rock, and the existence of the fault makes the deation and failure of the slope more complicated. In this paper, the wind and hilly top of the central and western mountainous area of Shanxi province is considered as the research area, and the slope deation caused by underground mining under the normal fault condition is simulated. The main work is as follows 1 Taking the study area as the prototype, the main characteristics of 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV lithology, rock dip angle and slope in the area are retained, and 10 numerical models are established from the fault distance, inclination, dip angle and three aspects of the normal fault. The numerical simulation is carried out by MIDAS/GTS, and according to the simulation results, the slope changes from the normal fault to the underground mining from these three aspects. The influence of shape. 2 In natural conditions normal faults often appear in groups, so four models of non positive faults, a normal fault, two normal faults and three normal faults are compared and analyzed to further study the superposition effect of the fault, and discuss the effect of the number of normal faults on the slope deation caused by underground mining. 3 Based on the data obtained from field investigation and laboratory physical and mechanical measurement, the simulation test of similar materials was carried out. Under the condition of the existence of normal fault from the angle of mining subsidence, the movement law of the inner rock layer and the surface failure characteristics of the slope were studied. 4 The geological structure of the study area, the properties of overlying loess and the characteristics of the slope deation are analyzed, and the effects and laws of the positive faults on the slope deation caused by coal mining in Gujiao, Shanxi province are summarized. KeywordsNormalfault;Slope;Miningsubsidence;Similarmaterial simulation; Numerical simulation 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V 目录 摘 要............................................................................................................................................I Abstract......................................................................................................................................III 第一章 绪论...............................................................................................................................1 1.1 选题背景以及研究意义............................................................................................. 1 1.1.1 选题背景.........................................................................................................1 1.1.2 研究意义.........................................................................................................1 1.2 国内外研究现状......................................................................................................... 2 1.2.1 开采沉陷理论研究现状.................................................................................2 1.2.2 地下采煤对斜坡变形影响的研究现状.........................................................4 1.2.3 采煤沉陷区断层的研究现状.........................................................................5 1.2.4 数值模拟和相似材料模拟的研究现状.........................................................6 1.3 研究内容和技术路线................................................................................................. 