南钦线采空区稳定性分析与变形控制研究.pdf

国内图书分类号们让 国际图书分类号 西南交通大学 研究生学位论文 年 姓 级2 Q 申请学位级别王堂亟 专业丝厦工程 指导老师文江基副塾援 二零一四年五月 密级公开 C l a s s i f i e dI n d e x U ．D ．C S o u t h w e s t J i a o t o n gU n i v e r s i t y M a s t e rD e g r e eT h e s i s T H ER E S E A R C HO NS 1 1 A B I L I T YA N A L Y S I S A N DD E FO 刚M A T I O NC O N T R O L M E A S U R E M E N T SO FM ⅣE D ．O U TA R E A S 烈N E WR A I IM 厂A YN A N N 烈GT OQ 1 N Z H O U G r a d e 2 0 1 1 C a n d i d a t e Y u a nY u e A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r M a s t e r S p e c i a l i t y G e o l o g i c a lE n g i n e e r i n g S u p e r v i s o r A s s o c i a t eP r o f e s s o rW e nJ i a n g q u a n M a y ．2 0 1 4 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 ．保密口，在年解密后适用本授权书； 2 ．不保密／使用本授权书。 请在以上方框内打“√” 学位论文作者签名缘哟 指删撇爻≯妒 日期z o I 卟．r ．2 ／f 日期2 口弘厶岁、7 厂 西南交通大学硕士学位论文主要工作 贡献 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下 1 ．到南钦线采空区治理现场学习采空区注浆治理技术，并收集南钦线采空区相关 资料为论文工作做准备，详见第二章； 2 ．详细分析勘察资料，确定南钦线下采空区的基本特征，详见第三章； 3 ．采用基于概率积分法的地表沉陷预计方法对南钦线采空区地表移动变形做出预 计，详见第四章； 4 ．建立采空区F L A C 3 D 模型，并对采空区注浆前后的应力场及变形特征进行数值 模拟计算，对比地表沉陷预计结果判断采空区稳定性，详见第五、七章； 5 ．分析采空区注浆治理变形控制措施，总结相关施工工艺，详见第六章。 本人郑重声明所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名轰忆 日期2 p ，钍s ．2 r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 新建铁路南钦线D 2 K 9 3 0 0 0 ～D 2 K 9 5 o o O 段经过横岭井煤矿采空区及稔子坪、大 垌煤矿采空区边缘地带，线路附近已有明显的地表塌陷。为了确保南钦线在建设及将来 运行中的安全，需要对南钦线所经过采空区进行稳定性评价。同时，应针对稳定性评价 成果提出合适的变形控制措施及治理方法，为工程实践提供依据。 本文首先对新建铁路南钦线的综合勘查资料进行详细分析，查清横岭井煤矿采空区、 稔子坪煤矿采空区、大垌煤矿采空区对新建铁路的影响程度及新建铁路下采空区的特征； 然后采用基于概率积分法的地表移动变形预计公式对采空区地表移动变形做出预测；之 后采用F L A C 3 D 数值模拟分析软件分析采空区目前应力场及变形特征，并结合两种方 法的计算结果对采空区稳定性做出评价；针对新建铁路下采空区特征及地表剩余沉降值， 对新建铁路场地进行危险性分区，并对不同的危险性分区提出不同的治理措施；分析南 钦线采空区治理中出现的问题及其解决方法，总结其施工工艺；最后，采用数值模拟、 钻孔验证及物探检测的方法评价南钦线采空区治理效果。 得出以下结论，新建铁路南钦线采空区具有以下特征多层性、不连续性及大小不 均匀性，但采空区可以近似简化为地下三层采空；基于概率积分法理论预计与F L A C 3 D 软件的采空区数值模拟结果表明南钦线采空区的地表移动变形处于不安全的范围内，不 能满足铁路建设要求；针对新建铁路南钦线采空区地表移动变形规律，不同地表危险性 区段，提出以注浆为主的综合治理措施以控制采空区变形，并根据施工过程总结出多层 采空区注浆、高水位注浆施工工艺；新建铁路南钦线采空区注浆数值模拟、钻孔验证、 物探检测均表明治理措施取得良好效果。 关键词采空区；稳定性；概率积分法；数值模拟；注浆 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 I 页 A b s t r a c t T h es e c t i o nD 2 K 9 3 0 0 0 一- D 2 K 9 5 0 0 0o fn e wr m l w a yN a n n i n gt oQ i n z h o up a s s e s t h r o u g ht h em i n e d o u ta r e a so fH e n g l i nc o a lm i n ea n dt h ee d g eo fm i n e d o u ta r e a sb e l o n g i n g t oR e nZ i p i n ga n dD a d o n gc o a lm i n e s ，t h e r ei sa p p a r e n ts u r f a c es u b s i d e n c en e a rt h en e w r a i l w a y ．