煤矿地下采动对厂区地基稳定性的影响——以贵阳能源集团威赫电厂马蹄塘厂区为例.pdf

贵 州 大 学 2017 届硕士研究生学位论文 煤矿地下采动对厂区地基 稳定性的影响 以贵阳能源集团威赫电厂马蹄塘厂区为例 学科专业 地 质 工 程 研究方向 岩土体性质及其应用 导 师 叶 明 亮（教授） 研 究 生 何 松 标 中国﹒﹒贵州﹒﹒贵阳 2017 年 5 月 分类号 TD801 论文编号 201701031389 密 级 公 开 万方数据 贵州大学硕士研究生学位论文 目 录 摘摘 要要............................................................................................................................ I Abstract ........................................................................................................................ II 1 绪绪 论论........................................................................................................................... 1 1.1 选题背景 .................................................................................................................. 1 1.2 研究意义 .................................................................................................................. 2 1.3 国内外研究现状 ...................................................................................................... 2 1.3.1开采沉陷的研究 ............................................................................................... 2 1.3.2采空区建筑地基稳定性研究 ........................................................................... 4 1.4 主要研究内容及技术路线 ...................................................................................... 6 1.4.1研究的主要内容 ............................................................................................... 6 1.4.2技术路线 ........................................................................................................... 7 2 拟建电厂工程区概述拟建电厂工程区概述 ................................................................................................ 8 2.1 地理位置及地形地貌 .............................................................................................. 8 2.2 区域气象及水文 ...................................................................................................... 9 2.2.1气象 ................................................................................................................... 9 2.2.2水文 ................................................................................................................... 9 2.3 区域地层及构造 ...................................................................................................... 9 2.3.1区域地层 ........................................................................................................... 9 2.3.2区域构造 ......................................................................................................... 10 2.4 工程地质与采矿条件 ............................................................................................ 11 2.4.1工程地质条件 ................................................................................................. 11 2.4.2矿区概述 ......................................................................................................... 13 3 拟建工程区地表移动变形预计拟建工程区地表移动变形预计 .............................................................................. 15 3.1 预计方法的选取 .................................................................................................... 15 3.2 关键层理论和概率积分法的基本原理 ................................................................ 16 3.2.1关键层理论 ..................................................................................................... 16 3.2.2关键层的判定 ................................................................................................. 16 3.3 概率积分法 ............................................................................................................ 19 万方数据 贵州大学硕士研究生学位论文 3.3.1概率积分法的原理 ......................................................................................... 