谷壑地形开采沉陷规律及数值模拟研究.pdf

分类号TD325分类号TD325 密 级公 开 密 级公 开 U D C U D C 单位代码 10424 单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 谷壑地形开采沉陷规律谷壑地形开采沉陷规律 及数值模拟研究及数值模拟研究 张 朋 张 朋 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业名称专业名称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名秦秦 忠忠 诚诚 职职 称称教教 授授 山 东 科 技 大 学 山 东 科 技 大 学 二零一二年六月 二零一二年六月 论文题目论文题目 谷壑地形开采沉陷规律谷壑地形开采沉陷规律 及数值模拟研究及数值模拟研究 作者姓名作者姓名 张张 朋朋 入学时间入学时间 2009 年年 9 月月 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程 研究方向研究方向 矿井特殊开采矿井特殊开采 指导教师指导教师 秦秦 忠忠 诚诚 职职 称称 教教 授授 论文提交日期论文提交日期 2012 年年 6 月月 论文答辩日期论文答辩日期 2012 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期 STUDY ON VALLEY TERRAIN MINING SUBSIDENCE LAWS AND NUMERICAL SIMULATION A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by ZhangPeng Supervisor Professor Qin Zhongcheng College of Natural Resources and Environmental Engineering June 2012 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学 位论文， 除了所列参考文献和世所公认的文献 外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作 鉴定。 位论文， 除了所列参考文献和世所公认的文献 外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作 鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘 要 摘 要 煤层大面积采出之后，形成了空间，破坏了采场的原岩应力平衡状态，从而引起原 岩移动、变形、和破坏，导致岩层内部的应力重新分布并达到新的平衡。在此过程中， 使岩层和地表发生连续的移动，变形和非连续的破坏（开裂、冒落等） 。 本文着重研究了谷壑地形复杂地表建模，通过 EXCEL 及 SURFER 作为辅助工具生 成复杂地表模型坐标，并编制 FISH 程序，调用地表数据生成复杂地表模型。 开采沉陷规律及建下开采沉陷控制，通过理论分析了山区地表的开采沉陷规律，即 把山区地表沉陷分解为采动影响和滑移影响，并分别分析了采动滑移机理和滑移向量， 最后用概率积分法进行解算。 然后用数值模拟软件 FLAC3D 对山区地形地下开采进行了 研究，详细分析了不同开采方案下的地表变形情况，绘制出了地表沉陷的倾斜、曲率、 水平变形曲线，然后对谷壑地表地形红一矿建下首采区开采进行了研究，对不同的开采 方案进行了详细预计，最后得出了最优开采方案。 最后得出结论造成谷壑地表与平地采动沉陷规律不同的原因主要是，谷壑地表自身 的滑移趋势在采空区覆岩移动的诱导下加大了谷壑地表的变形程度和移动范围，进一步 说明了山区坡体对岩移的影响。 关键词关键词开采沉陷 谷壑地形 山区 数值模拟 变形预计 山东科技大学硕士学位论文 摘要 Abstract The recovery of the coal seam of large area, from a space and destruct the stope rock stress state of equilibrium, causing the rock movement, deation and destruction, which leading to rock internal stress redistribution and a new equilibrium. In this process,it made the rock fromations and the surface movement,deation and non-continuous damage cracking, caving, etc, . This paper focuses on the complex surface modeling the terrain of the valleys, Excel and Surfer as an auxiliary tool to generate complex surface model coordinates, and the preparation of the Fish program, call the surface data to generate complex surface model, Study the law of the valleys terrain of mining subsidence and mining subsidence control under buildings, analysis the surface mining subsidence laws of the mountain area, it means that the mountain surface subsidence can decomposed into mining and slip impact, and with probability integration solver. Numerical simulation software FLAC3D is expected to model and ula the mountain surface in the all caving and strip mining. Then draw out the ground sunsidence tilt, curvature, horizontal deation curves and verified by engineering practice. Then made research on the valleys terrain of first mining area and made a prediction in different plans, finally arrive at the optimal mining plan. According to strict construction, mining feasibility studies and mining design, rock movement observation design, mining-based area built to provide a reliable technical ination. The difference between surface and the ground of the valleys mining subsidence laws mainly due to the sliding trend of the valleys of the surface itself in the mined rock mobile induction which increased the deation degree and range of movement of the surface of the valleys. Keywords Mining subsidence; Valleys terrain; Mountain area; Numerical simulation; Deation prediction 山东科技大学硕士学位论文 目录 目 录 目 录 1 绪绪 论论 .................................................................................................................. 1 1.1 课题的提出及研究意义 ..................................................................................................1 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................................2 1.3 主要研究内容及技术路线 ............................................................................................4 2 开采沉陷的基本理论开采沉陷的基本理论........................................................................................ 6 2.1 开采沉陷的危害及影响因素 ..........................................................................................6 2.2 开采沉陷预计的基本概念及研究现状 ..........................................................................8 2.3 概率积分法简介 ............................................................................................................9 2.4 本章小结 ........................................................................................................................18 3 山区地表移动规律山区地表移动规律.......................................................................................... 