9 1.3.1 研究内容.........................................................................................................9 1.3.2 技术路线.......................................................................................................10 第二章 研究区域概况.............................................................................................................11 2.1 地理位置...................................................................................................................11 2.2 地质条件...................................................................................................................11 2.2.1 地形地貌.......................................................................................................11 2.2.2 岩层岩性.......................................................................................................11 2.3 采煤活动...................................................................................................................13 第三章 正断层各要素对地下采煤引起的斜坡变形的影响.................................................15 3.1 计算原理及参数选取...............................................................................................15 3.2 正断层倾向和倾角对地下采煤斜坡变形的影响...................................................16 3.2.1 模型构建.......................................................................................................16 3.2.2 位移分析.......................................................................................................18 3.2.3 应力分析.......................................................................................................26 3.3 正断层断距对地下采煤斜坡变形的影响...............................................................31 3.3.1 模型构建.......................................................................................................31 3.3.2 位移分析.......................................................................................................32 3.3.3 应力分析.......................................................................................................34 3.4 正断层叠加对开采沉陷影响..................................................................................36 3.4.1 模型构建.......................................................................................................36 3.4.2 位移分析.......................................................................................................37 3.4.3 应力分析.......................................................................................................40 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VI 3.6 本章小结...................................................................................................................42 第四章 研究区开采沉陷相似材料模拟试验.........................................................................45 4.1 试验设计...................................................................................................................45 4.1.1 模型概况.......................................................................................................45 4.1.2 相似常数选取...............................................................................................46 4.1.3 相似材料试验...............................................................................................49 4.2 模型制作...................................................................................................................52 