徐州庞庄煤矿采空区对拟建电厂场地稳定性影响的研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 徐州庞庄煤矿采空区对拟建电厂场地稳定性影响的研究 姓名董小波 申请学位级别硕士 专业地质工程 指导教师张志沛;刘天林 论文题目徐州庞庄煤矿采空区对拟建电厂场地稳定性影响的研究 专 业地质工程 硕 士 生董小波 签名 指导教师张志沛 签名 刘天林 签名 摘 要 在过去的几十年里，大量的煤炭资源被开采利用，且大多数采用的是超常规和粗放 式的开采方式,使得我国各大矿区都形成了大面积的采空区。 与此同时， 国家基础建设兴 起，许多基础建筑例如高速公路、铁路、工业及民用建筑等不得不穿越或建立在老的采 空区上。这样，老采空区地基上修建工程建筑的需要和采空区的‚活化‛变形之间形成 了矛盾。进行老采空区建筑地基稳定性的研究，对于我国矿区土地资源的利用和矿区基 础设施建设、矿区城镇规划等都具有很现实的意义。 本论文以徐州庞庄煤矿工业广场为研究对象，通过调查分析庞庄煤矿的煤系地层、 地质构造、采矿及采空区分布特征，分析其采空区覆岩移动及‚三带‛发育破坏规律， 运用概率积分法进行地表残余移动变形量计算。同时，本文利用 FLAC3D模拟开采沉陷 过程，研究煤层多层重复开采影响的地表变形规律。并进一步模拟建筑荷载下塑性场、 位移场和破坏场的变化特征，分析了地表残余变形倾斜值、最大水平位移及曲率等，在 此基础上，对研究区采空区建筑地基稳定性进行分区评价，并提出治理措施建议。 论文较深入分析了煤矿采空区上覆岩层应力重新分布和地表移动和变形的特征， 并 运用传统的理论计算和数值模拟方法来研究老采空区建筑地基的稳定性， 并对庞庄工业 广场工程建筑地基进行稳定性评价。为该电厂工程设计与施工提供了安全保障，对于类 似采空区地基上的工程建设也具有积极的指导意义。 关 键 词煤矿采空区；残余变形；数值模拟；建筑荷载；稳定性评价 研究类型应用研究 Subject The Research on Stability of Draft Power Plant Building Foundation With the Goaf of Pangzhuang Coal Mine in Xuzhou City Specialty Geological Engineering Name Dong Xiaobo （（（（Signature）））） Instructor Zhang Zhipei （（（（Signature）））） Liu Tian-lin （（（（Signature）））） ABSTRACT In the past decades, Mineral resources had been mined with extraordinary and extensive way. Large area and largescale goafs had been ed at the Major mining areas in central and western of our country. At the same time, because of the rising of national infrastructure, Many basic buildings, such as highway, railway, industrial and civil construction, have to Through or based on the goaf. So, there is a contradiction between the requirements of the building site based on the goafs and the activated deation occur on the surface of the goaf. So, it is very important to pay attention to study on the stability of the building foundation with goaf, which has greatly importance realism