深部条带开采地表与上覆岩层移动规律研究.pdf

论文题目 深部条带开采地表与上覆岩层 移动规律研究 作者姓名 王凰聂 专业名称太垫测量堂 与测量工程 ●一I II ■■_ 指导教师銮丞重 论文提交日期 论文答辩日期 授予学位日期 入学时间 至Q 生垒目 研究方向 工程趔量皇 王些趔量 职称 熬拯 2 Q 曼垒生垒旦2 2 邑 至Q 兰垒生鱼且Z 且 万方数据 R E S E A R C Ho NL A W So FS U R I 埝C EA N DO V E l U 』y I N G S T R A T AM o V E M E N To F D E E PS T R I PM I N I N G AD i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u l f d l m e u to f t h er e q u i r e m e n t so ft h ed e g r e eo f M 【A S T E Ro F 唧L O S O P H Y f r o m S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y Y uF e n g b i n g S u p e r v i s o r P r o f e s s o rL u a nY u a n z h o n g G e o m a t i c sC o l l e g e J u n e2 0 1 4 万方数据 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名习。移曩 日 期驯中印多日碉 Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c e ．a n d T e c h n o l o g y , i sw h o t l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e ．T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e ． s ；g n a t u r e M 埘笱 D a t e 砂￡中- 。∥7 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着煤炭资源需求量的不断加大，部分煤矿己逐步进入大采深开采阶段。深部条带 开采条件下的地表与覆岩变形移动规律与浅部相比有明显的差异，为此进一步研究深部 条带开采地表与上覆岩层的变形规律，有效的控制地表沉陷变形，成为矿井深部条带开 采亟待解决的问题。 本文以山东济宁境内某煤矿的深部条带开采为例，通过分析煤矿现场实测资料，对 数据进行整合处理，绘制了工作面地表移动变形特征曲线，包括下沉、倾斜、水平移动 及水平变形曲线，为了更直观的反应地表移动的剧烈程度，绘制了观测线最大下沉点的 下沉速度曲线，并求取了工作面地表移动的岩移参数。 以该煤矿实际地质采矿条件为原型，利用F L A C 3 D 数值模拟软件，建立数值模拟计 算模型，研究得出了开采不同条带工作面时地表及上覆岩层的变形规律。通过对模拟数 据的回归分析，确定了各岩层最大下沉值的拟合函数、岩层内部下沉盆地边界拟合函数。 利用F L A C 3 D 数值模拟软件，模拟计算在开采深度、采空区尺寸、采留宽、开采煤 层厚度等因素不同的条件下，地表移动的最大下沉值及下沉系数。结合M a t l a b 软件中的 曲线拟合回归分析法，总结分析得到各主要因素与下沉系数的关系，得出关系函数并绘 制关系曲线。 关键词深部条带开采，数值模拟，回归分析，下沉系数 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 A B S T R A C T W i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n do fc o a lr e s o u r c e s ，t h ec o a ls e a mm i n i n gh a sa l r e a d ye n t e r e d t h es t a g e so fd e e pm i n i n g ．C o m p a r e dw i t ht h es h a l l o wm i n i n g ，l a wo ft h ed e f o r m a t i o no f o v e r l y i n ga n ds u r f a c em o v e m e n ti so b v i o u sd i f f e r e n to nt h ec o n d i t i o ni fd e e ps t r i pm i n i n g ．F o r t h ep u r p o s eo fs t u d y i n gt h el a wo ft h ed e f o r m a t i o no fo v e r l y i n ga n ds u r f a c em o v e m e n tb e t t e r , i th a sb e c o m et h eu r g e n tp r o b l e mt oc o n t r o lt h es u r f a c es u b s i d e n c ee f f e c t i v ei nd e e pm i n i n g ． T h i sp a s s a g ei n t r o d u c e dt h ef i e l dd a t aa n a l y s i sa n dd a t ai n t e g r a t i o nt r e a t m e n tf o rac o a l m i n ei nS h a n d o n g ，J i n i n g , p l o t t e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc u r v e sf o rs u r f a c em o b i