倾向主断面地表残余移动变形预测方法研究.pdf

分类号____________密级______________ ＵＤＣ____________单位代码______________ 硕士学位论文硕士学位论文 论文题目倾向主断面地表残余移动变形预测方法研究 学号_________________________ 作者_________________________ 学 科 名 称_________________________ 2018 年年 12 月月 28 日日 公开 1 1 0 3 5 TD325 倾向主断面地表残余移动变形预测方法研究 侯杰 岩土工程 160814010070 侯杰沈阳大学 万方数据 沈阳大学硕士学位论文沈阳大学硕士学位论文 论文题目论文题目 作者作者_________________________ 指指 导导教教 师师单位单位 协助指导教师协助指导教师单位单位 单位单位 论文答辩日期论文答辩日期2018 年年 12 月月 27 日 学位授予单位学位授予单位沈沈 阳阳 大大 学学 沈阳大学 朱广轶 教授 倾向主断面地表残余移动变形预测方法研究 侯杰 万方数据 A Master’s Thesis in Geotechnical Engineering CandidateHou Jie SupervisorProfessor Zhu Guangyi School of Architectural Engineering Shenyang University December 27, 2018 Research on Prediction of Residual Movement and Deation of Surface in Inclined Main Section 万方数据 独独创创性性说说明明 本人郑重声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了 谢意。 签名___________ 日期____________ 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 （保密的论文在解密后应遵循此规定）（保密的论文在解密后应遵循此规定） 签名___________导师签名___________ 日期____________ 万方数据 I 摘要 随着科学技术的不断提高、人们环境保护意识的加强，越来越意识到煤矿开 采后形成的沉陷区问题的严重性，而采空区岩体平衡被打破后，发生二次“活化” ， 即地表残余移动变形，采空区残余移动变形对地表建（构）筑物稳定性有不可忽 略的破坏影响，其研究内容与开采沉陷密切相关，因此对采空区地表残余移动变 形研究亦成为目前开采沉陷学方面研究的热点内容。但是我国现有规程中对采空 区地表残余移动变形的相关规定仍是空白，就目前研究残余移动变形较为成熟的 主要是走向主断面地表残余移动变形，尚没有较为合理、完整的倾向主断面地表 残余移动变形相关研究，为实际工程提供一定的理论基础。因此，为填补规程空 白、给实际工程提供合理且可靠的理论基础体系，本文主要研究采空区倾向主断 面地表残余移动变形预测方法。 研究煤层倾向主断面地表残余移动变形预测模型时，根据岩体平衡状态被打 破后移动的随机性将岩体移动假设为非连续随机介质理论模型，应用概率积分法 计算预测模型。由于煤层倾角的影响，采空区地表残余移动变形机理不同，所得 相关预测模型亦不同，因此计算时根据煤层倾角的大小，研究理论预测模型推导 理论内容分为煤层倾角不大于 36时的缓倾斜煤层以及煤层倾角大于 36时的大 倾角煤层两种情况分别分析，进而得出两种情况下的倾向主断面地表残余移动变 形预测模型，所得相关倾向主断面预测模型均包括地表残余下沉、地表残余倾 斜、地表残余曲率、地表残余水平移动、地表残余水平变形相关预测模型，并得 到预测模型中的开采岩移参数与现有静态岩移参数的关系。 首先应用概率积分法计算得出半无限开采条件下地表残余下沉、残余倾斜、 残余曲率、残余水平移动、残余水平变形预测公式。其次，根据倾向主断面地表 残余移动变形机理，应用等影响原理、半无限开采叠加原理分别计算缓倾斜煤层、 大倾角煤层有限开采条件下倾向主断面地表残余移动变形预测模型；然后，以推 万方数据 沈阳大学硕士学位论文 II 导的预测模型为基础，利用 VB 与 MatrixVB 混合编程，得到相关预测软件；最后， 对预测模型进行验证。在验证缓倾斜煤层预测模型时，根据实际观测资料使用编 写完成的程序对理论预测模型模拟定量验证，得出缓倾斜煤层、大倾角煤层各 5 种预测模型结果曲线图，为保证开发软件的可推广性，需要与多个实际工程进行 对比；验证大倾角煤层预测模型时，利用模型对比的定量验证以及 FLAC3D 模拟 的定性验证两种方法。通过实例运用编写程序对所得理论预测模型验证，所得结 果与实测误差在可允许范围内，证明理论预测模型以及开发软件编程在实际工程 中使用的正确性、可推广性。 关键词采空区，残余移动变形，预测模型，编程关键词采空区，残余移动变形，预测模型，编程 万方数据 III Research on Prediction of Residual Movement and Deation of Surface in Inclined Main Section Abstract With the continuous improvement of science and technology and the enhancement of peoples awareness of environmental protection, it is increasingly recognized that the problem of subsidence area ed after coal mining is serious, and the residual movement and deation of the surface of the goaf has an important impact on the stability of the building foundation. As an important part of the study of mining subsidence, the research on the residual movement and deation of the surface of the goaf has become a hot topic in the research of mining subsidence. However, the existing regulations on residual movement and deation of goafare still blank. At present, the residual