sense to important infrastucture and utilize land of mined zone and programming of mining town. In this paper, The industry square site of Pangzhuang coal mine is studied. By analyzing its coal-bearing stratum, geological structure, mining and the distribution of goaf, motion and demolish regulars of overlying strata and the characteristics of “Three Zones“ is established, the residual deflection of industry square surface is forecasted with probability-integral . At the same time, considering the result of FLAC3D numerical simulation, the motion and demolish regulars of surface is researched by the influenced of repeat mining. On the basis of the state field, the FLAC3D is used to open out the changing characteristics of stress field, and to get the residual deation dates of gradient, horizontal displacement and curvature,by means of which the stability of the building foundation on the goaf is analysed partition. And there are some suggestions about control measures should be taken. In this paper, the stresses redistribution, surface movement and deation characteristics of the overburden rocks in the mined-out area were analysis deeply, and the stability of the building foundation on the goaf is uated by probability-integral and numerical simulation . the conclusions have gived the security for the design and construction of the power plant, some practical meaning for the coal mining. And we also provide some help to next study and engineering pratice. Key wordsGoaf The Residual Deflection Numerical Simulation Building Foundation Stability uation Thesis Application Research 1 恊论 1 1 绪论 1.1 选题背景 煤炭资源是国民经济与社会发展的重要物质基础，在过去的几十年间，煤炭资源的 开采对我国国民经济的发展做出了巨大的贡献。但同时，因为大量、无序的开采，致使 许多老的能源基地已经形成了大面积、大规模的采空区。据统计，至 2007 年底，我国 的原煤产量为 25.23 亿 t，并以年平均 12.26的速度增长。据有关资料，井下开采每万 吨原煤造成的土地塌陷在 0.8～8 亩之间，平均为 2～3 亩。