亭南煤矿三盘区开采地表移动变形规律研究.pdf

万方数据 万方数据 万方数据 关 键 词三下开采；地表观测；地表移动变形规律；数值模拟；洛河组砂岩关键层 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 mined, the surface subsidence coefficient is 0.431, and the surface still has not reached full mining. After the mining of the 309 working face, the surface subsidence coefficient is 0.554, which is fully activated. Due to the control of the huge Houhe ation sandstone, the mining range of the three-plate area to full mining is much larger than that under conventional mining conditions. When the ratio of the mining area to the mining depth is greater than or equal to 1.5. On the basis of surface measurement and numerical simulation, the movement deation law and characteristics of the surface under the sandstone of the Luohe ation in the Juhou ation are further analyzed. In the Houluohe ation sandstone, high-hard rock ations exist as the main key layer of the overlying strata, which is controlled by the control, so that the surface subsidence value is consistent with the deflection of the main key layer. Under this condition, whether the surface has reached full mining should be judged according to whether the maximum subsidence of the surface is consistent with the maximum deflection of the main key layer of the Luohe ation sandstone. The research results lay a foundation for the research on the surface movement and deation law of deep mining deep coal seam under the thick sandstone cover of Binchang mining area, which can be used as the reference basis for safe coal mining under the construction of the Changchang mining area. Key words Coal mining under buildings, roads and rivers; surface observation; the rules of surface movement; numerical simulation; Luohe ation sandstone key layer ThesisApplication Study 万方数据 目 录 I 目录 1 绪论.................................................................................................................................1 1.1 选题背景及研究意义..........................................................................................1 1.1.1 选题背景...................................................................................................1 1.1.2 研究意义...................................................................................................2 1.2 国内外研究现状..................................................................................................3 1.2.1 地表移动观测方法研究现状...................................................................3 1.2.2 采动地表移动变形规律国内外研究现状...............................................4 1.2.3 厚砂岩覆盖层下开采覆岩及地表移动规律研究...................................6 1.2.4 厚湿陷性黄土山区地表沉陷破坏规律研究现状...................................7 1.2.5 地表沉陷灾害防治对策研究现状...........................................................9 1.3 研究内容及技术路线........................................................................................10 1.3.1 研究内容.................................................................................................10 1.3.2 技术路线.................................................................................................11 