陆家沟煤矿大采深综放开采地表移动变形规律研究(1).pdf

论文题目陈家沟煤矿大采深综放开采地表移动变形规律研究 工程领域矿业工程 硕 士 生王昭舜 （签名） 指导教师余学义（校内） （签名） 李广成（校外） （签名） 摘要 陈家沟煤矿八采区具有特殊的地质开采条件。开采煤层属于特厚煤层，采用综放开 采方式，且开采区地表有大量村庄及建筑设施，因此，展开对陈家沟大采深综放开采地 表移动变形规律的研究具有重要的应用价值。 为研究大采深综放开采地表移动变形规律，以陈家沟煤矿八采区 8512、8513 综放 工作面地表移动观测数据为基础，研究两个综放工作面开采条件下地表移动变形规律， 在此基础上，运用概率积分法构建预计模型，应用观测数据对比拟合修正模型参数，得 出在此条件下的概率积分预计参数，研究充分采动条件下地表移动变形规律。 通过观测数据拟合修正得出概率积分预计参数下沉系数0.45、主要影响角正切 值 tanβ1.79、水平移动系数 b0.3 和拐点偏移距 S/H0.05，以及主要角量参数。应用 概率积分预计的拟合参数进行开采地表移动变形规律模拟，结果表明工作面宽深比为 0.24 时地表属于极不充分采动， 工作面宽深比为 0.48 时地表属于非充分采动状态， 工作 面宽深比为 0.96 时地表基本达到充分采动状态，地表经历极不充分非充分充分采 动状态的演化过程，下沉盆地由的“V 型”发育到“碗型” ；地表由极不充分采动向非充 分采动发育过程中，地表移动值增长较快，沉陷盆地角量变化较大，从非充分采动向充 分采动发育过程中，地表沉陷盆地角量变化较小，最大下沉角逐步接近 90。 基于关键层理论并结合 3DEC 数值模拟方法，模拟了多个工作面开采后，关键层断 裂失稳与地表移动的关系。结果表明工作面宽深比为 0.24 时，关键层 2 以下的岩层均 断裂破坏，关键层 2 起着控制覆岩沉陷的作用，但是关键层 2 以上岩层在移动过程中还 会出现离层结构， 发育到地表的沉陷量小于关键层2的挠曲量； 工作面宽深比为0.48时， 关键层破断、结构失稳，地表为非充分采动；工作面宽深比为 0.96 时，覆岩关键层 2 与 其下伏岩层之间的离层闭合，关键层 2 的铰接结构范围在横向发育，直到完全压实后就 不再继续发生下沉。研究结果对陈家沟煤矿“三下”开采具有重要的应用价值。 关 键 词关键层；开采沉陷；非充分采动；概率积分法；科学开采 研究类型应用研究 Subject Study on surface movement and deation law of fully- mechanized caving mining with large mining depth in chenjiagou coal mine Specialty Mining Engineering Name Wang Zhaoshun Signature Instructor Yu Xue-yi Signature Li Guang-cheng Signature Abstract The eight mining area of Chenjiagou Coal Mine has special geological mining conditions. The mining coal seam belongs to extra-thick coal seam, which adopts fully-mechanized caving , and there are a large number of villages and construction facilities on the surface of the mining area. Therefore, it is important application value to study the law of surface movement and deation in Chenjiagou fully mechanized caving mining. In order to study the law of surface movement and deation in fully mechanized top coal caving with large mining depth, based on the observation data of surface movement in fully mechanized caving face of 8512 and 8513 in the eight coal mining area of Chenjiagou Coal Mine, the law of surface movement and deation in mining under two fully- mechanized caving face On this basis, the probability integral is used to construct the prediction model, and the observed data is used to compare and fit the modified model parameters, and the probability integral prediction parameters under this condition are obtained, and the law of surface movement and deation under full mining conditions is studied. Through the fitting and correction of observation data, the predicted parameters of probability integral are obtained as follows subsidence coefficient  0.45, tangent value of main influence angle Tan β 1.79, horizontal movement coefficient b 0.3, inflection point offset S/H 0.05, and main angle parameters. The results show that when the width depth ratio of working face is 0.24, the surface belongs to the state of insufficient mining; when the ratio of width to depth is 0.48, the surface belongs to the state of insufficient mining; when the ratio of width to depth of working face is 0.96, the surface is close to the state of full mining, and the surface experiences the state of extremely insufficient insufficient full mining In the process of development, the subsidence basin developed from “V-shape“ to “bowl type“; the surface movement increased rapidly and the angle of subsidence basin changed greatly in the process of insufficient mining development. The angle of surface subsidence basin changed little and the maximum subsidence angle gradually approached 90 in the process of fully mining development. Based on the key stratum theory and 3DEC numerical simulation , the relationship between the fracture instability of key stratum and the