I no r d e rt og u a r a n t e et h es a f e t yo fn e wr a i l w a yc o n s t r u c t i o na n df u t u r eo p e r a t i o n ，i t i sn e c e s s a r yt oa s s e s st h e s t a b i l i t yo fm i n e d - o u ta r e a su n d e rn e wr a i l w a ya n dp r o p o s e a p p r o p r i a t em e a s u r e st oc o n t r o lt h ed e f o r m a t i o no fm i n e d o u ta r e a s ，a n a l y z et h er e s u l t so f s t a b i l i t ya s s e s s m e n ta n dt r e a t m e n tm e a s u r e m e n tt op r o v i d eb a s e sf o re n g i n e e r i n gp r a c t i c e ． T h i st h e s i sa n a l y z e st h em u l t i p l ei n v e s t i g a t i o nm a t e r i a l sf i r s t l ya n dm a k e sc l e a rt h et h r e e m i n e d - o u ta r e a s ’f e a t u r e sa n dh o wt oa f f e c tt h en e wr m l w a y ．T h e nu s i n gt h ef o r m u l a eb a s e d o nt h ep r o b a b i l i t yi n t e g r a t i o nm e t h o dt op r e d i c tt h eg r o u n dm o v e m e n ta n dd e f o r m a t i o no n m i n e d - o u ta r e a s ，a n du s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r eF L A C 3 Dt os i m u l a t et h ec u r r e n t s t r e s sf i e l da n dd e f o r m a t i o nf e a t u r e so fm i n e d - o u ta r e a su n d e rn e w r a i l w a y ．C o m b i n i n gt h e t w om e t h o d sj u d g et h es t a b i l i t yo fm i n e d o u ta r e a s ．F o rt h ef e a t u r e so fm i n e d o u ta r e a sa n d s u r f a c er e s i d u a ls e t t l e m e n t ，d i v i d i n gt h en e wr a i l w a yc o n s t r u c t i o nf i e l di n t od i f f e r e n tz o n e s b a s e do nd i f f e r e n tr i s k sf r o mm i n e d - o u ta r e a su n d e r g r o u n d ，t h e np r o p o s i n gs p e c i f i ct r e a t m e n t m e a s u r e m e n t sf o rd i f f e r e n tr i s kz o n e s ．F o rr e s e a r c h i n gt h ec o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e so f m i n e d - o u ta r e a s ，a n a l y z i n gt h ep r o b l e m sa n di t ss o l u t i o n si nm i n e d o u ta r e a st r e a t m e n t ．A t l a s t ，u s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o da n dd r i l l i n g ，g e o p h y s i c a lp r o s p e c tm e t h o d sv e r i f y t r e a t m e n te 航c t ． T h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n ss h o wt h em i n e d o u ta r e a su n d e rn e wr a i l w a y 、析t ht h e f e a t u r e so fl a y e r s ，d i s c o n t i n u i t ya n ds i z eh e t e r o g e n e i t y ．B u tt h e yC a nb ea p p r o x i m a t e l y s i m p l i f i e dt ot h r e el a y e r su n d e r g r o u n dm i n e d - o u ta r e a s ．T h ec a l c u l a t i o no fp r o b a b i l i t y i n t e g r a t i o nm e t h o da n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni l l u s t r a t et h em i n e d o u ta r e a su n d e rn e w r a i l w a yi su n s t a b l e ．C o n s i d e r i n gt h er e g u l a t i o no fg r o u n dm o v e m e n ta n dd e f o r m a t i o na n d d i f f e r e n tr i s kz o n e s ，p r o p o s i n gc o m p r e h e n s i v et r e a t m e n tm e a s u r e m e n t sb a s e do ng r o u t i n gt o c o n t r o lt h ed e f o r m a t i o no fm i n e d o u ta r e a s ．