l ed e f o r m a t i o n , i n c l u d e ds u b s i d e n c e 、s l o p e 、c u r v a t u r e 、d i s p l a c e m e n ta n dh o r i z o n t a ls t r a i nc u r v e ，I no r d e rt o m o r ei n t u i t i v e r e s p o n s e s u r f a c em o v e m e n ti n t e n s i t y , r e n d e r i n gt h eo b s e r v a t i o nl i n eo f m a x i m u ms u b s i d e n c ev e l o c i t yc u r v e ，a n dd e d u c e dt h ed e f o r m a t i o np a r a m e t e r so fe v e r y w o r k i n gf a c e 。 A st h ep r o t o t y p eo fg e o l o g i c a lm i n i n gc o n d i t i o nf o rt h ec o a lm i n e ，u s i n gt h eF L A C 3 D s o f t w a r eo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e s t a b l i s h e dt h em o d e lo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，g a i n e dt h e l a wo ft h ed e f o r m a t i o no fo v e r l y i n ga n ds u r f a c em o v e m e n to nt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n t m i n i n gf a c e s ．T h r o u g ht h er e g r e s s i o na n a l y s i so fs i m u l a t i o nd a t a , d e t e r m i n e di n t e r n a lr o c k ’S m a x i m u ms u b s i d e n c ea n dc u b i cp o l y n o m i a lf i t t i n ge q u a t i o n so fi n t e r n a lr o c k ’Ss u b s i d e n c e b a s i nb o u n d a r y ． U s i n gF L A C 3 D ，s i m u l a t et h es u r f a c em o v e m e n ta n dm a x i m u ms u b s i d e n c ea n ds u b s i d e n c e c o e f f i c i e n to nt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n tm i n i n gd e p t h , m i n e A 。o u ta r e as i z e ，a n dm i n i n gh e i g h t 。 W i t ht h ec o m b i n a t i o no fc u r v ef i t t i n gr e g r e s s i o na n a l y s i sm e t h o di nt h eM a t l a b ．a n a l y z e dt h e r e l m i o n s h i pb e t w e e n t h ef a c t o r sa n ds u b s i d e n c ef a c t o r , g a i n e dt h er e l a t i o nf u n c t i o na n dp l o t t e d t h er e l a _ t i o nc u r v e ． K e y w o r d s D e e ps W i pm i n i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，r e g r e s s i o na n a l y s i s ，s u b S i d e n c e f a c t o r 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 目录 1 绸} 论⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 选题的依据及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2 国内外开采研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 。4 地表及覆岩移动规律研究尚存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．5 论文主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 1 ．6 研究方法及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 深部条带开采地表移动实测数据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．1 矿井概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．2E 3 1 0 5 、E 3 2 0 2 条带工作面地表移动观测站的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．