deation of the goaf is mainly about the residual movement and deation of the surface of the strike main section. There is no more accurate and complete research on residual movement and deation of inclined main section, which can provide a theoretical basis for practical engineering. Therefore, in order to fill the blak in the regulations and provide a complete and reliable theoretical basis for the prediction of residual movement and deation of inclined main section surface, the prediction of residual deation of inclined main section surface in goaf is mainly studied. When researching the prediction models of surface residual movement and deation of main inclined section coal seam, the rock mass movement is assumed to be a discontinuous stochastic medium theoretical model according to the randomness of the movement after the breaking of the equilibrium state of rock mass, and the probability integral is applyed to calculate prediction models. Because of the influence of coal seam pitch, the mechanism of surface residual movement and deation of goaf is different,so the related prediction models are also different. Therefore, according to the size of coal seam dip, the theoretical content of theoretical prediction model deduction can be divided into two cases gently inclined coal seam with coal seam pitch less than 36 degree number and large inclined angle coal seam 万方数据 沈阳大学硕士学位论文 IV with coal seam pitch larger than 36 degree number. The prediction models of residual surface movement and deation of inclined main section in two cases are obtained. The prediction models of the main section of inclined main section include residual subsidence, residual inclination, residual curvature, residual horizontal movement and residual horizontal deation. Firstly, the prediction ulas of residual subsidence, residual inclination, residual curvature, residual horizontal movement and residual horizontal deation under semi-infiniteminingconditionsareobtainedbyusingprobabilityintegral .Secondly, according to the mechanism of residual surface movement and deation of inclined main section, the prediction models of residual surface movement and deation of inclined main section under the condition of limited mining in gently inclined coal seam and large inclined angle coal seam are calculated by applying the principle of equal influence and the principle of superposition of semi-infinite mining.Then, based on the deduced prediction model, using VB and Matrix VB mixed programming, the related prediction software is obtained.Finally, to validate the prediction models.When validating the prediction models of gently inclined coal seam, the theoretical prediction model is simulated and verified quantitatively according to the actual observation data, and the result curves of five prediction models of gently inclined coal seam and large inclined angle coal seam are obtained. In order to ensure the