2 三盘区地质采矿条件及覆岩结构特征分析...............................................................12 2.1 三盘区地质条件................................................................................................12 2.1.1 地形地貌.................................................................................................12 2.1.2 地层结构.................................................................................................12 2.2 三盘区开采条件................................................................................................17 2.2.1 煤层条件.................................................................................................17 2.2.2 顶底板条件.............................................................................................17 2.2.3 构造情况.................................................................................................17 2.2.4 水文条件.................................................................................................18 2.2.5 工作面开采情况.....................................................................................18 2.3 三盘区覆岩结构特征分析................................................................................19 2.3.1 洛河组高位厚硬砂岩层.........................................................................20 2.3.2 地表厚黄土覆盖层.................................................................................21 2.4 本章小结............................................................................................................21 3 地表移动变形观测研究...............................................................................................22 3.1 地表移动观测方案设计....................................................................................22 3.1.1 观测方案设计原则.................................................................................22 3.1.2 地表移动观测站布设.............................................................................22 3.1.3 地表移动变形观测.................................................................................25 万方数据 目 录 II 3.2 开采地表移动变形观测结果分析....................................................................27 3.2.1 303 工作面开采地表移动变形结果分析...............................................27 3.2.2 305 工作面开采地表移动变形结果分析...............................................34 3.3 地表移动变形特征分析....................................................................................37 3.4 本章小结............................................................................................................38 4 三盘区工作面开采地表移动规律模拟研究...............................................................40 4.1 实验目的............................................................................................................40 4.2 模拟软件............................................................................................................40 4.3 建立模型............................................................................................................40 4.4 数值模拟结果分析............................................................................................42 