荷载作用下老采空区覆岩体活化失稳研究.pdf

分类号分类号 TD327TD327密密级级公公开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 学学位位论论文文 荷载作用下老采空区覆岩体荷载作用下老采空区覆岩体 活化活化失稳研究失稳研究 孔孔 德德 志志 申申请请学学位位级级别别硕士硕士学位学位领领域域名名称称矿业工程矿业工程 指指导导教教师师姓姓名名郭郭 惟惟 嘉嘉职职称称教教授授 副副指指导导教教师师姓姓名名唐唐 永永 光光职职称称研究员研究员 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二〇一二〇一七七年年六六月月 万方数据 论文题目论文题目 荷载作用下老采空区覆岩体荷载作用下老采空区覆岩体活化活化失稳研究失稳研究 作者姓名作者姓名孔孔 德德 志志入学时间入学时间 2014 年年 9 月月 领域名称领域名称矿业工程矿业工程研究方向研究方向矿矿山山特特殊殊开开采采 指导教师指导教师郭郭 惟惟 嘉嘉职职称称教教授授 副副指导教师指导教师 唐唐 永永 光光职职称称研究员研究员 论文提交日期论文提交日期2017 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期2017 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期2017 年年 6 月月 万方数据 STUDY ON ACTIVATIONAND INSTABILITY OF OVERLYING ROCK MASS IN OLD GOAF UNDER LOAD ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Kong Dezhi Supervisor Professor Guo Weijia College of Mining and Safety Engineering June 2017 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。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。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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所本人完全了解山东科技大学有关保留、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。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，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其 指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学 校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫校档案馆和图书馆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；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆描等复制手段保存和汇编学位论文；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。师生阅读、浏览。 （保密的学位论文在解密后适用本授权）（保密的学位论文在解密后适用本授权） 硕士生签名硕士生签名导导师签名师签名 日日期期日日期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生在规定的学习年限内在规定的学习年限内，， 按照培养方案及个人培养计划按照培养方案及个人培养计划，， 完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文， 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，同意将本论文作为申请学位论文。规定，同意将本论文作为申请学位论文。 导导师签名师签名 日日期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 I 摘摘要要 随着城市的迅猛发展及煤矿开采范围的进一步扩大，土地资源日趋紧张， 特别是老矿区可供建筑的土地已不能满足需求， 迫使一些重要的建构筑物不得 不建在采空区上方，已成为煤炭城市面临的现实问题。采煤沉陷区在经过二、 三十年后，由于采空区内部岩层力学性质发生改变或者在外力作用下，可能会 使原本处于相对平衡状态的冒落裂隙带岩体重新“活化”。对老采空区破碎岩 石压实时空演化规律研究及荷载作用下地基稳定性评价对采空区地表兴建建筑 物具有很重要的现实意义。 为了分析荷载作用下老采空区覆岩体活化失稳规律，本文在前人的研究成 果基础上综合采用理论分析、室内实验、数值模拟等方法对采空区破碎岩石压 实规律及建筑荷载对覆岩体变形移动规律进行分析。本文以圣井煤矿老采空区 为研究对象，通过煤系地层、地质构造、采矿及采空区分布特征，分析其采空 区覆岩结构类型及覆岩结构“二次活化”机理；对老采空区破碎岩体进行分层 性压实，对比分析了自然状态和饱水状态压实变形规律，得到不同状态作用下 的应力-位移曲线、应力-碎胀系数曲线及破碎岩石的弹性模量参数； 引用实验中 所得出的弹性模量参数至数值模拟中，对不同状态的采空区破碎岩石进行了 FLAC3D数值模拟研究，并对荷载作用下不同荷载、位置作用下老采空区覆岩体 变形规律进行了分析。分析实验结果为采空区上方建筑地基残余变形控制与治 理提供合理化建议。 关键词关键词破碎岩石；压实实验；建筑荷载；覆岩体“二次”活化；FLAC3D数值 模拟 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 II ABSTRACT With the rapid development of the city and the further expansion of the scope of coal mining, land resources are becoming increasingly tense, especially the old mining area for the construction of land has been unable to meet the demand, forcing some important building had to be built in the mined area Above, has become a reality facing the coal city. After two or three years, the coal mining subsidence area may change the rock mass in the goaf area or under the external force, it may re-activate the rock mass in the relatively fractured fracture zone. It is of great practical significance to study the temporal and spatial evolution of fractured rock in old goaf and the uation of surface stability under load. In order to analyze the load of old goaf overburden rock instability activation law in this paper on the basis of previous research results by theoretical analysis, numerical simulation, indoor experiment s such as crushing compaction law and building load analysis of rock overburdendeationingoaf.Basedontheanalysisofthe characteristics of coal strata, geological structure, mining and goaf distribution, the structural types of overlying strata and the “secondary activation“ mechanism of overburden structure are analyzed. The stress-displacement curve, the stress-slip coefficient curve and the elastic modulus of the broken rock under different states are obtained by compaction of the crushed rock mass in the goaf and the compaction deation law of the natural state and the saturated state. The numerical simulation of FLAC3Dwas carried out on the crushed rock of goaf with different states, and the deation law of overburden in the old goaf under different load and position is analyzed. The results of the analysis provide reasonable suggestions for the control and treatment of the residual deation of the foundation above the goaf. 