纳雍县比德煤矿岩层与地表移动规律研究.pdf

贵州大学 2010 届硕士研究生学位论文 纳雍县比德煤矿岩层与地表 移动规律研究 学科专业采矿工程 研究方向矿业系统工程 导师刘勇（教授） 张鹏飞（副教授） 研 究 生郑 伟 中国﹒﹒﹒﹒贵州﹒﹒﹒﹒贵阳 2010 年 6 月 分 类 号 TD712 论文编号 2007020911 密级公开 贵州大学硕士论文 1 目 录 目 录..........................................................................................................................................................................1 摘 要..........................................................................................................................................................................1 Abstract...................................................................................................................................................................... 2 1 前言........................................................................................................................................................................1 1.1 课题研究的背景及意义............................................................................................................................1 1.2 国内外研究历史、现状............................................................................................................................3 1.3 研究内容与技术路线................................................................................................................................6 1.4 本章小结................................................................................................................................................... 7 2 地表移动观测站的建立........................................................................................................................................8 2.1 矿区自然地理条件................................................................................................................................... 8 2.2 矿山 1403 工作面地质采矿条件.............................................................................................................8 2.3 观测站布置原则....................................................................................................................................... 8 2.4 地表移动观测站布置形式........................................................................................................................9 2.5 地表移动观测站的标设..........................................................................................................................12 2.6 本章小结................................................................................................................................................. 12 3 观测数据及地表移动变形分析...........................................................................................................................13 3.1 观测方案................................................................................................................................................. 13 3.2 观测数据的整理..................................................................................................................................... 