A f t e r s t u d y i n gt h eg r o u t i n g c o n s t r u c t i o n m a t e r i a l sa n de n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e ，s u m m a r i z i n gt h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e so fm u l t i p l e l a y e r sm i n e d o u ta r e a sg r o u t i n g ，h i g hu n d e r g r o u n dl e v e lg r o u t i n gc o n s t r u c t i o n ．T h er e s u l t so f 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 I I 页 n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d r i l l i n ga n dg e o p h y s i c a lp r o s p e c tm e t h o d sa f t e rg r o u t i n gs h o w t r e a t m e n tm e a s u r e m e n t sa c h i e v eg o o dr e s u l t s ． K e yw o r d s m i n e d o u ta r e a ；s t a b i l i t y ；p r o b a b i l i t yi n t e g r a t i o nm e t h o d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； g r o u t i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 V 页 目录 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 选题依据及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 ．1 采空区地表沉陷预计研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 采空区数值模拟研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．3 采空区治理措施研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 论文研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 第2 章研究区地质条件及煤层开采概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．1 研究区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 2 ．2 自然地理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 2 ．2 ．1 地理位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．2 ．2 气象与水文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．2 ．3 地震动参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．3 地层岩性与地质构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 2 ．3 ．1 地层岩性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．3 ．2 地质构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．4 研究区煤层及采空区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．4 ．1 研究区煤层特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．4 ．2 稔子坪煤矿采空区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．4 ．3 大垌煤矿采空区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．4 ．4 横岭井煤矿采空区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第V 页 第3 章研究区综合勘探成果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 3 ．1 钻探成果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 3 ．2 跨孔地震波层析成像法 C T 成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．3 跨孔电磁波层析成像法 C T 成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．4 研究区勘察成果综合分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16 3 ．4 ．1 研究区岩土体工程地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 3 ．4 ．2 研究区工程地质断面图分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一18 3 ．4 ．3 研究区采空区特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 l 第4 章研究区地表移动变形分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 4 ．1 采空区覆岩及地表变形破坏规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 4 ．