19 3.1 山区地表移动基本理论 ................................................................................................19 3.2 采动滑移的基本规律 ....................................................................................................20 3.3 采动滑移的机理分析 .....................................................................................................21 3.4 采动滑移向量分析 .........................................................................................................22 3.5 本章小结 ........................................................................................................................29 4 谷壑地形地表三维建模研究谷壑地形地表三维建模研究.......................................................................... 30 4.1 SURFER软件简介 ..........................................................................................................30 4.2 FLAC软件简介...............................................................................................................30 4.3 FLAC3D复杂三维地质建模研究 ..................................................................................31 4.4 本章小结 ........................................................................................................................36 5 谷壑地形建筑物下开采研究谷壑地形建筑物下开采研究.......................................................................... 37 5.1 矿井概况 .........................................................................................................................37 5.2 首采区数值模拟分析 ....................................................................................................41 5.3 首采区段建筑物下开采地表移动与变形预计 ............................................................52 5.4 七 0 八厂建筑物下开采地表岩层移动观测设计 ........................................................56 山东科技大学硕士学位论文 目录 5.5 本章小结 ........................................................................................................................58 6.结论与展望结论与展望 ...................................................................................................... 59 6.1 主要结论 .........................................................................................................................59 6.2 展望 .................................................................................................................................59 参考文献参考文献 ............................................................................................................. 61 致致 谢谢 ............................................................................................................... 65 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果..................................................................................... 66 山东科技大学硕士学位论文 目录 Contents 1 Introduction.................................................................................................... 1 1.1 Raising of Project and Research Significent...................................................................1 1.2 Reaseatch Status at Home and Abroad ...........................................................................2 1.3 The Key Reasearch and Technical Route .......................................................................4 2 Basic Concepts and Prediction s of Mining Subsidence ............. 6 2.1 Hazards and Impact Factors of Mining Subsidence .......................................................6 2.2 Basic Concepts and Reaseatch Status of Mining Subsidence prediction .......................9 2.3 Introduction to Probability Integral .................................................................10 2.4 Chapter Summary.........................................................................................................20 3 Research on Mountain Surface Movement Law...................................... 21 3.1 The Basic Theory of Mountain Surface Movement .....................................................21 3.2 Basic Law of Mining Slip Impact ...............................................................................22 3.3 Mechanism Analysis of Mining Slip.............................................................................23 3.4 Vector Analysis of Mining Slip.....................................................................................25 3.5 Chapter Summary.........................................................................................................31 4 Reasearch on Valleys Train Turface Three-dimensional Modeling........ 