按我国的原煤产量推算，年 采煤行业导致的土地塌陷将达到 70 万亩。据不完全统计，截至 07 年底，我国煤矿累计 土地塌陷面积超过 1050 万亩。这对于土地资源本来就十分紧缺的中国无疑是一个重要 的社会和生态问题。由于历史的原因，许多老矿区基地的城镇建筑与地下开采活动缺少 统一的规划，而矿区城镇往往围绕矿井自由发展，由于新老采空区的地面不断下沉，致 使矿区城镇建筑、管线等不断的遭受破坏[3]。 随着社会的发展和生产技术的进步，对能源的需求量大大增加，而我国 50～60 以上的能源来自煤炭，致使煤炭生产迅速发展，这种能源构成状况在相当长的时间不会 发生大的改变。 一些老矿业基地随着可采煤矿资源的逐渐枯竭， 为了获得更多煤炭资源， 势必要进行‚三下‛建筑物下、铁路下、水体下采煤。与此同时，国家对基础建设的 投入，尤其是对内地基础建设的不断扩展。因此我国矿区城市的建设和工业发展出现了 新的难题， 一方面由于其存在原材料供应优势， 急需在采矿区地表新建一些大型的钢铁、 电力、冶炼、建材等厂房，急需在采空区地表修建高速公路、铁路、隧道、桥梁、民用 建筑等，另一方面在老采空区上方的土地开发也产生了一系列的问题，如新建建筑物出 现开裂、沉陷、变形，地表塌陷，设备因基础变形而无法正常使用等，或由于大大增加 的地基的处理费用和复杂的技术措施造成建设项目难以实施。 因此进行老采空区 ‚活化‛ 及建筑地基稳定性的研究， 对于开发利用废弃老采空区土地及提高矿区土地利用率就显 得非常必要。 徐州矿区是我国较早的几个煤炭老工业基地之一，其中庞庄煤矿从上世纪 60 年代 开始采煤，至今，在矿区范围内已经形成了大量的老采空区，庞庄工业广场就座落庞庄 煤矿区内，位于采煤岩巷上方，周边范围内分布有多层煤采空区。因为其紧邻徐丰公路 西侧，并有铁路专用线与陇海铁路相接，交通条件十分优越。为合理的利用宝贵的庞庄 煤矿工业广场土地资源，提高矿区土地利用率，2007 年 3 月，根据江苏省发改委下发的 省发展改革委关于下达 2007 年重点建设项目投资计划的通知 ， 将徐矿集团综合利用 电厂 4300MW 发电机组列入江苏省 2007 年重点建设项目。拟建场地设在庞庄工业广 西安科技大恘硕士恘位论文 2 场。因此，研究老采空区上方拟建工业建筑地基的稳定性是进行建筑物布置及地基处理 时所必不可少的基础条件。 因此， 本课题通过对庞庄煤矿工业广场建筑工程场地进行建筑荷载下老采空区地基 的稳定性分析研究，并提出失稳地基处理和建筑物抗变形措施建议，使得采空区上方重 要建筑物不致在建设或使用过程中因地基稳定性而产生变形和破坏， 造成工程损失和人 员伤亡。这对于采空区新建工程建筑具有重要的理论和实际指导意义，也为科学用地、 缓解矿区建筑用地紧张的问题提供了保障。 1.2 研究意义 当矿体从地下被采出后，采空区上覆岩层的原有应力平衡状态被破坏，周围岩体产 生应力集中、移动变形、离层、裂缝、甚至破坏垮落，岩层的移动和变形从采区向周围 扩展，岩层移动传播到地表，产生地表移动和变形，岩层和地表的移动变形过程将持续 发展到所有被采动岩层都达到新的力学平衡为止，此过程称为‚矿山岩层和地表移动‛ ， 或‚矿山开采沉陷‛[1]。岩层移动和变形改变了上覆岩土层的工程地质性质，导致途径 该采空区的路基或地基存在很大的安全隐患。在地应力、地表建筑物荷载等作用下，可 能使得原本处于相对平衡状态下的冒裂带岩体重新‚活化‛ ，产生应力再分布，导致岩 层和地表产生附加移动与变形，致使新建建筑物沉降、局部开裂、倾斜、甚至倒塌。因 此，老采空区的‚活化‛是造成采空区上方新建建筑物破坏的关键问题。 多年来，国内外专家学者们对‚三下‛采煤进行了长期、深入而细致的研究，在采 空区破坏变形规律和地表移动规律等研究等方面积累了丰富的经验[4]，取得了大量的科 研成果，并在实际应用中发挥着十分积极的作用。但是关于在采空区上方新建建筑物以 及其他建筑工程上的研究并不多，关于老采空区在附加荷载作用下的岩体 ‚活化‛ 、地 表残余变形规律及对采空区地基稳定性的评价等没有进行系统地研究。因此，开展对老 采空区建筑地基稳定性评价及其采动岩层变形破坏规律研究，对采空区建筑地基处理、 采空区建筑物的布置及抗变形结构设计等具有极其重要的理论和现实意义。 