巨厚松散层下煤层开采地质特征及地表沉陷规律研究.pdf

分类号分类号 TD327 密密 级级 公公 开开 U D C 单位代码单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 巨厚松散层巨厚松散层下下煤层开采地质特征及地表煤层开采地质特征及地表 沉陷规律研究沉陷规律研究 王长浩王长浩 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业专业名名称称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名 张文泉张文泉 职职 称称教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二〇一八年六月二〇一八年六月 万方数据 论文题目论文题目 巨厚松散层巨厚松散层下下煤层开采地质特征及地表沉煤层开采地质特征及地表沉 陷规律研究陷规律研究 作者姓名作者姓名 王长浩王长浩 入学时间入学时间 2015 年年 9 月月 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程 研究方向研究方向矿山灾害预测与防治矿山灾害预测与防治 指导教师指导教师 张文泉张文泉 职职 称称 教教 授授 论文提交日期论文提交日期2018 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期2018 年年 5 月月 26 日日 授予学位日期授予学位日期 万方数据 Study on geological characteristics and surface subsidence law of mining under super-thick loose strata A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Wang Changhao Supervisor Professor Zhang Wenquan College of mining and safety engineering 2018 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给本人呈交给山东科技大学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 本人完全了解本人完全了解山东科技大学山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所有关保留、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 导师签名导师签名 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， 按照培养方案及个人培养计划，在规定的学习年限内， 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。 导师签名导师签名 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 在煤炭资源开采过程中，准确对地表变形破坏进行预计可以在保证安全生 产的前提下提高优质煤炭资源利用率，因此，对地表沉陷预测研究有着重要意 义。长期以来，国内外专家学者针对不同的开采条件、地质条件等对地表移动 规律进行了详实研究，并取得了较多成果。但是，对于巨厚松散层下开采引起 的地表移动变形研究相对较少，尤其是在松散层底部存在着硬土-软岩‖过渡体 的地质条件下的研究成果较为欠缺。因此，为了研究巨厚松散层条件下煤层开 采，工程地质特征以及地表沉陷规律，开展了以下研究工作 （1）充分了解国内外研究现状，对煤层开采地表沉陷特征进行了叙述；论 述了巨厚松散层下开采沉陷的基本特征， 以及对开采沉陷过程进行了力学分析， 这为深入开展巨厚松散层条件下地表沉陷规律研究奠定了基础。 （2）通过地面钻孔现场取芯、室内土工试验得出的参数，对其统计整理表 明 在煤层被巨厚松散层覆盖矿区， 新近系底部存在着典型的硬土-软岩‖地层， 其属于由硬土向软岩转变的特殊过渡性地层。结合土工试验结果，对其水理、 力学特性与浅埋松散层进行对比分析，具有含水率低、固结程度高、强度较大 等特点，说明此种过渡体异于浅埋松散层，对地表沉陷有着至关重要的影响。 （3）利用 FLAC3D 数值模拟软件，选取硬土-软岩‖过渡体厚度、松散层 厚度、基岩厚度为影响因素，共建立了 27 种工况模型，对不同地层组合的地表 下沉特征进行了数值模拟研究，最终得出过渡体与基岩皆对地表下沉和松散 层压缩现象有着抑制作用，且此种抑制作用随着其厚度增加都会增强；而随着 松散层厚度增加，地表最大下沉和自身压缩量呈先增后减趋势。 （4）采用数值模拟得出的结果，建立模型，对样本数据进行训练学习，利 用神经网络对三因素进行敏感性排序，得出对地表下沉影响敏感性排序为基 岩＞硬土-软岩‖过渡体＞松散层，同时侧面证实了过渡体半土半岩的特殊性。 （5） 结合新巨龙煤矿 1304N 工作面实测资料与前文研究结果对比验证， 通 过观测站实测下沉 10mm 位置与利用模拟结果计算出的位置基本相符，证实了 前文研究的可靠性， 对今后巨厚松散层条件下开采地表沉陷预计有着重要意义。 关键词关键词巨厚松散层；地表沉陷；硬土-软岩‖过渡体；数值模拟；敏感 性分析 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Abstract II Abstract In the process of coal mining, the accurate prediction of surface deation and destruction can improve the utilization rate of high quality coal resources under the premise of ensuring safe production. Therefore, it is of great significance to study the prediction of surface subsidence. For a long time, experts and scholars at home and abroad have carried out detailed research on the law of surface movement in terms of different mining conditions and geological conditions, and have made many achievements. However, the research on the surface movement and deation caused by the mining under the super-thick loose strata is relatively few, especially in the geological condition of the transition body of “hard soil-soft rock“ in the bottom of the loose layer. Therefore, in order to study the coal mining, engineering geological characteristics and surface subsidence law under the condition of super-thick loose strata, the following research works have been carried out. （1）Fully understand the research status at home and abroad, and describe the characteristics of surface subsidence in coal mining. The basic characteristics of mining subsidence under super-thick loose strata are discussed, and the mechanical analysis of mining subsidence process is carried out, this lays the foundation for further research on the rule of surface subsidence under the condition of super-thick loose strata. （2）Through the ground drilling core and indoor geotechnical tests, the parameters are statistically sorted out There are typical “hard soil-soft rock“ strata at the bottom of Neogene in coal seam is covered with super-thick loose strata, it belongs to a special transitional stratum from hard soil to soft rock. According to the results of geotextile test, the hydraulic and mechanical characteristics and shallow buried loose layers are compared and analyzed. It has the characteristics of low water content, high degree of consolidation and strong strength, which shows that the transition body is different from shallow buried loose strata