浅埋煤层覆岩移动规律的相似模拟研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目浅埋煤层覆岩移动规律的相似模拟研究 英文题目英文题目The study of similar simulation on the law of strate movement in shallow seam 学位类学位类别别工程硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 李振凯学号学号2014022445 学科学科领域领域名称名称矿业工程 指导教指导教师师王创业职称职称 副教授 协助指导教师协助指导教师职称职称 二〇一六年六月十二日 分类号分类号TD327TD327密密级级 公开公开 U D C 学校代码学校代码1012710127 万方数据 万方数据 内蒙古科技大学硕士论文 I 摘摘要要 煤炭工业是我国国民经济的支柱产业，煤炭是我国的主要能源，在我国一次能源 消耗中占 60以上，而且在未来几十年内，我国以煤炭为主的能源结构不会改变。但 是随着大量的煤炭资源从地下采出，各种灾害也随之而来，造成人员伤亡、财产损失 以及环境破坏等。 虽然在采矿界对采动岩体灾害已有多年的研究积累， 对覆岩移动研究方面也取得 了一些令人瞩目的成果，但我国对于开采沉陷理论与实践研究的重点区域，主要集中 在中东部平原矿区和薄松散层矿区，该地区生态自修复能力强。而对于西部生态脆弱 区的煤矿开采覆岩移动的研究则很少涉及。 本文以石圪台浅埋煤层为研究背景，采用理论分析、数值模拟和相似模拟的方法 对西部地区浅埋煤层开采覆岩的移动规律进行研究。 首先，通过理论分析获得顶板断裂结构形态，并对结构的稳定性进行分析，得出 结构滑落失稳的条件。通过对关键层的分析可知，石圪台浅埋煤层中只存在单一关键 层，因此当关键层发生破断时，覆岩破坏移动很剧烈，表现为剧烈的来压现象。 其次， 通过数值模拟， 分析了关键层不同位置以及工作面宽度对覆岩移动的影响。 研究表明，低位置关键层的覆岩的破坏、裂隙的发育均比高位置关键层要大，其来压 也比较剧烈。对于关键层距离煤层顶板较近的浅埋煤层，其冒落带的高度取决于关键 层的高度，即关键层位置越高其垮落带越高；工作面宽度在 300m 以下时，地表下沉 量受工作面宽度的影响较大，当工作面宽度达到 300m 及以上时，地表下沉量受工作 面宽度的影响较小。 最后，通过相似模拟，可以直观的看到裂隙发育萌发、扩展和贯通整个过程，在 浅埋煤层开采时覆岩中只形成了冒落带和裂隙带。冒落带高度为采高的 6.8 倍左右， 裂隙带发育到地表。覆岩中各岩层的下沉系数与岩层深度和采厚比呈线性关系，岩层 埋深越浅，其下沉系数越小。 关键字关键字浅埋煤层；关键层；覆岩移动；数值模拟；相似模拟 万方数据 内蒙古科技大学硕士论文 II Abstract Coal industry is the pillar industry of national economy in our country, coal is the main energy in our country, accounting for 60 of primary energy consumption in our country, and in the coming decades, our country is given priority to with coal energy structure will not change. But with a large number of coal resources from underground recovery, a variety of disasters comes, causing casualties, property loss and environmental damage. Although there is many years accumulation on the study of mining rock mass disaster in the mining, there are also made some remarkable achievements research on strata movement, but our country for mining subsidence theory and practice of key areas, mainly in the eastern plains of mine and a thin layer of loose mining because it has powerful ecological self-repair ability in the area, and it’s rarely involved the research for movement of coal mine overburden in western ecologically fragile region. Based on the Shigetai shallow buried coal seam as the research background, the theoretical analysis, numerical simulation and similarity simulation to study the movement of the strata in western region with shallow seam mining . First,Through theoretical analysis obtained the roof fracture structural , and analyze the stability of the structure, got the conditions of structure sliding instability. Through the critical layer analysis, there is only a single key stratum in shallow coal seam, so when the critical layer breaking occurs, the overburden damage movement are very severe, and manifested as the pressure phenomenon severely. Secondly,Through the numerical simulation, analyzed the influence of the different positions of key layers and working face width to the overlying strata movement, found that the destruction of overburden