surface movement after mining in multiple working faces is simulated. The results show that when the width to depth ratio of working face is 0.24, the strata below sub key stratum 2 are all fractured, and sub key stratum 2 plays a role in controlling the subsidence of overburden, but the strata above sub key stratum 2 will appear layer separation structure in the process of movement, and the amount of subsidence developed to the surface is less than that of sub key stratum 2; when the width depth ratio of working face is 0.48, the key layer is broken, the structure is unstable, and the surface When the width depth ratio of working face is 0.96, the separation layer between the sub key stratum 2 of overburden and its underlying rock layer is closed, and the hinged structure of sub key stratum 2 develops laterally, and it will not continue to sink until it is fully compacted. The research results have important application value for “three under“ mining in Chenjiagou coal mine. KeywordsKey strata; Subcritical subsidence; subcritical extraction; Probability integral ; Sustainable mining Thesis Applied research 目录 I 目 录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 选题的背景 ..................................................................................................................... 1 1.2 研究的意义 ..................................................................................................................... 1 1.3 国内外研究现状及发展 ................................................................................................. 2 1.3.1 地表沉陷国内外研究现状 ....................................................................................... 2 1.3.2 大采深综放开采地表移动规律研究现状 ............................................................... 3 1.3.3 极不充分与非充分采动地表移动规律研究现状 ................................................... 4 1.3.4 岩层控制理论研究现状 ........................................................................................... 5 1.4 研究内容 ......................................................................................................................... 6 1.5 研究方法及技术路线 ..................................................................................................... 6 1.5.1 研究方法 ................................................................................................................... 6 1.5.2 技术路线 ................................................................................................................... 7 2 采区地质采矿条件及影响地表移动因素分析 .................................................................... 9 2.1 矿井简介 ......................................................................................................................... 9 2.1.1 地表地形 ................................................................................................................... 9 2.1.2 地质特征 ................................................................................................................... 9 2.1.3 煤层赋存 ................................................................................................................. 15 2.1.4 开采现状 ................................................................................................................. 16 2.2 影响地表移动变形的主要因素分析 ........................................................................... 17 2.3 本章小结 ....................................................................................................................... 18 3 地表移动观测分析 .............................................................................................................. 20 3.1 观测站及观测线设计 ................................................................................................... 