3E 3 1 0 5 、E 3 2 0 2 条带工作面地表移动实测数据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l o 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 深部条带开采地表与覆岩移动规律数值模拟 3 ．1 深部条带开采地表移动规律的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．2 深部条带开采覆岩移动规律的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 深部条带开采中主要影响因素与下沉系数关系的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．1 开采深度与下沉系数关系的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 采、留宽与下沉系数关系的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．3 采区尺寸与下沉系数关系的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．4 开采厚度与下沉系数关系的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 5 主要结论及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。 5 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．2 存在不足与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 参考文献 致谢． 4 9 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 万方数据 山东科技大学硕士学位论文C o n t e n i s C o n t e n t s 1 I n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 。1T h e S i g n i f i c a n c e A n d B a s i s O f T o p i cs e l e c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2 R e s e a r c h S t a t u s A t H o m e A n d A b m a d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．4T h eE x i s t e n c ep r o b l e mo f T h eS t u d yo f S u r f a c ea n dO v e r l y r a gR o c k sM o v e m e n tL a w ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．5T h eM a i nR e s e a r c hC o n t e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．6 R e s e a r c h M e t h o d s A n d T e c h n i c a l R D u t e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～4 2D a t aA n a l y s i so fO n - l i n eM e a s u r i n go fS u r f a c eM o v e m e n tf o rD e e pS t r i pM i n g ⋯⋯．．6 2 ．1T h t ；G e n e r a lS i t u a t i o nO f M i n e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．2D e s i g no fS u r f a c eM o v e m e n tO b s e r v a t i o no f S t r i pM i n i n gF a c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．3D a t a A n a l y s i sO f O n - l i n eM e a s u r i n gO f S u r f a c eM o v e m e n tF o rS t r i pM i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．4S u m m a r y o f C h a p t ．．．．．．．⋯．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．，．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．．1 6 3T h eN u m e r i c a lS i m u l a t i o nf o rL a wo fS u r f a c eM o v e m e n ta n dO v e r l y i n gr o c k sf o r D e e pS t r i pM i n g ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．． ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．】【7 3 ．