淮北矿区开采地表沉陷规律研究.pdf

分 类 号 TD325 密 级 公 开 单位代码 10878 学 号 20123301024 硕 士 学 位 论 文硕 士 学 位 论 文 论文题目论文题目 淮北矿区开采地表沉陷规律研究淮北矿区开采地表沉陷规律研究 学位类别学位类别 工程硕士工程硕士 学科专业学科专业 建筑与土木工程建筑与土木工程 研究方研究方向向 地下结构计算地下结构计算理论理论与与应用应用 作者姓名作者姓名 李小庆李小庆 导师姓名导师姓名 宣以琼宣以琼 教授教授 完成时间完成时间 20152015 年年 4 4 月月 万方数据 淮北矿区开采地表沉陷规律研究 Research on regulations of surface subsidence in Huaibei Mining Area 学位类别学位类别 工程硕士工程硕士 学科专业学科专业 建筑与土木工程建筑与土木工程 研究方向研究方向 地下结构计算地下结构计算理论理论与与应用应用 作者姓名作者姓名 李小庆李小庆 导师姓名导师姓名 宣以琼宣以琼 教授教授 完成时间完成时间 20152015 年年 4 4 月月 万方数据 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 安徽建筑大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 导师签名 签字日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 安徽建筑大学 有保留、使用学位论文的 规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 安徽 建筑大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 安徽建筑大学 可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后 适用本授权书） 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 导师签名 签字日期 年 月 日 万方数据 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 安徽建筑大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 导师签名 签字日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 安徽建筑大学 有保留、使用学位论文的 规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 安徽 建筑大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 安徽建筑大学 可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后 适用本授权书） 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 导师签名 签字日期 年 月 日 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 摘要 I 摘 要 近年来煤炭的大量开采引起地质环境损害严重，随着国家经济的飞跃发展， 迫切需求更多的建设用地，而越来越多的地表由于煤层开采产生沉陷，致使人与 地、人与环境之间的矛盾十分突出。为此，本文以淮北矿区开采沉陷情况为背景， 探索了采空区沉陷规律及控制方法。主要研究内容如下 通过对淮北矿区三个煤矿实测结果比较发现，该矿区整体下沉系数较大，属 于厚松散层下采煤，松散层会引起地表移动范围扩大，地表下沉量增加，所以在 松散层越厚的地方下沉系数越大。 对卧龙湖煤矿首采区连续开采的 103、 104 和 105 三个工作面进行了相似材料 模拟实验， 观测了煤层开挖后地表下沉系数、 下沉速度及地表移动范围演化规律， 并与实测结果比较验证实验的准确性。 运用FLAC3D软件对五沟煤矿1013工作面地表移动进行了数值模拟， 与1013 工作面工作面实测结果比较验证了数值模拟的准确性和可行性。在此基础上建立 了采深 150m、200m、250m、300m、350m、400m、450m、500m，开采宽度分别 为 100m、150m、200m、250m、300m、400m、500m、600m 情况下的数值模拟 模型，研究不同采深及采动程度对地表沉陷的影响；为研究倾斜煤层倾角大小对 地表移动规律的影响，又建立了煤层倾角为 0、10、20、30的开采模型。 分析结果表明煤层水平开采时地表最大下沉点在采空区工作面中央上方位 置，地表下沉曲线关于采空区中央对称分布；地表水平移动曲线关于采空区中间 呈反对称，两边最大水平移动点分别靠近开切眼和煤壁处。在未充分开采阶段， 地表最大下沉值和最大水平移动值主要受采动程度的影响，采动程度越大其值越 大，达到充分采动后二者不再增大，在下沉盆地呈现平底现象，地表移动曲线在 采空区中央出现不移动段。地表下沉系数随着宽深比的增大而增大，开始时增大 的比较快，后期增速逐渐减小，最后达到充分采动后下沉系数不再变化。地表水 平移动采高比随着宽深比的增大而增大，开始时增大的比较快，后期增速逐渐减 小，达到最大值后会有小幅度波动，充分采动后趋于稳定。 当开采宽度相同时， 开采深度越大， 地表最大下沉值和最大水平移动值越小， 说明开采深度对地表移动变形起到缓冲作用。地表下沉值与采深呈近线性减小关 系，在达到充分采动之后的最大下沉值与采深的线性关系最为明显。地表水平移 动随着采深的增大基本呈减小趋势，但是部分点出现波动情况，在达到充分采动 之后的最大水平移动值随采深增大而减小，且减小速度逐渐变缓。随着采深的增 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 摘要 II 大，达到充分采动的采宽也逐渐增大，充分采动的宽深比可达到 2.5 左右。开采 影响边界距采空区边界水平距离随采深的增大而增大，呈近线性分布。地表移动 边界角随采深增加先增大后减小，在 350m 达到最大值 47.8。 随着煤层倾角的增大，相同采宽下的地表最大下沉值和最大水平移动值逐渐 减小。最大下沉值逐渐偏离采空区中央向上山方向偏移，下沉曲线不再具有对称 性；最大水平移动值在下山方向比上山方向减小的快，水平移动曲线也不再具有 反对称性。开切眼处移动边界角和走向移动边界角随着煤层倾角增大而增大，两 者都近似呈线性增长，且开切眼处移动边界角增长的更快。煤壁处移动边界角比 其它两处的边界角要小，但和煤层倾角无明显关系。 图 [54] 表 [11] 参 [59] 关键词关键词地表沉陷；相似模拟；数值模拟；地表下沉系数；采动程度；煤层倾角 分类号分类号TD325 ； 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 摘要 III Abstract Coal mining geological environmental damage is very serious, and, in recent years, with the rapid development of the national economy, need a lot of construction land, the contradictions between man and land, people and the environment is very prominent. Therefore, this paper takes Huaibei mining subsidence governance as the background, to explore the regularity and control of goaf subsidence. The main research contents are as follows By comparison of the Huaibei three mining results, the mining subsidence rate is larger, belongs to coal mining under thick loose layer of loose layer of surface movement, will expand the scope of surface subsidence caused, increased, so in the loose layer is thicker local subsidence rate is more. For the first time on five ditch coal mine 1013 working face similarity material simulation experiment, coal seam excavation subsidence rate observed, sinking and surface movement evolution. And compared with the measured results verify the accuracy of the experiment. By using the software of FLAC3D surface on five ditch coal mine 1013 working face moving was simulated, and the 1013 working face of the measured results verify the accuracy and feasibility of the numerical simulation. On the basis of the design of mining depth 150m, 200m, 250m, 300m, 350m, 400m, 450m, 500m, mining width of the numerical model of 100m, 150m, 200m, 250m, 300m, 400m, 500m, 600m, the mining depth and mining degree studies the effects of the law of surface subsidence the. To study effect of inclined coal seam dip angle on the surface movement regularity, and design the