14 3.3 地表移动变形最大值的计算..................................................................................................................22 3.4 地表移动持续时间................................................................................................................................. 23 3.5 地表点移动轨迹..................................................................................................................................... 26 3.6 工作面推进过程中的超前影响..............................................................................................................27 3.7 地表下沉速度和地表下沉分布规律......................................................................................................28 3.8 地表倾斜变形变化规律..........................................................................................................................29 3.9 本章小结................................................................................................................................................ 30 贵州大学硕士论文 2 4 地表采动滑移的应力应变模型..........................................................................................................................31 4.1 地表采动滑移与地形的关系.................................................................................................................31 4.2 采动滑移方向分析.................................................................................................................................33 4.3 典型地貌采动滑移应力应变模型.........................................................................................................35 4.4 非典型地貌采动滑移应力应变.............................................................................................................37 4.5 本章小结................................................................................................................................................ 40 5 地表采动坡体变形规律......................................................................................................................................41 5.1 地表采动坡体......................................................................................................................................... 41 5.2 地表采动破坏分析................................................................................................................................. 42 5.3 影响采动坡体稳定性的主要因素..........................................................................................................45 5.4 采动坡体的附加应力应变与破坏类型分析..........................................................................................46 5.5 本章小结................................................................................................................................................ 50 6 地质采矿因素对岩层与地表移动的影响.......................................................................................................... 51 6.1 覆岩力学性质、岩层层位的影响..........................................................................................................51 6.2 煤层倾角的影响..................................................................................................................................... 