1.3 国内外的研究动态和发展 1.3.1 国外悁究动态现状及发展趋势 采空区上部建筑物地基的损坏程度及其稳定性评价在国内外都受到了极大的关注。 前苏联、波兰、德国、澳大利亚、加拿大、美国等国家，对开采沉陷和建筑物地基处理 和建筑物灾害治理的理论和控制技术都进行了深入的研究，并取得了丰硕的研究成果。 美国有 30 个州出现了采空区地面沉降的问题，其中地下开采最大的宾夕法尼亚、西弗 吉尼亚、肯塔基、俄亥俄和伊里诺斯等五个州沉陷问题最为突出。针对这种现象，美国 1 恊论 3 各主要采煤的州都成立了处理采空区沉陷问题的专门机构， 并有专门处理采空区地基的 岩土公司，在采空区开采沉陷以及地表建筑的地基处理有比较丰富的经验[1]。 20 世纪 70 年代，Jones 等人[5]研究了采空塌落对公路的影响；80 年代以来， Jones1988[6]、 Sergeant1988[7]、 M. C.Wang1982[8]等人又分别研究了采矿及下伏空 洞对建筑物的影响， 这些研究都是建立在特定的实验点上， 主要是靠以往的经验和调查， 而且侧重于对灾害的评价，没有系统的普遍规律，对于采空区上部建筑物地基破坏机理 和建筑物地基灾害防治措施并没有进行深入的研究[17]。此外，欧美国家一些专家学者也 不同程度地研究了洞穴的塌陷对地面基础工程的影响。八十年代后期及九十年代初， Sirivardane 和 Amanda1991[10]、X.L.Yao1993[11]、Wood1990[12]等学者相继运用有限 元和边界元法研究了采动覆岩产生垮落的开采条件和垮落高度、 覆岩产生离层裂缝的力 学条件及离层裂缝的位置和高度等。 Drum[9]等一些欧美国家的专家学者在实际调查的基 础上，通过建立简单的弹性力学模型，研究了弹性极限条件下岩土体的沉陷破坏机理以 及对基础工程的影响[16]。 1.3.2 国内悁究动态现状及发展趋势 新中国成立以来，我国对地下煤炭开采产生的开采沉陷现象，地表沉陷，建筑物地 基稳定性评价等问题投入了大量的人力、物力和财力进行科学研究工作，得出了丰富的 实际经验和科研成果，为开展建筑物下采煤和建筑物的保护奠定了基础。六十年代末， 唐山煤炭研究分院、枣庄、本溪矿务局根据我国建筑物的特点，就提出了建筑物受采动 影响的破坏程度与地表变形值的相互关系[7]。经过几十年来的发展，对于采空区破坏变 形规律和地表移动规律等研究方面取得了丰富的成果。 目前对于采空区建筑地基稳定性研究主要体现在以下三个方面 1开采沉陷力学机理研究 传统的力平衡分析方法主要根据工程地质手册第三版，1992中提供的临界埋 深的计算公式来评价采空区对建筑地基的适宜性。陈海波、何万龙1998在研究小煤窑 采空区建设大型电厂的地基稳定性时，提出了以由巷道宽度、采空区覆岩平均重度、建 筑物基底单位压力以及覆岩破坏角等固素决定的临界采深与所研究采空区的采深之问 的关系来评价采空区地基稳定性的方法。郭广礼，何国清等2003[29]在部分开采老采 空区覆岩稳定性分析 一文中， 专门针对我国较普遍的老窑和小窑部分开采采空区问题， 对其地表破坏特征、覆岩稳定性分析和评价方法等问题进行了讨论，提出了用采深与保 持极限平衡的临界采深的大小关系法和安全系数法对不同条件下的覆岩进行稳定性判 别。除力平衡分析方法以外，腾永海等1997采用附加应力法，提出了以建筑物荷载影 响深度与采空区冒落裂隙带发育高度是否重叠来确定建筑物层数、 判断采空区地基的稳 定性的方法[20]。刘占魁等1997[21]运用岩体结构力学原理方法，从岩体的破裂深度和变 西安科技大恘硕士恘位论文 4 形量两个因素， 研究了附加荷载作用下采空区上覆岩体的稳定性。 崔希民、 陈至达1997 利用平均整旋角概念和裂纹产生与扩张的几何准则， 建立了确定水下采煤裂隙带高度的 方法[22]。 2相似材料模拟研究及开采沉陷理论预计法 为了能更真实的反应采空区岩体移动及破坏特点，国内许多学者运用相似材料模拟 对采空区进行了研究。康建荣1999等人[13]，运用相似材料模拟和离散元法研究了采动 覆岩离层形成的过程、机理及基本规律，并开发了适用于任意形状、多工作面、多开采 线段的开采沉陷预计系统MSPS 。 