煤矿单一工作面深部开采覆岩及地表移动规律研究.pdf

论文题目 煤矿单一工作面深部开采覆岩及地表 移动规律研究 作者姓名翟盛鑫 专业名称太丝测量堂 皇测量工程 指导教师塞丞重 论文提交日期 论文答辩日期 授予学位E l 期 入学时间 研究方向 职称 垄鱼里兰生竺旦 王翟测量曼 王些测量 教授 日一日一L竺咄蓑 5 5 一玉 1 1 一 O O 一 刀一 型巡泌 螋4 ㈣2 5 5 磐。Y 2 9 曜 R E S E A R C Ho NL A W So Fo V E R L Y I N GS T R A T AA N DS U R F A C E M o V E M E N TO F S I N G L EW o R K F A C ED E E PM I N I N G AD i s s e r t a t i o ns u b m i U e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t so ft h ed e g r e eo f M A S T E Ro FP H I L o S o P H Y f r o m S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y b y Z h a iC h e n g s e n S u p e r v i s o r P r o f e s s o rL u a nY u a n z h o n g C o l l e g eo fG e o m a t i c s M a y 2 0 1 5 声明 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。 硕士生签名翟我瓤 日 A F F I R M A T I o N 期为f 岁．6 √寸 Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h e a w a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y , i s w h o l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e ．T h ed o c u m e n th a sn o tb e e n s u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i ci n s t i t u t e ． S i g n a t u r e 卧a I l、 D a t e 砂} ∑T6th 叭伊 _ S 凹 e苏 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘要 随着煤炭资源的需求量不断加大，部分煤矿已进入深部开采阶段。而深部开采条件 下的覆岩与地表移动变形规律与浅部相比有明显的差异，为此，进一步的研究深部开采 覆岩与地表的移动变形规律，有效的控制地表的沉陷变形，成为深部开采亟需解决的问 题。 本文以山东某矿1 3 3 0 1 深采工作面为例，通过对地表移动观测站实测数据分析，得 出深部开采具有地表移动变形值小，下沉速度小，下沉盆地移动比较平缓、均匀，移动 持续的时间较长等特点。 以1 3 3 0 1 工作面实际的地质采矿条件为原型，并合理的选择岩层力学参数，采用 F L A C 3 D 软件对采深4 0 0 m 、9 0 0 m ，工作面推进3 0 0 m 、6 0 0 m 、9 0 0 m 、1 2 0 0 m 时，覆岩 与地表移动变形情况分别进行模拟计算，经研究发现，与浅部开采相比，深部开采在覆 岩的垂直应力、位移的分布以及地表移动变形特征等方面表现出明显的不同。并将数值 模拟数据与实测数据进行对比，分析了数值模拟值与实测值不同的原因。 采用M A T L A B 软件对变形数据进行了拟合回归，研究了地表及内部岩层的变形规 律。对内部岩层的最大下沉值选择多种函数拟合，采用和方差、确定系数、校正后确定 系数、均方根误差四项标准，评价各函数方程与模拟数据的拟合效果，最终确定内部岩 层的最大下沉值拟合函数方程为对数函数，同理，最终确定内部岩层下沉盆地边界最佳 拟合函数方程为指数函数，地表下沉最佳拟合函数为二维高斯函数，地表水平移动最佳 拟合函数为二维三角函数。 最后，将F L A C 3 D 数值模拟和M A T L A B 中的曲线拟合回归分析法相结合，总结分 析了开采深度、开采厚度、松散层厚度、深厚比等地质采矿因素对地表移动变形值和下 沉系数的影响。 关键词深部开采；数值模拟回归分析；下沉系数 山东科技大学硕士学位论文 摘要 A B S T R A C T W i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n do fc o a lr e s o u r c e s ，t h ec o a ls e a mm i n i n gh a sa l r e a d ye n t e r e d t h es t a g e so fd e e pm i n i n g ．C o m p a r e dw i t ht h es h a l l o wm i n i n g ，l a w so ft h ed e e pd e f o r m a t i o n o fo v e r l y i n ga n ds u r f a c em o v e m e n ti so b v i o u s l yd i f f e r e n t ．