generalization of the development software, it is necessary to compare with several practical projects.Quantitative verification of model comparison and qualitative verification of FLAC3D simulation are used to verify the prediction model of large inclined angle coal seam.The theoretical prediction models are validated by examples, and the obtained results and the measured errors are within the allowable range, which proves the correctness and generalization of the theoretical prediction models and the development of software programming in practical engineering. Key Wordsold goaf, residual movement and deation, mathmatical models, programming 万方数据 V 目录 摘要....................................................................................................................................I Abstract............................................................................................................................III 第 1 章 绪论.....................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义........................................................................................1 1.2 国内外研究现状........................................................................................4 1.2.1 开采沉陷研究.................................................................................4 1.2.2 残余移动变形研究.........................................................................8 1.3 研究思路与主要内容..............................................................................10 第 2 章 倾向主断面地表残余移动变形机理与半无限开采时地表残余移动变形... 11 2.1 倾向主断面地表残余移动变形机理...................................................... 11 2.2 概率积分法..............................................................................................13 2.3 半无限开采倾向主断面地表残余移动变形预测..................................17 2.4 本章小结..................................................................................................18 第 3 章 有限开采时倾向主断面地表残余移动变形预测模型...................................19 3.1 缓倾斜煤层倾向主断面地表残余移动变形预测模型..........................19 3.1.1 有限开采时倾向主断面地表残余下沉预测模型.......................21 3.1.2 有限开采时倾向主断面地表残余倾斜预测模型.......................23 3.1.3 有限开采时倾向主断面地表残余曲率预测模型.......................24 3.1.4 有限开采时倾向主断面地表残余水平移动预测模型...............25 3.1.5 有限开采时倾向主断面地表残余水平变形预测模型...............26 3.2 大倾角煤层倾向主断面地表残余移动变形预测模型..........................28 3.2.1 有限开采时倾向主断面地表残余下沉预测模型.......................31 3.2.2 有限开采时倾向主断面地表残余倾斜预测模型.......................33 万方数据 沈阳大学硕士学位论文 VI 3.2.3 有限开采时倾向主断面地表残余曲率预测模型.......................34 3.2.4 有限开采时倾向主断面地表残余水平移动预测模型...............35 3.2.5 有限开采时倾向主断面地表残余水平变形预测模型...............36 3.3 计算参数..................................................................................................37 3.3.1 下沉系数 q....................................................................................37 3.3.2 水平移动系数 b............................................................................39 3.3.3 主要影响角正切 tanβ................................................................... 