54 6.3 开采厚度与开采深度的影响..................................................................................................................55 6.4 采空区大小的影响................................................................................................................................. 56 6.5 采煤方法及顶板管理方法的影响..........................................................................................................56 6.6 本章小结................................................................................................................................................ 57 7 结论与讨论..........................................................................................................................................................58 7.1 结论......................................................................................................................................................... 58 7.2 讨论........................................................................................................................................................ 59 致 谢........................................................................................................................................................................61 主要参考文献..........................................................................................................................................................62 附录..........................................................................................................................................................................64 贵州大学硕士论文 1 摘 要 煤矿井工开采引起的上覆岩层与地表移动可能引发地形地貌产生变化和破坏， 影响农业 耕种、 地表建筑， 影响矿区地面生态环境。 我国大约有三分之一以上的煤矿位于山区， 因而， 研究山区煤矿井工开采引发的岩层与地表移动规律有重要意义。然而，矿山岩层与地表移动 是一项复杂工程，也是目前国内外采矿业的一项难题，加之山区地质采矿条件复杂，关于山 区岩层与地表移动的研究较为滞后和不够深入。比德煤矿地处山区，因此，加强山区煤矿井 工开采引发的岩层与地表移动研究是必要的。 虽然，关于矿山岩层与地表移动的研究理论、方法有很多，各种方法都有其适用性和针 对性，但是建立地表移动观测站，根据现场观测数据的整理分析、现场观察研究矿山地表移 动仍是最适用、最广泛、最直接的研究方法。因此，在比德煤矿 1403 工作面建立了地表移 动观测站，获取观测数据，采用常规处理方法对观测数据进行整理、分析，主要分析了地表 的下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形。结合山区地表滑移迭加原理、概率积分法、 山 区地表滑移应力及应变原理，初步建立了矿山地表采动滑移应力应变模型。分析了矿山地质 采矿条件对岩层与地表移动的影响。 关键词煤矿，山区， 观测站，地表移动。 贵州大学硕士论文 2 Abstract Coal overlying strata and ground movement Caused by underground mining may lead to changed topography and destruction, affecting farming, surface construction and the surface miningenvironment. About one-third of Chinas coal mines are in the mountains area, and therefore, the study of the rules of rock and ground movement cased by mountain underground mining-induced is important. However, mine rock and ground movement is a complex project, is also a currently problem of mining sector at home and abroad, combined with geological and mining conditions of mountain is complex, the study on the rock and ground movement of mountain area is slow and not deep enough. BiDe coal mine is located in the mountains area, therefore, strengthen the research on mountain area rock and ground movement caused by coal underground mining-induced is necessary. Although, There are many theory