11 r t 坨N u m e r i c a lS i m u l a t i o nf o rL a wo f S u r f a c eM o v e m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 7 3 ．2T h eN u m e r i c a lS i m u l a t i o nf o rL a wo f O v e r l y i n gr o c k s ．．．．．．．．．．．⋯．．⋯．．．⋯．⋯⋯．⋯．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．2 7 3 ．3S u m m a r y o f C h a p t ．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．3 4 4 s t u r y o fT h eR e l a t i o n s h i pB e t w e e nM a j o rI n f l u n c eF a c t o ra n dS u b s i d e n c e C o e W f i c i e n tf o rD e e pS t r i pM i n i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．1S t u f yo f T h eR e l a t i o n s h i pB e t w e e nM i n i n gD e p t ha n dS u b s i d e n c eC o e f f i i c i e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．2S t u f yo f T h eR e l a t i o n s h i pB e t w e e nM i n i n g 、P i l l a rW i d t ha n dS u b s i d e n c eC o e f f i i c i e n t ．．．．．⋯．．．．．⋯3 8 4 ．3S t u f y o f T h e R e l a t i o n s h i p B e t w e e n M i n i n g S e c t i o n L e n g t h a n d S u b s i d e n c e C o e f f i i c i e n t ．．。⋯．．。．．⋯4 1 4 ．4s t u f yo f T h eR e l a t i o n s h i pB e t w e e nM i n i n gH e i g h ta n dS u b s i d e n c eC o e f f i i c i e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．5S u m m a r y o f C h a p t ⋯．．．．⋯⋯⋯．．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．．．．．．⋯．⋯．．⋯．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯．．⋯．．．⋯．．4 6 5T h eM a i nC o n c l u s i o na n d P r o s p e c t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．． 4 7 5 ．1M a i nC o n c l u s i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．2T h eE x i s t e n tI n s u f f i c i e n c ya n dP r o s p e c t s ．．．⋯．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．4 8 R e f e r e n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯ T h a n k s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯ T h eM a i nA c h i e v e m e n t si nM a s t e rD e g r e eP e d o d ⋯⋯． 4 9 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 ．1 选题的依据及意义 随着煤炭资源需求量的不断扩大，部分煤矿的开采逐步向深部延伸。对深部条带开 采地表与上覆岩层的变形规律进行研究，具有重要的理论及实际意义。 在地下煤层未开采之前。其岩体保持相对平衡的状态。矿体的采出将会使采空区周 围的岩体应力发生变化，导致岩体发生延伸、变形记破坏等。随着开采活动的持续进行， 这种复杂的力学过程不断重复。在此期间，将会导致从直接顶到上覆岩层发生冒落，弯 曲与断裂，岩层的移动变形及破坏等。在地表最终将形成不连续的裂缝、塌陷坑或下沉 盆地。除常规的地表移动盆地以外，台阶式下沉及塌陷坑等亦是变形破坏的结果【l 】。煤 炭开采过程中，地表移动与岩层移动联系紧密。岩层移动是地表移动的内因，是地表移 动的动力和机理；地表移动是岩石移动外在的表现形式，覆岩的移动变形导致地面发生 沉降，是岩层移动的传播方式及其移动情况的反应【2 】。 煤炭开采引起的地表沉陷对矿区的生态环境造成了严重的影响，同时也严重损坏地 表件 构 筑物【3 硼。矿井深部开采的地质力学环境与岩层力学行为较浅部开采有明显不 用。目前基于浅部开采的理论与技术己不适用于深部开采1 6 J 。参照建筑物、水体、铁 路及主要井巷煤柱留设与开采过程所选用的用于地表沉陷预测控制的参数，大部分是 基于中浅部开采所布设的观测站求得，不适用于深部开采情况下的地表沉陷预测与控制。 如果在深部开采中仍采用浅部开采的参数及方法进行沉陷预测与控制，将会使结果产生 较大的偏差，导致矿井压煤量增大，煤炭资源不能合理开采，减少矿井的生产效益【似】。 