煤矿开采地表沉降变化对鲁南高铁建设的影响研究.pdf

分类号分类号 P548 密密 级级公公 开开 U D C 单位代码单位代码 1042410424 学学 位位 论论 文文 煤矿开采地表沉降变化对鲁南高铁煤矿开采地表沉降变化对鲁南高铁 建设的影响研究建设的影响研究 程新阳程新阳 申请学位级别申请学位级别 硕硕士学位士学位 专业专业名名称称 构构 造造 地地 质质 学学 指导教师姓名指导教师姓名 翟翟 培培 合合 职职 称称 副副 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二〇一八年六月二〇一八年六月 万方数据 论文题目论文题目 煤矿开采地表沉降变化对鲁南高铁煤矿开采地表沉降变化对鲁南高铁 建设的影响研究建设的影响研究 作者姓名作者姓名 程新阳程新阳 入学时间入学时间 2015 年年 9 月月 专业名称专业名称 构造地质学构造地质学 研究方向研究方向 区域构造与成矿区域构造与成矿 指导教师指导教师 翟培合翟培合 职职 称称 副教授副教授 论文提交日期论文提交日期2018 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期2018 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期2018 年年 6 月月 万方数据 THE STUDY ON THE INFLUENCE OF SURFACE SUBSIDENCE IN COAL MINING ON THE CONSTRUCTION OF HIGH SPEED RAILWAY IN SOUTH SHANDONG PROVIENCE A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF TECTONIC GEOLOGY from Shandong University of Science and Technology by Cheng Xinyang Supervisor Professor Zhai Peihe College of Earth Science and Engineering JUNE 2018 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经 标明引用的内容外，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标明引用的内容外，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，均究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。 作为申请学位的条件之一，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其并向国家有关部门或其 指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学 校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆 可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内 师生阅读、浏览。师生阅读、浏览。 （保密的学位论文在解密后适用本授权）（保密的学位论文在解密后适用本授权） 硕士生签名硕士生签名 导师签名导师签名 日日 期期 日日 期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生 在规定的学习年限内，按照培养方案及个人培养计划，在规定的学习年限内，按照培养方案及个人培养计划， 完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，论完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，论 文中的观点、 数据、 表述和结构为我所认同， 论文撰写格式符合学校的相关规定，文中的观点、 数据、 表述和结构为我所认同， 论文撰写格式符合学校的相关规定， 同意将本论文作为申请学位论文。同意将本论文作为申请学位论文。 导师签名导师签名 日日 期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘 要 I 摘摘 要要 近年来，我国高速铁路事业发展飞速。高铁工程建设，对地表稳定性有着极 高的要求。然而，一些特殊情况下，高铁不得不通过煤矿采矿区之上。我国煤炭 开采历史悠久、煤层薄厚变化大、多变的地质环境、开采回填方式各异，使得采 空区范围及沉降变化难以预设与评估。本文主要对鲁南高铁曲菏段设计路线途经 的杨庄煤矿采空区域对高铁安全建设的构造地质条件与合理开采限度进行了分 析，评价其开采影响及地层移动。 通过对路南高铁保护没住预留的分析计算得出东翼采区保护煤柱线与拟建 鲁南高铁围护带边界距离最大为 259.09m，穿过 E3112 工作面，E3112 工作面采 空区可能对拟建鲁南高铁构成一定影响；西侧采区 E2604 工作面下山方向边界角 为 58 ，保护煤柱线与拟建鲁南高铁围护带边界距离为 213.27m，与 E2604 工作 面边界最近距离为 0.63m，E2604 工作面采空区不会对拟建鲁南高铁构成影响。 结合研究区上覆岩层破坏过程和变形分带研究得知 E3112、E3402、E3403 和 E2604 工作面采空区属于水平～缓倾斜类型的采空区，其地表移动盆地与采空区 平面位置大致对称，地表移动变形分布与采空区中心大致对称。上覆基岩层理较 为发育，对变形有一定影响，孔隙水及基岩裂隙水对工区个工作面影响不大。 通过对主要工作面 E3402 工作面、E3403 工作面和采区边角块段开采影响计 算得知，开采后侵入围护带变形较大。由于高速铁路对水平位移及沉降控制标准 非常高，侵入围护带内水平位移及地表沉降会对鲁南高铁线路的稳定性造成一定 的影响，靠近留设煤柱线的采区边角块段不建议开采。老采空区不受影响，边角 荷载不会涉及导水裂隙带的结论。为以后类似的工作提供一个参考依据。 关键词关键词煤矿采空区；概率积分法；沉降；预留煤柱；冒落带 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 ABSTRACT II ABSTRACT In recent years, the development of high-speed railway in China has been developing rapidly. High speed rail construction has high requirements for surface stability. However, under some special circumstances, the high-speed rail has to go through the coal mining area. The long history of coal mining in China, the large change in the thickness of coal seam, the changeable geological environment and the different ways of mining and backfilling make the range and settlement change of the goaf difficult to be preset and uate. In addition to the high speed rail project, the increasingly tense land resources, part of the project and project also need to mine the goaf. It is particularly important to judge the safety and stability of construction in the mined out area. Through the analysis and calculation of the non retention of high iron protection in Lunan, it is found that the maximum boundary distance between the East Wing mining pillar line and the proposed South high iron enclosure is 259.09m. Through the E3112 working face, the goaf in the E3112 working face may have a certain influence on the construction of the South high speed iron in the south of the mining area; the boundary angle of the downhill direction of the E2604 working face in the west side is 58. The boundary distance between the protected coal pillar and the proposed South high iron enclosure is 213.27m, and the nearest distance between the boundary of the E2604 working face is 0.63M, and the mined area of the E2604 working face will not affect the construction of the South high speed iron. It is found that the goaf of the E3112, E3402, E3403 and E2604 faces is a horizontal to slowly inclined goaf based on the study of the failure process and the deation zone of the overlying strata in the study area. The surface movement basin of the surface is roughly symmetrical to the plane position of the goaf, and the distribution of the surface movement and deation is roughly symmetrical with the center of the goaf. The bedding of the overlying bedrock is more developed and has a certain effect on the deation. The pore water and bedrock fissure water have little effect on the working face of the working area. 