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 III Key words broken rock; compaction test; building load; overburden “secondary“ activation; FLAC3Dnumerical simulation 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 IV 目目录录 摘要摘要.............................................................................................................I 目录目录..........................................................................................................IV 1 1 绪论绪论........................................................................................................ 1 1 1.1 研究背景及意义....................................................................................................1 1.2 研究现状................................................................................................................2 1.3 研究内容及技术路线............................................................................................4 2 2 工程地质概况和地质背景工程地质概况和地质背景....................................................................7 7 2.1 工程概况................................................................................................................7 2.2 地质概况................................................................................................................8 2.3 采空区分布............................................................................................................9 3 3 老采空区覆岩结构二次老采空区覆岩结构二次活化失稳活化失稳机理机理.............................................1515 3.1 老采空区存在形式及分类..................................................................................15 3.2 采空区覆岩移动破坏基本规律..........................................................................15 3.3 采空区覆岩稳定性和“活化”机理..................................................................19 3.4 研究区域采空区覆岩体稳定性..........................................................................24 3.5 本章小结..............................................................................................................25 4 4 老采空区破碎岩体压实特征老采空区破碎岩体压实特征试验试验研究研究.............................................2727 4.1 岩样岩性分析......................................................................................................27 4.2 试验原理..............................................................................................................35 4.3 试验设备..............................................................................................................35 4.4 试验方案及过程..................................................................................................36 4.5 结果分析..............................................................................................................38 4.6 本章小结..............................................................................................................49 5 5 荷载作用下老采空区覆岩体形变规律模拟分析荷载作用下老采空区覆岩体形变规律模拟分析.............................5151 5.1 软件概述...............................................................................................................51 5.2 数值模型的建立及参数选取...............................................................................52 5.3 采动地表移动变形规律.......................................................................................55 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 V 5.4 荷载作用下老采空区覆岩体移动变形...............................................................58 5.5 建设场地地表移动变形规律...............................................................................66 5.6 工程建设情况.......................................................................................................67 5.7 本章小结...............................................................................................................68 6 6 结论与展望结论与展望..........................................................................................7 70 0 6.1 结论......................................................................................................................70 6.2 展望......................................................................................................................71 参考文献参考文献..................................................................................................7 72 2 致谢致谢.......................................................................................................... 7777 硕士期间主要成果硕士期间主要成果..................................................................................7 78 8 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 VI Contents Abstract.........................................................................................................................I Contents......................................................................................................................IV 1 Introduction...............................................................................................................1 1.1 Research background and significance........................................................................................ 