19 3.3.2概率积分模型 ................................................................................................. 20 3.4 预计公式及其参数的选取 .................................................................................... 22 3.4.1关键层-概率积分法预计公式 ....................................................................... 22 3.4.2沿倾向方向上变形预计公式 ......................................................................... 25 3.4.3预计参数的确定 ............................................................................................. 25 3.5 预计结果 ................................................................................................................ 27 4 煤矿地下开采覆岩及地表变形三维数值模拟煤矿地下开采覆岩及地表变形三维数值模拟 ..................................................... 33 4.1 软件的介绍 ............................................................................................................ 33 4.2 三维数值模型的建立 ............................................................................................ 33 4.2.1地质几何模型 ................................................................................................. 33 4.2.2单元网格划分 ................................................................................................. 35 4.2.3边界条件及物理力学参数的确定 ................................................................. 37 4.3 煤层重复采动覆岩变形特征 ................................................................................ 38 4.3.1地表下沉位移场特征及分析（z 向位移场） .............................................. 38 4.3.2地表水平位移场特征及分析 ......................................................................... 40 4.3.3竖向变形特征分析 ......................................................................................... 44 4.3.4地表整体位移矢量场特征分析 ..................................................................... 49 4.3.5整体应力场特征及分析 ................................................................................. 50 4.4 理论预计与模拟预计对比分析 ............................................................................ 51 4.5 本章小结 ................................................................................................................ 52 5 电厂建（构）筑物荷载下采空区电厂建（构）筑物荷载下采空区地基稳定性分析地基稳定性分析 .............................................. 54 5.1 采空区沉陷盆地上建筑地基稳定性 .................................................................... 55 5.1.1采空区三带的确定 ......................................................................................... 56 5.1.2建（构）筑物地基扰动深度 ......................................................................... 58 5.2 采空区沉陷盆地边缘处建筑地基稳定性 ............................................................ 61 5.2.1 计算模型及加载条件 ........................................................................... 61 5.2.2建（构）筑物荷载与煤层采动作用下的数值模拟 ..................................... 63 5.3 本章小结 ................................................................................................................ 69 万方数据 贵州大学硕士研究生学位论文 6 电厂地基稳定性初步评价电厂地基稳定性初步评价 ...................................................................................... 70 6.1 评价标准 ................................................................................................................ 70 6.2 煤矿地下开采对拟建建筑物地基稳定性影响评价 ............................................ 72 6.2.1煤层采动对拟建场地的影响 ......................................................................... 72 6.2.2建筑荷载对采动地基稳定性的影响 ............................................................. 73 6.3 拟建电厂地基影响分区 ........................................................................................ 73 6.4 建议防治措施 ........................................................................................................ 