32 4.1 Introduction of Surfer ...................................................................................................32 4.2 Introduction of FLAC...................................................................................................32 4.3 The FLAC3D Complex Three-dimensional Geological Modeling..............................33 4.4 Chapter summary..........................................................................................................38 5 Research of Mining Beneath Surface Buildings for Valleys Terrain...... 40 5.1 Take Overview..............................................................................................................40 5.2 Numerical Simulation Analysis of First Mining Field..................................................46 5.3 Grou nd Displacement and Deation Predition of First Mining Field Under Buildings................................................................................................................................57 5.4 Surface Rock Movement Observation Design of Mining Under Buildings.................61 山东科技大学硕士学位论文 目录 5.5 Chapter summary..........................................................................................................63 6 Conclusions and Prospect........................................................................... 64 6.1 The main conclusions ...................................................................................................64 6.2 Prospect.........................................................................................................................65 Reference Documents........................................................................................ 66 Thanks................................................................................................................. 70 Main work achievements of the author during study on Master.................. 71 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪绪 论论 1.1 课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 1.1.1 课题的提出课题的提出 近年来，随着经济的飞速发展，国家对煤炭的需求量日益增加，由于需求的不断提 高，各大采区加大了对地下煤矿的开采。随着对地下煤矿的不断开采，开采沉陷问题越 来越严重，采矿活动造成的地质灾害也日益引起人们的关注。 我国煤炭资源丰富，但开采条件较为复杂，尤其是西部地区，采矿条件复杂，大多 分布于沙漠、戈壁、黄土谷壑地区，地表起伏不定，给采矿活动带来严重的影响，严重 制约着煤炭工业的可持续发展。因此研究谷壑地区的地表沉陷规律具有十分重要的理论 意义和现实意义。 1.1.2 研究意义研究意义 煤层大面积采出之后，形成了空间，破坏了采场的原岩应力平衡状态，从而引起原 岩移动、变形和破坏，最后岩层内部的应力重新分布以达到新的平衡。在此过程中，使 岩层和地表产生连续的移动，变形和非连续的破坏（开裂、冒落等） ，这种现象称为“开 采沉陷” [1]。开采沉陷导致的地质灾害主要为地质构造活化；地表裂缝；塌陷坑、山体滑 坡、岩溶塌陷、崩塌；矿震、冲击地压、煤与瓦斯突出等一系列灾害 [2]。边坡的稳定性 将是山区地带采矿的重要考虑因素，边坡的稳定性复杂多变，如何正确评价和预测将关 系到整个采矿工程的成败。矿山开采沉陷引起的滑坡是在山区地表条件下，开采引起沿 地层弱面发生大的滑移，或在具有厚度较大表土层条件下，导致的山体重力失稳的滑坡 灾害 [3]。 地下煤层开采引起的覆岩破坏和地表移动， 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 动规律及变形预计对矿井开采和保护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入的研究，尤其是概率积分法的推广及应用极大的改善了 地表沉陷规律的预计精度，丰富了开采沉陷学说，概率积分法的得名是因为计算地表预 计和变形中含有概率积分或其导数的缘故。因为这种方法的基础是随机介质理论，所以 又叫随机介质理论法。概率积分法认为由于开采引起的地表沉陷为随机事件，从统计的角 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 度来看，在任何开采条件下，可以把整个采区划分成许多个、无限的微小的单元开采，整 个开采对地表的影响等同于各个小部分对地表影响的总和。 但概率积分法是一种理想化的 模型，不能够反应各覆岩岩性的变化，在平地地区适用性较强，在山区复杂地质采矿条件 下预计精度大大降低。我国大约有三分之一以上的煤矿位于山区，因而，研究山区谷壑 地表移动规律和变形预计有重要意义。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 国外开采沉陷学研究的发展历程国外开采沉陷学研究的发展历程 开采沉陷是与采矿工程密切相关的一个学科主要研究矿物地下开采引起的覆岩和地 表沉陷产生的移动变形以及由此带来的土地、水体、建筑物等生态环境方面的破坏及防 治技术。它起源于欧洲，随着第二次世界大战后采矿业的蓬勃兴起。 15 世纪， 从英国达勒姆法庭记录显示由于煤矿开采所破坏的房屋可以得到 200 英镑 的补助。比利时工程师是第一个做出了研究，把沉陷的原因归结于开采。1839 年比利时 工程师 J. Gonot 在烈日市研究学习的时候制定了第一个有关沉陷学的理论，但是他没有 发表直到 1858 年，一个法国的工程师 Toillez 研究出一个类似的理论。 在 1884 年Jicinsky总结了奥地利的经验并且提出了“无破坏采深”的概念 [4]。随着岩 石覆盖井巷的岩石裂隙和地层的升幅， 采煤留下的空隙相对于采煤深度来说是非常小的， 地表沉陷的可能性会随着采深的增加而减小。 在 1890 年初， 访问德国工程师观察到了这 种方法，这种方法迅速得到发展并且被应用到了欧洲长壁采煤当中去。 在 1900 年，一个现代的有关沉陷的观点被Wachsmann公布，Wachsmann表示，当煤 层被开采后，最底下的阶层会崩塌，倒数第二层会下沉和出现裂纹，最上面的一层将不 会有裂纹和塌落。气体充填在 1914 年被成功的应用在苏必利尔湖铜矿区。1909 年在 Scranton，开展沉陷工作的一部分工作者是那些回顾搜集到的由于开采所引起的沉陷的 大量的有用的信息的年轻人和学者。在 1928 年，预算地表沉陷计算方法的理论基础被 Keinhorst阐述。在 1932 年，R. Bals使用Keinhorst的基本假设，发展了关于数学而不是实 践经验基础的预算地表沉陷的公式。 Keinhorst 系统分析了地表移动规律并用移动变形曲 线表示。这个预算方法在 1950 年被英国的国家煤炭局所采纳。随着长时间的技术调查， 我们可得知煤柱留在井底下可以起到支护的作用。煤柱的强度和负担过重负载的能力足 够让沉陷延迟很多年，可能几个世纪。60 年代初，英国学者Berry和sales将岩体视为均质 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 弹性体，分为平面各向同性、横观各向同性与空间问题 3 类进行分析，提出了计算岩体 下沉的方法。从 90 年代至今，随着科学技术的发展和研究手段的进步，人们将经典理论 的算法编成计算机程序，使得过去难于计算的问题成为可能。在西方发达国家，利用信 息技术开发出了一批适用于矿山的应用软件如加拿大的LYNX系统，用于地学研究从勘 探资料分析地质特征， 澳大利亚的MineTER以及MineMap， 用于矿山设计和绘制工程图， 三维开采模拟等 [5][6][7]。 1.2.2 国内开采沉陷学研究的发展历程国内开采沉陷学研究的发展历程 20世纪50年代以来,国内学者开始逐渐关注开采沉陷的动态过程,并进行了深入的研 究与实践,并在岩层与地表移动理论研究方面取得了一系列成果,相继提出了托板理论、 关 键层理论、层状介质理论、损伤力学理论等。同时有限单元法、相似材料模型法、边界 元法、数值计算软件、离散单元法等也用来研究地表岩层移动的问题,并取得了较多的成 果 [1]。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周国铨、虞 万波、崔继宪等提出了负指数函数法计算地表移动。邹友峰等对地表沉陷的预计方法重 点进行了相关研究。 因此,要准确认识开采沉陷机理,就必须把整个采动影响视作一个系统, 多学科相互交叉配合,由下至上地研究采动覆岩内部和地表移动,分析出岩层移动的力学 过程,找出控制岩层移动的力学规律,为减缓开采沉陷提供理论基础。 1.2.3 山区开采沉陷与采动损害研究