南水北调中线一期工程郭村煤矿采空区段稳定性研究.pdf

分类号 密 级 UDC 单位代码 10078 华北水利水电大学硕士学位论文 南水北调中线一期工程郭村煤矿采空区段稳定性研究 STABILITY RESERCH ON THE GUOCUN GOAF AREA OF SOUTH TO NORTH WATER DIVERSION MIDDLE ROUTE PHASEⅠPROJECT 研 究 生 姓 名 朱 华 指 导 教 师 刘汉东 教授 专 业 名 称 地 质 工 程 所 在 学 院 资源与环境学院 2015 年 5 月 万方数据 万方数据 独立完成与诚信声明 本人郑重声明所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究 工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的 侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人或集体已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电大学或其它教育机构的学位或 证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明 确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名 保证人（导师）签名 签字日期 签字日期 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电大学有关保管、使用学位论文的规定。特授权华北水 利水电大学可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索，并采 用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。（涉密的学位论文在解密后应遵守 此规定） 学位论文作者签名 导师签名 签字日期 签字日期 万方数据 万方数据 摘要 I 南水北调中线一期工程郭村煤矿采空区段稳定性研究 摘 要 采空区的稳定性问题是南水北调中线一期工程总干渠禹州段的重大工程技术问题 之一。影响采空区稳定的因素十分复杂，渠道施工、运行及运行期内渠道的渗漏会导 致采空区的进一步变形，进而威胁渠道的安全运行。本文首先介绍了国内外采空区稳 定性研究现状及残余沉降预测已有成果，总结了采空区覆岩移动的基本形式，在详细 介绍郭村煤矿采空区形成历史和处理措施的基础上，运用定性法、解析法、监测法和 数值法对南水北调郭村矿采空区段的稳定性、残余变形和渗漏工况下的稳定性展开以 下研究工作 （1） 结合各行业对采空区的研究成果， 归纳影响南水北调下伏采空区稳定性的主 要因素有采矿和顶板管理方法、上覆岩体的力学特性、煤层赋存条件和开采时间；郭 村煤矿采空区处于残余变形期，基本处于稳定状态，但由于采煤方法和顶板管理方法 的落后及渠道施工运行的影响，潜在残余变形较大。 （2） 基于概率积分法沉陷理论， 推导出采空区在自重下残余变形极限值计算公式， 计算郭村煤矿采空区竖直残余变形极限值为 331mm， 水平残余变形极限值为 82.8mm。 以郭村煤矿采空区剖面 4 为基础，应用 FLAC3D软件建立数值模型，模拟采空区无注 浆处理工况下渠道施工与运行过程来研究其变形规律。结果显示，水平位移最大值位 于采空区两端上方地表，其值较小；竖直位移最大值为 9.32cm，地表竖直位移随采空 区埋深增大而减小，随离渠道水平距离增大而减小；渠道运行对地表变形影响有限。 （3）分析渠道施工期间地表沉降监测数据，结果显示施工前，采空区残余变形 小，基本稳定；注浆和开挖施工导致采空区残余变形较施工前增大，但注浆明显有减 缓变形的作用，工程场区地表变形值总量较小，整体较稳定。 （4）应用 FLAC3D建立郭村煤矿采空区段三维模型，通过对地层 Q3和 Q2在不同 含水率下力学参数的弱化来模拟渠道运行期无渗漏、一般渗漏和严重渗漏三种工况， 结果显示， 采空区注浆区地表沉降值比无处理区小 1-2cm， 注浆可明显减小残余变形； 竖向位移主要分布于地层 Q3和 Q2中，其最大值、影响范围和深度均随着渗漏程度增 大而增大，初期引起的地表沉降增量比后期增量大，竖向位移最大为 5.46cm，而围岩 和采空区中基本无竖向变形；在渠底，差异沉降明显，严重渗漏工况下差异沉降最大 值为 4.2cm，倾斜为 2-3mm/m，可导致渠底混凝土板拉裂破坏；水平位移最大值为 万方数据 华北水利水电大学硕士学位论文 II 1.24cm，影响相对较小。 关键词关键词南水北调；采空区；稳定性；残余变形；FLAC3D 万方数据 ABSTRACT III STABILITY RESERCH ON THE GUOCUN GOAF AREA OF SOUTH TO NORTH WATER DIVERSION MIDDLE ROUTE PHASEⅠⅠPROJECT ABSTRACT Goaf stability is one of the major engineering problems for Mid-route South-to-North Water Transfer Project in Yuzhou segment. Factors affecting the goaf stability is very complex, channel construction, channel working and leakage during working will lead to further deation of goaf, and thus threaten the safe of channel. This paper introduces the domestic and foreign research status about goaf stability and residual settlement prediction achievements, then summed up the basic movement of goaf strata, introduce the history and treatment measure of guocun goaf, then ultilize qualitative s, analytical s, monitoring s and numerical s to research the stability of South-to-North Water Transfer Project in Guocun goaf， the residual deation and the stability in seepage conditions, the specific work is as follow 1 According to goaf research results in various industries, the main factors affecting the goaf stability underlying South-to-North Water Transfer Project are mining , top management , the mechanical properties of the overlying rock and coal seam conditions and mining time; guocun goaf is in residual deation period and basically in stable condition, but because of the backward of mining s, top management s and the influence of channel construction, channel working, potential residual deation is large. 