74 6.4.1极不稳定区 ..................................................................................................... 74 6.4.2基本稳定区 ..................................................................................................... 74 7 结论与展望结论与展望 .............................................................................................................. 76 7.1 结论 ........................................................................................................................ 76 7.2 展望 ........................................................................................................................ 77 致致 谢谢............................................................................................................................ 78 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 79 附附 录录............................................................................................................................ 83 万方数据 贵州大学硕士研究生学位论文 I 煤矿地下采动对厂区地基稳定性的影响 以贵阳能源集团威赫电厂马蹄塘厂区为例 摘 要 贵州省是我国的产煤大省，其煤矿几乎都位于山区。山区煤矿地下开采引 起的地表移动变形特征与平原地区有明显区别。如果将现有的开采沉陷理论完 全应用到山区必然会产生误差，从而使矿区地面建（构）筑物规划和煤柱留设 不合理，这样会造成山区土地资源和煤炭资源的浪费。研究煤矿地下开采对建 （构）筑物地基稳定性的影响，对提高矿区土地利用率和指导矿区建设规划具 有重要的现实意义。 本文以贵州赫章威赫电厂拟建厂区为研究对象，采用概率积分法和关键层 理论对拟建厂区的地表变形情况进行了预计；利用 模拟了煤矿地下重 复采动过程中上覆岩土体的变形规律及特征；运用应力比法分析了下沉盆地内 建（构）筑物地基的稳定性，并进一步利用 模拟了在建（构）筑物荷 载与煤层采动共同作用下的地基变形情况。在此基础上，对研究区内建（构） 筑物地基稳定性进行了初步的评价。通过本课题的研究，得到以下主要研究成 果 （1）通过概率积分法和关键层理论的地表变形预计，可知拟建厂区东南部 和中南部场地的稳定性主要受地表倾斜和地表水平变形的影响。 （2）煤层重复开采过程中地表下沉与地表水平移动的范围及其量值都在不 断增大，且向拟建电厂方向移动。 （3）煤层采动与建筑物荷载双重作用下，下沉盆地边缘处建（构）筑物地 基主要受隆起变形和水平变形的影响。 （4）综合理论预计结果、数值模拟结果对厂区地基稳定性进行初步评价， 按照危害等级，将拟建厂区东南部压煤区判定为地基极不稳定区、厂区中南部 判定为地基基本稳定区、厂区西部及北部判定为地基稳定区。 关键词煤层采动关键词煤层采动；；地基稳定性地基稳定性；；数值模拟数值模拟；；稳定性评价稳定性评价 万方数据 贵州大学硕士研究生学位论文 II The influence of underground mining on the stability of the foundation In the power plant of Guiyang energy group Wehe Matitang Factory as Example Abstract Guizhou province is a major coal producing province in china. Almost all the coal mine is located in the mountains. The mountain caused by underground coal mining subsidence deation characteristics and plain areas have the obvious difference. If the existing theory of mining subsidence is completely applied to the mountain.That would produce error and lead to the mining ground built structure planning and building coal pillars’s unreasonable, which will cause the waste of land resources and coal resources in mountainous.The study on the influence of underground mining on the stability of the building foundation is of great practical significance to improve the land utilization ratio and the mining area planning. This article take the Guizhou Hezhang Weihe Power Plant as the research object,using probability integral and the key strata theory to predict the deation of the surface to the plant area; simulating the deation law and characteristics of overlying strata in the process of underground mining by ; using the stress ratio to analyze the sinking basin the building structure building foundation stability. Further more, this paper simulate the deation of the foundation under the combined action of the construction structure and the coal mining by using . On this basis,the stability of the foundation of the building in the study area is uated. Through the research of this subject, the following research results are obtained 1 By means of the probability integral and the critical layer theory,it is found that the stability of the proposed site is mainly affected by surface tilt deation and surface horizontal deation. 2 The surface subsidence and the horizontal movement range and the value of the surface are increasing in the process of coal mining. Meanwhile, The scope of influence moves to the factory. 