4.4.1 地表已开采工作面数值模拟结果分析.................................................42 4.4.2 后续工作面开采地表移动变形规律分析.............................................44 4.4.3 各工作面开采地表下沉曲线对比分析.................................................45 4.5 工作面开采地表移动变形特征分析................................................................46 4.6 本章小结............................................................................................................47 5 采动地表移动变形特征及灾害防治措施...................................................................48 5.1 采动地表移动变形特征....................................................................................48 5.2 地表移动变形的主要影响因素分析................................................................48 5.2.1 厚洛河组砂岩对地表移动变形的影响.................................................48 5.2.2 松散层对地表移动变形的影响.............................................................59 5.2.3 区段煤柱对地表移动变形的影响.........................................................59 5.2.4 覆岩移动变形其他影响因素分析.........................................................60 5.3 地表沉陷灾害防治对策....................................................................................63 5.3.1 研究区开采地表沉陷特征.....................................................................63 5.3.2 研究区开采地表沉陷灾害形成机理.....................................................64 5.3.3 研究区开采地表沉陷灾害防治对策.....................................................65 5.4 本章小结............................................................................................................66 6 结论与展望...................................................................................................................67 6.1 主要结论............................................................................................................67 6.2 展望....................................................................................................................68 致 谢.................................................................................................................................69 参考文献...........................................................................................................................69 附录...............................................................................................................................75 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 煤炭资源在当今我国能源消耗结构中仍占具绝对的比重，并将长期占据主导地位。 随着我国煤炭开采信息化、绿色化进程的不断加快，煤炭资源储量的日益缩减以及相关 产业对煤炭需求量的加大，使得“三下”压煤逐渐成为制约我国煤炭事业可持续发展的 主要因素之一。村庄及建筑物下压煤现象更是普遍存在，据不完全统计显示，我国国有 煤矿“三下”压煤总量约为 137.9 亿 t，其中建筑物下压煤量约为 87.6 亿 t，占压煤总量 的 63.5[1]。亭南煤矿 4煤层的煤炭储量为 19543104t，其中地表村镇、公路、水库等 建筑设施下压覆煤炭约 3916104t，约占总储量的 20，严重影响矿井的可持续发展， “三下”压煤开采迫在眉睫[2]。除了要安全合理地采出所压煤炭以外，还要尽可能地减 少地表移动变形对建筑物、铁路、水体造成的损害影响，因此，针对三盘区已采区域地 表移动变形规律研究是解决这一问题的关键[3]。 亭南煤矿位处陕西省长武县亭口镇，属于黄陇煤田中部的彬长矿区，以亭口乡为中 心，距长武县县城与彬县县城均 20km，距西安 170km，交通条件便利。矿井井型为 300 万 t/a，主井井口标高为856m，副井井口标高为856.3m，大巷标高为455m，井田划 分为 4 个盘区，大巷北翼布置二、四盘区，大巷南翼布置一、三盘区。 论文以三盘区开采为研究背景。三盘区地处亭南煤矿西南部，其东部为一盘区，北 部为轨道运输大巷保护煤柱，西与四盘区相接，南部为矿区边界煤柱。