河南某煤矿采空区室内模型试验及数值模拟研究.pdf

分类号 密 级 UDC 单位代码 10078 华北水利水电大学硕士学位论文 河南某煤矿采空区室内模型试验及数值模拟研究 STUDY ON ONE GOLF IN HENAN BY MODEL EXPERIMENT AND NUMERICAL SIMULATION 研 究 生 姓 名 段 素 真 指 导 教 师 孙文怀教授 专 业 名 称 岩土工程 所 在 学 院 资源与环境学院 2016 年 05 月 万方数据 万方数据 万方数据 经济 万方数据 摘要 I 以河南某煤矿采空区室内模型试验及数值模拟研究 摘要 在对采空区沉陷的一般规律进行总结的基础上，利用层次分析法（即 AHP 法）对开采沉陷的影响因子进行了重要性排序；依据相似原理，以河南省某矿区 地质条件为原型，通过室内模型试验，对由煤层开挖引起的上覆岩层及地表的沉 降变形规律进行研究； 并使用有限元软件 MIDAS/GTS 对原型采空区进行数值计 算，以此为基础，分析不同开采工况对采空区“三带”及地表变形分布规律的影 响。取得的成果主要有 （1）通过 AHP 法对影响采空区沉陷的 11 个影响因子进行重要性排序。可 知采动程度（权重 0.3028） 、采高（权重 0.1907）是最重要的两个影响因子。 （2）在相似原理的基础上，开展了室内模型试验，包括试验装置设计、 相似常数选取、相似材料选择，模型开挖方案的确定、监测点布置方案、模拟开 挖、数据记录与分析等工作。结果表明在煤层开挖过程中，①⑥层的动态观 测曲线形态是一致的，且随着工作面推进距离的增加，采空区上覆岩体内部各点 的沉降值也在逐渐增加； 采空区中心位置处之上的沉降量较大，远离采空区方向 沉降量逐渐减小； 沉降趋于稳定后，在深度方向上离采空区越近所达到的最大沉 降值越大； 最终所得地表沉降曲线较平缓，地表沉降最大值在采空区中心位置处 的正上方，最大沉降值为 0.451 mm，相当于原型中的 90.2 mm。 （3）利用 MIDAS/GTS 建立原型采空区的三维模型，模拟煤层开采过程， 并将物理模型试验的结果与其进行对比分析， 对构建的数值模型及选取的参数进 行了验证。并以此为基础，模拟不同开采工况，即采宽、采深、采高等影响因子 的变化对沉陷规律的影响。结果表明不同开采工况下地表沉降曲线的形态始终 关于模型轴线，即采空区中央呈对称分布，沉降最大值始终在采空区中心之上， 远离采空区方向沉降值逐渐减小； 采空区之上 “三带” 的沉降量从大到小依次为 冒落带、裂隙带、弯沉带；而在采空区两侧煤柱附近各带的沉降量从大到小依次 为弯沉带、裂隙带、冒落带；在采深、采高相同的情况下，随采宽的增加，地 表沉降范围和程度均在增加。 地表水平位移从采空区中心向两侧的变化是先增大 后减小，且随着采宽的增加，水平位移最大值的位置由采空区边界逐渐向煤柱侧 移动；在采宽、采高相同的情况下，随着采深的增加，即采动程度的降低，地表 下沉量和地表水平位移均减小，冒落带、裂隙带的沉降量略有增加，而弯沉带的 沉降量则变化不大。 地表下沉盆地越来越平缓， 受影响的覆岩范围增加； 在采宽、 万方数据 华北水利水电大学硕士学位论文 II 采深相同的情况下， 当开采高度到达某一临界值时， 对地表沉降产生较大的影响。 采高的变化对地表水平位移的影响不大。随采高的增加， “三带”的沉降量均在 增加，但增加值较小。上覆岩层受采动影响的范围变化不大。 关键词关键词采空区；层次分析法；相似原理；室内模型试验；MIDAS/GTS 万方数据 ABSTRACT III STUDY ON ONE GOLF IN HENAN BY MODEL EXPERIMENT AND NUMERICAL SIMULATION ABSTRACT Based on the summary of general law of gob subside, a of Analytic Hierarchy ProcessAHP is used to rank the factors of subside caused by exploit, movement and displacement discipline of the overlying strata and the ground is studied by lab experiment according to the theory of similar, taking a gob in Henan as an prototype; numerical simulation of the prototype is conducted using MIDAS/GTS, which is followed by the research of effects of different conditions on the distribution law of the displacement of ‘ three zones ’and ground. The following shows the main work and results 1AHP is used to rank the importance of 11 factors affecting the subsidence of gob, including geology, circumstance and exploiting. mining degreeweight 0.3028,mining height0.1907 are found to be the first two factors. 2According to the theory of similar, lab experiment is conducted consisting of the design of the test apparatus, selection of affinity constant and materials, determination of mining plan and monitoring point and the record and analysis of the data. The results show that the shape of the monitoring lines of the every layer is accordant, and the settlement of each point over the gob increases with the augment of the mining progress. The displacement of monitoring points decreases as the distance to the central increases, reaching the maximum value on the center. Points closer to the gob have bigger maximum values in deep direction. The subsidence curve of the ground surface is smooth, maximum settlement point is over the center of the gob with a value of 0.451 mm, equal to 90.2 mm in the prototype model. 