这些研究成果为进一步研究老采空区在建筑物荷载作 用下的地基稳定性问题奠定了基础。郝延锦、宁永香2000对厚松散层条件下采动程度 的确定方法进行了探讨，并应用数理统计原理整理和分析了大量的实测资料，研究了厚 松散层条件的岩层移动特征，对厚松散层条件下开采沉陷问题的进一步研究具有重要意 义。同时，国内一些学者还通过运用开采沉陷理论预计等方法对煤矿采空区地表移动及 变形规律进行研究；郭广礼2002等人根据长壁老采空区破裂岩体结构特点和活化机 理，建立了深部长壁采空区上方地表残余沉降预测的随机介质模型，并结合工程实例， 对地表残余沉降和变形分布进行了顶测，预测结果已成为各类建筑物抗变形结构设计的 基本依据；蒋卫东，李夕兵等2002采用采空区数量、采空区上部岩体厚度、裂缝密度 及裂缝集中度 4 个指标对采空区上部地表稳定性进行灰色定权聚类分析；尹光志2004 等采用相似材料模拟和数值分析，针对倾斜煤层的采煤沉陷地表移动规律进行了探讨 [14]，对现场开采具有一定的指导作用。高明中2004针对急倾斜煤层开采复杂的采矿地 质条件，运用实验室相似材料模拟方法，对煤层开采引起的岩体移动和地表沉陷进行了 研究，总结出急倾斜煤层开采重复采动所引起的厚冲积层岩体移动基本特征和地表沉陷 的相关参数[15]。刘秀英2004以山西省霍州矿物局辛置煤矿地质采矿条件为例，运用相 似材料模拟试验方法，对采动岩层的移动变形规律进行研究，并针对建筑物荷载对老采 空区地基稳定性的影响进行了分析。吕文玉等2007以‚太平煤矿采空区地表沉陷规律 研究‛项目为依托，以开采沉陷等理论为基础，对采空区地表沉陷规律作了一些研究， 对太平煤矿似膏体充填开采引起的地表沉陷进行了分析预计，获得了太平煤矿井下开采 引起的地表移动的基本特征和地表变形的相关参数，揭示了地表移动及变形的规律[19]； 杨梅忠等2007应用概率积分法对肥城曹庄煤矿造成的地表变形稳定性进行了评价，取 得了良好的效果[25]。 3数值分析方法 数值分析方法是目前研究煤矿采空区工程地质问题的常用方法。 它主要包括有限单 元法、边界单元法、离散单元法及有限差分法等。由于采空区建筑地基稳定性的力学分 析是一个极其复杂的问题，它不仅和开采煤层的厚度、倾角、埋深、上覆岩层的岩性、 物理力学性质、厚度、赋存状态、场地地形地貌、地质构造、水文地质条件以及煤矿开 1 恊论 5 采方法、开采面积、开采次数、顶板管理方法等地质采矿条件有关，而且也和新建建筑 物荷载的大小、基底型式、位置、基础的类型等密切相关。对于这样一个多因素影响的 复杂系统，采用数值方法进行计算成为首选的方法。常江1995以弹塑性理论为依据， 将老采空区地层概化为一个连续介质和碎裂介质的耦合体， 首次运用有限元法分析了不 同覆岩组合对采空区建筑地基稳定性的影响；康建荣1999[24]运用相似材料模拟和离散 元法研究了采动覆岩离层形成的过程、机理及基本规律，并开发了适用于任意形状、多 工作面、多开采线段的开采沉陷预计系统MSPS孙忠弟等人2000[25]研究高等级公路 下伏空洞对路基场地稳定性的影响时，开发了二维弹塑性理论有限单元法计算软件。袁 灯平等人2001尝试利用 ANSYS 有限元分析软件对某市拟建工业园采空区场地的稳定 性进行了模拟分析，模拟结果证明利用 ANSYS 进行开采沉陷特别是对深部矿区的模拟 尤为有效可行。张荣林2003对己形成多年的较大的连续采空区，采用三维数值法对其 稳定性进行了计算分析。孙占法2005用 RFPA 软件针对老采空区埋深对其上方建筑地 基稳定性影响进行了数值模拟研究[26]；焦俊虎2005应用非线性有限元方法研究采空区 建筑地基的稳定性进行了研究[27]；孙国权等2007运用 FLAC 对金属矿采空区稳定性进 行了分析[28]； 王生俊2005运用 FLAC3D对高速公路下伏采空区剩余沉降量进行了预计， 预计结果较为可靠[29]。 综上所述，对于采空区建筑地基稳定性的研究方面，无论从力学理论方法计算、试 验模拟还是通过数值模拟等方法上均取得了丰富的成果， 并在许多工程实践中得到了验 证和发展。这些都为进一步的研究老采空区拟建建筑物的稳定性问题奠定了坚实的基 础。 