and has a very important influence on the surface subsidence. （3）Using FLAC3D numerical simulation software, choose the thickness of hard soil soft rock transition body, the thickness of loose strata, and the thickness of bedrock as the influencing factors, and establish 27 models of working conditions, the surface subsidence characteristics of different strata combination are numerically simulated. Finally come to a conclusion both the transition body and bedrock inhibit 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Abstract III the surface subsidence and the compression of loose strata, and this inhibition will increase with the increase of its thickness. With the increase of the thickness of the loose strata, the maximum subsidence and compression amount of the surface increase first and then decrease. （4）Based on the results obtained by numerical simulation, a model is established to train and learn sample data, three factors are sorted sensitivities by using neural network. The sensitivity of the surface subsidence is sorted bedrock “hard soil-soft rock“ transition body loose strata, at the same time, the particularity of transitional half soil and half rock is confirmed. （5） Comparison and verification with measured data of 1304N working face in Xinjulong coal mine and previous research results, the location of the subsidence 10mm measured by the observation station is basically consistent with that calculated by the simulation results, and confirm the reliability of the previous study. It is of great significance to predict surface subsidence under super-thick loose strata in the future. Keywords super-thick loose strata; surface subsidence; “hard soil-soft rock“ transition body; numerical simulation; sensitivity analysis 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 目目 录录 摘摘 要要 .................................................................................................. I I 目目 录录 ................................................................................................ IVIV 1 1 绪论绪论 ................................................................................................ 1 1 1.1 课题研究背景和意义 ............................................ 1 1.2 国内外研究现状、发展动态 ...................................... 2 1.3 主要研究内容及技术路线 ........................................ 4 2 2 巨厚松散层下开采沉陷特征及机理巨厚松散层下开采沉陷特征及机理.............................................. 6 6 2.1 厚松散层下开采沉陷特征 ........................................ 6 2.2 厚松散层下开采沉陷的机理 ...................................... 7 2.3 本章小结 ..................................................... 10 3 3 巨厚松散层底部巨厚松散层底部““硬土硬土- -软岩软岩””研究研究 .......................................... 1111 3.1 松散层土体水理特性分析 ....................................... 11 3.2 松散层土体力学性质分析 ....................................... 17 3.3 本章小结 ..................................................... 19 4 4 巨厚松散层下开采地表沉陷规律模拟分析巨厚松散层下开采地表沉陷规律模拟分析 ................................ 2121 4.1 FLAC3D 仿真计算软件简介 ...................................... 21 4.2 建立数值模型及方案确定 ....................................... 24 4.3 不同“硬土-软岩”过渡体厚度地表沉陷分析 ...................... 28 4.4 不同松散层厚度地表沉陷分析 ................................... 33 4.5 不同基岩厚度地表沉陷分析 ..................................... 35 4.6 松散层压缩量分析研究 ......................................... 37 4.7 “硬土-软岩”过渡体边界角对比研究 ............................ 42 4.8 本章小结 ..................................................... 44 5 5 基于模糊神经网络的敏感性分析基于模糊神经网络的敏感性分析 .............................................. 4545 5.1 敏感性分析法简介 ............................................. 45 5.2 神经网络敏感性分析 ........................................... 45 5.3 影响因素敏感性分析 ........................................... 48 5.4 本章小结 ..................................................... 49 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V 6 6 实例验证分析实例验证分析 .............................................................................. 5050 6.1 矿井工程概况 ................................................. 50 6.2 1304N 工作面概况 ............................................. 52 6.3 1304N 工作面地表下沉分析 ..................................... 53 6.4 本章小结 ..................................................... 54 7 7 研究结论及展望研究结论及展望 .......................................................................... 5555 7.1 主要结论 ..................................................... 55 7.2 展望 ......................................................... 56 参考文献参考文献 ............................................................................................ 