3In order to verify the practicability of numerical simulation and validity of the parameters, compare between the results of experiment and simulation of the prototype by MIDAS/GTS is conducted, then different conditions are considered to research their effects on the subside law. The settlement curve is symmetry on the central axe under different conditions, points with maximum displacement appear on the central part of the gob, points far away from the goal less displacement. The 万方数据 华北水利水电大学硕士学位论文 IV settlement of the three zones varies with deep, following the order of caving zone, fracture zone and sagging zone, while it is the opposite to the region near the coal pillar. The subside settlement and degree increase with the mining width. Horizontal displacement of the ground surface increase first and decrease later from the central two sides of the gob. With the increase of mining width, points with maximum horizontal displacement move from the edge to the coal pillar. Besides, the vertical and horizontal displacements decrease as the mining depth increases, but a little increase for caving zone and fracture zone. The critical value of mining height has a big effect on the ground settlement. The effect on the ground surface and extent of mining height is not obvious, which is the same to the three zones. KEYWORDS Gob; Analytic Hierarchy Process; Similar theory; Lab experiment; MIDAS/GTS 万方数据 目录 I 目录 摘要........................................................................................................................ I ABSTRACT ......................................................................................................... III 目录........................................................................................................................ I 1 绪论..................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及研究意义.............................................................................. 1 1.2 国内外研究现状...................................................................................... 2 1.2.1 采空区沉陷理论研究现状........................................................... 2 1.2.2 采空区相似材料模型试验研究现状........................................... 3 1.2.3 采空区数值分析研究现状........................................................... 5 1.3 主要研究内容.......................................................................................... 6 1.4 研究路线.................................................................................................. 6 2 采空区沉陷机理及影响因素分析..................................................................... 