F o rt h ep u r p o s eo fr e s e a r c ho nt h e l a w so ft h ed e f o r m a t i o no fo v e r l y i n ga n ds u r f a c em o v e m e n tb e t t e r , i th a sb e c o m e dt h eu r g e n t p r o b l e mt oc o n t r o lt h es u r f a c es u b s i d e n c ee f f e c t i v ei nd e e pm i n i n g T h i sp a s s a g ei n t r o d u c et h ef i e l dd a t a a n a l y s i sa n di n t e g r a t i o nt r e a t m e n to f 13 3 0 1 w o r k f a c ei nS h a n d o n g ，c o n c l u d e dt h a td e e pm i n i n gh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs m a l ls u r f a c e s u b s i d e n c ea n dh o r i z o n t a lm o v e m e n t ，s l o wd e f o r m a t i o na n dl o n gc y c l e ． A st h ep r o t o t y p eo fg e o l o g i c a lm i n i n gc o n d i t i o nf o rt h e13 3 01w o r k f a c e ，c h o i c i n gt h e r e a s o n a b l er o c km e c h a n i c a lp a r a m e t e r s ．U s i n gF L A C 3 Ds i m u l a t ei nt h ep r e c e s so fd i f f e r e n t d e p t hw o r k f a c e ．I nc o m p a r i s o nw i t hs h a l l o wm i n i n g ，t h e r o c k si n d e e pm i n i n g i nt h e d i s t r i b u t i o no fv e r t i c a ls t r e s s ，d i s p l a c e m e n ta n ds u r f a c em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c ss h o w e da s i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n t ． I nt h i sp a p e r ，u s i n gM A T L A Bm a d ef i t t i n ga n dr e g r e s s i o nw i t ht h ed e f o r m a t i o nd a t a ， s t u d i e dt h ed e f o r m a t i o nr e g u l a t i o no ft h es u r f a c ea n di n t e r n a lr o c k s ，w h e na n a l y s i s e dt h e r e g u l a t i o no fi n t e r n a lr o c k ’Ss u b s i d e n c e ，c h o s e nl o g a r i t h m i cf u n c t i o n ，c u b i cp o l y n o m i a lt o m a k ef i t t i n g ，e v a l u a t e dt h ef u n c t i o n a le q u a t i o n ’sf i t t i n ge f f e c tw i t ht h es i m u l a t e dd a t a ，f r o mt h e s u mo fs q u a r e sd u et oe r r o r , c o e f f i c i e n to fd e t e r m i n a t i o n ，a a j u s t e dc o e f f i c i e n to f d e t e i m i n a t i o n ，r o o tm e a ns q u a r e de r r o r , u l t i m a t e l yd e t e r m i n e dt h eb e s tf i t t i n gf u n c t i o n t O i n t e r n a lr o c k ’Sm a x i m u mi sl o g a r i t h m i cf u n c t i o n ．I nt h es a m ew a y , d e t e r m i n e de x p o n e n t i a l f u n c t i o nf i t t i n ge q u a t i o no fi n t e m a lr o c k ’Ss u b s i d e n c eb a s i nb o u n d a r y ．t w o d i m e n s i o n a l g a u s s i a nf i t t i n ge q u a t i o n so fs u r f a c em a x i m u ms u b s i d e n c e ，t w o d i m e n s i o n a ls i n ef u n c t i o n f u n c t i o nf i t t i n ge q u a t i o no fs u r f a c eh o r i z o n t a lm o v e m e n t A tt h es a m et i m e ，c o m b i n e dw i t ht h eF L A C 3 Dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dM A T L A B r e g r e s s i o na n a l y s i s ，a n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e f a c t o r so fm i n i n gd e p t h ，m i n i n g h e i g h t ，t h i c k n e s so ft h el o o s eb e da n ds u b s i d e n c ef a c t o r K e y w o r d s D e e pm i n i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；r e g r e s s i o na n a l y s i s ；s u b s i d e n c ef a c t o r 东科技大学硕士学位论文目录 目录 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。