20 3.2 地表移动观测成果分析 ............................................................................................... 21 3.2.1 地表岩移参数 ......................................................................................................... 21 3.2.2 概率积分参数 ......................................................................................................... 24 3.2.3 8512 工作面地表移动观测数据分析 ..................................................................... 26 3.2.4 8513 工作面地表移动观测数据分析 ..................................................................... 29 3.3 本章小结 ....................................................................................................................... 32 4 覆岩移动变形规律 .............................................................................................................. 33 4.1 覆岩结构理论分析 ....................................................................................................... 33 4.1.1 关键层力学模型建立 ............................................................................................. 33 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 II 4.1.2 关键层位置计算 ..................................................................................................... 33 4.1.3 关键层破断判定 ...................................................................................................... 35 4.1.4 覆岩最大挠度计算 ................................................................................................. 36 4.1.5 各岩层最大下沉空间计算 ..................................................................................... 38 4.1.6 “三带”高度理论确定 .............................................................................................. 38 4.2 基于 3DEC 的数值模拟实验 ....................................................................................... 39 4.2.1 实验目的 ................................................................................................................. 39 4.2.2 模拟实验数据分析 ................................................................................................. 39 4.2.3 数值模拟几何模型建立 ......................................................................................... 40 4.3 数值模拟结果分析 ....................................................................................................... 41 4.3.1 8512 工作面模拟结果分析 ..................................................................................... 41 4.3.2 8513 工作面模拟结果分析 ..................................................................................... 43 4.3.3 模拟数据与实测数据对比分析及回归分析 ......................................................... 45 4.3.4 8511 工作面模拟结果分析 ..................................................................................... 46 4.3.5 8514 工作面模拟结果分析 ..................................................................................... 47 4.3.6 工作面模拟开采后参数计算 ................................................................................. 49 4.4 本章小结 ....................................................................................................................... 49 5 概率积分法预计地表移动变形 .......................................................................................... 51 5.1 概率积分法预计模型 ................................................................................................... 51 5.2 概率积分预计参数拟合 ............................................................................................... 52 5.3 地表移动变形预计 ....................................................................................................... 54 5.4 地表移动变形对比分析 ............................................................................................... 57 5.5 本章小结 ....................................................................................................................... 