mining model coal seam dip angle is 0 , 10 , 20 , 30 . Analysis results show that the level of coal mining maximum ground subsidence in goaf at the middle position, the surface subsidence curve of goaf central symmetry distribution; horizontal displacement curve about the middle of goaf is anti symmetric, the maximum horizontal move on both sides are near the open off cut and coal wall. The maximum subsidence of ground surface and the maximum horizontal movement value is not fully in the mining of increased with the increasing exploitation of broadband, achieve full mining no longer increases, the sinking basin appear flat, 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 摘要 IV surface subsidence curve in the goaf central nearly does not move section. The surface subsidence rate increases with the increase of the ratio of width to depth, began increasing more quickly, then the growth rate decreases, and finally achieve full mining subsidence rate did not change after. Horizontal displacement rate increases with the increase of the ratio of width to depth, began increasing more quickly, then the growth rate is gradually reduced, there will be a small amplitude wave reached maximum, full mining then tends to be stable. The same mining width, the maximum ground subsidence value and the maximum horizontal movement value decreases with the increase of mining depth, the mining depth played a buffer role of ground horizontal movement. With mining depth decreases with the nearly linear relationship of surface subsidence in mining, to achieve full after the maximum subsidence is linear relationship with the mining depth is the most obvious. Horizontal displacement with the decreased mining depth increase, but some point fluctuations, to achieve full recovery of maximum horizontal moving after the value increases with the depth of mining and decreases, and the decrease speed slowly. With the mining depth increasing, reaching full mining of the mining width increases, reaching full mining depth to width ratio is about 2.5. Increasing the mining boundary from the mining boundary level of air distance with the mining depth increasing, showed a nearly linear distribution. Boundary angle of surface movement with mining depth increase, reaching the maximum value at 350m 47.8 . With the increase of dip angle of coal seam, mining width under the same maximum subsidence of ground surface and the maximum horizontal displacement values decrease. The maximum subsidence gradually deviate from the mining area moves to the direction of the central air, subsidence curve has no symmetry; the maximum horizontal movement in downhill than uphill direction decreases quickly, horizontal movement curve is no longer the anti symmetry. Cut the eye moving boundary angle and moving boundary angle with the coal seam obliquity increases, both approximate linear growth, and quickly cut hole moving boundary angle growth. Coal wall moving boundary angle than the other two boundary angle should be small, but no significant relationship and the dip angle of coal seam. 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 摘要 V Figure [54] table [11] reference [60] KeyWordsSurface Subsidence；Similar Simulation；Numerical Simulation；Surface Subsidence Rate；The dip angle of coal seam Chinese books catalogTD325 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 目录 I 目 录 摘 要.................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................... III 目 录.................................................................................................................... I Contents .................................................................................................................. IV 插图清单.................................................................................................................. V 表格清单................................................................................................................ VII 第一章 绪论........................................................................................................... 1 1.1 问题的提出和研究意义........................................................................... 1 1.2 国内外研究现状....................................................................................... 1 1.2.1 早期研究理论.................................................................................... 1 1.2.2 国外研究现状.................................................................................... 3 1.2.3 国内研究现状.................................................................................... 4 1.3 本文的研究内容......................................................................................... 