1 ．1 采空区上覆岩层变形破坏的一般规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 2 4 ．1 ．2 采空区地表移动变形的一般规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 5 4 ．1 ．3 近水平煤层采空区地表移动盆地特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 6 4 ．2 采空区地表移动变形预计方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 ．2 ．1 概率积分法基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 4 ．2 ．2 半无限开采时地表移动盆地的移动和变形预计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 4 ．3 研究区地表移动变形预计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．3 ．1 预计参数的选取⋯⋯⋯⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 4 ．3 ．2 研究区地表移动变形计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31 4 ．3 ．3 研究区地表移动和变形预计结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 第5 章研究区稳定性数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 5 ．1F L A C 3 D 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 5 5 ．1 ．1F L A C 3 D 基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 5 ．1 ．2F L A C 3 D 的计算过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 5 ．2 研究区数值模型建立及计算参数选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第V I 页 5 ．2 ．1 模型尺寸及网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 5 ．2 ．1 本构模型的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 5 ．2 ．3 计算参数及边界条件的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 9 5 ．3 研究区数值模拟计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 5 ．3 ．1 研究区数值模拟计算思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 0 5 ．3 ．2 研究区数值模拟收敛准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 5 ．3 ．3 研究区数值模拟初始地应力计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 5 ．4 研究区数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．4 ．1 研究区数值模拟应力场特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 2 5 ．4 ．2 研究区数值模拟变形特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 5 ．4 ．3 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 第6 章研究区变形控制措施研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 6 ．1 采空区对新建铁路影响评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 6 ．1 ．1 南钦线采空区危险性分区⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 6 ．1 ．2 南钦线路基变形隐患分区⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 0 6 ．2 南钦线采空区治理措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5l 6 ．3 南钦线采空区注浆治理设计．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 6 ．3 ．1 南钦线采空区注浆治理原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 6 ．3 ．2 南钦线采空区注浆治理范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 3 6 ．3 ．2 南钦线采空区注浆治理设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 6 ．4 南钦线采空区注浆治理施工工艺研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 6 ．4 ．1 试验段试验成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 6 ．4 ．2 注浆施工工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 l 6 ．4 ．2 多层采空区注浆施工工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 4 6 ．4 ．