近水平煤层非充分采动条件下的开采沉陷预计及覆岩移动规律研究——以榆林某煤矿为例.pdf

分类号P642 10710-2015226035 专业硕士学位论文 近水平煤层非充分采动条件下的开采沉陷预计 及覆岩移动规律研究 以榆林某煤矿为例 董旭东 导师姓名职称 毛彦龙教授 范立民教高 申请学位类别 工学硕士 专业学位类别 及领域名称 地质工程 论文提交日期 2018 年 4 月 23 日 论文答辩日期 2018 年 6 月 3 日 学位授予单位 长安大学 万方数据 Prediction of mining subsidence and Study on the law of overlying rock movement in near horizontal coal seamunder the condition of insufficiency mining Taking a coal mine in Yulin as an example A Thesis ted for the Degree of Master CandidateDong Xudong SupervisorProf. MaoYanlong Chang’an University, Xi’an, China 万方数据 万方数据 I 摘要 本论文的主要研究对象是榆林地区的近水平煤层，目的是为了研究其在非充分采动 条件下的地表沉陷、上覆岩层的移动规律、地表点的移动轨迹、启动距离和终止距离。 以期为近水平煤层非充分采动条件下的开采沉陷预计和覆岩移动规律研究提供理论支 持。 通过收集榆林地区的相关资料，了解该地区的气象、水文、地层情况，同时研究了 开采沉陷的一般规律以及沉陷预计的一般方法。在此基础上，首先运用传统的概率积分 法计算非充分采动条件下的地表沉陷最大值， 然后运用基于有限差分法的 FLAC3D 软件 模拟该采矿条件下的地表沉陷最大值。通过比较两种方法的计算结果，分析在非充分采 动条件下进行沉陷预计时二者的异同。 其次在 FLAC3D 数值模型中， 对上覆岩层的不同 水平面设置监测点，通过动态开采过程中监测点的下沉值来分析采空区上覆岩层的移动 规律。最后根据地表监测点的水平及竖直位移获得地表点的移动轨迹，并确定其启动距 离和终止距离。 通过概率积分法计算得到的地表最大下沉值为 5333mm，最大水平移动值为 1979mm， 通过有限差分法模拟得到的最大下沉值为 2259mm， 最大水平移动值为 943mm。 在同一开采时间段内， 地表的下沉速率最小， 为 0.4m/次， 而煤层顶板的下沉速率最大， 为 3.6m/次， 煤层顶板处达到最大下沉速率的时间要早于地表达到最大下沉速率的时间。 上覆岩体“上三带”中的垮落带位于地表以下 239m 左右，裂缝带位于地表下 179m～ 239m 的范围内，弯曲带位于地表以下 179m 的范围。通过加长模型模拟非充分采动条 件下煤层的开采，得到地表点的启动距离为 200m，终止距离为 1500m。 在进行近水平煤层非充分采动条件下的开采沉陷预计时，概率积分法计算出来的结 果比有限差分数值模拟方法的结果大了两倍多。由于两种方法计算时都有缺陷，因此我 们需要结合开采后地表的实际观测资料进行对比，将两种方法的计算结果相结合，进一 步确定在非充分采动条件下的开采沉陷预计；通过研究不同水平面处的下沉值，用折线 图来确定“上三带”的分布范围具有一定的研究意义，对研究覆岩的移动规律提供了新 的方法；通过研究地表点的移动轨迹，创新性的提出了地表点停止移动的终止距离，同 现有的启动距离形成一套完整的理论体系，具有重要的理论意义。 关键词近水平煤层，非充分采动，沉陷预计，数值模拟，移动轨迹，终止距离 万方数据 II Abstract The main research object of this paper is the near horizontal coal seam in Yulin region. The purpose of this paper is to study the surface subsidence, the law of the movement of overlying strata, the movement track of the surface point, the starting distance and the terminating distance under the condition of insufficiency mining. In order to provide theoretical support for the prediction of surface subsidence and the law of movement and deation of overlying strata under the condition of insufficiency mining of near horizontal coal seam. Through collecting the relevant data of the Yulin region, the meteorological, hydrological and stratigraphic conditions in this region are understood, and the general law of the mining subsidence and the general of subsidence prediction are also studied. On the basis of this, the maximum value of surface subsidence under the condition of insufficiency mining is calculated by using the traditional probability integral , and then use the FLAC3D software based on the finite difference to simulate the maximum surface subsidence under the mining condition. By comparing the calculation results of the two s, the paper analyzes the similarities and differences of subsidence prediction under the condition of insufficiency mining. Secondly, in the FLAC3D numerical model, the monitoring points of the different