亭南煤矿三盘区 主采侏罗纪延安组 4煤层，该煤层厚度为 1～22.34m，平均厚度为 9.10m，煤层赋存标 高380～525m， 地面标高871.2～1178.9m， 平均埋深 550～626m， 煤层倾角为 2～8， 平均倾角为 4.5，煤层夹矸厚度小，平均为 0.42m，以泥岩或炭质泥岩为主，属单一稳 定、结构简单的厚煤层。三盘区工作面采用长壁综采放顶煤采煤法回采，全部垮落法管 理顶板。 据钻探资料显示，三盘区上覆岩层中存在有巨厚白垩系洛河组砂岩，洛河组砂岩主 要由细中粗粒长石砂岩夹含砾粗砂岩及泥岩组成，具有厚度大、强度高、范围广等特 点，作为本区主关键层，对地表移动变形影响起关键作用。三盘区对应地表由第四系厚 湿陷性黄土覆盖，地形复杂，沟壑纵横、梁塬破碎，东西向沟谷发育，切割较深，形成 沟谷梁峁相隔的地貌。地表观测塬面上分布以村庄建筑区与农田耕种区为主，塬面的高 程最大为1194m，最小为851m，塬面边缘沟坡分布以梯田居多，含有少量陡崖峭壁。 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 地表植被条件一般，多由低矮灌木、杂草覆盖，地表条件复杂。 三盘区地表村庄、建筑众多，包括柴厂村中原组、中原小学、史家峪 1～2 组、三 台村 3 组以及井坳砖厂和三台村砖厂等。村庄房屋以砖瓦房、土坯房为主。此外，还可 能受到开采损害影响的建（构）筑物有亭口水库反调节蓄水工程大坝及其附属设施， 其主要由大坝、泄洪排沙洞、溢洪道等组成。 简以言之，三盘区开采不仅涉及村庄以及建筑物（包括反调节蓄水大坝）下压煤安 全开采问题，同时涉及黄土沟壑塬区、洛河组含水砂岩下安全采煤问题。为了科学有效 地解决这些问题以及与之伴生的开采损害问题， 首先要对工作面回采后覆岩与地表移动 下沉观测规律进行研究，在系统分析地表移动观测数据基础上，通过理论分析、数值模 拟等方法结合地表实测建立采动地表沉陷预计模型， 并将模拟结果与现场实测结果进行 对比分析，得出三盘区在不同采动程度下地表岩移参数与地表移动变形损坏特征，进一 步分析关键层等因素对地表移动变形的控制机理， 最终给出控制地表沉陷灾害的防治措 施。论文以此展开研究。 1.1.2 研究意义 本论文的研究有助于掌握该区域特殊地质采矿条件下开采地表在不同采动程度下 的移动变形规律。三盘区各工作面开采顺序依次为303、305、307、309 工作面。303 工作面设计开采宽度为 200m，待工作面开采结束后地表尚未达到充分采动，属于极不 充分采动状态。根据彬长矿区及亭南煤矿以往开采情况判断，305 工作面开采结束后地 表为非充分采动状态，307 工作面开采结束后地表可能接近充分采动，309 工作面开采 稳定后地表达到充分采动。通过对 303、305 工作面地表移动观测数据的计算分析并结 合 303、305、307 等工作面开采数值模拟结果进行对比研究，给出该区域非充分采动和 充分采动条件下的地表移动变形规律及其特征。 亭南煤矿三盘区覆岩中存有层位较高的白垩系厚硬洛河组砂岩层，为覆岩关键层， 对地表移动变形起决定性作用， 针对它是如何影响地表移动变形的， 这一问题值得研究。 同时，由于黄陇煤田彬长矿区的地层特征具有极大相似性且普遍赋存厚硬洛河组砂岩， 可以借助对本区厚硬洛河组砂岩关键层的破断演化机理分析得出其对地表移动变形规 律的影响。 由于亭南煤矿地表为典型的黄土沟壑山区地形，存在厚湿陷性黄土覆盖层，受其荷 载作用，导致本区地表移动变形规律与平原地表相比存在很大的差异，一系列开采损害 现象时有发生，比如在一、二盘区开采时地表部分村庄房屋受拉剪应力产生的裂缝破坏 及农田的大面积损坏，包括在三盘区地表出现的平行于工作面顺槽的地裂缝，以及黄土 沟壑边坡出现滑移、滑坡现象。因此，为了实现矿井安全开采与矿区生态防护，该区域 地表开采灾害问题不可忽视。 万方数据 1 绪论 3 本论文的研究有利于亭南煤矿乃至整个彬长矿区采动地表的移动变形预计。 由于彬 长矿区采矿与地质条件具有一定的相似性， 根据已获取的地表移动参数对开采地表移动 变形预计理论进行参数优化，优化后的参数为彬长矿区的“三下”开采设计、工作面区 段煤柱的合理选择以及开采损害预计评价提供依据，对矿区的科学、绿色、可持续发展 有着重要的指导意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 地表移动观测方法研究现状 本论文研究的关键是对该区地表移动观测站的观测数据进行分析处理。 地表移动观 测是地表移动变形参数获取的重要途径，通过所设地表移动观测站的观测，获取丰富的 第一手资料，并对这些资料进行理论计算与综合分析，找出地表移动变形规律的影响因 素，进而在开采实践中将其完善和深化。因此，地表移动观测方法及观测站布置方式的 选择至关重要。 目前，国内使用最为普遍的是全站仪观测技术，全站仪是由电子经纬仪、光电测距 仪和数据处理系统组成的三维坐标系统测量仪器，通过竖直角、水平角、斜距的测量来 实现高差、高程与坐标值的自动计算，极大程度地方便了数据处理工作，提高了数据的 准确性。但是，由于受地形地貌、测量技术等因素的限制，对于一些无法通视、高差较 大测点的观测显得无能为力。现场观测方法随着现代观测技术装备的发展而进步，GPS 观测技术已大量应用于地形复杂的山区地表观测，GPS 的组成主要分为三部分GPS 卫 星星座、地面监控系统和 GPS 信号接收机。其工作原理为GPS 信号接收机在接收到 卫星发射的无线电信号后，通过解调获取定位及观测信息，经数据处理完成定位。与传 统方法相比较，GPS 观测法具有精度高、速度快、操作便捷、工作量小等优点。通过与 计算机技术、数据通信技术与数据分析处理技术的集成，实现从数据采集、传输、管理 到移动变形分析及预测的自动化。 张广伟[4]提出通过 GPS 测量技术与常规测量方法进行 联合测量的新方法，经检验该法能够很好的适应山区复杂的地形条件。在此基础上，将 GPS 与数传技术相结合就得到 GPS-RTK 测量技术，该技术将静态数据采集转化为动态 实时监测，对测得的数据进行实时处理，在短时间内获得高精度的坐标信息，使测量效 率得到显著提高。蔡福禄[5]在铁法矿区通过对比测量验证了 GPS-RTK 技术的可靠性。 除此之外，还有遥感技术（RS）包括雷达干涉测量（InSAR）和查分雷达干涉测量 （D-InSAR）、地理信息系统（GIS）、MSGIS、三维激光扫描技术等。 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 1.2.2 采动地表移动变形规律国内外研究现状 1 国外研究发展现状 早在十九世纪初，比利时颁布法令规定禁止开采列日城下深度小于 100m 的煤层。 经过对地表沉陷的调查研究发现，形成了最早的“垂线理论”。在当时一些采煤技术先 进的欧洲国家甚至将覆岩与地表移动作为一门重要科学进行研究[6]。1858 年，比利时工 程师哥诺特（Gonot）及法国学者陶利兹（Tao ritz）通过对观测资料的分析得出“法线 理论”，认为覆岩下沉是沿煤层的法线方向向上传播的，根据层面法线来确定采空区的 上、下山边界影响范围。1871 年，丢莫提出了下沉计算的方法[7]。1876 年，德国学者依 琴斯凯（Jicinsky）提出“二等分线理论”，将煤层层面的法线与竖直线夹角的二分线作 为岩层移动线[8]。