3 高水位注浆施工工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第V I I 页 第7 章研究区注浆治理效果评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 7 ．1 研究区注浆治理效果数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 7 ．1 ．1 注浆模拟思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 7 7 ．1 ．2 第一层采空区注浆模拟评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 7 7 ．1 ．3 第二层采空区注浆模拟评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 7 ．1 ．4 第三层采空区注浆模拟评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 7 ．2 研究区注浆治理注浆量分析及钻孔验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 7 ．2 ．1 注浆量分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 0 7 ．2 ．2 岩芯分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 7 ．2 ．3 岩芯强度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 3 7 ．2 ．4 补注浆试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 7 ．3 研究区注浆治理效果物探检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 7 ．3 ．1 跨空地震波层析成像法 C T 检测成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 7 ．3 ．2 跨空电磁波层析成像法 C T 检测成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 4 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 ．1 选题依据及研究意义 煤占中国能源结构的7 0 ％以上，中国煤矿产量高居世界第一，其已经成为各行各 业不可或缺的能源。但是，煤层在开采的同时也引发了一系列的地质灾害以及环境问题， 其中，最为典型的是地下煤层采出后留下的地下采空区，它对地表工程建筑物造成很大 的安全隐患。采空区是地下矿藏被采出后在地下形成的空间范围，它使采空区上覆岩层 失去支撑而产生垮落、破坏，从而在地表形成一定范围的的变形、沉陷，直接威胁地表 建筑物安全【1 】。 矿山地质灾害在全世界都是关注的焦点，中国同样是一个矿山地质灾害频发的国家。 其中，煤层的赋存地质条件相比于其它的矿产资源在开采时更容易引发塌陷，故煤矿的 采空塌陷是煤矿开采后最为常见的地质灾害【2 1 。煤矿采空区的存在对地表居民的生产、 生活产生重大威胁，也是铁路建设中重要的不良地质灾害之一。所以，研究煤矿采空区 的稳定性及在开采影响下的地表移动变形具有重要意义。 南钦线作为广西沿海铁路的重要组成部分，是北部湾地区的主干铁路运输通道，将 承担该地区主要的客运、货运任务，具有十分重要交通运输地位[ 3 1 。南钦线北接拟建柳 南客运专线南宁东站，连接南宁、钦州两市，全线长9 8 ．1 9 4 k m ，其中5 4 ．6 3 4 k m 采用路 基通过，路基占全线长度的5 5 ％。其中，里程D 2 K 9 3 0 0 0 “ ～D 2 K 9 5 0 0 0 段受到来自横 岭井煤矿、稔子坪煤矿、大垌煤矿开采所留下的地下采空区的威胁，在拟建场地附近已 经出现由于地下开采引起的地表沉陷。经过详细勘察认为，受接入钦州北站的影响，无 法绕避，同时由于煤矿采空区采空层在地面以下分布不均且最深处达地下约1 0 0 m ，采 用桥梁通过时桩基无法实施，所以该段采空区以路基形式通过，同时采用以注浆为主的 综合措施对采空区段进行治理。 工程实践证明注浆充填是采空区治理措施中较为有效的方法，但只有在基本确定地 下采空区位置、大小、分布及充填情况的基础上注浆才是一种高效的方法【4 】。所以在注 浆前弄清采空区位置并进行采空区稳定性分析对注浆施工有指导意义，研究采空区注浆 前后的地表变形对反映注浆效果及防治采空区注浆后地表沉降可能对铁路造成的影响 有重要意义。 1 ．2 国内外研究现状 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 关于采空区问题的研究国内外学者均已进行了大量的工作，并已经取得了大量的成 果，尤其是在矿产开采、工程建设、交通运输等领域‘5 1 。近年来，研究内容主要集中于 开采沉陷所引发的地表移动变形预测，采空区的数值模拟研究及采空区的治理技术等方 面。 1 ．2 ．1 采空区地表沉陷预计研究现状 开采沉陷预计是一项十分的重要工作，对于开采沉陷预计这一课题，各国的学者都 取得了大量的科研成果。结合国内及国外的研究工作，根据不同的分类依据，预计方法 可以分为以下几类‘6 1 ，见表l 一1 所示。 表1 - 1 开采沉陷预计方法 分类依据分类 建立预计方法的途径 基于实测资料的经验方法 影响函数法 理论模拟法 预计手段 解析法 图解法 电子计算机法 预计时采用的函数 剖面函数法 影响函数法 基于经验的预计方法主要包括剖面函数法及典型曲线法。剖面函数法是以某些函数 来表示各种开采条件下的主断面内的典型移动和分布情况，剖面函数法中的函数形式是 ● 基于实测资料确定的，这一方法的优点是方便直观，便于进行数学处理和用计算机进行 计算。典型曲线法是以表格或诺谟图的形式表示地表的下沉和预计点位置的函数关系， 我国具有代表性的典型曲线主要有峰峰矿区和平顶山矿区的典型曲线【7 】。 概率积分法【1 , 8 , 9 】是基于随机介质理论的一种预计方法，2 0 世纪5 0 年代由波兰学者 提出，2 0 世纪6 0 年代被我国学者发展用于开采沉陷预计。近3 0 年来，又成功地解决 了地表移动预计空间问题、覆岩内移动预计问题、露天开采移动预计问题，发展为概率 积分法特殊地表地形问题的预计体系，目前已成为我国较为成熟、应用最广泛的预计方 法之一【7 l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 ．