万方数据 贵州大学硕士研究生学位论文 III 3 Under the double action of coal mining and building load,the foundation at the edge of the subsidence basin is mainly affected by uplift deation and horizontal deation. 4 The theoretical prediction and numerical simulation results are used to uate the stability of the foundation.According to the hazard grade,the southeastern part of the coal mining area of the proposed plant is judged to be the extremely unstable area of the foundation, and the middle and southern part of the plant is judged to be the basic stable area of the foundation,and the western and northern parts of the plant are judged as the foundation stability zone. Keywords coal mining; foundation stability; numerical simulation; stability uation. 万方数据 贵州大学硕士研究生学位论文 1 1 绪 论 1.1 选题背景 贵州省煤炭资源丰富，分布广泛，探明储量位居全国第四，且煤种齐全， 煤质优良，是我国特别是江南炼焦用煤和化工用煤的重要基地。然而贵州省几 乎所有的矿区都位于山区，由于山区地形起伏，煤炭开采对地表产生的变形影 响将远大于平原地区；随着开采的进行，矿区原有的应力状态发生改变，伴随 着新的应力状态的形成，引发各种各样的地质现象，如山体地表开裂、滑坡、 地表沉陷等，这些不良地质现象对矿区建筑物会造成很大的危害。 伴随着我国经济的高速发展，对能源的需求量越来越大，从而带动能源区 域基础设施建设的大力发展。与此同时，我国矿区的建设和工业发展出现了新 的难题，特别是像贵州这样 92.5的面积为山地的省份，平坦且适于建筑的场 地相对较少，煤矿几乎都是山区矿藏，所以一方面要考虑原材料供应优势，急 需在煤矿区地表新建一些大型的钢铁、电力、冶炼、建材等厂房；另一方面， 随着山区煤层的开采也产生了一系列的问题，如新建建（构）筑物出现开裂、 沉陷、变形；开采区的地表塌陷导致设备因基础变形而无法正常使用等，同时 大大增加了地基的处理费用，甚至导致建设项目难以实施。 贵阳能源集团威赫电厂（2660MW为新建工程，工程处于可行性研究阶 段，拟选的马蹄塘厂厂址位于赫章县财神镇拉苏村，东南距赫章县直线距离约 16km（公路里程约 35km），西南距财神镇直线距离约 4.5km（公路里程约 9k m），属赫章县财神镇管辖。拟选厂址所在区域地处云贵高原乌蒙山山脉北段， 总体地势西高东低，区域内最高海拔2700m，最低海拔1210m，相对高差约 1 500m，为高原构造剥蚀低中山地貌，以剥蚀作用为主，侵蚀作用为辅，形成了 较为开阔的斜坡地形。由于拟选厂址东南部与青松煤矿的矿界重叠，存在压覆 矿产资源问题，且拟选厂址南部距离矿区边界较近，电厂建成后，厂内建（构） 筑容易受到煤层采动的影响。所以必须调查清楚矿区的相关情况，在具有上部 荷载的条件下，分析煤炭采动对上覆岩土体的影响。目前，山区煤矿开采对建 （构）筑物地基稳定性影响的研究尚处于起步阶段，但是随着各个学科的发展 为其深入研究提供了新的研究手段，特别是计算机技术的广泛应用，使得从原 万方数据 贵州大学硕士研究生学位论文 2 来的单因素分析阶段转向现在的多因素耦合分析阶段，其分析结果也更加切合 实际。 1.2 研究意义 多年来，海内外专家学者们对 “三下”采煤进行了长期、深入而细致的研 究，在采空区地表移动规律等方面积累了丰富的经验，取得了大量的科研成果， 并在实际应用中发挥着积极的作用。但是，关于煤矿采动对地基稳定性的影响 的研究还不是很多，以往的研究多集中于开采影响下的平原地表变形移动规律， 而山区地表变形移动规律与之有显著的差别。相关规程规范中关于山区煤层开 采对建筑地基的影响的规定相对较少，缺乏有效的变形预计方法。所以，开展 此项研究不仅可以解决工程实际问题，为威赫电厂厂址的选择提供依据，为建 （构）筑物的布置及抗变形结构设计提供参考，从而确保科学、安全、有序的 开发该项目，同时也为相关理论知识做了重要的补充。 1.3 国内外研究现状 1.3.1 开采沉陷的研究 开采沉陷的研究始于 19 世纪 30 年代，至今经历了三个主要发展时期。第 一时期为 19 世纪 30 年代到 90 年代，此阶段为理论认知阶段，多里斯于 1838 年提出了关于开采沉陷第一个理论 “垂线理论”；1858 年，比利时学者格诺特 在“垂线理论”的基础上推导除了“法线理论”；1875 年～1917 年，德国学者 Jlcinsky、Oester、法国学者 Fayyol、相继提出了“二等分线理论”、“ 自然斜 面理论”、“ 圆拱形理论”这些理论研究主要集中在上覆岩体和土体变形之间 的变形关系上，并建立了相关的几何模型（赵卫强等，2010）。 第二次蓬勃发展的时期是 20 世纪 40 年代至 80 年代，该阶段为理论形成时 期。此阶段内，世界经济快速发展，矿产资源需求量猛增，与之而来的是采矿 带来的各种地质灾害问题。所以，开采沉陷学的研究受到各国科研工作者的重 视。前苏联学者 Abepiuht 通过对大量实测数据的分析，结合塑性力学理论，于 1947 推导出了地表水平方向移动和垂直方向移动的关系式，后又提出了水平移 动与倾斜成正比的观点；1950 年，波兰学者 Salustwicz 以弹性梁理论为基础， 计算了地表下沉剖面方程；1953 年，波兰的另外两位学者，诺特提和布德雷克 万方数据 贵州大学硕士研究生学位论文 3 将高斯曲线引入到开采沉陷理论中去；1954 年，李特维尼申将随机介质理论运 用到沉陷变形预计当中，此理论也在后续的发展中逐步成为主要的理论预计方 法之一（何国清等，1991）；苏联学者彼图霍夫于 1979 年推导了岩层沿层理面 滑移计算公式，同年，奇尔耶夫提出了利用高斯函数计算岩层移动过程平稳方 程；1983 年，Gyarmaty 利用仪器观测岩层内部的移动现象，分析了岩层水平移 动的规律（王金庄等，1995）。 第三个阶段为 20 世纪 90 年代至今。第三个热潮来临是因为研究手段发生 了质的飞越，过往经典的开采沉陷理论，被编入到计算机程序当中去，大大提 高了计算的效率，使原来复杂且难于计算的问题简单化。同时，各种新的计算 方法不断的被提出，如连续变形分析法和颗粒流法。一些欧美国家利用计算机 技术开发了一系列适用于矿山开采沉陷方面的软件，如加拿大的 LYNX 系统， 是用于地层变形和勘测地质资料分析的软件。英国的 MineTER 及 MineMAP 主 要用于矿山设计和相关三维模拟。其次，常用的有限元、边界元、离散元算法， 也在此次热潮中得到了长足的发展。 我国的开采沉陷研究起步相对较晚，始于世界第二次研究热潮中期。随着 时代的发展，研究手段和研究精度的提升，我国通过 60 多年的发展，也取得了 相当丰硕的成果。我国的研究始于建国初期，即 20 世纪 50 年代中期，1954 年 我国在开滦矿务局林西矿建立了第一个地表移动观测站；1955 年～1960 年我国 多家煤炭系统的科研院所开始专门进行开采沉陷的研究工作，研究多集中于岩 层及地表的移动规律、建筑物下采煤的实验研究；1965 年刘宝琛教授率先将概 率积分法引入到我国，目前该法已经成为我国三下采煤规程中的主要预计方法 之一，在我国矿区也得到了广泛的应用；1982 年何国清等学者建立了基于威布 尔分布的碎块体理论（何国清等，1982）；李增其等学者利用傅里叶变换推导 了地表移动变形公式，建立了三维层状移动模型（李增其等，1983）；1988 年 郝庆旺在多年开采沉陷研究的基础上，提出了岩体变形的空隙扩散模型（郝庆 旺，1988）。钱鸣高院士于 1983 年提出了采场矿压与控制理论（钱鸣高， 1983）。 2