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 ABSTRACT III Through the calculation of the influence of mining face of E3402 face, E3403 working face and corner block of mining area, it is known that the excavation of the retaining belt is more deed. Due to the high standard of high speed railway for horizontal displacement and settlement, the horizontal displacement and surface settlement in the enclosure will have a certain influence on the stability of the high speed railway line in South Shandong. The old goaf is not affected, and the corner load does not relate to the water flowing fractured zone. It will provide a reference for similar work in the future. KeywordsMined out area of coal mine；probability integral ；Land Subsidence；Reserved coal pillar；Caving zone 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目 录 IV 目目 录录 1 绪论绪论 .................................................................................................................... 1 1.1 课题的研究背景及意义 ................................................................................. 1 1.2 采空区国内外研究现状 ................................................................................. 2 1.3 主要研究内容 ................................................................................................. 4 1.4 研究技术路线 ................................................................................................. 4 2 井田地质与工程概况井田地质与工程概况 .......................................................................................... 6 2.1 井田地理位置及线路走向 ............................................................................. 6 2.2 井田地质概况 ................................................................................................. 7 2.3 矿井生产情况 ............................................................................................... 19 2.4 线路工程概况 ............................................................................................... 21 3 鲁南铁路保护煤柱留设鲁南铁路保护煤柱留设 .................................................................................... 23 3.1 铁路保护煤柱设计原理 ............................................................................... 23 3.2 铁路保护煤柱参数选取 ............................................................................... 24 3.3 保护煤柱留设线距离计算 ........................................................................... 25 3.4 本章小结 ........................................................................................................ 28 4 采空区基本特征和变形影响因素采空区基本特征和变形影响因素 ..................................................................... 30 4.1 采空区覆岩的移动破坏特征 ....................................................................... 30 4.2 地表变形特征 ................................................................................................ 31 4.3 杨庄煤矿典型工作面采空区基本特征 ....................................................... 34 4.4 采空区变形影响因素 ................................................................................... 35 4.5 本章小结 ....................................................................................................... 40 5 E3402、、E3403 和采区边角块段开采对鲁南高铁的影响计算和采区边角块段开采对鲁南高铁的影响计算 ............................ 42 5.1 概率积分法的原理 ....................................................................................... 42 5.2 地表移动计算方法 ....................................................................................... 46 5.3 开采影响计算 ............................................................................................... 49 5.4 本章小结 ....................................................................................................... 59 6 结论结论 .................................................................................................................. 60 参考文献参考文献 .............................................................................................................. 61 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目 录 V 致谢致谢 ..................................................................................................................... 65 攻读攻读硕士硕士期间取得期间取得的的主要成果主要成果 ............................................................................ 