2 ．2 采空区数值模拟研究现状 数值模拟在研究采空区问题中有很大的优势，因为深埋岩层因开采而产生的应力状 态改变很难被测量或预判到，数值模拟能很好的简化这些问题给理论研究和工程实践以 指导。目前最常用的计算方法主要有有限单元法、离散单元法、边界元法【10 】及快速拉 格朗日法。作为当前采空区问题研究的重要方法，数值模拟被国内外学者广泛采用。 国外学者在数值模拟软件的研发方面取得显著成果，目前主流的数值模拟软件均为 国外开发。例如，A N S Y S 是由美国著名仿真技术与软件开发公司A N S Y S 开发的大型 有限元分析软件，其不仅可以模拟岩土体的受力状态还可以模拟各种工程材料、工程结 构的受力特征，被广泛运用与结构、矿山、水利工程等领域；F L A C 3 D 是由美国I t a s c a 公司开发的有限差分模拟软件，由于其在模拟材料流变及大变形方面有显著效果， F L A C 3 D 主要用于分析岩土工程问题；P l a x i 是荷兰学者开发的岩土工程有限元设计计 算软件，其能够模拟较为复杂的工程地质条件，特别适合模拟变形及稳定性分析，此外 还可以模拟土壤中的流体力学行为，功能强大。 近年来，我国学者在运用数值模拟方法解决采空区问题中也取得了很多有意义的成 果。胡斌等人利用F o r t r a n 语言编写了常用岩土工程模拟软件F L A C 3 D 的前处理程序， 解决了在建立复杂地质模型时F L A C 3 D 的缺陷，使得建模更加快捷、准确【1 1 1 ；候恩科 等人提出了首先采用三维地学模拟软件m i c r o L Y N X 建立研究区域地形三维模型，然后 将这一模型导入数值模拟软件来实现建模过程，这一方法大大降低了数值建模的难度， 可以简便的建立更加接近工程实际的模型【l 2 1 。 金爱兵、明世祥等人采用室内试验，物探检测及M I D A S 软件数值模拟的综合方法， 研究了某河床下矿产开采的动态过程，三种研究方法得出的成果对地表沉陷区的覆岩移 动变形规律有了清晰的表达，而实际监测结果验证了研究所得出的结论，为采空区的治 理方案提供了依据【l 3 1 。 李俊平、彭作为等人采用了大型三维有限元模拟软件A N S Y S 对木架山采空区进行 了数值模拟研究，其主要研究内容为分析在不同矿柱跨度下的应力应变变化，分析了如 果对木架山采空区进行治理是否会对今后的开采产生影响，最后提出了采用切顶与矿柱 崩落法治理该采空区【l4 1 。 闵卫鲸、邱恩喜等人采用基于快速拉格朗日分析方法的F L A C 3 D 数值模拟软件研 究了在采用钻孔注浆法治理胶济线采空区时不同的加固范围下地表产生的沉降变形，数 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 值模拟的结果显示，不同的加固范围对地表沉降会有不同程度的影响，但胶济线的注浆 加固结果成功控制住了地表沉降量，证明了其合理性【”】。 1 ．2 ．3 采空区治理措施研究现状 目前，广泛采用的采空区治理措施主要有以下4 种1 1 6 , 1 7 1 1 全部充填采空区支撑覆岩，采用注浆充填、水砂充填等，其中以注浆法应用 最广泛、效果最好； 2 局部支撑覆岩或地面构筑物，减小采空区跨度，防止顶板垮落，常用方法有 墩台、井下砌墩柱和大直径钻孔桩柱等； 3 注浆加固和强化采空区围岩结构，注浆充填因采动导致的覆岩裂隙带和沉降 带岩土体离层、裂缝，使之形成具有刚度大、整体性好的岩板结构； 4 采取措施释放采空区的沉降法，常用方法有堆载预压法、高能级强夯法、爆 破释放应力加速活化和水诱导沉降法等。 1 ．3 论文研究内容与技术路线 1 ．3 ．1 研究内容 1 收集南钦线煤矿采空区的技术资料，如采空区的地形地质图，地质剖面图， 煤矿开采情况及为修建铁路而提供的地质勘查资料等； 2 分析研究收集到的技术资料，通过技术资料确定采空区的位置、大小及分 布，确定采空区对上部岩层及地表的影响范围； 3 采用概率积分法对采空区地表移动变形进行预计； 4 采用数值模拟方法研究采空区现今变形特征与应力应变状态，并结合概率 积分法地表移动变形预计结果对采空区稳定性做出判断； 5 探寻采空区的变形特征和采空区上部地表的变形规律，对采空区上部地表 进行危险性分区并针对不同的危险区段提出以注浆为主的综合治理措施； 6 根据设计原则提出采空区注浆治理设计方案，分析确定治理范围、注浆孔 布置、注浆参数及预测注浆量； 7 分析该采空区治理试验段成果及注浆数据，总结注浆施工工艺； 8 采用数值模拟、物探、钻探等方法分析采空区注浆治理效果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 ．3 ．2 技术路线 本文技术路线如图1 一l 所示。 图1 ．1 本文技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章研究区地质条件及煤层开采概况 2 ．1 研究区概况 新建铁路南钦线设计时速2 5 0 k m ／h ，双线，属国家I 级铁路。在线路里程 D 2 K 9 3 0 0 0 ～D 2 K 9 5 0 0 0 段经过了大型国有煤矿钦州矿务局目前仍在开采的稔子坪煤 矿、已停采1 0 年的大硐煤矿、停采2 0 年的横岭井煤矿及部分早已停采的浅部小煤窑等 范围，存在着地下煤层的采空区，危及新建铁路的安全，由于无法绕避采空区，以路基 形式通过。 根据收集资料及野外调查，研究区内主要存在因煤矿开采引发的地质灾害。研究区 内地形平缓，以丘坡为主，地面高程约为2 0 , 、, 3 0 m ；地质构造主要以发育有多条不同性 质的断层为主；地层岩性主要以泥岩、砂泥岩为主；岩土体工程地质性质较差，但水文 地质条件较好。 2 ．2 自然地理 2 ．2 ．1 地理位置 南钦铁路D 2 K 9 3 0 0 0 ～D 2 K 9 5 0 0 0 段煤矿采空区位于广西的东南端钦州市北。其 中目前仍在开采的稔子坪煤矿区位于钦州市北面，直线距离1 0 ～1 5 k m 。矿区呈北东～ 南西向展布。南西起自白土，北东到横岭村；北西以那练村～稔子坪一线为界，南东止 于磔砂～黄华垌～江表村。地理坐标东经1 0 8 0 3 5 ’3 0 ”～1 0 8 0 4 0 ’0 0 ”，北纬2 2 0 0 2 4 8 ”～ 2 2 0 0 4 ’5 5 ”，煤矿区长约7 3 0 0 m ，宽4 0 0 “ - - 1 7 5 0 m ，面积约8 ．7 k i n 2 ，属钦州市钦北区管辖。 研究区地理位置如