2 Based on probability integral subsidence theory, deduce goaf residual deation ula under gravity effect, calculate the vertical and horizontal terminal residual deation in guocun goaf which are 331mm and 82.8mm. Based on profile 4 of guocun goaf, utilize the software FLAC3D to build two-dimensional model, simulate the construction and working of channel without grouting to study deation of the field area. The results show that the maximum horizontal displacement locates the ground above both edge of goaf, its value is small; the maximum vertical displacement is 9.32cm, surface displacement decreases with 万方数据 华北水利水电大学硕士学位论文 IV increasing depth of goaf, with increasing horizontal distance from the channel; channel working has limited impact on the surface deation. 3 Analysis surface settlement during the construction of channels, the results show before construction, goaf residual deation is small and goaf is basically stable; grouting and excavation led to the residual deation of goaf increased than before, but obviously grouting measure mitigates deation, total value of surface deation in field area is small and integral stable. 4 Utilize software FLAC3D to build three-dimensional model of guocun goaf, weaken the mechanical parameters of Q3 and Q2 strata to simulate three leakage working conditions of channel as follows no leakage, general leakage and serious leakage. The results show that the values of surface settlement in grouting area is 1-2cm smaller than no grouting area, grouting can significantly reduce residual deation; vertical displacement mainly distributes in Q3 and Q2 strata, and its maximum, influence range and depth all increase with increasing of leakage level, surface subsidence increment caused in initial stage is greater than the late, the maximum vertical displacement is up to 5.46cm, while the surrounding rock and the goaf almost no vertical deation; at the bottom of channel, differential settlement is remarkable, at leakage working conditions, the differential settlement maximum value is 4.2cm and inclination is 2-3mm/m, which can destroy concrete plate of channel; maximum horizontal displacement is 1.24cm, the effect is relatively small. KEY WORDS South-to-North Water Transfer Project；Goaf; Stability；Residual deation；FLAC3D 万方数据 目录 I 目 录 摘 要.............................................................................................................................. I ABSTRACT ................................................................................................................. III 目 录............................................................................................................................ I 1 绪论............................................................................................................................. 1 1.1 选题背景及研究意义.......................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状.................................................................................................. 2 1.2.1 采空区稳定性研究现状............................................................................... 2 1.2.2 采空区残余沉降研究现状........................................................................... 6 1.3 本文主要研究内容.............................................................................................. 7 1.4 研究路线.............................................................................................................. 8 2 工程概况..................................................................................................................... 9 2.1 工程地质概况...................................................................................................... 