and development of fracture of key strata in low position is bigger than the key layers in high position, and the 万方数据 内蒙古科技大学硕士论文 III pressure is also more intense. For the shallow coal seam, when the distance from the key layers to the seam roof is less than 63 m, the height of key layers determines the height of caving zone, the higher the location of key layers, the higher the height of caving zone; when the face width is less than 300 m, the influence that face width to surface subsidence is greater, and when the face width is up or greater than 300 m, it’s causes smaller impact to surface subsidence. Last,Through the similar simulation, it can find the entire process that the fracture germination, extension, and perforation, when mining the shallow coal seam, the overburden only ed caving zone and fractured zone. The height of the caving zone is about 6.8 times of mining height, and the fractured zone development to the surface. There is a linear relationship between the subsidence factor with the depth and mining thickness ratio of rock ation, the more shallow depth of rock ation, the smaller the subsidence factor. Key word shallow buried coal seam; The key layer; Strata movement; Numerical simulation; Analog simulation 万方数据 内蒙古科技大学硕士论文 - 1 - 目目录录 摘要....................................................................................................................................... I Abstract.........................................................................................................................................II 1 绪论...........................................................................................................................................1 1.1 课题提出.......................................................................................................................1 1.2 国内外研究现状..........................................................................................................1 1.2.1 采场覆岩移动规律的研究现状..................................................................... 1 1.2.2 地表沉陷的研究现状......................................................................................3 1.2.3 相似材料模拟实验研究现状..........................................................................4 1.3 研究的主要内容和技术路线.....................................................................................5 1.3.1 研究的主要内容...............................................................................................5 1.3.2 研究方法与技术路线......................................................................................5 2 石圪台矿区煤层地质开采条件.............................................................................................7 2.1 石圪台矿区概况..........................................................................................................7 2.2 矿区煤层地质条件......................................................................................................7 2.3 水文地质情况及开采技术......................................................................................... 