因此，在深部开采条件下对地表及岩层移动进行深入研究是亟待解决的问题、 大采深、高压力导致矿井力学环境与浅部开采相比有很大改变【m 1 2 】，地表及岩层移 动的空间与时间的演化规律与浅部煤层开采存在较大差异【” 16 】。因此，研究深部开采条 件下岩层移动的特殊性、探索地表沉陷机理与规律、准确预测地表沉降、有效的控制地 表沉降所带来的灾害，提高煤层开采的经济效益及对生态环境的保护具有重要的理论与 现实意义。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 ．2 国内外开采研究现状 1 - 2 ．1 开采沉陷在国外的研究现状 人们对开采沉陷问题的认识主要源于地表移动、地下水流失对生产及生活带来的影 响。保证矿产资源开采的最大化。且不影响地表建筑物的安全使用，是研究开采沉陷的 目的所在。自2 0 世纪8 0 年代起，国内外学者开始对深部开采进行研究。对于“深部” 开采的定义，各国有不同的认识部分有深井开采历史的国家将采深6 0 0 m 作为深部开 采的临界度；波兰和英国学者将7 5 0 m 作为“深部”的界限；德国、加拿大、南非等将 采深8 0 0 ～1 0 0 0 m 作为深部开采的界限‘1 7 】。国外学者对地表沉陷问题开展了大量的研究， 取得了大量的理论及应用成果。俄罗斯学者A ．A B a r y a k h 等建立了参考时间因素的地表 沉陷动态预测方法‘1 3 】。印度K ．B S i I l 曲等对地表沉陷的形成机理及控制方法等做了研究 [ 1 9 ～2 0 1 。英国学者B e r r y 和W a k e s 根据弹性理论对横观各向同性平面和均介质平面及三维 条件下的地表移动表达式进行了讨论。美国学者对房柱式开采的沉陷规律进行了研究 [ 2 1 1 印度A 。K S o n i 等对浅部采空区的地表沉陷进行了研列2 2 1 。 1 ．2 ．2 开采沉陷在国内的研究现状 我国在多年的开采时间基础上形成了丰富的地表移动规律及预测理论，逐步建立了 适合我国实际情况的预测方法和理论。王汉英、梁政国等根据一次性支护适应程度，采 动生产中的动力异常程度等指标将采深在7 0 0 m 以上的开采定义为深部开采，并将采深 大于1 0 0 0 m 的定义为超深部开采[ 2 3 - 2 4 ] 。我国学者在多年的开采沉陷的研究中，形成了大 量的地表及岩层的移动规律和预测理论，逐步总结并建立了适合我国具体情况的预测理 论与方法。刘天泉等在概率积分法应用的经验基础上，进行了全面总结分析，得出了覆 岩裂隙带高度的计算方法‘2 5 1 。李增琪提出了地表与岩层的弹性力学表达式1 2 6 ] ；张玉卓在 连续介质力学理论和方法的基础上，建立并发展了覆岩移动的错位理论【2 7 1 。邓喀中等根 据弹性梁理论提出的开采沉陷动力性模型，实现了岩层内部移动破坏研究【2 靴9 1 。于广明 应用分形理论，研究了开采沉陷中岩层非线性影响的地表沉陷规律p 2 1 。崔希民应用流 变模型对主断面的地表移动和变形进行了分析D 3 1 。陈翔恩等对巨厚松散层下条带开采地 表移动规律进行了分析[ 3 4 1 。 在深部开采方面，我国学者的研究经验相对欠缺，只对特定地质条件下的深井开采 地表沉陷形成了一些研究成果。许家林等采用关键层理论研究了浅部开采和深部开采地 2 万方数据 坐查型茎奎兰曼圭兰垡笙苎 堑笙 表移动的差异，并提出了考虑关键层特征的深部开采沉陷预测方法【3 5 】；郭文兵对深部大 采宽条带开采地表移动规律进行了研究，认为深部大采宽条带开采预测可以采用全部开 采的预测参数，用多个单一工作面开采影响叠加进行预测【3 7 】；徐乃忠、王斌等在分析 深部开采和浅部开采引起的地表沉陷特点的基础上，结合实例和力学分析，提出了参数 修正的概率积分法预测模型[ 3 8 1 郭增长在对已有理论和实测资料分析的基础上，提出了 适合极不充分开采的概率密度函数法l s 9 4 0 ] 。 1 ．4 地表及覆岩移动规律研究尚存在的问题 对于开采影响下的地表及上覆岩层移动规律的研究，虽己取得了很大的进步，但是 对于深部开采影响下的地表及覆岩移动的破坏机理及变形控制方面的研究仍存在不完善 之处。 1 深部条带开采的沉陷预计模型较多，针对深部开采沉陷规律的认识也处于起步 阶段。因为有必要建立更多适用于深部开采的力学模型，为选取力学参数等方面一共更 多的理论指导。 2 深部条带开采影响下的地表及岩层移动的破坏机理的研究较浅显，影响深部开 采的发展及应用。因此，应多学科、多方位的对深部开采这一整体过程进行透彻的研究， 掌握地表及岩层的移动规律，为深部开采的沉陷预计提供更多的理论依据。 3 深部条带开采沉陷预计模型参数的选取研究不足。预计模型中参数选取的精度 对预测结果的准确性有直接影响。目前对于预计参数的选取主要是针对中、浅部开采的 变形移动规律。针对深部开采情况下的研究较少，深部开采对地表及上覆岩层的破坏影 响较复杂，将中、浅埋深的预计参数类比应用到深部开采，将会产生较大的误差。 诸如上述不完善的因素所在，影响了深部条带开采的发展及应用。因此，以新的角 度，应用新的理论与方法，解决深部条带开采中存在的问题，对促进深部条带开采理论 的研究及发展应用具有重要的理论与现实意义。 1 ．5 论文主要研究内容 本文以山东某煤矿深部条带开采工作面为工程实践背景，结合该矿区的地质采矿条 件，对地表观测站的多期观测数据进行分析，研究煤层开采后地表与覆岩的移动变形规 律，为深部煤层的条带开采提供可靠的数据基础。本文主要研究内容如下 3 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 地表移动变形规律的实测研究在该煤矿深部条带开采工作面E 3 1 0 5 、E 3 2 0 2 上方建立地表移动观测站，对地表进行多期的动态变形观测，掌握地表的移动变形情况， 绘制地表移动变形曲线，并分析地表移动及变形特征，求取各工作面开采地表岩移参数。 2 建立地表及岩层移动变形的数值模拟计算模型，对地表移动变形的数值模拟结 果进行分析，并将模拟结果与实测数据进行对比分析，对模型的可靠性进行验证，同时 从三维空间角度分析地表移动的变形特征、覆岩内部的变形规律。 