9 2.1.1 地形地貌....................................................................................................... 9 2.1.2 地层岩性....................................................................................................... 9 2.1.3 地质构造..................................................................................................... 10 2.1.4 区域稳定性及地震..................................................................................... 12 2.2 水文地质概况.................................................................................................... 12 2.3 采空区概况........................................................................................................ 12 2.3.1 采空区分布及特征..................................................................................... 12 2.3.2 采空区塌陷及地表裂缝............................................................................. 15 3 总干渠采空区段稳定性研究................................................................................... 17 3.1 郭村煤矿采空区概况........................................................................................ 17 3.1.1 采空区覆岩移动的基本形式..................................................................... 17 3.1.2 郭村煤矿采空区发育过程......................................................................... 18 3.1.3 郭村煤矿采空区处理措施......................................................................... 19 3.2 定性法研究........................................................................................................ 20 万方数据 华北水利水电大学硕士学位论文 II 3.2.1 评价因素..................................................................................................... 20 3.2.2 实例分析..................................................................................................... 24 3.3 残余变形量预测................................................................................................ 27 3.3.1 概率积分法公式推导................................................................................. 27 3.3.2 实例预测..................................................................................................... 30 3.4 施工期监测变形特征研究................................................................................ 31 3.4.1 监测点布设................................................................................................. 31 3.4.2 监测数据分析............................................................................................. 32 3.5 总干渠采空区段剖面稳定性数值分析............................................................ 35 3.5.1 FLAC3D软件简介 ...................................................................................... 35 3.5.2 郭村矿采空区段数值计算......................................................................... 38 3.6 本章小结............................................................................................................ 45 4 渠道运行期渗漏稳定性数值研究........................................................................... 47 4.1 计算模型............................................................................................................ 47 4.2 计算工况............................................................................................................ 49 4.3 计算参数............................................................................................................ 49 4.4 结果分析............................................................................................................ 50 4.4.1 应力场分析................................................................................................. 50 4.4.2 位移场分析................................................................................................. 52 4.5 本章小结............................................................................................................ 55 5 结论和展望............................................................................................................... 