66 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Contents VI Contents 1 Introduction .................................................................................................................1 1.1 Research background and significance of the subject .......................................1 1.2 Research status of settlement problems at home and abroad .............................2 1.3 Research technical route ....................................................................................4 1.4 Main research content ........................................................................................4 2 General situation of regional well field .....................................................................6 2.1 The location of the well field and the direction of the line ................................6 2.2 Geological survey of the well field ....................................................................6 2.3 Mine production ...............................................................................................18 2.4 General situation of line engineering ...............................................................21 3 Preservation of coal pillar for railway protection in south Shandong .................23 3.1 Design principle of coal pillar for railway protection ......................................23 3.2 Selection of coal pillar parameters for railway protection ...............................24 3.3 Calculation of line distance for protection of coal pillar .................................25 3.4 Summary ..........................................................................................................28 4 Basic characteristics and deation factors of goaf...........................................30 4.1 Movement failure characteristics of overlying rock in Goaf ...........................30 4.2 Surface deation characteristics .................................................................31 4.3 The basic characteristics of the goaf in the typical working face of Yang Zhuang coal mine ...................................................................................................34 4.4 Factors affecting the deation of goaf .......................................................35 4.5 Summary ..........................................................................................................40 5 Calculation of the influence of E3402, E3403 and mining area block on the high speed railway in South Shandong Province ...............................................................42 5.1 The basic principle of probability integral ..........................................42 5.2 Calculation of surface movement .......................................................46 5.3 Mining influence calculation ...........................................................................49 5.4 Summary ..........................................................................................................59 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Contents VII 6 Conclusion .................................................................................................................60 Reference ......................................................................................................................61 Thanks ...........................................................................................................................65 The main achievements of during master ..................................................................66 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪 论 1 1 绪论绪论 1.1 课题的研究背景及意义课题的研究背景及意义 我国是世界上最早发现并利用煤炭的国家，已有几千年的历史。煤炭是我们 国家重要的自然资源，属不可再生能源，目前仍是我国不可或缺的能源基础。煤 炭的产量也随着我国经济的发展而飞速上升。2000 年时我国煤炭年产量仅 9.9 亿 吨，2011 年我国煤炭年产量已经达到 35.2 亿吨，是 2000 年时期的 3.5 倍。 煤炭在给我国带来稳定的能源与巨大经济利益的同时，也造成了恶劣的环境 问题。粉尘、燃烧排放以及大规模的煤炭开采，都导致了一定的环境问题。其中 开采后形成大面积的采空区，问题尤为突出。地面采空沉降造成地表陷落坍塌、 房屋受损损害和田地破坏等灾害，使得有限的土地资源更为紧缺。我国煤炭开采 历史悠久，遗留有很多未知的采空区，加之管理与历史问题，老窑、私人小煤窑 遍布我国众多煤炭主要生产区。由于开采方式、时间、地质条件的不同，采空区 的范围、空洞裂隙大小、稳定性差异较大。由于难以确定准确的位置及形态，给 矿井及煤炭产区附近的居民生活和工程项目带来很大的安全隐患。资料显示，我 国目前煤矿平均塌陷面积在以 0.24ha/万吨的速度持续增加， 而重点煤矿的平均采 空塌陷面积约占矿区含煤面积 1/10。随着我国发展建设，基础建设领域投资比重 增加，在采空区上方修建工程是不可避免的[1-3]。 高铁，作为中国新四大发明之一，承载着中华民族伟大复兴的重要使命。高 铁具有速度快、运输能力大、安全性好、舒适性好、能耗低、经济效益好等特点。 之所以具有以上特点，是因为高铁设计时对高铁轨道及路基有着严格的要求。 以本文所研究的鲁南高铁曲菏段主要技术标准（部分）为例 （1）设计行车速度350 公里/小时，限速地段 300 公里/小时 （2）正线线间距5m （3）最大坡度20‰ （4）最小曲线半径一般 7000m，困难 5500m限速地段匹配 在保证同样舒适性与安全性一致的前提下， 一个高速运动的物体， 速度越快， 其可承受的扰动（坡度、弯度、风压等）越小。高铁设计时速 350 公里每小时， 任何轻微的扰动可能都会带来致命影响，造成严重后果。为了能让高铁安全平稳 的运行，所以高铁在建设时，很多都是建在桥梁之上。例如京沪高铁全长共 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪 论 2 1318km，就有 288 座桥梁，桥梁总长度占线路总长度的 81.5。桥梁在高铁建设 中较传统填方路基线路优势主要在于1，桥梁能够使线路平直平顺；2，较传统 填方路基减少线路沉降；3，节省土地与资金成本；4，维护费用低[7]。 高铁线路建设，每公里造价数亿人民币，价格昂贵。但是煤矿采空区分布不 均，沉降变化各异，且高铁建设周边要留有维护带，使得一部分高铁线路设计时 不得不通过一部分采空区[2-6]。在采空区上架设高铁，浩大的工程项目、沉重的桥 梁以及未知的采空区地下情况，使得采空区上建设高铁项目的安全问题矛盾变得 尤为突出[7]。 鲁南高铁曲菏段线路方案具有唯一性，且高速铁路的对沉降变形控制的标准 十分严格，因此线路附近的地表变形情况必须得到有效的控制。但采空区产生的 地下空洞可能导致地表下沉、凹陷，对地表的稳定性构成危害，因此，针对煤矿 及采空区的安全距离的稳定性研究十分必要。 1.