horizontal surface of the overlying strata are set up, and the law of the movement of the overlying strata up the goaf is analyzed by the subsidence value of the monitoring points during the dynamic mining. Finally, according to the horizontal and vertical displacement of the surface monitoring points, the trajectory of the surface points is obtained, and the starting distance and the stopping distance are determined. The maximum subsidence value calculated by the probability integral is 5333mm, and the maximum horizontal moving value is 1979mm. The maximum subsidence value obtained by the finite difference is 2259mm, and the maximum horizontal moving value is 943mm. In the same mining period, the subsidence rate of the surface is the least, which is0.4m/time, and the subsidence rate of the roof of the coal seam is the largest, which is 3.6m/time. The time of the maximum subsidence rate at the roof of the coal seam is earlier than the maximum subsidence rate at the surface. The caving zone in the “upper three 万方数据 III belts“ of the overlying rock is about 239m below the surface, and the fracture zone is within the range of 179m～239m below the surface, and the bend zone is located in the range of 179m below the surface. Bythe lengthening model to simulate the mining of coal seam under limited mining conditions, the starting distance of the surface point is 200m and the terminating distance is 1500m. The results calculated by the probability integral are two times larger than the results of the finite difference of the numerical simulation when the surface subsidence is predicted under the condition of insufficiency mining of the near horizontal coal seam. Because the two s are all defective in calculation, so we need to compare the actual observation data of the surface after mining, and combine the results of the two s to further determine the prediction of the surface subsidence under the condition of insufficiency mining. It is significant to determine the distribution range of the “upper three belts“ by studying the subsidence value on different horizontal surfaces, which provides a new for studying the law of the movement of the overlying rock.Through the study of the moving trajectory of the surface point,the paper innovativelyputs forward the termination distance of the stop movement of the surface point,and s a complete theoretical system with the existing starting distance, which has important theoretical significance. KeywordsNear horizontal coal seam,Insufficiency mining, Subsidence prediction,Numerical simulation,Moving trajectory,Terminating distance 万方数据 IV 目录目录 第一章绪论 ....................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及研究意义 ........................................................................................ 1 1.2 国内外研究历史及现状 .................................................................................... 