57 5.1 主要结论............................................................................................................ 57 5.2 问题与展望........................................................................................................ 57 攻读学位期间参加的科研项目及发表的学术论文.................................................. 59 致 谢.......................................................................................................................... 61 参考文献...................................................................................................................... 63 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 矿产资源开采后留下的空洞即为采空区，其可导致上覆岩层移动变形，甚至 地表塌陷，对采空区地表建（构）筑物产生潜在的安全威胁，可造成重大人身财 产损失。 如 2007 年 8 月 29 日，陕西省神木县孙家岔镇边不拉煤矿矿井采空区发 生塌陷引发 3.3 级地震； 2005 年 12 月 26 日，位于河南省安阳县三鑫工贸公司的 都里铁矿， 突然发生大面积塌陷， 形成一个长约 100m、 宽约 50m、 平均深度 60m 的大坑造成 8 人坠落、3 人失踪的严重后果；1960 年 11 月波兰维利奇卡盐矿某 140 年前遗留的采空区突然塌陷，造成地面建筑物全部被毁。影响采空区稳定性 的因素众多，且难以直接观察，事故具有突发性；采空区地表变形范围大，规律 性不强，对其上方建（构）筑物破坏性较强；采空区形成后，上覆岩体的变形可 持续几年甚至几十年，其影响时间久。 伴随着我国基础设施建设力度的增加，采空区上方修建各种厂房、桥梁、铁 路、高速公路等增多，处于稳定的采空区也会由于上部荷载的增加而产生活化， 由于采空区覆岩的变形破坏、 受力状况等极其复杂， 采空区的活化也具有复杂性、 长期性等显著特点。上世纪 70 年代开始，国内外对建筑物、铁路、公路、河流 下伏采空区引起覆岩变形沉陷的情况做了大量的研究[1-5]。下伏采空区的工程建 设项目，必须对采空区引起足够的重视。 南水北调工程是解决我国水资源分布与社会生产力布局不相适应的矛盾、 促 进地区经济繁荣和社会发展、保护生态环境的一项重大战略性工程。通过调水工 程实现跨流域的水资源合理分配，缓解我国北方水资源严重短缺问题，促进南北 方经济、社会与人口资源、环境的协调发展。采空区对总干渠的危害巨大，如渠 道开裂，渠坡滑移，基础沉陷等，采空区稳定性问题是南水北调中线一期工程总 干渠禹州段的重大工程技术问题之一。总干渠禹州采空区段工程建设条件复杂， 采空区分布广，渠道占压面积大，不确定因素众多。国外无类似工程技术研究成 果， 缺少成熟的技术手段和相关经验，我国目前也没有大型引调水工程穿过采空 区的工程实践经验及勘察、设计和施工技术标准，工程建设具有挑战性，解决渠 道采空区渠段的稳定性问题是非常必要的。 本文以南水北调中线一期工程总干渠禹州郭村煤矿段为依托， 在对研究区域 工程、地质、水文等资料充分分析的基础上，应用定性法、解析法、监测法及数 值法等对总干渠采空区段建设期和运行期的稳定性及残余沉降进行研究预测， 再 万方数据 华北水利水电大学硕士学位论文 2 建立三维数值模型，进行不同渗漏工况模拟以预测渗漏时渠道的变形趋势，从而 达到提高渠道运行安全性的目的，对本工程和类似工程的建设、运行等具有重要 的理论和实践意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 采空区稳定性研究现状 由于影响因素众多，采空区稳定性的研究历来都是非常复杂的。采空区稳定 性不仅与地质构造、 地层岩性、 成矿环境、 水文地质条件等有关， 还与采矿方法、 采空区大小、分布、埋深、产状、顶板管理办法等均有关系，且不同因素之间相 互有一定的影响，再加上岩土体结构本身复杂多变，更增加了采空区稳定性分析 的难度。国内外在采空区上修建铁路、道路和建筑的项目越来越多，采空区稳定 性问题也渐渐成为岩石力学研究的难点课题。 国内外对采空区稳定性的研究方法 主要有以下三类定性法、定量法和监测法。 一、定性法 定性法就是在分析影响采空区变形的主要因素、 采空区变形破坏方式及失稳 机理的基础上，按照一定的标准，综合判断采空区的稳定性。如 Bahuguna[6]就应 用半经验法研究了煤矿采空区的沉降。 定性法中常用的有工程类比法和非线性评 价法。 （1）工程类比法 工程类比法是对其他类似工况采空区的稳定性状态、影响因素、变形破坏机 理等详细了解的基础上，将其经验规律移植到研究对象中来判断稳定性。但由于 评价采空区稳定性的因素众多，相关资料很难完全掌握，况且现实中的工程实例 各有各的特点，例如上覆岩体结构的性质就千差万别，覆岩性质的不同，经验规 律就不一定适用。 因此， 类似工程虽然具有一定的实用价值， 但仅仅是参考而已。 （2）非线性评价法 非线性评价法是将模糊数学、灰色预测法、人工神经网络、协同论等非线性 理论方法应用于采空区的稳定性评价。先归纳出影响采空区稳定的因素，提出一 套可量化的指标体系，并根据实际情况建立不同的稳定性等级，然后应用上述非 线性理论建立采空区稳定性和影响因素间的非线性映射关系并将其量化， 根据量 化值综合评价采空区的稳定性。非线性评价方法可全面、客观地反映采空区稳定 性与多种影响因素之间的非线性关系。 万方数据 1 绪论 3 韩科明[7]等建立了覆岩性质、煤层埋藏条件、采煤方法、地质构造等因素的 综合评价指标体系，并详细阐述各因素的影响，为采煤沉陷区稳定性的综合评价 奠定了基础。汪吉林[8]等根据采空区地质构造、工程地质水文地质条件和开采方 法等因素，建立了一套评价指标体系，应用模糊综合评判方法评价采空区的稳定 性。徐必根[9]等在现场调查数据的基础上根据结构面聚类分析，得出采空区结构 面分布的几何参数概率特征。杨扬[10]等综合选取影响采空区稳定性的 8 个评价 指标，采用层次分析法（AHP）确定指标权重并用模糊数求出各指标的隶属度， 对安阳 3 个铁矿采空区的稳定性进行评价。 戴兰芳[11]等采用 Fuzzy 测度理论， 视 采空区地表下沉现象为模糊事件，建立了采空区地表移动变形预测分析的 Fuzzy 测度理论模型。蒋卫东[12]等应用采空区数量、采空区覆岩厚度、裂缝密度及裂 缝集中度 4 个指标，对某铜矿采空区上部地表的稳定性进行灰色定权聚类分析。 C.P.Liao[13]成功应用模糊理论对采空区地表沉降的因素进行评判。丁陈建[14]等以 采煤工作面终采时间、沉降趋势、深厚比、构造复杂程度、上覆岩层强度、相对 位置等因素作为评价指标建立了 3 层 BP 人工神经网络模型对采空区地基的稳定 性进行预测评价。余学义[15]等建立开采引起公路路基与路面的协同作用理论模 型，给出了采动区路基与路面协同作用的应力应变计算公式。 二、定量分析法 定量分析法是在定性分析的基础上，简化采空区地质模型，应用数学物理力 学方法抽象出来一个数学力学模型， 采用合理的计算方法求解来评价采空区上覆 岩体的稳定性。其方法包括力学解析法和数值计算法。 （1）解析法 郭广礼教授[16]在分析破裂岩体力学性质的基础上指出岩体结构的失稳采动 裂缝、 空隙的压密是造成长壁老采空区地表沉降变形的主要原因，并给出了在老 采空区兴建大型建筑物时临界深度的估算公式和老采空区覆岩逐层破坏和整体 抽冒破坏的计算公式。吴侃[17]等建立动态力学模型，根据实例研究了采空区断 裂带发育规律、岩体内部离层发生发展规律和地表下沉规律等问题。张长敏[18] 等基于刚体极限平衡原理， 根据力学分析方法计算出建筑荷载下采空区覆岩的临 界厚度。王志学等[19]在弹性解的基础上耦合蠕变模型，对采空区悬顶岩梁模型 进行时间相关性分析，得出其延迟失稳的三种情况。贺广零[20]等基于温克尔假 设，将坚硬顶板看作弹性板，将煤柱等效假设为连续均匀分布的支撑弹簧，在板 壳理论和非线性动力学理论基础上研究采空区煤柱顶板系统失稳机理， 并给出 了系统失稳的判据和力学条件。 （2）数值分析法 万方数据 华北水利水电大学