1882 年，哥西哈（Gexiha）提出了“自然斜面理论”，该理论指出早 期移动角的定义[9]。1885 年，法国学者法约尔（Fayol）提出“拱形理论”，该理论指出 水平煤层的覆岩移动类似于拱型，形状近似于椭球状。1887 年，豪斯（Hausse）提出了 早期采空区覆岩三带划分理论。尽管上述理论均存在较大局限性，且与实际规律差异甚 远，但对地表沉陷理论的发展奠定了早期的理论基础。 在二十世纪初期，开采沉陷理论研究得到快速发展，形成了几何理论、连续介质力 学理论与非连续介质理论等。1919 年，史米茨（Schmitz）提出地表移动过程类似于地 层向斜构造的形成，岩层在下沉中像梁或板一样处于中间压缩边缘拉伸状态。1929 年， 凯因赫尔斯特（Keinhorst）在分析某地表观测结果基础上得到地表下沉量的计算公式， 将开采沉陷理论研究推向新起点；1932 年，巴尔斯（Bals）深化了前人的理论，得出连 续影响分布函数，作为影响函数法的前身意义重大。以上理论均从几何角度出发，某种 程度上推动了地表下沉理论的发展，但由于地层地质构造复杂，划分地表采动影响的方 法不够完善，导致理论研究与实测结果间存有一定的误差[9]。1947 年，前苏联学者阿维 尔申[10]将塑性理论引入岩层移动研究中来，建立地表下沉盆地剖面预计公式，提出开采 水平煤层或近水平煤层时，地表水平移动值和斜率成正相关的观点。1951 年，波兰专家 克若特（Konthe）与博莱德克（Budyk）将高斯曲线引入连续分布影响函数曲线，取得 了良好的应用效果，并被广泛应用于实践中[11]。1957 年，波兰著名学者李特威尔尼申[12] 从颗粒体力学角度出发， 采用随机介质理论研究得到岩体各向同性条件下基本微分方程 的解，发现下沉曲线与柯尔莫哥罗夫方程基本吻合，提出下沉盆地剖面方程的函数呈正 态分布形态。 从上世纪末至今，随着基础科学、计算机科学等交叉学科的不断引入，使得地表沉 陷的研究方法更具多元化，比如以弹塑性理论为基础的有限单元法、边界元法、离散元 法以及非线性力学研究法等。这些方法的应用使得采动地表及覆岩内部移动变形预计、 万方数据 1 绪论 5 特殊开采条件下的地表沉陷预计、 实测数据反向求参以及计算机数值模拟等方法得到更 广泛的应用与认可。 2 国内研究发展现状 国内开采沉陷理论研究较国外而言起步较晚， 并且在其发展过程中广泛吸取了国外 先进的研究成果。 从二十世纪五十年代开始， 为了深入研究覆岩破坏与地表的塌陷规律， 各主要矿区的专家学者们开始了系统科学的预计理论研究，并建立了一批观测站。开滦 矿务局林西矿于 1953 年布设了我国首个地表移动观测站，经过长期观测，获得了大量 的观测数据，初步给出了岩层移动变形的计算公式及相关参数的选定方法，改变了过去 需要依靠国外数据来解决国内实际问题的僵局。 1963 年， 唐山矿务局测量所周国铨通过 对地表实测数据的分析研究，建构了下沉盆地主断面上的负指数剖面预计方程，实现对 地表移动下沉的预计。1965 年，刘宝琛、廖国华等[13]在波兰学者李特维尼申 （J．Litwiniszyn）的随机介质理论基础上，从岩石移动随机性的角度出发，结合我国地 质采矿条件将该理论进一步改善，系统阐示单元体开采对覆岩及地表移动的影响，建立 起我国最早的地表移动变形的概率积分预计法。该法成功地解决了实际问题，为我国地 表移动变形预计理论体系的发展做出不朽贡献。1981 年，刘天泉[14,15]利用概率积分法在 实践中的经验分析了采动对覆岩及地表的影响，模拟了覆岩损害过程的空间破断形态， 并给出冒落带高度的计算公式。1982 年，何国清[16]将岩体破碎理论引入覆岩移动破坏 及地表下沉盆地预计模型研究中来，得到威布尔分布模型。仲惟林、白矛等[17]将弹性力 学位移函数法引入并推导出了采空区覆岩移动与地表下沉的函数关系式以及地表水平 移动最大值的计算方程。 1986 年， 何万龙[18,19]在对阳泉矿务局地表移动观测资料分析中， 结合阳泉矿区的采矿地质条件，得出山区地表移动与变形预计模型。1989 年，郝庆旺、 杨硕等[20,21]分别提出了采动地表沉陷的空隙扩散模型及力学预计模型。1994 年，邹友峰 等[22,23]通过弹性介质理论提出了条带开采三维岩层移动预计模型。同年，吴立新、王金 庄等[24]提出托板理论， 认为顶板中厚硬岩层所形成托板结构能够较好的控制覆岩的移动 变形破坏。邓喀中[25]根据岩体构造节理特性结合断裂力学提出开采沉陷的结构体效应。 于广明、谢和平等[26-28]从非线性科学角度出发结合损伤力学得出地表沉陷的非线性规 律。1996 年，崔希民[29,30]采用质点运动描述的方法对下沉盆地主断面内测点的移动变形 进行及时位移分析，将岩体流变模型引入到开采沉陷理论研究。同年，钱鸣高提出经典 的关键层控制理论[31-33]。 1997 年， 余学义[34]将计算机编程技术引入到开采损害预计模型， 研发出 YLH-8 地表沉陷预计软件来进行地表下沉盆地预计。2004 年，郭增长、谢和平 等[35]提出极不充分采动条件下的概率密度函数法预计模型。2016 年，廉旭刚，戴华阳 等在以往地表沉陷预计模型的研究基础上， 利用数学建模及计算机模拟建立地表沉陷预 计评价系统，实现动态预计[36]。 上述开采沉陷理论的研究方法主要总结为两大类一是经典唯象学研究法，它研究 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 6 主要内容建立在大量地表实测基础之上，从地表移动观测入手，将地表移动和地质采矿 等影响因素联系起来，犹如概率积分法虽能成功预计水平矿层开采地表沉陷，但其缺点 是预计参数不具备物理意义；二是经典力学研究法，它以岩体的物理力学特性为基础， 通过假设， 将岩体简化为等效力学模型， 建立平衡微分方程， 然后由边界条件求解应力、 应变与位移等各未知项量， 即从理论力学的角度研究矿层开采后岩层移动以及地表移动 变形。该法以岩体的固有属性为基本，相对准确地反映了岩体的破坏状态。但在研究复 杂岩体时，由于忽略了岩体内部的本构关系，使其简化后的力学模型应用范围有限，实 际应用效果并不理想。 1.2.3 厚砂岩覆盖层下开采覆岩及地表移动规律研究 亭南煤矿 4煤层上覆岩层中普遍存在巨厚洛河组砂岩，该岩层厚度大、强度高，而 且分布范围较广，为本区关键层。三盘区钻孔揭露洛河组最大厚度为 312.52m，最小为 221.67m，平均厚度为 262.09m，该岩组中砂岩岩层累计厚度约 213.68m，占总层厚的 81.53；砾岩岩层累计厚度 48m，占比 18.31；其余为泥岩岩组。考虑到关键层的控 制作用， 本区覆岩中的厚硬洛河组砂岩层的弯曲或破断亦将对地表移动变形起着关键的 控制作用。 许家林、钱鸣高[37,38]研究了关键层对其覆岩及地表移动破断的控制机理，覆岩主关 键层的破断将直接导致其上覆岩层的同步破断，并且地表随之快速下沉，地表下沉盆地 边界发生明显扩大，并且伴有周期性变化；进一步研究了覆岩主关键层对地表移动动态 演化过程的控制