9 3 浅埋煤层开采覆岩破断及移动机理分析..........................................................................10 3.1 顶板结构模型及其稳定性分析...............................................................................10 3.1.1 老顶的短砌体梁结构模型及其稳定性分析..............................................10 3.1.2 老顶台阶岩梁结构模型及其稳定性分析...................................................13 3.2 覆岩关键层位置的确定............................................................................................16 3.3 关键层活动对浅埋煤层地表沉陷的影响分析......................................................20 3.4 本章小结.....................................................................................................................22 4 浅埋煤层开采覆岩运动规律数值模拟..............................................................................23 4.1 模拟软件的选择........................................................................................................23 4.2 模拟方案确定和模型建立.......................................................................................23 4.2.1 模型方案确定.................................................................................................23 4.2.2 模型建立.........................................................................................................24 4.3 数值模拟结果分析....................................................................................................26 4.3.1 采动覆岩破坏结果分析................................................................................26 万方数据 内蒙古科技大学硕士论文 - 2 - 4.3.2 覆岩下沉规律.................................................................................................28 4.4 不同关键层位置对覆岩移动的影响.......................................................................31 4.4.1 覆岩破坏结果分析........................................................................................ 31 4.4.2 上覆岩层的位移分布....................................................................................33 4.5 关键层位置对采动覆岩移动的影响分析..............................................................34 4.6 不同工作面宽度对覆岩移动的影响.......................................................................35 4.6.1 不同工作面宽度下性区扩展规律...............................................................35 4.6.2 不同工作面宽度垂直位移演化规律...........................................................40 4.7 本章小结.....................................................................................................................41 5 浅埋煤层覆岩移动规律的相似模拟实验..........................................................................42 5.1 实验模型建立............................................................................................................42 5.1.1 实验目的.........................................................................................................42 5.1.2 实验对象.........................................................................................................42 5.1.3 相似条件和实验方案....................................................................................43 5.1.4 实验模型.........................................................................................................43 