1.3.3 存在问题 尽管采空区的稳定性的研究己经有不少学者作了研究， 对生产和工程实践起到了一 定的作用，但总体来说，目前我国对采空区稳定性的研究仍然十分薄弱，还存在以下关 键问题亟待解决 l煤矿采空区对工程建设场地产生沉降、变形的机理尚需要进一步研究； 2对于岩体破碎后在不同地质采矿条件下的力学性质及其力学参数的测定方法的 研究不足； 3缺乏煤矿采空区对于工程场地的稳定性及其变形破坏规律、稳定性标准的研究。 煤矿采空区对于建筑物地基稳定性的问题的研究目前尚处于起步阶段， 但是许多学 科的发展为其深入研究提供了新的研究契机，特别是计算机技术的应用，使得原来的单 因素分析到多因素耦合阶段的发展，使得其结果更加贴近实际。总之，煤矿采空区对于 工程建设场地的影响是一个复杂的系统问题，采用数值模拟的方法不但可行，而且可以 花费较少的人力、 物力和较短的时间分析影响采空区地基稳定性的破坏机理和主要影响 西安科技大恘硕士恘位论文 6 因素，这对采空区建筑地基稳定性分析的理论及实践应用具有非常积极的意义。 1.4 研究内容 1 研究区内采空区上方地表运动破坏特征研究 煤炭大面积开采将对地表产生影响。不同的开采方法、开采深度、开采面积、顶板 管理方法、围岩物理力学性质以及场地地形地貌、地质构造、水文地质条件，会导致不 同形式的地表移动和破坏。主要有以下几种破坏形式⁑地表移动盆地；⁒地表裂缝； ⁓地表台阶；⁔塌陷坑。 2 分析采空区围岩破坏、地表移动变形基本规律 矿体从地下被采出后，采空区周围岩体内的原有应力平衡状态被破坏，引起应力的 重新分布，并导致围岩的移动、变形和破坏，直到达到新的平衡，即发生了岩层移动的 现象。 依据庞庄工业广场现场观测及物探、 钻探数据结果， 运用开采沉陷力平衡分析法， 研究在整个煤层采动完成后，其围岩的移动变形特征。通过数值积分法计算地表残余变 形量，分析采空区地表 3 研究煤矿采空区对地表建筑物的影响 1煤炭开采对地表建筑物的影响 煤炭开采对地表的影响主要有垂直方向的移动和变形如下沉、倾斜、曲率、扭曲， 水平方向的移动和变形如水平位移、拉伸与压缩变形以及地平面内的剪切应变。不同 性质、不同数值的地表移动与变形，对地表建筑物的影响各不相同。地表移动与变形， 破坏了建筑物与地基间的初始平衡状态，在建筑物中产生了附加应力，导致了建筑物变 形，直至破坏。地表移动与变形对上部建筑物的影响大致分为地表下沉对建筑物的影 响；地表倾斜对建筑物的影响；地表曲率对建筑物的影响；地表水平变形对建筑物的影 响；地表剪切变形、扭曲变形对建筑物的影响。 在开采影响下，地表移动与变形对建筑物的危害程度是不一样的。实际上，地表不 是单一的出现某一种变形，而往往是多种性质的变形同时存在。因此，建筑物往往受到 多种移动与变形的综合影响。在地下开采过程中，地表移动与变形也在随时间而发生变 化[16]。 2研究影响采空区建筑地基稳定性的主要因素 采空区的建筑地基是否稳定，对于采空区建筑物的安全正常使用关系重大。评价建 筑地基稳定性的主要指标包括附加作用下地层中的应力的影响范围、残余地表的倾斜 量、残余地表的水平位移、残余地表的曲率等。影响这些指标的主要因素，除了建筑物 本身的因素外，主要是采空区性质及其覆岩的性质的影响,研究表明影响老采空区建筑 地基稳定性的主要因素包括以下方面⁑采空区的开采方式和开采面积；⁒顶板管理方 式；⁓上部岩石的组成、层位及其岩石的物理力学性质；⁔开采深度即采空区的埋深； 1 恊论 7 ⁕上部土层的厚度；⁖采空区的倾角；⁗岩体本身的一些缺陷对采动区的地基稳定性也 有很大影响；⁘边缘煤柱的稳定性；⁙采煤厚度。 3煤矿采空区对拟建工业场地的稳定性评价 通过对采空区的应力、地表变形的模拟分析，确定采空区地表变形的主要规律和影 响采空区稳定性的主要因素；最后通过参照工程地质手册及相关资料的稳定性评价 标准，结合实际资料，综合评判在建筑物附加应力作用下老采空区地基的稳定性。 4采空区建筑地基处理措施研究 根据采空区地基稳定性的评价结果，结合该地区水文地质条件、开采特征、建筑地 基要求等，提出采空区地基处理方案和建筑物布置及抗变形设计要求。 1.5 研究方法 1通过对采空区工程地质勘察及地表变形的调查，确定采空区覆岩结构特征及‚三 带划分‛ ，采用开采沉陷概率积分法定量计算该采空区地面残余变形量。 