5757 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 .................................................................... 6262 致谢致谢 .................................................................................................... 6363 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 Introuction ............................................................................................................ 1 1.1 Research background and significance ........................................................................... 1 1.2 Research status at home and abroad ............................................................................... 2 1.3 Main research content and technical route ..................................................................... 4 2 Characteristics and mechanism of mining subsidence under super-thick loose strata .................................................................................................................. 6 2.1 Characteristics of mining subsidence under thick loose strata ....................................... 6 2.2 Mechanism of mining subsidence under thick loose strata ............................................ 7 2.3 Chapter summary .......................................................................................................... 10 3 Study on “hard soil-soft rock“ at the bottom of the thick loose strata .......... 11 3.1 Analysis of soil water characteristics in loose strata .................................................... 11 3.2 Analysis of mechanical properties of soil in loose strata .............................................. 17 3.3 Chapter summary .......................................................................................................... 19 4 Simulation analysis of surface subsidence law under super-thick loose strata ................................................................................................................................... 21 4.1 Brief introduction of FLAC3D simulation software ..................................................... 21 4.2 Establishment of numerical model and scheme determination ..................................... 24 4.3 Analysis of surface subsidence of different hard soil-soft rock‖ transition thickness 28 4.4 Analysis of surface subsidence with different thickness of loose strata ....................... 33 4.5 Analysis of surface subsidence with different thickness of bedrock ............................ 35 4.6 Analysis and Study on the compression of the loose strata .......................................... 37 4.7 Comparative study on the boundary angle of “hard soil-soft rock“ transition body ..... 42 4.8 Chapter summary .......................................................................................................... 44 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VII 5 Sensitivity analysis based on Fuzzy Neural Network ..................................... 45 5.1 Brief introduction of sensitivity analysis ...................................................................... 45 5.2 Sensitivity analysis of neural network .......................................................................... 45 5.3 Sensitivity analysis of influencing factors .................................................................... 48 5.4 Chapter summary .......................................................................................................... 49 6 Example verification analysis ........................................................................... 50 6.1 General situation of mine engineering .......................................................................... 50 6.2 General situation of 1304N working face ..................................................................... 52 6.3 Surface subsidence analysis of 1304N working face .................................................... 53 6.4 Chapter summary .......................................................................................................... 54 7 Conclusion and prospect ................................................................................... 55 7.1 Main conclusions .......................................................................................................... 55 7.2 Outlook ......................................................................................................................