l 1 ．1 选题的背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2 国内外的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 1 3 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．4 研究方法及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 深部开采地表移动实测数据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 矿区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 地表移动观测站概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．31 3 3 0 1 工作面地表移动实测数据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 深部开采覆岩移动规律数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．1 数值模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 3 ．2 覆岩垂直应力分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 3 ．3 覆岩垂直位移分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 3 ．4 覆岩层内部移动变形规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 8 4 深部开采地表移动规律数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．1 数值模拟结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．2 地表移动变形规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 6 4 ．3 数值模拟与实测对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 0 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 1 5 地质采矿因素对地表移动的影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 2 5 ．1 开采深度对地表移动的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 2 5 ．2 开采厚度对地表移动的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 5 ．3 松散层厚度对地表移动的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 山东科技大学硕士学位论文目录 5 ．4 深厚比对地表移动的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 5 6 主要结论及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。“ 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 6 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 攻读硕士期间主要成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 3 山东科技大学硕士学位论文 目录 C o n t e n t s 1I n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 I ．1T h eS i g n i f i c a n c e A n d B a s i sO f T o p i cS e l e c t i o n ．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1 ．2R e s e a r c hS t a t u s A t H o m e A n d A b r o a d ⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．⋯．⋯．．⋯ 1 ．3T h eM a i nR e s e r c hC o n t e n t ．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ．2 ．4 1 ．4R e s e r c hM e t h o d sA n dT e c h n i c a lR o u t e ⋯⋯⋯．．