4.2.1 模型搭建过程...............................................................................................52 4.2.2 数据采集方法...............................................................................................54 4.3 位移分析...................................................................................................................55 4.3.1 斜坡内部变形...............................................................................................55 4.3.2 斜坡地表位移...............................................................................................61 4.4 应力分析...................................................................................................................62 4.5 本章小结...................................................................................................................63 第五章 研究区地下采煤引起斜坡变形特征分析.................................................................65 5.1 研究区开采沉陷机理...............................................................................................65 5.2 研究区内正断层对斜坡变形影响分析...................................................................66 5.3 斜坡上覆黄土受地下采煤影响破坏分析...............................................................67 5.4 本章小结...................................................................................................................70 第六章结论与展望...................................................................................................................73 6.1 结论...........................................................................................................................73 6.2 存在的不足...............................................................................................................74 参考文献...................................................................................................................................75 致谢...........................................................................................................................................80 攻读学位期间发表的学术论文目录.......................................................................................82 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 选题背景和研究意义 1.1.1 选题背景 中国煤炭资源占国内一次性能源消费的比重 70以上， 煤炭生产在国民经济和社会 发展中具有重要地位，煤炭资源的合理开发与利用对中国发展有着重大战略意义[1]。然 而，煤炭资源的大量开采为中国的经济建设做出重大贡献的同时，其引发的地质灾害和 环境问题也日益严重。 山西省作为一个煤炭资源大省，蕴藏着丰富的煤炭资源。含煤面积达 62000km2， 查明保有储量 2653108t，占全国的 26。同时山西省采煤沉陷地质灾害情况也十分严 重。据有关资料显示，山西省煤矿采空区面积近 5000 平方公里，占全省总面积的 3。 塌陷区面积约 3000 平方公里，占采空区面积的 60，受灾人口约 230 万[2]。并且山西 省地形变化多样，地质构造复杂，山地丘陵占山西省总面积的 2/3 以上。在山区煤炭资 源开发中，容易引起地面沉降、地裂缝等一系列地质灾害。其中山体斜坡变形所导致的 崩塌、 滑坡、 地裂缝严重威胁着人民生命财产安全。 断层作为山区一种常见的地质构造， 其两侧一定范围内的岩石破碎，强度远小于周围连续岩层的强度，断层的存在使得斜坡 变形情况更加复杂。 1.1.2 研究意义 山西省受采煤引起的地质灾害非常严重， 针对山西省地质构造复杂， 地形起伏多变， 主要为山地、丘陵，且存在较多斜坡的特征，研究在正断层控制的条件下，地下开采引 起的矿山斜坡地表移动和变形会出现特殊的规律[3]。本文选取具有代表性的山西省中西 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 部山区风峁顶为研究区，对正断层条件下地下采煤引起的斜坡变形进行分析。通过详细 研究不同情况下，如正断层倾向与斜坡坡向关系、斜坡内存在正断层的条数、不同断距 和倾角下采煤引起的斜坡变形的特征，系统的总结规律，并加以推广，可以有效针对山 西省部分受灾地区提出预防预测方案，减少人员伤亡事故。降低人民群众财产损失。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 开采沉陷理论研究现状 地下煤层被采出后，采空区周围岩体的原始应力平衡状态遭到破坏，应力进行重新 分布，达到新平衡，在这个过程中，采空区周围岩层和地表产生移动、变形和破坏等现 象，这些现象被称作“开采沉陷”[4]。 早在 19 世纪末，人们就已经开始注意到地下采矿会引起地表移动从而导致建筑物 和地面发生破坏等现象，于是开始在实践中逐渐了解开采沉陷的机理，提出相关理论。 