2以庞庄煤矿工业广场采空区的地质采矿条件为原型条件，借助于 FLAC3D软件进 行数值模拟计算，数值模拟试验分为两个部分第一部分模拟开采沉陷过程，系统分析 在多层开采条件下，采动覆岩的移动和破坏规律以及地表移动变形规律；第二部分在拟 建建筑区施加均布荷载，模拟建筑物荷载作用下老采空区上方覆岩的‚活化‛变形及对 建筑物地基的影响； 3通过开采沉陷变形预计以及数值模拟分析研究，依据建筑地基及‚三下‛采煤的 相关规范，对庞庄工业广场采空区地基的稳定性进行分区评价，并提出治理措施建议。 西安科技大恘硕士恘位论文 8 1.6 技术路线 图 1.1 论文研究技术路线 徐州庞庄煤矿采空区对拟建电厂场地稳定性影响的研究 收集分析建筑物设计资料 调查收集地质采矿资料 工程勘察研究资料 厂 区 地 质 水 文 地质 地下开采 情况覆岩 破坏状况 地表及 岩层移 动参数 地基工 程地质 勘察 地表沉降 变形现场 观测数据 钻 探 物 探 研 究 建筑物结 构布置 荷载分布 建筑物荷载对采空区 ‚活化‛的影响研究 空洞分布、采动破裂岩体结构分类、 岩体原生结构面特征分析 残余沉降变形量计算 及沉降变形预计 地基承载力分析 数值模拟研究 采动覆岩移动破坏、地表移动规律， 建筑物荷载下地基稳定性分析 地基稳定性综合分析评价和 建筑物地基处理和建筑物抗变形措施研究 2 悁究区内地质和采矿基本特征 9 2 研究区内地质和采矿基本特征 2.1 地理位置及地形条件 研究区庞庄煤矿工业广场位于徐州市九里区西部图 2.1， 距徐州市区中心约 13km， 紧邻徐丰公路西侧，并有铁路专用线与陇海铁路相接，交通条件十分优越。 庞庄煤矿位于丰沛平原东南部，属华北平原的一部分，为古黄河泛滥形成的冲积平 原。 冲积层东北薄、 西北厚， 平均厚度 76.0m， 地表岩性为第四系全新统黄泛冲积粉土、 粉砂。区内地势较平坦，略显西北高、东南低的趋势。地表标高35m～42m，坡度约 为两千分之一。 而庞庄矿工业广场地面经人工改造后非常平坦， 其标高在 36～37m 之间。 图 2.1 交通位置示意图 拟建发电机组的工程建筑布置于庞庄煤矿工业广场内待拆除的建筑设施所占土地 上。其设计规划用地面积约 250 ha，大致地理坐标为东经 11706′20″、北纬 3420′31″。 地面经人工改造，非常平坦，其标高在 36～37m 之间。 西安科技大恘硕士恘位论文 10 庞庄煤矿工业广场 砖2 砼3 砼4 矿招待所 矿部办公楼 庞庄煤矿印刷厂 庞庄矿汽车队 砼4 砼4 庞 庄 邮 局 砖2 车间 车间 车间 车间 车间 车间 车间 车间 绞车房体育馆 砖2 庞庄煤矿 庞庄煤矿环卫队会堂 矿 保 卫 科 矿工集体宿舍 矿 女 工 宿 舍 矿供应科 风井 风井 风井 风井风井 风井风井 车间 车间 车间 空 矿务集团供销公司庞庄仓库 庞 庄 煤 矿 消 防 队 庞 庄 煤 矿 汽 车 队 庞庄矿木场 砖2 2 汽机房 室 内 配 电 装 置 电除尘器 锅炉房 除 氧 砼2 砖2 付井 车交平房 空 空 职工食堂 工区办公楼 运动场 球 球 电除尘器 球 主井 球 储 煤仓 厕 水水 水 水 水 水水 煤堆 煤堆 游泳池 水泥 水泥 徐 丰 公 路 徐 丰 公 路 建设用地边界 工程勘察边界 图 2.2 庞庄煤矿工业广场拟建工业用地平面图 2.2 区域气象及水文 2.2.1 气象 庞庄煤矿所在的徐州市属半湿润温暖季风气候区中的南温带鲁南气候区， 具有长江 流域和黄河流域气候过渡的性质，日照充足，年降水量充沛，冬寒干燥，夏热多雨，春、 秋季短。 多年平均气温 14‡， 历年最高气温 43.3‡1928 年 7 月 5 日， 最低气温-18.9‡ 1955 年 1 月 6 日。多年平均降水量 839.4mm，降水多集中在每年的 7～9 月份，约占 全年降水量的 67以上， 最大年降水量 1297.0mm1958 年， 最小年降水量 500.6mm1988 年。年平均蒸发量 1440mm。主导风向东南风。冻土平均深度为 29cm。 2.2.2 水文 研究区地表水系不发育，仅分布有小河汊，并因为采煤引起的地表塌陷，小河汊大 多并入塌陷积水区。塌陷区积水常年水位34.3m；雨季最高水位36.25m1982 年 7 月 22 日。 