2 1.2.1 国外研究历史及现状 ............................................................................. 2 1.2.2 国内研究历史及现状 ............................................................................. 4 1.2.3 沉陷预计方法的研究现状 ..................................................................... 5 1.2.4 目前存在的问题 ..................................................................................... 8 1.3 研究内容及技术路线 ........................................................................................ 8 第二章开采沉陷基本理论及预计方法 ......................................................................... 10 2.1 移动与变形的基本理论 .................................................................................. 10 2.1.1 岩体内部移动变形规律 ....................................................................... 10 2.1.2 地表移动变形规律 ............................................................................... 11 2.2 概率积分法预计开采沉陷 .............................................................................. 19 2.2.1 基本原理 ............................................................................................... 19 2.2.2 半无限开采走向主断面上的预计公式 ............................................... 22 2.2.3 有限开采走向及倾向主断面上的预计公式 ....................................... 24 2.3 有限差分法预计开采沉陷 .............................................................................. 24 2.3.1 有限差分方法的一般原理 ................................................................... 24 2.3.2 显示/动态求解方法 .............................................................................. 26 2.3.3 三维状态下有限差分计算 ................................................................... 27 第三章开采沉陷预计 ..................................................................................................... 28 3.1 矿区概况 .......................................................................................................... 28 3.1.1 矿区自然环境概况 ............................................................................... 28 3.1.2 矿区工程地质条件 ............................................................................... 28 3.1.3 矿区可采煤层现状 ............................................................................... 30 3.2 基于概率积分法的开采沉陷预计研究 .......................................................... 32 3.2.1 预计模型及预计公式 ........................................................................... 32 3.2.2 预计参数的选择 ................................................................................... 33 3.2.3 地表移动变形最值预计 ....................................................................... 35 3.3 基于 FLAC3D 数值模拟的开采沉陷预计研究 ............................................. 35 3.3.1 软件介绍 ............................................................................................... 35 3.3.2 物理力学参数及本构模型的选取 ....................................................... 37 3.3.3 模型建立及初始、边界条件的确定 ................................................... 40 3.3.4 模拟方案的选取 ................................................................................... 