⋯．⋯．⋯．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．⋯．⋯．⋯．．⋯⋯⋯．．．．5 2D a t aA n a l y s i so fO n - l i n eM e a s u r i n gO fS u r f a c eM o v e m e n tF o rd e e pm i n i n g ⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．1T h eG e n e r a lS i t u a t i o nO f M i n e ⋯⋯⋯ 2 ．2D e s i g nO f S u r f a c eM o v e m e n tO b s e r v a t i o n ．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．⋯．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．1 0 2 ．3D a t aA n a l y s i sO f O n - l i n eM e a s u r i n gO f1 3 3 0 1w o r k f a c e 2 ．4S u m m a r y O f C h a p t ．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．1 6 3T h eN u m e r i c a lS i m u l a t i o nF o rO v e r l y i n gR o c k sF o rD e e pM i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 7 3 ．1T h eN u m e r i c a lM o d e lE s t a b l i s h ⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 ．2T h eV e r t i c a lS 仃e s sD i s t r i b u t i o nO v e r l y i n gR o c k s ．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．2 0 3 ．3T h eV e r t i c a lD i s p l a c e m e n tD i s t r i b u t i o nO v e r l y i n gR o c k s ．．．．，，，，．．．．．．．．．．．．2 6 3 ．4T h eR o c kD e f o r m a t i o nR g u l a t i o nO f D e e pm i n g ．．．．．，．．．．．．，．，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 3 3 ．5S u m m a r yO f C h a p t ．．，， ⋯．．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．，，，，．．⋯．⋯．⋯，⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 4T h eN u m e r i c a lS i m u l a t i o nF o rS u r f a c eM o v e m e n tO FD e e pM i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．1T h eR e s u l t s A n d A n a l y s i sO f S i m u l a t i o n ，．．．，．．．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．．，，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 9 4 ．2T h eS u r f a c eD e f o r m a t i o nR g u l a t i o nO f D e e pM i n g ．．．．．．．．．．．．．．，，．．．．．．．．．．，，．．．．．．．4 6 4 ．3T h eC o m p a r a t i v eA n a l y s i sO f N u m e r i c a lS i m u l a t i o nA n dO n - l i n eM e a s u r i n g ．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 0 4 ．4S u m m a r y O f C h a p t ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯，，，，⋯．⋯．．5 0 5T h eI n f l u e n c eO fG e o l o g i c a lA n dM i n i n gF a c t o r sO fS u r f a c eM o v e m e n tA n a l y s i s ⋯⋯．5 2 5 ．1T h e I n f l u e n c e O f S u r f a c e M o v i n g L a w F o r D i f f e r e n t M i n i n g D e p t h ⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．2T h eI n f l u e n c eO fS u r f a c eM o v i n gL a wF o rD i f f e r e n tM i n i n gH e i g h t ． 5 ．