7 1.4 本文研究方法和技术路线.......................................................................... 8 1.4.1 本文研究方法................................................................................... 8 1.4.2 技术路线........................................................................................... 8 第二章 开采沉陷形成机理及其预测方法......................................................... 10 2.1 开采区地表移动与变形的机理................................................................ 10 2.1.1 拱形冒落论和压力拱假说.............................................................. 10 2.1.2 悬臂梁板 冒落论和冒落岩块碎胀充填论 ................................. 11 2.1.3 冒落岩块铰结论.............................................................................. 11 2.1.4 砌体梁平衡说.................................................................................. 11 2.2 煤矿地下开采引起地表移动与变形........................................................ 11 2.3 开采沉陷预计方法.................................................................................... 13 2.3.1 基于实测资料的经验方法............................................................. 13 2.3.2 相似材料模拟方法.......................................................................... 15 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 目录 II 2.3.3 数值模拟分析方法.......................................................................... 16 2.4 开采沉陷中存在的问题............................................................................ 17 2.5 本章小结.................................................................................................... 18 第三章 淮北矿区概况及沉陷区分析................................................................. 19 3.1 矿区概况.................................................................................................... 19 3.1.1 区域简介.......................................................................................... 19 3.1.2 区域地质背景.................................................................................. 19 3.1.3 区域地貌概况.................................................................................. 20 3.2 淮北矿区沉陷现状.................................................................................... 20 3.3 地表移动变形规律实测............................................................................ 21 3.3.1 五沟煤矿实测情况.......................................................................... 21 3.3.2 卧龙湖煤矿实测情况...................................................................... 22 3.3.3 许疃煤矿实测情况.......................................................................... 23 3.4 实测结果分析............................................................................................ 24 3.5 本章小结.................................................................................................... 24 第四章 相似材料模拟实验................................................................................. 25 4.1 概述............................................................................................................ 25 4.2 实验方案设计............................................................................................ 25 4.3 模型开采、监测及参数整理.................................................................... 27 4.3.1 模型开采.......................................................................................... 27 4.3.2 实验监测.......................................................................................... 27 4.3.3 实验数据整理.................................................................................. 28 4.4 实验结果分析............................................................................................ 29 4.5 模拟结果与实测结果对比........................................................................ 32 4.6 本章小结.................................................................................................... 33 第五章 数值模拟研究........................................................................................... 34 5.1 数值模拟软件 FLAC3D 简介 .................................................................. 34 5.2 数值模拟研究内容及方案........................................................................ 35 5.2.1 实例模拟验证.................................................................................. 36 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 目录 III 5.2.2 研究内容及研究方案...................................................................... 38 5.3 模拟结果分析比较.................................................................................... 39 5.3.1 采动程度对地表移动规律的影响.................................................. 39 5.3.2 采深对地表移动规律的影响.......................................................... 50 5.3.3 煤层倾角对地表移动规律的影响.................................................. 52 5.4 本章小结.......