40 3.3.5 数值模拟开采沉陷最值 ....................................................................... 41 3.3.6 地表移动最值对比分析 ....................................................................... 42 万方数据 V 第四章上覆岩层下沉及地表点移动轨迹研究 ............................................................ 44 4.1 上覆岩层下沉规律研究 .................................................................................. 44 4.1.1 工作面推进过程中覆岩下沉变形规律 .............................................. 44 4.1.2 不同水平面处的覆岩下沉规律 .......................................................... 46 4.1.3 不同开采过程中覆岩各个水平面下沉规律研究 .............................. 49 4.2 地表各点的移动轨迹研究 .............................................................................. 53 4.2.1 地表各点的移动轨迹 .......................................................................... 53 4.2.2 地表点移动终止距离研究 .................................................................. 57 结论与展望 .................................................................................................................... 65 1 结论 .................................................................................................................... 65 2 展望 .................................................................................................................... 66 参考文献 ........................................................................................................................ 67 在攻读硕士学位期间参加的科研生产项目 ................................................................ 70 致谢 ................................................................................................................................ 71 万方数据 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 选题背景及研究意义 煤炭行业是综合类行业，它包含了煤矿开采、能源供应以及原材料供应，对我国国 民经济的快速发展起到了至关重要的作用。我国是国际上的产煤大国，拥有世界上最多 的煤炭资源。我国的煤炭资源无论从储量、产量还是出口量都是位于全球前列。在我国 国内，煤炭也是重中之重，是我国能源供应的主要方式之一。在我国一次能源中，煤炭 所占的比重远超石油和天然气。我国以煤炭为主[1]，石油和天然气为辅的能源结构将长 久保持不变。因此，可以预见，无论是从能源资源还是从能源安全与发展的角度考虑, 在今后的数十年内，煤炭将仍然是我国能源的主要依赖对象。 但是，人们逐渐发现，由于煤炭的开采，开采范围周边及上覆岩层的天然应力状态 遭到了破坏，导致应力重分布，最终达到新的应力平衡状态。而在这个过程中围岩和地 表发生了连续的变形、移动和非连续的破坏，人们把这种现象称为开采沉陷[2]。开采沉 陷[3]不仅会造成大面积的水土流失、土壤沙化、耕地破坏、道路变形、房屋受损、地下 水渗漏段井泉干涸[4]等，还会引发众多的次生灾害。对区内居民正常的生产生活产生了 巨大的影响[5]，同时也造成了巨大的经济损失。随着这些现象的越来越突出，人们对由 于煤炭开采引起的地表移动问题也给予了密切的关注。 鉴于此，本文以非充分采动条件下的开采沉陷预计和上覆岩层的移动规律为主要研 究内容。以榆林市某煤矿近水平煤层的开采为依托，对其由于非充分采动引起的地表沉 陷和上覆岩层的移动规律进行研究。 为煤炭开采、 水土保持和环境保护与治理提供依据， 具有重要的理论和现实意义。 开采沉陷预计是开采沉陷学的主要研究内容之一，对预防和减轻由于采煤而引发的 地质灾害具有重大的意义。现阶段我国还没有一套统一的进行开采沉陷预计的系统，因 此就需要广大学者和研究员进一步的努力。本文通过对陕西省榆林市某煤矿进行详细的 调研，针对榆林地区近水平煤层非充分采动进行研究，探讨概率积分法和有限差分法在 计算近水平煤层开采沉陷时的异同，同时分析上覆岩层的移动规律、移动轨迹等。 由于岩体的移动和地表的移动是内与外、表与里的关系，岩体的移动引发了地表的 移动，是根本原因；而地表的移动是最终的表现形式，是结果，因此我们在研究问题的 时候不光要从表面问题开始着手去做，而同时也要更准确清楚的认识该问题产生的原因， 发展的过程及最终形成的结果，根据其内部变化现象总结规律，这对于我们认识整个事 万方数据 长安大学硕士学位论文 2 物有很重要的意义。因此，我们在研究地表的移动与变形的时候，只有从根本上认识了 岩体的内部移动规律，才能更全面的分析地表的移动机理，才能更准确的进行开采沉陷 的预计，分析地表的移动变形最值。为采矿工程和地区自然生态环境的保护打下坚实的 理论基础[6-8]。 通过对开采沉陷的预计，在开采初期可以制定专项的针对由于沉陷所引起的破坏而 导致的人民生命财产的安全和经济的损失。例如利用预计结果，针对土地资源制定的专 项的土地复垦报告和矿山恢复治理报告；通过预计判断是否开采城镇村、古文物及其他 建筑物下的矿产资源，对其采取必要的加固、修复等治理措施；通过预计判断是否对公 路、铁路下的矿产进行开采，制定详细的维护和修复方案，加强对其的保护措施，维护 地区的交通运输的畅通；通过预计可以判断采煤对地下水和江河、湖泊的破坏情况，制 定相应的保护方案，以减少水土流失和防止地形地貌产生的巨大变化。