2 悁究区内地质和采矿基本特征 11 2.3 地层岩性及其构造 2.3.1 地藚岩性 庞庄井田内无基岩出露，据钻孔揭露资料，井田地层自上而下为第四系Q、二 叠系P、石炭系C、奥陶系O。其中，受煤层采空影响的地层有第四系Q、二叠 系上统上石盒子组P12S、二叠系下统下石盒子组P12X、二叠系下统山西组P11S。地层 综合特征地层单位、名称、厚度、标志层等见地层综合柱状图图 2.3 所示。其中二叠 系下统下石盒子组P12X含 1、2 号主采煤层、二叠系下统山西组P11S层含 7、9 号主采 煤层。 一第四系Q 庞庄井田范围内厚度 52.7～124.0m，平均 76.0m，不整合于各系地层之上。主要由 砾石、钙质结核、粘土、亚粘土、粉砂土和腐植土组成。由东南向西北逐渐增厚。 二二叠系上统上石盒子组P12S 厚 3.9～269.2m，平均 250m，整合于下石盒子组之上。为炎热气候下内陆河湖相沉积。 以杂色、灰绿色、灰色砂页岩、页岩为主,夹灰绿色、浅灰色细～中粒砂岩，中下部时夹 有煤线及炭质页岩，底部为灰～灰白色石英、长石粗粒含砾砂岩，间夹灰色，杂色页岩, 为本组与下统下石盒子组分界标志层。产烟叶大羽羊齿、剑形瓣轮木等化石。 三二叠系下统下石盒子组P12X 本组地层厚 170.7～299.0m，平均 217.0m。属内陆湖泊沼泽相沉积，含煤 4～8 层。 其中1、2 煤为可采煤层。按其沉积特征，本组地层可以分为四段，自下而上为 1灰色砂页岩偶夹煤线、杂色页岩、灰绿色砂页岩夹薄层细砂岩、杂色页岩。厚 约 60m。 2灰色页岩、杂色页岩、灰绿色砂页岩、灰～灰白色细～中粒砂岩。顶部的中粒砂 岩厚度为 2.87～31.50m, 平均 18.11m， 该砂岩层位稳定。下距 2 煤 44.17～76.20m，平 均约 60m，俗称 “60m 砂岩”，为本组标志层。该段地层约厚 78m。 3深灰色砂页岩、页岩、灰白色薄层细～中粒砂岩、灰黑色页岩、砂页岩、灰白色 中～细粒砂岩、夹有薄煤多层，其中1 煤为局部可采煤层，2 煤为稳定可采煤层。本 段地层厚 43m。 4灰绿～灰白色中～粗粒砂岩、灰色砂页岩、杂色铝土质页岩。底部的中～粗粒砂 岩即分界砂岩有时相变为页岩，厚度为 l.1～34.2m，平均为 13.0m，钙质或泥质胶结， 有时含细砾，为本组与山西组分界标志层。其上的杂色铝土页岩相对稳定，可作为层位 的对比标志。本段地层厚约 36m。 西安科技大恘硕士恘位论文 12 地 层 厚 度 m 煤 层 地 层 柱 状 煤 层 及 标 志 层 厚 度 m 地 层 单 位代 号 1 1 3 .0 1 S P 1 7 0 .7～2 9 9 .0 1 2 1 X P 9 6 .5～1 4 5 .4 2 1 7 .0 3 .1 0～5 .8 2 .3 0～5 .9 1 .1～3 4 .2 1 3 .0 0 .1～3 .0 1 .9 0 .3～4 .3 1 .0 2 S 1 P Q 3 .9～2 6 9 .2 2 5 0 .0 7 6 .0 5 2 .7～1 2 4 .0 4 .6～4 1 .7 1 3 .9 西 界 生 组 统 系 古 山 组 下 迭 子 盒 石 下 分 界 砂 岩 1煤 2煤 组统系界 上 上 统 二 上 组 子 盒 石 系界 四 第新 生 奎 山 砂 岩 7煤 9煤 及 标 志 层 不 整 合 面 砾 石 图 2.3 庞庄井田地层综合柱状图 2 悁究区内地质和采矿基本特征 13 四二叠系下统山西组P11S 本组地层厚 96.5～145.4m，平均 113.0m 。属滨海相沉积过渡为内陆沉积,沉积旋回 明显，可分为 3 个沉积旋回，含煤 4～5 层，其中7 煤为主采煤层，8、9 煤为局部可 采煤层。 1第三旋回灰白色细～中粒砂岩、灰色砂页岩、深灰色页岩、灰色薄层状砂岩、 杂色页岩，本段底部偶含 5、6 两层薄煤层，其中，5 煤为极不稳定煤层，6 煤由于受河 流冲刷而造成部分地段缺失。本段地层厚约 53m。 2第二旋回由灰白色中～厚层状、细～中粒砂岩、灰色砂页岩、深灰色页岩、砂 页岩、砂页岩互层、灰色砂页岩、8 煤、灰黑色页岩、7 煤组成。其中，8 煤为不稳定煤 层，7 煤为稳定煤层，局部含有夹矸厚 0.1～1.5m。本段地层厚约 20m。 3第一旋回灰色砂质页岩、深灰色砂质页岩与灰白色砂页岩互层、砂页岩、10 煤、深灰色砂页岩、