3T h eI n f l u e n c eO f S u r f a c eM o v i n gL a wF o rD i f f e r e n tT h i c k n e s sO f L o s s e sB e d ．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．5 9 5 ．4T h eI n f l u e n c eO fS u r f a c eM o v i n gL a wF o rD i f f e r e mR a t i oO fM i n i n gD e p t hA n dM i n i n g T h i c k n e s s ⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯，．．．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯，．．⋯⋯⋯⋯，⋯⋯⋯6 1 山东科技大学硕士学位论文 目录 5 ．5S u m m a r yO f C h a p t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6T h eM a i nC o n c l u s i o nA n d P r o s p e c t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 6 ．1M a i nC o n c l u s i o n ～ ⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．．．．．．⋯⋯⋯．⋯．．．．．．⋯⋯．．6 6 6 ．2P r o s p e c t s ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．⋯．．⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．～6 7 R e f e r e n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 A c k n o w l e d g e m e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 M a i nw o r ka c h i e v e m e n td u r i n gw o r k i n go nM a s t e rt i m e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 ．1 选题的背景和意义 随着煤炭资源需求量的不断扩大，浅部的煤炭资源日渐减少，国内煤矿的开采正逐 步进入深采阶段。采深也由最初的2 0 0 ～3 0 0 m 发展到7 0 0 ～8 0 0 m ，部分煤矿的采深甚至 已达到1 0 0 0 m 以上。国内煤矿的采深平均以8 ～1 2 r n ／年的速度增长，而东部的矿井正以 1 0 ～2 5 m ／年的速度发展[ 1 1 。预计在未来的2 0 多年中，很多国内的矿井的采深将会达到 7 0 0 ～1 5 0 0 m 。可以预见，深部开采必将是煤矿生产开发的必然阶段。而对深部开采覆岩 与地表变形规律的研究，具有及其重要的理论和实际意义。 在煤层未开采之前，其岩体保持相对平衡状态，而矿体的采出将会使采空区周围的 岩体的应力发生变化，导致岩体的移动与变形。随着开采的持续进行，这种复杂的过程 不断重复。在此期间，从煤层的直接顶和覆岩层依次发生冒落、弯曲、断裂等，最终在 地表形成不连续的裂缝、塌陷空、下沉盆地【2 1 。这对矿区的生态环境造成了严重的影响， 同时也严重损坏了采区地表的构 建 筑物，例如在山东济宁市，到2 0 0 9 年底，煤炭开 采造成的土地塌陷3 5 万亩，并正以3 万／年的速度递增，预计2 0 2 0 年。全市塌陷土地将 达到7 0 万亩，塌坑之深、面积之广、全国罕见[ 3 1 。对煤层开采引起的地表移动沉陷的研 究刻不容缓。由于深部开采矿井的地质力学环境与岩层力学行为较浅部开采有明显的不 同。目前，主要基于浅部开采的理论和技术已经不能适应深部开采，而基于浅部开采研 究出的建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设和开采过程中所选用的地表沉陷预 测控制参数也不再适用深部的生产。如果仍盲目的适用这些参数进行预测和控制，会使 结果有很大的偏差，不仅使煤炭资源得不到合理的开采，而且可能会造成灾害事故的发 生，危机人们的生命和财产安全。 因此，研究深部开采覆岩及地表移动变形规律，探究深部开采高地附加压力影响下 岩层与地表移动空间与时间的演化规律。更正煤柱留设和开采规程中选用的预测控制参 数，从而能够准确的预计地表的沉降，充分合理的开采煤炭资源，减少煤层开采引起的 灾害事故，增强生态环境的保护，提高矿井产量、保护人们的生命和财产安全、实现矿 业的可持续发展具有十分重要的理论与现实意义。 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 ．2 ．1 深部开采的现状 关于深部的定义有关专家提出以岩爆发生的的频率来界定，也有专家认为应以围岩 达到的岩石的强度来评定，但是，由于不同国家在煤层赋存的自然条件、技术装备水平 和开发技术上的差异，以及在开采中出现的不同程度的问题，对深部开采国际上尚无统 一的界定标准，如日本 ≥6 0 0 m 、英国 ≥7 5 0 m 、德国 ≥8 0 0 m 1 4 - 6 1 。2 0 0 1 年， 在香山科学会议1 7 5 次学术探讨会议上，钱鸣高、古德生、谢和平等多位院士及学者一 致认为我国的煤矿深部开采的深度可界定为8 0 01 5 0 0 m [ 7 1 。 深部开采是一项涉及多学科的复杂工程，更是关系到未来矿业可持续发展的社会工 程。早在8 0 年代初，国外就已经开始注重对深部开采的研究。1 9 8 3 年，前苏联对采深 超过1 6 0 0 m 的煤矿的开采进行专题研究，并在西德建立了一个大型的试验台，对深部的 矿压的三维问题进行模拟实验研究。