59 6 结论 ...................................................................................................................................... 60 致 谢 ........................................................................................................................................ 61 参考文献 .................................................................................................................................. 62 附 录 ........................................................................................................................................ 67 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的背景 中国作为一个煤炭资源丰富的国家， 煤炭资源在国家经济发展中起着举足轻重的作 用。数据显示，我国建筑物下“压煤”占全国“三下”压煤总量的 61％[1-4]。随着经济的 快速发展，供求关系的过度扩张，导致煤炭资源一直处于产量过剩，过度开发对生态环 境的负面影响更为显著。 开采沉陷给地表移动变形带来的一系列灾难性后果也日益增多， 不仅威胁着人民群众的生命安全，而且严重制约着矿区的经济发展。解决这些问题的前 提是对开采后地表移动变形规律进行研究，从而实现科学采矿。 以陈家沟煤矿八采区为研究背景，八采区范围内主采煤层（煤 5） ，煤质属特低硫、 特低灰、高化学活性的长焰煤，是良好的动力、化工及民用煤。煤层倾角相对平缓，倾 角约 6，埋深约为 500～600m（超过 500m 即为大采深） ，煤层平均厚度 26m。采用分 层综放采煤法，一分层开采厚度 13m。 八采区地表分布有大量村庄、道路等基础设施。八采区采动影响范围内，从南到北 有华亭县东华镇所属 6 个村庄，约 700 幢房屋。除少量房屋在山地缓坡之上，大部分房 屋所在地形较为开阔平坦。由于一次性搬迁难度大，故而随开采工作面推进，逐步考量 是否需要搬迁，因此研究该区域地表移动变形规律就显得尤为重要。 采区内单个工作面宽度均为 120m，开采顺序为 8512 工作面→8513 工作面→8511 工作面→8514 工作面。目前已开采 8512、8513 两个工作面，随着开采工作面数目（开 采宽度）增加地表移动变形规律是保障地表建筑设施安全的关键问题。故而研究重心即 陈家沟煤矿地表移动变形规律。 综上所述，八采区开采涉及地表村庄下安全与科学开采问题。这些难题科学有效解 决的基础是煤层开采覆岩与地表移动规律的研究。目前，虽然陈家沟煤矿已经在 8512、 8513 工作面开采过程中进行了开采地表移动观测研究，但是观测的开采类型为单一工 作面开采，缺少多工作面开采后覆岩与地表移动规律研究。在此背景下，展开了大采深 综放开采地表移动变形规律的研究。 1.2 研究的意义 论文的研究目的是掌握该区域在地表达到充分开采状态， 覆岩及地表移动变形规律。 根据临界采动程度系数宽深比 1/3 初步判断[5]， 8512 工作面开采后地表为极不充分采动， 8513工作面开采后地表为非充分采动， 8514工作面开采后地表基本达到充分采动状态。 基于观测数据运用概率积分法构建预计模型并得出在此条件下的概率积分预计参数， 从 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 而预计全盆地地表移动变形， 以及数值模拟研究覆岩关键层对地表下沉的控制机制及多 工作面开采覆岩活动规律，为矿区安全生产提供科学可靠的依据。研究的实际意义主要 有 （1）通过 2 个工作面开采（非充分采动）的地表移动观测，得出地表移动参数，为 地表村庄分期搬迁、 “三下”安全开采提供科学依据。 （2） 应用观测得出的地表移动参数， 结合覆岩关键层控制作用， 预计模拟多工作面 开采地表移动变形规律和地表沉陷灾害特征，为沉陷灾害控制提供依据。 1.3 国内外研究现状及发展 1.3.1 地表沉陷国内外研究现状 矿井开采引起的地表移动变形、覆岩破坏、建筑物受损、甚至出现下沉盆地等一系 列灾害。但由于各地区地质条件和开采技术与方法的不同，引起的地表移动规律也不尽 相同。故而研究国内外地表移动规律的发展，对于掌握该地区地表移动变形规律具有极 为关键的借鉴意义。 1国外研究现状 在 19 世纪初期， 地表沉降理论还处于认识阶段。 从早期的 “垂直理论” 假说到 1858 年，比利时学者 Gonot 提出了基于观测数据的“正态理论” ，并确定了采空区上下边界 的开采影响范围[6-7]。1876 年，德国学者 Jicinsky 提出“二等分线理论” 。1882 年哥西哈 提出“自然斜面理论” ，1885 年，法国 Fayol 提出了“拱形理论” 。1887 年，Hausse 提出 早期的采空区三带分布理论[8]。 在 20 世纪，地表沉降理论得到了进一步发展。从 1923 年到 1940 年，Schmitz、 keinhorst 和 Bals 提出了连续分布的影响函数，为影响函数方法奠定了基础[9]。1947 年， 前苏联学者 Avirsin 建立了地面沉降盆地剖面的指数方程，并提出水平移动与倾斜成正 比[10]。1954 年，波兰学者 litviniszyn 在沙盒模型试验研究的基础上提出了 5 大公理，并 证明沉降遵循了 Chapman-Kolmogorov 方程[11-12]。 2国内研究现状 我国在岩层与地表移动方面的研究起步较晚，20 世纪 50 年代后期，我国各主要矿 区先后制定规划并开展地表移动观测，建立了大量观测站。经过多年观测，积累了大量 的资料。1963 年，提出了在沉降盆地主体上构造负指数剖面预测方程的方法，改变了使 用外国方法解决中国实际问题的情况[13]。 刘宝琛率先解决了地表运动、覆岩内部运动以及露采运动的预测问题[14]，刘天泉等 根据概率积分法计算出了裂缝带高度[15]；何国清和吴戈分别提出了地表沉陷盆地的“威 布尔分布” 和 “R 分布” 模型[16]。 针对山区地表移动和变形， 何万龙给出了预测模型[17]。 1 绪论 3 邹友峰提出了条开采的三维分层介质理论[18-19]； 谢和平从非线性科学的角度给出了开采 沉陷的非线性机理[20-22]；崔希敏通过分析地表主要部分的动态运动和变形，建立了开采 沉陷的流变模型[23-24]；钱鸣高提出了地层运动控制关键层的理论[25-27]。郭增长得出了在 采矿极不充分采动情况下的概率密度函数法[28]。 吴立新和王金庄通过研究大规模连续的 井下开采得出了托板理论[29]。余学义用计算机进行快速计算，将开采损害的预测模型引 入计算机，并建立了 YLH-8 计算程序[30-33]；廉旭刚和戴华阳将开采沉陷的预测方法构 建了数值分析模型，并应用计算机来实现动态预测[34]。 1.3.2 大采深综放开采地表移动规律研究现状 随着我国对煤炭资源的大规模开发和利用，煤炭这种不可再生能源在逐步减少，开 发深部煤炭资源就应运而生。近年来，随着煤矿机械化程度的不断完善，大多数煤矿已 采用大采深综放工作面生产方式。 故而大采深条件下综放工作面开采地表移动变形规律 的研究就显得尤为重要。 一般情况下， 该条件下地表移动变形由极不充分采动到非充分采动再到充分采动三 个阶段，会逐步引起采空区上覆岩层产生移动、变形、离层、断裂等特征，造成地表下 沉，导致不同程度的地表沉陷损害。陈家沟煤矿不仅具有采高大，埋深厚等特点，而且 在工作面开采范围内有村庄群落。 李春意等人通过走向方向最大下沉点下沉速度的变化规律和工程实测资料， 得出了 下沉速度的反弹可以作为冲击地压危险的预报信息， 巨厚砾岩层的运动是发生矿震的主 要力源之一[35]。 田华等人通过研究了相邻工作面先后开采过程中关键层对上覆岩层与地 表变形的影响规律， 得到随着工作面的开采沉降速度增大， 开采宽度超过岩层极限跨距， 造成关键层的