在未来的十数年 内，传统的概率积分法和数值计算法[9]有限元法、有限差分法等仍然是矿山地面沉陷 预计领域中主要的研究方法。 1.2 国内外研究历史及现状 1.2.1 国外研究历史及现状 二十世纪初是覆岩移动和地表变形规律的初始形成阶段。在此阶段西方一些采矿先 进的国家首先取得了研究成果。1916 年，斯托克开创了悬臂梁假说，将煤层的顶板看作 悬臂梁，将采空区两侧看作支座，用此假说解释了支撑压力和岩层的周期来压；1928 年，骇克（W.Heck）和吉利泽（G.Gillitzer）提出了压力拱理论，认为煤层上部岩层在 自重作用下会形成一个“压力拱” ，这个“压力拱”承受着上覆岩层的重力，其范围随 着工作面的推进而不断加大。 二十世纪中叶，开采沉陷学向着系统性的理论开始迈进。在 1938 年的比利时，多 离斯创造性的将“垂线理论”带进了采煤沉陷领域，开创了开采沉陷学的先河。之后格 诺特深入研究该理论，将其发展成为“法线理论” 。而在这之前，德国的高校已经将“开 采沉陷学”作为矿业学院的必修课程。 20 世纪中叶， 阿拉巴斯开创了预成裂隙假说， 此假说认为由于岩体是由岩石块体和 各种裂隙组成的集合体，因此将岩体看作“假塑性体” ，在上部重力的作用下发生了假 塑性变形；1950-1954 年库兹涅左夫开创了铰接岩块假说理论，首次将工作面的上覆岩 层分成垮落带和规则移动带，初步探索了岩体内部的力学关系；1954 J.李特维尼申[10] 万方数据 第一章 绪论 3 开创了随机介质理论，将岩体的位移看作是无数小的单元颗粒的随机运动，奠定了现代 预计方法的基础；1986 年 Ing H. Kratzsch[11]提出通过回填废弃物来减少煤矿开采后的沉 降量，并把这种回填后的岩层顶板看作一个平板状的槽，认为由于开采的影响不仅会导 致下沉，还会导致倾斜、弯曲、压缩和扩张。 新世纪以来也有一些学者做了新的探索，2006 年 B.Unver[12]等用 FLAC3D 有限差 分软件模拟了放顶煤开采时上覆岩层的变形机理，并提出了对煤层的开采进行预裂爆破； 2008 年 Rajendra Singh[13]等研究了在山区地形下由于开采沉陷而引起的地表水平移动的 机理，并用数值模拟的方法对该机理进行验证；2016 年 David Lamich[14]等人对捷克西 里西亚盆地上由于煤层开采引起的建筑物沉陷历史做了研究，基本研究对象是一个有着 古老历史的教堂，首次提出通过建筑物的水平倾斜来对建筑地基进行分类，进而确定采 煤活动对建筑物的影响。同年，E. Fathi Salmi[15]等人通过离散元数值模拟方法研究开采 沉陷对多山地区山体滑坡的影响机理，研究结果表明煤层开采对山体的边坡岩石柱的影 响非常小，滑坡的形成是由于其上部松散软弱层的滑动带动岩石柱破裂而同时向前滑动。 在开采沉陷理论发展的同时，开采沉陷预计也取得了巨大的成果。1997 年 Kwiatek J[16]提出了适用于急倾斜煤层采空区沉陷预计的剖面函数法； 1993 年 D. M. Shu[17]等通过 研究地下与地表沉陷运动的关系，建立了一种经验预计模型，这种模型是以图表的形式 表现出来的，这些图和表可以用来估计最大沉降、倾斜和水平变形；1995 年 Ramesh P.Singh[18]等在印度对兰甘吉煤田由于浅埋厚煤层的采出而引起的地表沉陷进行分析， 提 出用粘弹性模型进行开采沉陷预计，并对当地两个煤矿进行了预计，通过比较分析证明 了其适用性； 2001 年 L.JDonnelly[19]用 SWIFT 技术对安第斯山脉中的煤矿开采进行了沉 陷预计，分析了造成预计结果同实际监测结果不同的构造机理；2003 年 Tomaž Ambrož ič [20]等运用人工神经网络进行开采沉陷预计， 这种方法是建立在大量观测数据的基础上， 在预计的过程中通过变量来代表地表沉陷的数据；2013 年 Tugrul Unlu [21]首次提出了运 用 ISP-Tech 来进行煤矿开采的地表沉陷预计，该方法运用 GIS 和 MIS 采集来的信息进 行网格划分，然后再进行二维有限元分析，进而得到预计结果，并通过 ISP-Tech 与实测 值相比较， 证明了其可靠性。 2014年G. Ren[22]等人首次提出了广义影响函数法 （GIFM） ， GIFM 是利用计算机进行模拟，这种方法不仅能够适用于更加复杂的工程地质条件，而 且还能有效的表达出其在采动过程中的应力应变关系。 万方数据 长安大学硕士学位论文 4 1.2.2 国内研究历史及现状 建国初期，煤炭行业作为我国经济恢复和能源建设中的重要一环，得到了各级政府 和研究机构的重视。 1955 年国内将 岩层与地表移动 作为采矿专业课程引入大学课堂。 在开采沉陷理论研究上，我国学者也做出了努力，并逐渐取得了新的成果，为我国 煤炭事业做出了巨大的贡献。1959 年刘宝琛、刘天泉[23]等最先将随机介质理论翻译并 引入中国，给我国的煤炭开采带来了先进的技术和成熟的经验；1963 年周国铨、虞万波 [24]等在分析大量的实测资料的基础上，建立了下沉盆地的负指数形式剖面函数；1965 概率积分法首次被提出，中国学者刘宝深、廖国华做出了不可磨灭的贡献，这为我国将 开采沉陷预计的定量计算打下了坚实的理论基础； 1981 年我国学者对以往概率积分法的 应用工作进行了系统的归纳和分析，重点关注了预计参数与覆岩物理力学性质，分析两 者之间的联系。同年，中国学者研究出了各种计算参数同所处地区的地质条件的关系， 形成了用参数来进行沉陷预计的体系；2003 年唐又驰、曹再学和朱建军[25]通过对有限 元的深入研究，将其同概率积分法的预计进行对比结合，分析沉陷后地表移动的规律， 并验证其有效性和可应用性；2008 年戚冉[26]等用三角函数这种简单易行的数学方法来 计算地面下沉的位置和面积。 1986 年何国清[27]在威布尔分布法的基础上推导出了威布尔分布公式，并且给出了 如何求取其分布参数，指出这种方法与传统的概率积分法相比，有更广泛的适用性和更 高的可靠性；1983 年何万龙[28]以阳泉矿区为背景，研究开采影响下的山区地表移动， 并基于概率积分法推导出了经典的地表移动与变形预计公式，推动了我国开采沉陷预计 的跨越式发展；钱鸣高，许家林[29]采用多种方法对上覆岩层的裂隙进行研究，分析了其 分布规律，提出了“O”形圈的分布特征。1999 年谢和平、周宏伟、王金安[30]等首次使 用有限差分软件（FLAC2D 和 FLAC3D）数值模拟煤层开采后的覆岩移动特征，提出了 开采沉陷预计的新方法。认为 FLAC 能够真实的模拟现场的实际情况，解决传统的概率 积分法未能考虑断层的弊端， 也提出了应用 FLAC 时需要注意的问题； 2000 年李树刚[