1 9 9 8 年，南非为解决深部金矿安全、经济开采的技 术问题，启动了一个“D e e pM i n e ”的研究计划。其他的一些有深部矿山的国家，如澳大利 亚、德国、波兰等也集中国内主要的人力、财力进行深部开采相关技术的研究⋯0 1 。 我国也在2 0 世纪8 0 年代末开始了这方面的研究工作。三十多年以来，取得了一些 研究成果。许家林等运用关键层的理论对浅部与深部移动变形的差异进行了研究，并提 出了深部开采沉陷预测方法；钱七虎、谢和平、何满潮等一大批专家、学者对深部原岩 体的力学性质与浅部岩体的差异性展开了研究工作，并在地质构造探测、灾害机理与防 治、深采的关键技术、软岩岩体力学与支护等方面开展了专项研究，取得了一系列辉煌 的成果[ 1 1 ] 。郭文兵对大采宽的深部开采地表移动变形规律进行了研究，利用叠加的思想， 对多个单一工作面开采的影响进行预测【1 2 】；徐乃忠、王斌等结合实例进行力学分析，提 出了适合深部开采的参数修正的概率积分预测模型【1 3 1 郭增长在分析理论和实测资料的 基础上，提出了极不充分采动条件下的概率密度函数模型。 1 ．2 ．2 采区覆岩演化规律研究现状 地表的移动变形与覆岩层的运动关系密切，两者属于一个统一的变化、运动过程。 因此，只有掌握采动覆岩体的变形演化规律，才是解决地表移动变形的关键。 苏联、法国的一批学者从1 9 世纪末开始对岩层的移动规律进行了初步的研究，并提 出一些基本的力学结构。如普氏平衡拱、岩梁假设、顶板梁稳定性等，进一步的推导出 2 L b 东科技大学硕士学位论文 绪论 由于西方国家的能源结构主要以石油为主，尤其 了地表应变与曲率半径成反比的结论； 是在发达国家，煤炭在能源结构中所占的比例很小，对覆岩层的移动规律的研究也较少。 一直到近现代，南非、澳大利亚、美国等国的专家学者进一步的发展在覆岩移动变形方 面力学理论的应用，如面元原理，对水平移动与地表倾斜的关系、下沉剖面方程的函数 形式进行了推导和验证[ 】4 ．15 1 。 在国内，煤炭一直是我国重要的能源原料，在能源结构中占有重要地位。因此十分 注重对它的研究。主要研究成果有钱鸣高、许家林等在分析相关理论和在实践的基础 上，在关键层方面形成了一套完整的体系[ M 】；刘开云对关键层的应力进行研究，得到在 充分采动条件下的塑性极限荷载的公式【“ ] ；姜福兴等将采场覆岩的结构分为“0 ”型、“5 ” 型、”f ”和“0 ”型四种；李伟对采场覆岩的结构进行延伸，分析了结构失稳的形式，并 对其引发的灾害的机理进行相关的探讨[ 1 8 】张庆松等通过神经网络技术对覆岩力学参数 的三维位移进行反演；李增琪、杨硕从集中位移应变漏与大变形角度，探讨了矿山压力、 岩层与地表移动的三维力学计算方法【1 9 l ；康建荣建立了覆岩层断裂临界时开采长度的模 型，分析了采动时岩体断裂破坏的条件[ 2 0 】；汤建泉等对覆岩层组合结构的形成、运动、 破坏及其基本形式和失稳条件进行了研究【2 1 1 ；赵晓东等将时间等因素引入覆岩变形中， 建立模拟岩层移动变形的复合层板模型；麻风海建立了考虑时问和空间因素的动力学方 程，应用连续介质和非连续介质理论处理岩层移动的连续性和非连续性问题，从流变力 学的观点揭示了岩层与地表的动态发展过程【2 2 1 张向东等对覆岩运动与离层的发展进行 研究，推导出控制岩层变形和离层裂缝宽度的公式【2 3 】；赵洪亮从岩体内部结构演化角度， 对开采模式与开采速率对覆岩结构及地表演化规律的影响进行了研究【2 4 】；康建荣等运用 相似模拟实验的原理和方法，研究了覆岩层的应力以及覆岩随时间变化发展的规律[ 2 5 】 李德海分析了覆岩岩性参数和时间影响参数的确定方法和关系，完善并补充K n o t h e 时间 函数理论【2 6 】；尹增德对四类典型岩性结构在采动边界上的破坏规律进行研究[ 2 7 1 ；吴士良 对覆岩破坏的主要形式和过程进行了较为详细的分析，将覆岩破坏划分为四个阶段；郭 惟嘉提出深部的变形具有明显的分带分区性，变形具有集中迟缓现象王志国运用分形 几何理论对开采宽度、采场矿山压力等影响因子对岩层沉降的动态演化规律【2 8 l 。 1 ．2 ．3 地表移动变形特征研究现状 对地表开采沉陷的研究，国内外由来己久，人们按照不同的标准、不同的角度，经 过对在实践中产生的开采沉陷现象，开展了开采沉陷影响范围和开采完成后覆岩层与地 3 山东科技大学硕士学位论文绪论 表变形规律的探讨研究，通过从被动的了解开采沉陷规律，到主动掌握采煤沉陷的进程。 最先对采动引起的沉陷影响的研究是在6 0 年代初，经过5 0 多年一批批专家学者的努力， 在理论及实践上都获取了突破或显著的进步。在国际上也处于领先水平。其主要研究成 果有刘宝深、廖国华将随机介质论法引入，经过多年的发展，已经逐渐成熟，并且这 种地表下沉预计方法得到了广泛的应用[ 2 9 1 刘天泉、马伟民、王金庄等针对水平、缓倾 斜、急倾斜开采引发的岩体与地表移动规律进行分析研究，推导出垮落带、导睡裂隙带 的公式[ 3 0 - 3 1 】朱自强等通过建立地面沉陷模型进行地面沉陷预报工作[ 3 2 】于广明通过实 地调查、相似材料模拟和数值模拟实验对沉陷过程中岩体突变破坏的机理进行分析研究 【3 3 】；谢和平等通过F L A C 3 D 数值模拟了存在断层时的采动沉陷，证明数值模拟是一种简 单可行的预计方法【3 4 】；李永树利用叠加原理和曲面积分公式推导出关于不规则空间的地 表沉陷预计公式 3 5 1 ；郝延锦利用弹性板理论，建立了基本地表预测模型，推导出走向和 倾向任意点的下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形预测函数【3 6 ] ；王金安对“应力屏 蔽”现象、采区上部压力拱的畸变而表现出的出非对称、非规则的结构形态进行了分析 刘光庆研究了超长综放开采的地表移动变形规律和有关的参数[ 3 7 】；黄乐亭等将地表沉陷 变形划分为3 各主要阶段，发展、充分、衰减等，分析了地表倾斜和水平变形速率的发 展变化[ 3 8 ] 。徐乃忠、腾永海等通过实例和力学分析，揭示了与浅部开采相比深部开采具 有连续、缓慢、周期长的特点【3 9 1 ；李军民等在活跃期时间影响因素、地表移动期、超前 影响角等方面与浅部开采不同的变