1 1.2 Research status..............................................................................................................................2 1.3 Research content and technical route...........................................................................................4 2 Engineering Geology and Geological Background................................................7 2.1 Project overview...........................................................................................................................7 2.2 Geological overview ...................................................................................................................8 2.3 Distribution of goaf.......................................................................................................................9 3 Secondary InstabilityActivation Mechanism of Overburden Structure in Old Goaf ..........................................................................................................................15 3.1 and classification of old goaf............................................................................................15 3.2 Basic rules of overburden movement in goaf.............................................................................15 3.3 Overburden stability and “activation“ mechanism of old goaf..................................................19 3.4 uation of regional mined-out area activation......................................................................24 3.5 Summary of this chapter.............................................................................................................25 4 Experimental Study on Compaction Characteristics of Broken Rock Mass in Old Goaf.....................................................................................................................27 4.1 Rock lithology analysis...............................................................................................................27 4.2 Experimental principle................................................................................................................35 4.3 Experimental equipment.............................................................................................................35 4.4 Experimental program and process............................................................................................36 4.5 Analysis of results.......................................................................................................................38 4.6 Summary of this chapter.............................................................................................................49 5 SimulationAnalysis of Deation Law of Overlying Strata in Old Goaf under Load................................................................................................................ 51 5.1 Software overview......................................................................................................................51 5.2 Establishment of numerical model and selection of parameters................................................52 5.3 Mining ground movement deation law...............................................................................55 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 VII 5.4 Movement and deation of overlying strata in old goaf under load....................................58 5.5 Law of surface movement and deation in construction site...............................................66 5.6 Project construction....................................................................................................................67 5.7 Summary of this chapter.............................................................................................................68 6 Conclusions and Innovative Points........................................................................70 6.1 Main conclusions........................................................................................................................70 6.2 Paper prospects...........................................................................................................................71 References...................................................................................................................72 Thanks.........................................................................................................................77 Masters MajorAchievements during the Period...................................................78 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1 绪论绪论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 煤炭开采为我国经济发展做出了巨大贡献，但也带来一系列的环境问题， 其中因采煤造成了大规模和大范围的地下采空区和沉陷区，这些土地因此而受 到破坏，影响土地资源的正常利用。随着我国煤炭开采规模的扩大和城镇化的 快速发展，矿区土地资源越来越紧张，一些重要建筑物被迫建在采空区上部。 但煤层开采后的地表移动变形并不是一蹴而就的，需要经历几年乃至十几年才 能趋于稳定，且稳定后在由于采空区内部岩层力学性质发生改变或者在外力作 用下（如建筑物荷载），可使采空区覆岩体处于相对平衡状态被打破，造成采 空区覆岩体重新冒落、压实和地表移动，对已建建筑物地基构成威胁，使建筑 物产生不均匀沉降、破坏乃至倒塌。造成的采空区覆岩移动变形、地面残余沉 降在随后几年甚至几十年内都可能发生，残余变形表现为非持续、突然性且沉 陷量与沉陷时间难以预测[1-3]。 采空区破碎矸石会因地层自重作用下，经过长时间的自然压实作用而趋于 稳定，但采空区垮落带、导水裂隙带内仍存在着大量的孔隙、离层及岩体中的 裂缝。覆岩中原有的相对应力平衡状态可能被自然力或外力扰动打破，导致采 空区及其破裂覆岩的二次移动和变形，然而在老采空区覆岩破裂场活化失稳诱 发的地表沉陷机制尚不十分明确，仍有待进一步深入研究。在老采空区覆岩活 化失稳机理、老采空区覆岩破碎岩石压实演化效应及地表残余沉降变形特征等 方面进行探索和研究，为老采空区地表沉降预计、控制、治理、恢复等提供理 论依据，对于缓解矿区土地资源紧张引发的矛盾，确保新建工程安全使用，具 有重要的科学和社会意义。 本课题是针对济南章丘市山东蓝海领航电子商务产业园采空区处理工程项 目具体条件，通过理论分析，室内试验和数值模拟等方法，对采空区覆岩裂隙、 承载性能、采空区覆岩破碎岩石压实规律及地表残余沉降变形特征进行研究。 荷载作用下老采空区破碎岩石压实演化效应试验研究对于地表建筑物修建、控 制地表下沉、 破碎顶板条件下指