5.2 试验结果.....................................................................................................................45 5.3 实验结果分析............................................................................................................48 5.3.1 上覆岩层垂直移动变化规律........................................................................48 5.3.2 不同深度的岩层下沉系数............................................................................51 5.3.3 垮落高度与推进进度的关系........................................................................52 5.4 本章小结.....................................................................................................................53 6 结论.........................................................................................................................................54 参考文献.....................................................................................................................................55 在校研究成果............................................................................................................................60 致谢.....................................................................................................................................61 万方数据 内蒙古科技大学硕士论文 - 1 - 1 绪论绪论 1.1 课题提出课题提出 煤炭工业是我国国民经济的支柱产业，煤炭是我国的主要能源，在我国一次 能源消耗中大约占 60，且在未来的几十年里，我国的能源结构仍以煤炭为主。 虽然我国煤炭资源分布极其广泛，但是煤炭资源属于不可再生资源，随着大量的 煤炭资源从地下采出，各种灾害也随之而来。例如开采后引起地表沉陷，造成地 面的房屋，桥梁，道路的开裂和倒塌。由井下开采引起的地表沉陷和裂缝会破坏 土地资源和植物资源，影响土地耕作和植被生长，改变地貌以及土壤质量；岩层 移动产生的裂隙还会造成岩体内水与瓦斯运移，以我国而言，富煤地区往往也是 贫水地区， 这在我国西部区特别明显， 煤炭开采对含水层的破坏， 导致井泉底漏、 树木枯死、矿区普遍发生水荒，使采空区域丧失了基本生存条件，造成土地沙化 灾害。 以上灾害都是由开采覆岩的破坏和运移引起的，因此掌握开采覆岩的活动 规律是解决采动岩体灾害的关键。 针对石圪台矿区煤炭开采与生态环境协调的生态建设， 需要首先对该区域的 开产沉陷规律有一个明确的认识。 而开采对覆岩运移问题的研究涉及采矿、 地质、 力学、建筑、测量等诸多学科知识，是一个复杂的难度较高的采动损害问题，在 不同的地质条件和采矿条件下，会得出不同的地表沉陷规律。虽然在采矿领域对 该问题已有多年的研究经验，在覆岩运移研究方面也获得了一些令人瞩目的成 果， 但我国对开采沉陷理论和实践研究的重点区域，大部分集中在中东部平原矿 区和薄松散层矿区，该地区生态自修复能力强。而对生态脆弱区的西部煤矿开采 覆岩运移的研究则很少涉及。由实际资料可知，该区域矿区开采覆岩运移规律具 有一定的特殊性，因此对覆岩移动机理以及主要因素进一步研究，是浅埋煤层矿 区煤炭资源开发中迫切需要解决的重要课题。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 采场覆岩移动规律的研究现状采场覆岩移动规律的研究现状 煤炭采出后，其围岩原有应力平衡被打破，上覆岩层发生破断运移，待其重 新达到平衡后，按覆岩破断特征，可将上覆岩层分为三带，即冒落带、裂隙带和 弯曲下沉带。随着生产技术的发展以及发展生态环境的需要，对开采覆岩移动规 万方数据 内蒙古科技大学硕士论文 - 2 - 律的研究越来越显示其重要性。 在 19 世纪末期，苏联、美国等国家的一些学者在经过长期的观测以及对大 量实测数据进行回归分析，提出了一些开采覆岩移动的初步力学结构假设，并推 导出了地表应变与曲率半径成反比等结论[1-4]；到近现代前苏联、法国、美国、 澳大利亚等国家的一些学者使力学方法在覆岩移动变形方面的应用取得了进一 步发展，如面元原理，推导出了水平移动与地表倾斜成正比、下沉剖面方程呈指 数函数形式等理论[5-7]。 由于世界资源结构分布不均，西方国家以石油为主要能源，煤炭产量所占的 比例较少，且煤矿地质条件较好，开采工艺简单，因此，对开采覆岩移动规律相 关的研究较少，近年来在这方面新的成果很少。煤炭在我国能源中所占的比例很 大，且分布广泛，不同区域的煤层地质条件差别较大，地质成分复杂，因此对我 国来说研究开采覆岩的移动规律显得十分重要。自 20 世纪 60 年代初，我国许多 学者就通过数学函数、相似模拟等方法对覆岩移动进行了大量的研究，并取得了 大量的成果。到 80 年代初，钱鸣高根据煤层开采时内部岩层的移动实测数据， 提出采动覆岩砌体梁结构假说以及力学模型。经过多年的实践和发展，到 80 年 代中期，砌体梁结构力学模型进入到体系化和定量化的发展阶段，并将老顶岩层 形成砌体梁前后分为两种结构模型， 即形成砌体梁结构前的连续介质力学模型和 形成砌体梁后的板结构，分析这些结构破断形态以及破断前后对来压的影响，为 超前来压预报奠定了基础。此理论在我国得到了广泛的应用。