9 2.1 开采沉陷.................................................................................................. 9 2.2 采空区上覆岩层及地表移动变形规律.................................................. 9 2.2.1 岩层移动及其形式....................................................................... 9 2.2.2 采动岩层内的变形划分............................................................. 10 2.2.3 地表的移动和变形规律............................................................. 11 2.3 开采沉陷的影响因素分析.................................................................... 13 2.3.1 层次分析法（AHP）的基本原理及步骤 ................................ 14 2.3.2 层次分析法分析过程................................................................. 16 2.3.3 层次分析法的计算结果............................................................. 19 2.4 本章小结................................................................................................ 19 3 采空区相似材料确定及试验模型箱设计....................................................... 21 3.1 概化研究区地层.................................................................................... 21 3.2 相似模拟试验原理................................................................................ 21 3.3 相似常数的选取.................................................................................... 23 3.4 相似材料的选取.................................................................................... 23 3.5 试验装置设计........................................................................................ 26 3.5.1 试验装置技术背景..................................................................... 26 3.5.2 试验装置设计介绍..................................................................... 26 3.5.3 试验装置方案............................................................................. 26 万方数据 华北水利水电大学硕士学位论文 II 3.5.4 试验装置主要使用步骤............................................................. 27 3.6 本章小结................................................................................................ 27 4 采空区室内模型试验过程及结果分析........................................................... 29 4.1 试验过程描述........................................................................................ 29 4.1.1 模型制作..................................................................................... 29 4.1.2 模型开挖方案............................................................................. 31 4.2 模型位移监测点布置方案.................................................................... 31 4.2.1 布置依据..................................................................................... 31 4.2.2 模型试验监测点布置................................................................. 32 4.3 位移观测仪器的选择安装.................................................................... 33 4.4 煤层开采与试验结果分析.................................................................... 34 4.4.1 煤层开采与数据记录................................................................. 34 4.4.2 相似材料模型试验结果分析..................................................... 