39 3.3.4 开采影响传播角θ0........................................................................40 3.4 本章小结..................................................................................................40 第 4 章 程序编写及软件开发.......................................................................................41 4.1 程序编写..................................................................................................41 4.1.1 程序简介.......................................................................................41 4.1.2 MatrixVB 与 Visual Basic 混合编程的方式.................................41 4.2 程序编写..................................................................................................42 4.3 软件界面及操作方法..............................................................................44 4.4 本章小结..................................................................................................47 第 5 章 实例验证及数值模拟.......................................................................................48 5.1 缓倾斜煤层倾向主断面地表残余移动变形预测模型验证..................48 5.1.1 实例验证一...................................................................................48 5.1.2 实例验证二...................................................................................50 5.1.3 实例验证三...................................................................................50 5.2 大倾角煤层倾向主断面地表残余移动变形预测模型验证..................55 5.2.1 实例验证.......................................................................................55 5.2.2 FLAC3D 数值模拟验证................................................................59 5.3 本章小结..................................................................................................61 第 6 章 结论...................................................................................................................62 参考文献.........................................................................................................................64 万方数据 目录 VII 在学期间研究成果.........................................................................................................68 致谢.................................................................................................................................69 万方数据 万方数据 1 第 1 章 绪论 1.1 研究背景及意义 煤炭资源是世界储存最为丰富的化石能源，是我国一次性能源结构体系中的 重要组成部分，为国家经济发展提供了重要的能源物质基础。尽管有新能源的产 生，但煤炭依然是主要消耗能源。全世界已探明的煤炭储量可供开采年限达到 110 年，根据BP 世界能源统计年鉴 2018数据，2017 年世界煤炭产量达到 77.3 亿 吨，我国煤炭产量占实际总产量的 45.6，比 2016 年降低 0.1，成为世界煤炭资 源消费量大国。但煤炭资源的开采会引发一系列环境安全问题，如开采煤炭安 全问题、开采形成的塌陷区、煤炭使用过程中造成的空气污染等问题。煤炭资源 开采会形成采空区，我国采空区体积已达到 12.8 亿 m3，此外由于乱采滥挖现象， 形成更多破坏性的采空区面积，山西是我国采煤大省，亦是采煤塌陷区破坏最为 严重的省份，其中采空区面积已达山西面积的 1/8，将近 2 万平方公里，近 300 万 人受到采空区的影响，如山西大同于十几年前采空区塌陷引起的地震造成人员伤 亡，而随着煤炭资源的开采，采空区的面积还会持续增长，造成的问题会愈加严 重。虽然我国国土资源较为丰富，但人均资源、可用土地资源依然不足，此外大 量开采地下煤炭资源会严重破坏我国可使用土地资源，为寻求更多的可利用土地 资源，满足工程、人类需求，提供更多的兴建项目用地，对于已破坏采空区研究 就极为重要。 