and s of the study on the mine rock and surface movement, but the ways has its applicability and pertinence, setting up observation stations, making analysis according to the field data and field observations are still the most applicable, extensive and direct s of the study on mine surface movement. Therefore, setting observation stations in the BiDe coal mine 1403 workface, access the observational data, accept usual treatment s on the observed data collation and analysis, primarily make an analysis onthelandsurfacesubsidence,tilt,curvature,horizontaldisplacementandhorizontal displacement. Combined of mountain land surface slip superposition, probability integration , the surface mountain slip theory of stress and strain, initially established the mining surface stress and strain slip model. Make an analysis ofthe impact oon rock ground movement caused by mines geological and mining conditions. Key words Coal mine, mountain, observation station, ground movement. 贵州大学硕士论文 1 1 前言 1.1 课题研究的背景及意义 （1）课题研究的背景 煤炭资源的开发、利用在国民经济发展中具有重要的地位，在未来相当长的时间内， 煤 炭资源在国民经济发展中的重要能源地位仍将显现， 对煤炭资源进行开发、 利用仍是必要的。 根据我国煤炭资源的赋存情况，大部分煤矿只具备井工开采的条件，具备露天开采条件 的煤矿所占比例很小。这就决定了煤矿地下开采引发的地表移动现象较为突出。煤炭资源的 开发、利用虽然在国民经济发展中发挥了重要作用，但是煤炭资源的开采也引发了一些负面 的影响。煤矿地下开采引发岩层与地表移动就是其影响中的一个现象。 在煤炭资源开采过程中，岩体内部原有的力学平衡状态遭受了破坏，当采空区面积足够 大时， 煤层的顶底板岩层便会产生移动、 变形和破坏， 并逐渐扩展到整个上覆岩层直至地表。 引起地表变形、移动。矿山开采的实践说明，在多数情况下，由于矿山开采的影响可使移动 岩体内的井筒、巷道、硐室及其它井下工程遭受破坏。矿山开采引起的地表移动和变形将影 响位于其范围内的房屋建筑、河流、铁路、管道及其它构筑物，改变它们的原有状态，甚至 对它们造成破坏。地表移动和变形将引起地形、地貌产生变化和破坏，影响农业耕种、影响 景观，影响矿区地面生态环境。由于人们对矿山开采引起地表变形移动规律的认识不够， 因 而地下开采使铁路、房屋遭到破坏，井下透水造成人员死亡的惨剧时有发生。1875 年在德 国的约汉载梅尔矿，由于地表塌陷使铁路钢轨悬空，影响列车运行。1895 年在德国的波西 米亚的柏留克城发生了地下开采危及地面的严重事件，地面的突然崩塌毁坏了 31 所房屋。 在我国，矿山开发引起地表变形和移动影响居民建筑引发的纠纷也普遍存在。总之，开采地 下煤炭资源可以造福人类，但同时矿山开采也给人类带来不少的危害。以上事实足以说明， 开采沉陷给人类带来很大的危害，了解、掌握煤矿地下开采引起矿山岩层与地表移动规律已 成为大家的共识。因此，研究煤矿地下开采引发岩层与地表移动的规律是必要的[1] 、[16]、[17]。 世界各主要产煤国越来越重视对开采沉陷的研究。前苏联、波兰、德国和英国等对煤矿 地下开采引起岩层与地表移动规律及“三下”采煤技术都进行了深入的研究，做了大量的试 验研究工作，并取得丰硕的成果[3]。 贵州大学硕士论文 2 国内开始对煤矿地下开采引发岩层与地表移动的研究晚于国外。 国内对这一现象研究得 比较早的地方主要集中在北方的矿区。根据目前的观测资料，在北方地区，当地下开采面积 达到一定范围后，起始于采场附近的移动将扩展到地表，引起地表下沉，在地表形成一定范 围的下沉区，主要表现为洼地、下沉盆地。而在山区，由于地形起伏较大，表土厚度低， 地 表受煤矿地下开采后大多不会形成明显的下沉盆地， 主要表现为滑坡、 地裂缝， 甚至崩塌等。 贵州煤炭资源丰富，地质采矿条件复杂，对于煤矿地下开采引发岩层与地表移动规律的研究 不够深入，加强这方面的研究是必要的。 本课题来源于贵州省工业攻关项目 有效条带开采与充填法管理顶板提高回采率的可行 性研究 。比德煤矿位于贵州省纳雍县阳长镇镜内，是国家实施西部大开发和西电东输战略 中一项基础工程，矿井建设规模为 120 万吨/年，采用地下开采。矿山重视对煤矿地下开采 引发岩层与地表移动的危害，并已在矿区 1403 采面地面建立了地表移动观测站、进行了相 关观测工作。本文以地表移动观测站的观测数据为基础，对观测数据进行分析整理，并结合 矿山相关地质资料，采用相关理论对比德煤矿 1403 采面开采引起其上覆岩层与地表移动规 律进行探索、研究。 （2）课题研究的意义 煤矿地下开采引起岩层与地表移动规律的研究对国民经济的发展和人民生活的提高都 有着重要的意义。为了进行现代化建设，需要开采大量的煤炭资源支持，但是煤矿地下开采 引起的岩层与地表移动，又影响和破坏岩体内和地面上的一些生产和生活设施。解决这个矛 盾的途径之一，就是依靠对矿山地下开采引起岩层与地表移动规律的研究，对其破坏范围、 力度进行有效的预测，采区相关的防治措施，减少其对人们生产生活的危害。 虽然国内外对矿山岩层与地表移动进行了大量的研究，但是各个矿区地质条件的差异， 因此，研究的成果经验和取得的各种参数是不相同的，它不完全适应用于其它矿区。地下煤 层开采所引起的岩层破坏和地表移动、将在一定范围内对地面建筑、主要井巷、水体、铁路 以及其他管线和耕地产生不同程度的位移、变形和破坏，因而，研究地表移动规律对矿井开 采和保安煤柱设计都有重要意义。 平地的移动规律和预计方法在国内外已经进行了广泛深人 的研究，但对山区地表移动规律和预计方法的研究还做得不够。我国大约有三分之一以上的 煤矿位于山区，因而，研究山区地下开采引起的地表移动规律有重要意义。