35 4.5 本章小结................................................................................................ 41 5 不同开采工况下采空区沉陷机理的数值模拟研究....................................... 43 5.1MIDAS/GTS 软件简介 .......................................................................... 45 5.2 不同开采工况下的数值计算................................................................ 46 5.2.1 模拟工况划分............................................................................. 46 5.2.2 计算模型及参数选取................................................................. 47 5.2.3 初始应力场求解......................................................................... 48 5.2.4 开挖方案..................................................................................... 49 5.3 数值模拟结果分析................................................................................ 49 5.3.1 室内模型试验数值模拟结果..................................................... 49 5.3.2 不同工况数值模拟结果............................................................. 52 5.4 本章小结................................................................................................ 59 6 结论和展望....................................................................................................... 61 6.1 主要结论................................................................................................ 61 6.2 进一步工作的方向................................................................................ 62 攻读学位期间参加的科研项目及发表的学术论文.......................................... 63 致谢...................................................................................................................... 65 参考文献.............................................................................................................. 67 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 地下煤矿资源开采后形成了采空区， 采矿过程打破了采空区周围岩石的初始 应力平衡， 使岩石产生变形， 完整性受到破坏。 当采空区面积增加到一定程度时， 将会引起岩层的移动，且移动、变形会向上部岩体逐渐扩展直至到达地表，表现 在地表的形式是地表破裂、塌陷[1-3]。开采沉陷会对环境造成一定的影响，主 要表现在对生态环境的破坏，如开采沉陷会严重损坏土体资源，造成耕地面积 减少，破坏地表构筑物等；对水的影响，地下煤层开挖会导致覆岩及地表破坏， 从而影响地下水及地表水[4, 5]，给矿区人民的生产生活造成困扰。同时，开采沉 陷可能诱发地震、滑坡、塌陷等地质灾害[6]。因开挖煤层造成的事故屡见不鲜， 如 2014 年 10 月 24 日，发生在乌鲁木齐某采空区的冒落事故，造成 16 人死亡、 11 人受伤的后果；2013 年，湖北某采空区发生塌陷事故，造成 6 名工人被埋的 严重后果；2011 年 8 月，邵东县采空区连续发生两起坍塌事故，在地表形成了 两个面积约 120 ㎡和 200 ㎡、深约 30m 的大坑；据统计，在 2009 年2010 年期 间，陕西神木由于采空区塌陷引发的地震已有 11 次。采空区塌陷所带来的严重 后果给我们敲响了警钟，因此，就矿产资源的安全生产和可持续开发利用、生态 环境的保护及保障矿区人民的人身安全、生产生活而言，对煤层开采引起的上覆 岩层和地表的变化规律、沉降问题的深入研究是十分必要的。 开采沉陷是一个复杂的物理力学过程，由于采空区周围岩体本身的复杂性、 各种地质作用（褶皱、断层等）的存在，以及不同开采方法对岩体的影响不同， 使得解决此类问题具有一定的难度。然而为满足我国现代化建设的需要，在矿区 形成了大范围的采空区， 加上矿区土地资源的限制， 已严重制约了我国高速公路、 铁路等重要基础设施建设及矿区城镇建设的发展；据不完全统计，我国“三下” 压煤量总计达 140 亿 t，其中建筑物下 87.6 亿 t，而如何能对“三下”的压煤进 行安全而高效的开采，已成为矿业工作者面临的主要问题。我国采用的主要方法 是留设保护煤柱，但是，留设煤柱会造成大量的煤炭资源损失，如何确定留设煤 柱的尺寸、形状是否合理也是我们面临的主要问题留设的煤柱尺寸过小就不能 起到保护地表构筑物的作用，尺寸过大会带来不良的技术经济后果。因此，深入 研究由开采引起的岩石和地表的移动规律不仅为采空区稳定性评估及治理工作 提供一定的理论依据，还为国民经济的发展、矿区人民的人身安全和生活提供一 定的保障。 本文选取河南省某矿区作为研究原型，对其地质条件进行概化， 以相似理论 万方数据 华北水利水电大学硕士学位论文 2 为基础开展室内模型试验，模拟煤层开采，对采动过程中上覆岩层及地表的移动 规律进行研究， 然后利用有限元软件对采空区原型开采过程进行数值模拟，并对 比二者上覆岩层及地表的沉降情况。 