为了解决采动灾害 问题，在 90 年代中期，钱鸣高、许家林[8-11]等在砌体梁结构理论的基础上，进一 步提出了岩层控制的理论以及关键层的判别原理，其有效性得到了实践的证明； 许多学者对关键层理论进行了探讨和研究， 其中刘开云[12-16]根据弹性薄板理论以 及层合板理论， 通过大量的试验， 获得覆岩活动过程中组合关键层上的应力变化， 分析试验结果得出了关键层极限荷载的表达式[17]； 姜福兴[18-19]等根据开采覆岩的 破断裂隙和边界条件，并进行大量的观测研究，最终将工作面上覆岩层空间结构 分为四种，即“e”型、“s”型、“c”型和“o”型；李伟[20]通过对各种工作面 顶板破断的结构形态进行受力分析， 分析得出各种顶板破断结构达到稳定的条件 并探讨了顶板结构失稳时发生灾害的机理。 李增琪、 杨硕[21-22]以弹性理论为基础， 认为上覆岩层可看作是层状的介质，分析了构筑物下岩层的位移与变形情况，探 讨了矿山压力和岩层移动的力学计算方法，使覆岩移动的理论计算有了突破；王 泳嘉[23]将离散单元法引入我国， 该方法将岩体看作是独立的块体， 通过运动学的 万方数据 内蒙古科技大学硕士论文 - 3 - 方法分析了覆岩移动过程中应力与位移的规律。康建荣[24]与汤建泉[25]等团队分 别根据梁弯曲变形理论和采场上覆岩层组合结构， 分析开采覆岩破断机理和破断 岩块的失稳条件，得出了覆岩破断时的临界开采长度；随着我国学者对覆岩移动 的进一步研究，我国一些学者在研究覆岩移动的过程中引入了时间概念，取得了 许多成果，麻风海[26-27]认为覆岩移动破坏是一个时空运动过程，随着时间的变化 而变化， 并利用连续介质的方法和离散元数值模拟的方法解决了岩层中的连续性 和非连续性问题，进一步描述了覆岩与地表的移动过程。张向东[28]和吴士良[29-30] 根据梁板组合理论，由大量实验以及实验数据，详细地分析了覆岩破断的时空过 程，将覆岩破坏分为四个阶段，即离层闭合阶段、裂隙发育阶段、显著运动阶段 和相对稳定阶段，并推导出离层裂隙宽度的计算公式。 在覆岩移动的研究过程中，我国逐渐形成了两种学科，一种是侧重于岩体力 学机理分析的矿山压力学科， 一种是侧重于覆岩移动描述和数据统计分析的开采 沉陷学科。在过去几十年的覆岩移动研究中，我国学者大都是运用一种学科进行 研究， 然而开采覆岩活动是由于煤层采出覆岩在上覆岩层传递的载荷和自重的作 用下发生变形破断引起的。因此只有掌握开采时内部岩层的移动规律，才能更好 的解决矿山灾害问题[31]。为此，宋振骐[32-33]等结合两种学科的理论，建立了采场 结构力学模型；钱鸣高等在此基础上提出了关键层的控制理论，此理论在现场实 践中很好地将矿山压力、覆岩移动破坏以及瓦斯、突水的防治等方面的研究有机 统一起来。 1.2.2 地表沉陷的研究现状地表沉陷的研究现状 开采沉陷一直是国内外矿井生产中重要问题， 矿业界的专家学者们根据不同 的理论和假说以及煤矿的需求，结合现场实测的覆岩移动数据，分析了煤层开采 之后上覆岩层的破坏移动规律以及覆岩移动的影响范围。 我国在开采沉陷方面的 研究比较晚，在 20 世纪 60 年代开始的。因此我国一些运用的理论是借鉴了欧洲 采煤国家提出的理论和研究成果。 但是由于我国煤炭地质条件的复杂性， 以及 “三 下”压煤量巨大，一些国外研究成果在我国煤炭行业并不适用，为此我国专家学 者在这些方面进行了大量的研究工作，并取得了丰硕的成果，在理论方面也取得 较大的突破，为我国煤炭开采提供了科学的依据，在覆岩移动变形机理和特征的 研究已经领先于国际水平。在这些年来，我国在覆岩移动研究上取得的主要成就 有唐山煤炭研究院[34]经过大量的现场实测，对地表沉陷形状进行详细分析，得 万方数据 内蒙古科技大学硕士论文 - 4 - 出了下沉盆地曲线的函数表达式。刘宝深、廖国华[35-38]等先后将概率积分法和随 机介质理论法[39]引入我国，对地表下沉预计进行理论分析，并编撰了著作煤炭 地表移动的基本规律，经过 40 多年的发展，随机介质理论方法已经成为最广 泛的地表下沉预计方法之一， 李永树[40]等此理论的基础上， 利用数学函数中曲面 积分的方法以及叠加原理，推导出在任意工作面开挖条件下地表沉陷预计公式； 我国许多高校的煤炭学院对各种倾斜煤层开采时覆岩裂隙的发育和裂隙的分布 进行了深入的研究，并在覆岩裂隙的研究中引入了导水裂隙带概念[41-43]，推导出 了垮落带和导水裂隙带的计算公式，总结出了地表沉陷的一般规律，为以后的煤 炭开采提供理论基础；国家煤炭工业局在 1985 年颁布的“三下”压煤开采规 程 ， 代表着我国现阶段在覆岩移动变形以及岩层控制方面所取得的最大研究成 果；朱自强[44-45]等通过数学积分模型建立了地面沉陷理论模型，并采用有理分式 解法求解地面沉陷预报数值；何国清、王金安[46-47]等建立了预计主断面地表下沉 的曲型曲线法和碎体块理论，根据地表岩层存在的“应力屏蔽”现象，对呈现出 非对称、非规则的压力拱结构形态进行了研究；有时在运用数学积分法进行地表 沉陷研究时，遇到地质条件复杂的时候，就很难进行计算下去，因此我国一些学 者就运用数值模拟的方法来解决这些问题，如谢和平[48]等运用 FLAC 数值模拟 损伤非线性大变形有限元法， 分析了采空区上覆岩层有断层时的覆岩移动和地表 沉陷， 从而为开采覆岩移动规律的研究提供了新的思路； 刘光庆[49]等通过实验研 究分析，当工作面宽度达到 300m 时，煤层开采对上覆岩层的影响；黄乐亭[50] 等根据对地表沉陷的研究，将地表沉陷分为加速下沉阶段和减速下沉阶段，研究 了在地表下沉过程中下沉盆地的曲率变化。 1.2.3 相似材料模拟实验研究现状相似材料模拟实验研究现状 我国煤炭分布广泛，一些地区煤矿地质开采条件比较复杂，且开采覆岩的破 坏变形是非连续性的，这就使得建立的数学模型很难用解析法得出结论，而现场 实测有时有地理环境以及资金等问题不能顺利的开展下去， 因此相似模拟实验就 显得十分重要，相似模拟实验就是将矿区的岩层依据相似理论，用相似材料制成 小模型，通过研究相似模型来分析研究矿山上的岩体活动规律。而且相似模拟实 验可以人为的控制影响因素，研究某个或多个因素对覆岩活动的影响，同时也可 以进行大量的重复实验，以期得到准确的结论。目前该方法已经成为研究岩层控 制中的主要方法。 万方数据 内蒙古科技大学硕士论文 - 5 - 相似模拟实验是由前苏联学者库兹涅佐夫[51]在 20 世纪 30 年代提出的， 自提 出以来不但在前苏联得到了广泛的应用，同时，也得到了国外其他矿业国家的认 可，现已发展成为了矿业界一种重要的研究方法。在 1958 年，中国矿业大学首 次引进了相似模拟技术，并建立了相似模拟实验架，起初我国使用的实验架都是 二维平面应力模型架。虽然这种模型制作比较简单，但其在研究覆岩破坏以及矿 山压力方面仍起到了非常重要的作用[52]， 后来又逐渐引进和发展了三维模型试验 架，和一些先进的测量手段如 3D 激光扫描法等[53-54]，使得实验结果更加准确。 我国也对相似材料组成进行了广泛研究[55-57]， 中南大学科学研究院[58]选用石 膏和水泥作为主要相似材料， 对岩层的力学性能进行了研究。 中科院[59]选用水泥、 石膏和石英砂作为主要相似材料，对岩层的边坡稳定性进行了模拟研究。成都理 工大学[60]选用重晶石、 石英砂和石膏为主要相似材料， 对西部地区的断裂结构活 动进行了模拟。在选定了相似材料后，为了满足模拟岩层的强度要求，还