从 20 世纪 50 年 代初开始，我国有不少矿区先后设置了山区地表移动观测站，并取得了一些观测成果，但由 于当时对山区地表移动特性缺乏足够的认识，对观测资料未能进行及时的分析，煤柱设计和 变形预计仍然照搬平原地区研究经验因而曾经发生过不少问题。 山区煤柱的压煤开采也就更 贵州大学硕士论文 3 加难以开展，直接影响到资源的合理利用和安全生产。在这种情况下，山区地表移动问题逐 渐引起了人们的重视。 贵州由于矿产资源开发相对较晚，在矿山岩层与地表移动方面的研究较为滞后，而矿山 岩层与地表移动是一项复杂工程，也是目前国内外采矿业的一项难题。煤炭在贵州能源中占 有非常重要的位置。经济发展的需要、矿山开发与矿业活动引发环境问题矛盾的突出。迫切 需要加强对矿山岩层与地表移动规律的研究。 矿山岩层与地表移动主要内容是研究岩层与地 表随采矿在空间上和时间上变化及地表破坏规律。 研究目的比德煤矿区域地质条件较复杂，由采矿引起的地表移动破坏的主要形式有地 裂缝、塌陷坑，这些破坏对土地资源、矿山环境、建筑物会造成不同程度的破坏，通过理论 与实践探索、研究，初步了解其岩层与地表移动规律。 1.2 国内外研究历史、现状 （1）国内外研究历史 煤矿岩层与地表移动规律的研究在二十世纪中叶才逐渐发展和成熟起来。 虽然在煤田开 发的漫长历史过程中，开采损害早为人们所注意，但直到 1897 年才由德国的陶德曼矿务局 建立了世界上第一个仪器观测站。当时建站观测的目的是获取保护煤柱留设设计的依据， 并 制定了“陶德曼规程” 。这个规程在后来的相当长一段时间内被一些国家采用。但由于各个 地区煤矿地质条件的差异，这个规程的适用性较为局限。从二十世纪 30 年代，在德国、前 苏联、英国等国设置了大量的地表观测站，通过对这些观测数据的整理、分析，人们进行了 大量的研究，对煤矿地下开采引发的岩层与地表移动规律有了更深入的认识。 在我国，岩层与地表移动规律的研究工作开始于二十世纪五十年代，并在开滦、淮南煤 矿区建立了我国的第一批地表移动观测站。而后在抚顺、峰峰、枣庄等许多矿区也相继开展 了岩层与地表移动规律研究工作。 先后制定了开展地表移动观测的规划， 有计划建立观测站。 经过 30 多年的实地仪器观测，积累了大量的实测资料。在此基础上，经过综合分析，基本 掌握了本矿区的开采条件下地表移动规律及地表移动基本参数。 并提出了具有我国特色的地 表移动预计方法。几十年来，在开展地表移动规律研究的同时，我国积极开展了建筑物、 铁 路和水体下采煤试验研究工作，取得了很大成绩，积累了丰富的经验。在丰富地表移动观测 资料、 “三下”采煤实践经验和科学研究成果的基础上，1986 年制定了符合我国实际情况的 我国第一个“建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程” 。该规程集中了我 贵州大学硕士论文 4 国 30 多年在煤矿岩层与地表移动规律及“三下”采煤的主要研究成果。通过大量的实地观 测与理论研究，初步掌握了煤矿地下开采引发岩层与地表移动的基本规律，求取了岩层与地 表移动的主要参数，基本掌握了煤矿岩层与地表移动与地质、采矿条件的关系。建立了多种 地表移动盆地数学表达式。 20 世纪 80 年代初期，阳泉矿务局和山西矿业学院在阳泉矿区地表移动观测资料综合 分析总结报告中就提到了开采引起山区坡体滑移问题，并对采动地表滑移的两种形式进行 了初步分析。1989 至 1993 年田家琦和汤伏全在模拟实验和有限元分析的基础上对采动滑移 的成因、机理和坡体稳定性进行了分析。根据现有资料来看，国内外对露天边坡研究较多， 但对地下开采引起的采动地表滑移研究很少， 只是对山区地表移动和采动坡体稳定性做过一 些分析研究上作。 矿山地下开采引起的岩层与地表移动规律研究工作涉及测量、采矿、地质、建筑、力学 等许多学科知识。近几十年来，这些学科的新成果，特别是电子计算机技术及新仪器在矿山 岩层与地表移动中的应用，使岩层与地表移动研究水平得到了很大的提高。 （2）国内外研究现状 我国自20世纪50年代开始应用相似材料模拟研究开采沉陷规律及开采沉陷的现场实际 观测工作。系统的研究工作是自 60 年代初开始的。刘宝深，廖国华出版了专著煤矿地表 移动的基本规律 （1965） ，将概率积分法全面引入我国，至今已成为预计开采沉陷的主要方 法。刘天泉等对水平煤层、缓倾斜煤层、急倾斜煤层开采弓起的覆岩破坏与地表移动规律做 了深入的研究（1981） ，提出了导水裂隙带概念，建立了垮落带与导水裂隙带计算公式。何 国清、马伟民、王金庄建立了碎块体理论地表沉陷的威布尔分布（1984） 。周国铨、崔继 宪提出了指数函数法计算地表移动的解析解（1983） 。何万龙等总结出山区地表移动计算公 式（1983） 。白矛、刘天泉对条带法开采中条带尺寸进行了研究（1983） 。李增琪应用积分变 换法推导出层状岩层移动的解析解（1983） 。张玉卓应用边界元法研究了断层影响下地表移 动规律及提出了岩层移动的错位理论（1987） 。而谢和平的损伤非线性大变形有限元法 （1988） ， 何满潮的非线性光滑有限元法 （1989） ， 杨伦、 于广明的岩层二次压缩理论 （1987）， 将地表沉陷与岩层的物理力学性质联系起来。 刘文生对条带开采采留宽度合理尺寸减小地表 沉陷进行了研究（1988） 。杨硕建立了开采沉陷的力学模式（1990） 。王永嘉将离散单元法和 边界元法（1992）应用于开采沉陷中应力、位移、变形的研究。邓喀中提出了开采沉陷的结 构效应（1993） 。吴立新、王金庄建立了条带开采覆岩托板理论（1994） 。麻凤海应用离散单 元法研究了岩层移动的时空过程（1996） 。于广明应用分形及损伤力学研究了开采沉陷中岩 贵州大学硕士论文 5 层非线性影响的地表沉陷规律（1997） 。唐春安给出线弹性有限元法（1997） 。王艳辉、郭廖 武在总结了程潮铁矿东区多年的监测资料后，得出该矿区的地表移动规律（2002） 。刘伯华 依据梅山铁矿岩体崩落的具体过程， 通过对上部岩体的崩落机理及崩落体内不同块度散体的 流动规律分析，运用散体运动规律预测了崩落体内岩石的块度分布及运动特征（2002） 。王 金庄、郝延锦、陈祥恩等对厚松散层条件下开采引起上覆岩层及地表移动变形的基本规律和 特征。 杨家岭等对厚覆盖岩层下的地下采矿引起地表变形进行了三维有限元弹塑性计算分析 （2003） 。欧阳振华，蔡美峰等从地表监测和地质分析等方面对北洛河铁矿地表塌陷机理进 行了研究（2005） 。李文秀，赵胜涛等运用模糊数学和遗传规划理论，建立了开采地面下沉 及参数预测的模糊一遗传规划模型， 并利用该模型对小官庄铁矿开采地面下沉进行了预测分 析（2005） 。任伟中，白世伟等通过地质力学模型试验，深入分析了厚覆盖层岩层条件下地 下采矿引起的地表变形陷落特征和采空区围岩的变形和破坏特征， 同时分析了地表变形陷落 和围岩变形时间效应特征以及采空区围岩破坏机理（2005） 。关于山区岩层与地表移动规律 的研究相对较少，其中何万龙等编著的山区开采沉陷与采动损害 （2002）集中概括了山 区地表移动的基本规律。 在岩层与地表移动规律的理论研究方面， 国内外大致是沿着