在此基础上， 分析不同开采条件对采空区 “三 带”及地表变形分布规律的影响。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 采空区沉陷理论研究现状 由于有用矿物开采后产生的开采沉陷与经济的发展和人民安全生活是相互 影响、相互矛盾的。为解决好这个矛盾，世界各主要采煤国家的学者都对开采沉 陷进行了深入的研究。 比利时学者 Gonot 早在 1838 年就提出了开采沉陷的“垂线理论” ，随后又依 据实测资料提出了“法线理论” 。1876 年，德国的 Jicinsky 提出了“二等分线理 论” 。1885 年，法国的 Fayol 提出了“圆拱形理论” ，并探讨了岩梁变形的力学机 理。1907 年，普罗托齐雅科诺夫在实测资料及模型试验的基础上，提出了天然 平衡拱理论，又被称为“普氏平衡拱理论” 。1909 年，Korten 在实际观测资料上 的基础上，得到了地表水平移动及变形的一般规律。19241941 年，Schlitz、 Keinhorst、Bals 等通过对开采影响的范围及分布规律的研究，提出了连续影响分 布函数。1947 年，阿维尔申通过塑性力学理论研究采空区地表沉降规律，并建 立了指数函数形式的地表移动盆地剖面方程。1953 年，Salustlwicz 在弹性基础 梁理论的基础上，得到了波动下沉剖面方程。1954 年，波兰学者 Litwinszyn 利 用随机介质理论研究覆岩、地表的移动问题，将岩石看作是不连续介质，提出了 随机介质理论。至此，国外开采沉陷学的理论体系已逐步形成。 我国从 50 年代开始对开采沉陷理论进行研究，经过长期的不懈努力，已形 成符合我国实际煤矿开采情况的开采沉陷理论。1965 年，刘宝琛、廖国华[7]等在 随机介质理论的基础上提出了概率积分法， 是现阶段预计采空区沉陷的主要方法。 1982 年， 何国清[8]等用碎块体理论对由于开挖煤层引起的上覆岩层及地表的移动 规律进行了研究， 将威布尔分布型影响函数应用到开采沉陷的预计中。 1983 年， 李增琪[9]利用富氏积分变换对开采引起的地表移动进行了计算，取得了满意结果。 1987 年，张玉卓[10]等利用位错理论及边界元法对开采引起的上覆岩层的移动问 题进行了研究。 1989 年， 钱鸣高[11]等对采空区上覆岩层的结构形态进行研究时， 提出了采场上覆岩层“砌体梁”结构力学模型，后来发展为“关键层理论” 。1994 年，吴立新[12]等对地下连续大面积开挖时托板控制岩层的变形破坏模式进行了 研究。1995 年，刘天泉[13]提出了矿山岩体采动影响与控制工程学。1996 年，邓 喀中[14, 15]等通过损伤有限元对开采沉陷的岩体节理效应进行研究。2000 年，郭 万方数据 1 绪论 3 增长[16]等采用概率积分法对不充分采动情况下地表移动变形进行了计算。2006 年，郝延绵[17]等将采空区上覆岩层假设为弹性薄板，在弹性板理论的基础上建 立了预计开采沉陷的模型。总的来说，国内外研究者在研究采空区上覆岩体及地 表的移动和变形规律时，主要采用了以下方法[7] 1、几何理论是指从几何学的角度来研究采矿影响分布规律的地表沉陷理 论。 虽然其不能明确的解释岩石及地表移动的力学本质， 但因简便且又符合实际， 也得到了广泛应用。 2、 统计类比法 通过对矿区地表及岩石移动的大量现场观测资料进行统计， 找到典型岩石和地表移动的特征和变形指标，再用类比的方法，将该矿区的观测 结果应用到另一个同类型的矿区。统计类比法也无法说明开采沉陷的力学本质。 3、经验公式法通过实测资料或是模型试验的结果，给出地表下沉和水平 移动分布规律的数学表达式，即为经验公式。其适用范围有一定局限性，对符合 一定类型的分布规律适用，对其他类型则不成立，且不易阐明岩体移动的本质。 4、力学研究方法目前利用较多的力学研究方法主要有可变形连续固体 力学和随机介质力学。其中可变形连续固体力学是指将岩层视为一个整体，用弹 性、 塑性、粘性或它们的组合模型的力学方法研究采空区上覆岩石移动的力学过 程；随机介质力学法是将岩石移动视为随机过程来进行研究。 5、模拟研究法模拟研究法包括物理模拟法和数值模拟法。物理模拟实验 是在相似理论的基础上，对实际采煤过程进行再现以揭露岩石移动的一般规律； 数值模拟法是在计算机水平不断提高的基础上发展起来的一种研究方法， 由于其 能够较准确的对采空区沉陷过程进行模拟， 该方法已在研究复杂岩体力学问题方 面得到了广泛应用。 1.2.2 采空区相似材料模型试验研究现状 矿山岩体是一种属性复杂的介质， 矿山开采引起的覆岩与地表移动是一个复 杂的力学过程，受开采影响的岩体可能会同时发生不同性质的变形现象，如弹性 变形、塑性变形、断裂、破坏等过程，且该过程具有不可视和不可触性，给理论 研究与实际监测增加了难度。所以，开采沉陷过程的理论计算有时很难实现。在 实际开采条件下的研究，不仅工作量大，而且周期长、费用也高，有时需要反复 试验某个影响因素对参数的影响，这在现场是很难实现的。因此，通过室内模型 试验来呈现开采过程，已成为研究采空区沉陷机理的一种有效手段。与采空区沉 陷的实测研究方法相比，实验室模型试验研究方法有以下优点[2]1）在实际开 采过程中，地质条件是不变的，而利用模型试验研究方法，可依据试验目的对某 地质条件进行多次改变，从而研究不同地质条件对开采沉陷的影响；2）生产实 际中发生的开采沉陷是在特定时间内，如果没能在该时段内记录下沉陷数据，则 万方数据 华北水利水电大学硕士学位论文 4 此开采的真实数据将无法再得到，而在模型试验研究中，开采沉陷的模拟时间可 人为操控，也可重复进行，就不会发生上述情况；3）可避免在实测过程中遇到 的恶劣天气、陡峭的山区、积雪覆盖观测站等不利条件的影响；4）在模型试验 中， 可在开采前按照要开采的采矿地质条件预先进行模拟，从而得到此开采特有 的沉陷规律。 由于相似模型试验研究的优点，使该种研究方法得到了广泛应用。许多学者 通过模型试验对不同类型的采空区沉降及其它有关问题进行研究， 并取得许多有 益的结果如隋惠权[18]等用相似材料模型试验研究地下采矿引起的岩层内部移 动和变形规律， 为指导实施离层充填技术的工程实践提供了理论基础。 翟新献[19] 利用中比例相似材料模型对放顶煤开采所引起的顶板岩层结构的改变及移动变 形规律进行研究，得到了上覆岩层内部结构的变化规律。邓喀中[20]依据相似材 料物理模型试验的结果， 对开挖煤层后岩体移动的界面效应及界面滑移量与相关 影响因素的关系进行了分析，得到了界面滑移函数。Wu Kan[21]等采用物理模型 试验和数字摄影测量对煤矿上覆岩层的动态移动和移动边界的分布进行研究。 分 析结果表明覆岩的动态移动经历了初始、加速、缓慢阶段；上覆岩层的移动边 界不是直线，是“S”型曲线。Guo Guangli[22]等利用相似材料模拟和数值模拟方 法对长壁综采矸石回填技术