矿区在开采地下资源后，不加以治理会形成大面积的采空区，若采空区上覆 岩层受力不平衡，在受到外力因素影响作用下，如地下水、地震、上部荷载，会 破坏岩体平衡，这样采空区岩体内形成的空洞[1-4]、空隙、裂缝、离层会被进一步 压实充填，发生“二次活化”，导致原有土地面貌发生破坏，地面形成面积巨大 的裂缝、坑洞、塌陷区，产生极大的安全隐患，不仅破坏环境引起一系列问题， 万方数据 沈阳大学硕士学位论文 2 还危及到人们生命财产安全，与人与自然和谐共处的理论相悖。比如位于湖北省 黄山市的桃花山矿由于开采过程中的安全措施不到位，自 1988 年至 2003 年期间 经过若干年开采形成大面积的采空区，在地表形成面积约 3000 平方米的圆形塌陷 坑[5]，为治理该塌陷区又投入大量的经济；新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市水磨沟区 七道湾乡的六道湾煤矿[6]，经过将近 50 多年开采，形成地面“带状”塌陷面积约 3000 平方米，且由于采空区下部依然存在空洞，尽管该塌陷区目前尚未进一步产 生破坏，处于休眠状态，但若遇到巨大的外界环境改变，依然会进一步发生破坏， 后为改善该区域坏境条件又投入大量资金，耗费巨大的人力财力。伴随着我国经 济的高速发展，中国高铁已走向世界，且 2016 年底，我国高铁以里程达 13 万公 里的傲人成绩位于世界第一，而京福高速、梅汕高速、太旧高速则分别建立于徐 州矿区、星美井田、西联营煤矿老空区[7,8],这些贯穿采空区的高速公路安全性都需 要考虑其下部采空区岩体的稳定性。除此之外，煤矿在开采过程中，破坏采区周 围岩体的稳定性，开采结束，上覆岩层未压密的空洞、空隙随着外部荷载不断作 用，如上方建（构）筑物的荷载作用，若建（构）筑物地基附加应力作用的影响 深度达到采空区范围内，这时采空区内较为稳定的岩体平衡状态被打破，岩体产 生移动逐渐延伸至建（构）筑物地基处，其地基稳定性产生破坏，影响上方建筑 物的正常安全使用。 鹤岗某矿区[9]采空区地表建筑物附加荷载作用影响采空区岩体 原本的平衡作用，岩体移动使采空区地表产生移动变形，由于建（构）筑物抗拉 能力弱，破坏地基稳定性，使建筑物的墙体产生裂缝，影响上方建（构）筑物正 常使用，地表形成的塌陷坑危害人民财产安全，必须进一步耗费人力、财力采取 必要的防护措施，才能保证一定的安全。煤炭开采产生巨大的采空区面积使耕地 面积、住房面积的减少，而随着人口数量的不断增加，人们对可利用资源的珍惜 以及对于环境保护意识的增强，由采空区引起被破坏的土地资源、环境问题也越 来越引起人们的重视。 矿区资源开采过程中，根据开采方法、煤层顶板管理方法不同，采动过程会 扰动上覆岩层，会不断破坏开采区域周围岩体的稳定性，其上覆岩层产生空洞、 裂隙、裂缝、离层现象，这种现象延伸至地表，表现为地表的移动变形，这个移 万方数据 第 1 章 绪论 3 动过程主要经历三个时期初始期、活跃期以及衰退期，称之为地表移动期[10]， 其持续时间约为 3 年到 6 年。目前对于采空区地表移动变形研究主要集中于这一 段时期，也是对采空区移动变形的静态研究阶段，之后采空区岩体会处于相对稳 定状态，即在采空区地表连续 6 个月内下沉值不超过 30mm，岩体逐渐达到新的平 衡状态，进一步形成了相对稳定的覆岩结构[11]，这一段时期地表产生的移动变形 对上方建（构）筑物的破坏性影响可以忽略。但是，根据 X.L.Yao 等[12,13]的观测资 料表明，在外界因素的影响下，如地震、地下水、上方建筑物的荷载作用，采空 区内岩体达到原有平衡状态、地表的相对“稳定”状态被破坏，仍会继续不断地 发生移动变形，这一时期发生地表移动变形可能引发严重的地表塌陷，从而对上 方建（构）筑物产生破坏，造成生命、财产安全。认为在地表移动期结束之后， 采空区上覆岩层以及周围岩体中依然存在空洞、空隙、离层现象，这部分岩层中 的空隙会随着时间继续不断“活化”，称之为二次活化，且引起二次“活化”因 素有很多，如覆岩岩性、开采方法、煤层顶板管理方法、外部荷载、自然灾害（地 震、地下水）的影响，地表产生移动变形，持续时间几年甚至几十年，即为残余 移动变形阶段， 对地表建 （构） 筑物的破坏影响不可忽略。 R.E.Gray 和 R.W.Pruern[14] 研究匹兹堡矿区资料，该矿区煤层开采方式为房柱式开采方法，该老采空区发生 的地表残余下沉持续时间达到 50 年甚至更长的时间。因此对采空区地表残余移动 变形的研究，需要根据漫长时间的观测资料为基础且耗费大量的人力、财力，其 研究成为矿山开采沉陷研究的热点问题，可对实际工程提供重要理论依据，具有 重要的科学研究意义。 本文主要研究采空区倾向主断面地表残余移动变形预测方法，将采空区岩体 假设为非连续随机介质理论模型，应用概率积分法推导出半无限开采条件下倾向 主断面地表残余移动变形预测公式，进一步研究推导得到有限开采条件时预测模 型，使用 VB 与 MatrixVB 对所提出预测模型的混合编程，得到相关软件，并通过 不同的实例分析、模型比较、FLAC3D 模拟对预测模型以及相关软件进行验证， 从而分析所提理论预测模型合理性、正确性，所编写软件的可推广性，为实际工 程需求提供更为便利的预测手段。 万方数据 沈阳大学硕士学位论文 4 1.2 国内外研究现状 目前国内外对于地下资源开采引起的地表沉陷问题的研究，主要研究成果是 关于在地表移动期的 35 年这段时间内的开采沉陷问题，即为第一阶段地表移动 变形，称之为大变形阶段，且理论研究成果较为完善，这一阶段地表移动变形达 到相对稳定状态，开采沉陷研究使用的岩移参数为静态岩移参数，这一阶段地表 移动变形研究称之为开采沉陷研究。而地表移动期结束后，采空区上覆岩层形成 的冒落带、弯曲带、导水裂缝带中依然存在裂缝、空隙、空洞、离层、欠压密现 象，在受到外力作用，如地下水、地震、上部建（构）筑物荷载重力作用，采空 区岩体原有平衡被打破，上覆岩层会继续冒落，岩层空洞、离层现象进一步压实， 其破坏延伸至地表，这一阶段引起的地表移动变形称之为残余移动变形，此阶段 延续时间达几年甚至几十年，且随着时间推移，残余移动变形对建（构）筑物引 起的破坏愈加明显，造成的损坏不可忽略，但这阶段的研究尚不完善，没有完整 的理论研究作为实际工程基础。 1.2.1 开采沉陷研究开采沉陷研究 自国内外学者开始对于开采沉陷研究起，每一段时期都根据不同的开采手段、 矿区观测资料，应用不同的原理、方法，得出相应的地表移动、覆岩破坏规律原 理，人们对于开采沉陷研究自 19 世纪末到第二次世界大战开始，是开采沉陷学发 展的初期，人们逐渐意识到地下资源的开采对上覆岩层、采空区地表移动变形的 影响，通过研究观测资料提出一系列地表移动变形规律的假设，作出在上层建筑 和在影响下的压煤实验；下莱茵河矿山测量学者于 20 世纪末开始观测由于地下资 源开采引起的地表移动变形，基于大量的实测资料，提出有关计算开采沉陷引起 地表移动变形的预测经验公式，由于研究技术落后，研究成果有较大的经验成分， 因此这段时期理论成果存在较大的局限性；之后随着科学技术的不断提高，观测 工具的发展，