3 通过改变数值模拟研究方案，分析开采深度、采空区尺寸、采留宽、开采煤层 厚度等多种因素与下沉系数之间的关系，并通过M a t l a b 回归分析，绘制各影响因素与下 沉系数的关系曲线。 1 ．6 研究方法及技术路线 本论文拟采用现场调研、实测资料的采集与分析、理论研究、数值模拟相结合的研 究方法对深部开采地表及岩层移动机理开展深入的研究工作。主要研究方法如下 1 现场调研与实N - 收集该煤矿深部条带开采的地表移动观测站的资料，对实测 资料进行综合分析。绘制地表移动及变形曲线图，分析总结地表形变的规律特征并求得 条带开采工作面的岩移参数。 2 数值模拟根据深部条带开采工作面的地质采矿条件以及煤层顶底板岩性特征， 合理的选取力学参数。利用F L A C 3 D 数值模拟软件，建立覆岩移动模拟计算模型，对覆 岩内部及地表变形情况进行模拟。绘制三维模型图、覆岩变形图及开采工作面地表移动 变形等值线图等。分析覆岩内部及地表变形规律。对资料进行综合分析，结合M a t l a b 软 件中的回归分析法分析地表移动预计参数规律。 3 对比分析将数值模拟计算的结果与地表实测数据进行对比分析，两者互为验 证，保证数据的可靠性与有效性。 4 回归分析通过F L A C 3 D 的数值模拟，分析多种因素与下沉系数之间的关系， 并通过M a t l a b 回归分析，绘制各影响因素与下沉系数的关系曲线。本文研究的技术路线 如图1 - 1 所示。 4 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 确定研究内容、方法、制定研究方案 现场实测| | l 数值模拟 地表移动变形 规律分析 比分 地表移动变形 数值模拟 覆岩移动 变形规律 覆岩变形位 移分析 分析各因素与下 沉系数的关系 覆岩变形应 力分析 地表岩移变形规律| 覆岩移动变形规律 图1 ．1 技术路线图 F i g ．1 ．1T e c h n o l o g yr o u t eo f r e s e a r c h 5 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 深部条带开采地表移动实测数据分析 2 深部条带开采地表移动实测数据分析 2 ．1 矿井概况 本文所研究煤矿位于山东省济宁市境内，目前，济宁境内的已有部分煤矿进入深部 开采阶段，古城煤矿采深为8 0 0 ～1 2 0 0 m ，安居煤矿采深为9 0 0 - 1 1 0 0 m ，梁宝寺煤矿一号 井、二号井采深为7 0 0 ～1 1 0 0 m ，王楼煤矿采深为8 0 0 1 1 0 0 m ，星村煤矿采深为8 0 0 - 1 2 0 0 m 。 济宁境内部分深部开采煤矿分布图，如图2 ．1 所示。 图2 ．1 济宁境内部分深部开采煤矿分布图 F i g ．2 ．1P a r to f t h ed i s t r i b u t i o nm a po fd e e pc o a lm i n i n gi nJ i n i n g 研究区域内地势平坦，地面高程在 5 0 m ～ 5 6 m 之间，一般为 5 2 m ～ 5 4 m ，全区 地势东高西低。沂河位于本区北部，自东向西流过，属泗河的支流，其上游刘家楼建有 尼山水库，下游杨庄建有拦河坝。井田处于峄山断层、滋阳断层、F 4 0 断层的交汇处， 且同处于各断层的下降盘。南以滋阳断层与东滩煤矿和兴隆庄煤矿为界，北至F 4 0 断层， 东以峄山断层为界，西与临沂矿务局古城煤矿相邻。 2 ．1 ．1 地层 本井田为全隐蔽式华北型石炭二叠系含煤区，地层主要包括第四系、上侏罗统三 台组、上二叠统上石盒子组、下二叠统石盒子组黑山段和山西组、太原组、石炭系本溪 组及奥陶系。 1 、第四系 Q 6 万方数据 当垄型塾查兰堡主兰垒笙壅鋈墅墨童茎墨垫耋整塾室型墼塑坌堑 厚度1 2 4 ．5 0 “ - 2 3 6 ．O O m ，平均1 7 2 ．3 7 m 。根据岩性、物性特征可划分为上、中、下三 组。上组以灰黄色、褐黄色的砂质粘土、粘土及砂组成，透水性好，富水性强。中组由 黄褐色带灰绿色斑块的粘土、砂质粘土及砂砾层组成，富水性弱，为隔水层组。下组主 要由黄褐色及灰绿色粘土、砂质粘土及砂层组成。，富水性中等。第四系为河湖相沉积， 与下伏地层不整合接触。 2 、侏罗系上统三台组 J 3 揭露厚度为5 3 4 ．3 5 m ～1 1 2 2 ．8 0 m ，平均7 5 9 ．6 0 m ，以岩性和颜色不同分为上、下两 段。上段厚3 3 2 ．9 5 ～7 8 4 ．6 0 m ，平均4 8 7 ．8 7 m 。主要由灰绿色细砂岩、砂质泥岩、泥岩组 成。钙质、泥质胶结，间夹薄层中砂岩及砂砾岩。底部常以一层灰色砾岩与下段的暗红 色砂岩分界。下段厚1 6 7 ．9 0 “ - - 4 3 5 ．8 0 m ，平均3 1 3 ．6 7 m 。以暗红色细砂岩为主，间夹紫红 色砂质泥岩、粉砂岩，铁泥质胶结，底部为一层含铁质的砂砾岩或粗砂岩，与下伏地层 呈不整合接触。 3 ．二叠系上统石盒子组上部及下统石盒子组黑山段、山西组、太原组 ①石盒子组上部 P 2 s 厚度7 9 ．7 5 ～2 8 1 ．1 5 m ，平均厚度2 0 2 ．8 3 m 。主要由杂色泥岩、铝质泥岩、砂岩组成， 其底部往往发育一层铝质泥岩 B 层铝土岩 ，与其下的中细砂岩构成与下组的分界，与 下石盒子组为连续沉积，整合接触。 ②石盒子组黑山段 P l h 厚度4 1 ．4 0 ～9 0 ．1 5 m ，平均5 9 ．7 2 m 。主要由灰绿色、浅灰白色砂岩和灰绿色带紫红 色斑块的砂质泥岩、泥岩组成，底部砂岩具泥质包裹体，含植物化石碎屑，下部偶有煤 线，与下伏地层呈整合接触。 ③山西组 P l s 厚度6 0 ．4 4 ～1 1 3 ．0 5 m ，平均厚7 9 ．1 3 m ，是本区主要含煤地层。主要由灰至灰白色的 细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩和煤 2 上、2 及3 煤，其中3 煤局部分叉为3 上、3 下 两层 组成，其中可采煤层为2 上、3