前苏联、波兰、德国和美国等一些煤炭开采技术较先进的家国，逐渐认识到开采沉陷的 危害性，将开采沉陷学作为一门学科，并且把采矿引起上覆岩层和地表的移动作为一项 研究项目加以系统地深入研究。中国对开采沉陷理论的研究主要是在建国之后，各主要 矿区先后建立了监测站，进行地表沉降研究。根据大量的实测资料和室内试验研究，专 家学者们从时间上和空间上对地下煤层开采引起岩层及地表的移动形态形成了规律性 认识， 提出了适合中国的岩层和地表移动计算方法以及开采沉陷预计的数学模型和预计 方法，逐步地完善和发展了开采沉陷理论[4]。 目前开采沉陷的研究主要包括三大部分开采沉陷机理研究、开采沉陷预计研究、 以及开采沉陷控制和治理研究。开采沉陷的研究方法也主要可以分为三大类，一是从地 表观测入手，将地表破坏现象和地下采煤因素结合起来的唯象学研究方法，二是从力学 角度从采空区“由内而外”的进行分析的力学研究方法，三是通过大量数据和积累并运用 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 飞速发展的计算机技术进行数值模拟[5]。 二十世纪末，中国学者刘宝琛[6]和廖国华[7]等人引入了波兰学者李特维尼申的随机 介质理论，经过完善和发展提出了将概率积分法，并全面引入到了煤矿开采工程当中。 随后，刘天泉[8]发展了岩层移动“三带”理论，认为在长壁垮落法开采的条件下，采空区 周围岩体易形成“顶三带”和“底三带”以及“侧三带”建立了矿山岩体采动影响与控制工程 学。在地表变形方面，总结出了空间形态论，认为采空区上覆岩层垮落的空间形态是地 表变形的关键，并认为地层结构也与地表变形有很大联系。1981 年周国铨[9]根据监测站 的大量实测资料，整理了移动角、最大下沉角、下沉系数等相关参数，总结了地表移动 规律。1982 年何国清[10]等人提出了威布尔分步法用于解决岩层地表移动预计，并在大 量实践的基础上加以改进和推广。 1983 年钱鸣高， 缪协兴等人[11]等针对采场覆岩破坏研 究机理，认为采空区形成后其上覆岩层结构是采场岩层控制的关键，砌体梁理论比“铰 接岩块”假说和“假塑性梁”假说更贴合实际情况。并提出了采场矿山压力与控制理论。 1983 年李增琪[12]认为之前关于地表移动预计的方法多为经验法，他利用富氏积分变换 和反演公式，求得地下采煤对地表的最终影响解析的表达式，推导了上覆岩层与地表移 动的函数关系。宋振琪[13]整理了开滦范各庄矿近四年的监测资料，对五万多个数据进行 分析， 对老顶和支护系统之间的力学关系进行深入研究， 并且提出了传递岩梁假说。 1987 年，杨伦[14]等人从数学和力学两个角度出发，将概率积分法赋予明确的力学含义，丰富 了采煤沉陷预计方法。并且提出岩层的二次压缩理论。1994 年李增琪[15]建立的三维层 体模型对开采沉陷学的发展有重大意义。1995 年杨硕、张有祥[16]认为从力学的角度出 发可以解决一些传统的几何积分法和概率积分法解决不了的一些难题， 预计了两条下沉 曲线，结果与实测结果非常接近。2003 年黄乐亭[17]认为地下开采引起的上覆岩层运移 是一系列十分复杂的力学变化过程， 只有通过力学方法才能从根本上解释了开采沉陷变 形规律。并提出了以黏弹性基础梁构建的开采沉陷预计公式。 随着开采沉陷的深入研究，开采沉陷与多学科交叉是必然趋势。将其它学科的理论 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 引用到开采沉陷学中有时会产生意想不到的结果。目前已有国内外学者将弹塑性理论、 断裂、 损伤力学以及岩层控制等理论与开采沉陷机理研究相结合， 1996 年邓喀中和马伟 民[18]将损伤力学与开采沉陷机理相结合，深入讲究了岩体解理在开采沉陷中的损伤张 量。 2006 年葛仁华[19]提出用分形几何中的分形布朗模型绘制采煤塌陷区图形，并得到 良好效果。2016 年毛文军[20]将遗传 BP 神经网络模型与开采沉陷预计相结合，为开采沉 陷研究提供了新思路。 1.2.2 地下采煤对斜坡变形影响的研究现状 由地下采煤引起的斜坡变形破坏受地下、地表两种临空面控制。所以采空区内斜坡 变形既不是一般斜坡变形破坏，也不同于在地表平缓的地区地下采空后上覆岩层移动， 它是这两种情况的综合作用结果。山区内煤层开采易引发斜坡变形破坏，山体滑坡等现 象，最初的文献多是以滑坡学的角度来研究这些问题。 1989 年汤伏全[21]从开采沉陷理论角度研究了地下采空区与斜坡滑动的关系，系统 的分析了采动滑坡发生机理。将开采沉陷学和滑坡学结合了起来。随后林叔中[22]提出横 山山体为例，从工程地质力学的角度建立了模型，并分析了顺倾山体的情况下，地下采 空诱发山体变形破坏机理，分析了地表隆起的原因，以及讨论了有无采空影响下的斜坡 变形模式。梁明[23]和汤伏全[24]总结得出了采空区斜坡失稳破坏有 4 种基本模式，分别为 滑动型、溃曲型、塑流型和倾倒型，其中滑动型最为常见。 1996 年李文秀[25]提出了模糊测度模型，用于分析判定采空区上部斜坡的稳定问题， 并且将地表拉伸变形作为斜坡变形破坏的判别准则，导出山区采矿地表移动公式。1999 年杨忠民[26]以陕西省韩城横山为研究对象，建立数值模拟模型，计算了采煤情况下斜坡 位移量， 认为采动引起的软弱夹层相对滑移是影响斜坡的稳定性的关键因素。 2006 年范 士凯[21]认为采空区上斜坡坡稳定性问题可以大致分为三种情况， 分别是斜坡已经产生滑 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 坡或崩塌等地质灾害；二是斜坡地表发生开裂但仍能够长期保持稳定；三是在采空塌陷 区外侧塌陷盆地外边缘的鼓张区而发生地面隆起。2008 年，康建荣[28]分析了大量的实 测资料，提出了在山区地下采煤引起采动裂隙产生主要分为 4 个阶段，解释了斜坡不同 位置的采动裂隙形成机理和规律。 2013 年吕义清[3]以山西省风峁顶为例，建立了 108 个模型，讨论了不同坡度、岩层 倾角、煤层开采深度以及煤层开采厚度的情况下不稳定斜坡变形破坏规律。结果表明， 斜坡坡体稳定性与煤层埋深有很大联系，埋深增加，斜坡变形减小，坡体本身的坡度也 对坡体变形影响较大，坡角越大，坡体变形破坏越明显。2017 年许明[29]以西山亚辰煤 业矿区为研究区，综合当地的自然地理以及地层岩性，分析了地下采煤对斜坡滑坡的控 制及影响，认为煤层的开采严重影响的坡体的稳定性和岩层的应力状态，降低了岩体的 力学性质，地表产生地裂缝，再加上水的渗入，极易诱发滑坡。郭京香[30]分析了山区内 “V”形谷开采沉陷规律， 提出在“V”形地形的条件下， 最大下沉值小于同等开采情况下的 平地最大下沉值，但“V”形地形条件下的下沉边缘要比平地下沉量要大，同时水平位移 量也增大。王启春等人[31]以重庆松藻煤矿为研究对象，总结了在基岩裸露的山区，开采 倾斜煤层引起的地表沉陷规律。并用概率积分法进行了山区内的开采沉陷预计。 1.2.3 采煤沉陷区断层的研究现状 矿区地层被断层切割，地下煤层采空后，断层的存在往往会使得地下岩体和地表移 动不连续，进而易在地表形成地裂缝，对地表构建物造成破坏，加上降水入渗，易导致 滑坡、泥石流等地质灾害，有时甚至会威胁井下安全。所以矿区断层的研究对矿区安全 至关重要。关于断层的研究主要考虑断层形成年份“老”、“新”、“活”；断层的性质；断 层的产状；断层的组合形式；断层的贯通性以及开采对断层的“活化”效应等方面[32]。目 前对断层的研究大部分是针对某一研究区内断层的研究。 2006 年郭迅，戴君武[33]通过对抚顺煤矿榆林小区若干房屋的破坏进行了深入分析， 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 认为当断层存在时，采空区很少以中心为轴对称分布，并且地表会出现锯齿状的“反陡 坎”，断层分割成的平行岩块体