煤矿综采地表移动变形规律及预测研究.pdf

分类号P642 10710-2018226085 专业硕士学位论文 煤矿综采地表移动变形规律及预测研究 杨迁 导师姓名职称 王雁林 副研究员 申请学位类别 硕士 专业学位类别 及领域名称 地质工程 论文提交日期 2021 年 4 月 14 日 论文答辩日期 2021 年 5 月 30 日 学位授予单位 长安大学 Study on the law and prediction of surface movement and deation in fully mechanized coal mining A Thesis ted for the Degree of Master CandidateYang Qian SupervisorProf. Wang Yanlin Chang’an University, Xi’an, China I 摘要 近三十年来，中国的煤炭年产量一直位居全球首位。采煤方法的改进和更为先进的 顶板管理方法，煤炭产量增长的同时，煤炭开采所产生的采空区与地面沉陷面积正在逐 年增加。开采沉陷不仅造成生命和财产的直接损失，而且造成一系列社会和生态安全问 题，包括生活环境进一步恶化，自然景观破坏，草地退化和沙漠化。因此，对采空区地 表移动变形进行研究是迫切且具有现实意义的。 本文以陕西榆神矿区隆德煤矿为例， 对多层煤重复采动后岩体应力变化和地表移动 变形情况进行了研究，所用方法如下所示首先从力学角度对采空区顶板和侧壁煤柱进 行强度分析，然后使用概率积分法对多层煤重复采动后地表最大下沉位移进行预测，再 使用 FLAC3D软件对多层煤重复采动过程中岩体应力变化进行分析，对地表最大下沉位 移进行预测，并分析了两种方法结果差异的原因。主要研究成果如下 （1） 基于结构力学对采空区顶板和侧壁煤柱进行强度分析， 结果如下， 第一次采动 后 2-2煤层工作面顶板破坏发生垮落，侧壁煤柱基本稳定；第二次采动后 3-1煤层工作面 顶板破坏发生垮落，侧壁煤柱处于承载极限状态不稳定。 （2）基于概率积分法对地表移动变形结果计算，结果如下，开采 2-2煤层后地表移 动过程持续时间约为 1.12 年；开采 3-1煤层后地表移动过程持续时间约为 1.39 年。2-2煤 层与 3-1煤层全部开采后地表最大下沉值累计为 5.5m。 （3）基于 Flac3D的模拟结果，多层煤全部开采后，沿煤层走向和倾向出现不同的 下沉监测曲线。 采空区顶板和侧壁煤柱出现应力集中现象， 2-2煤层采空区顶板位置出现 最大拉应力，3-1煤层采空区侧壁煤柱位置出现最大压应力和最大剪应力，2-2煤层采空 区侧壁的煤柱是稳定的， 3-1煤层采空区侧壁煤柱发生剪切破坏。 地表最大下沉值累计为 3.51m，与概率积分法计算结果 5.5m 不同的原因是第一次开采 2-2煤层后上覆岩层形成 岩梁，延缓了垮落带和导水裂缝带向地表发展的过程，地表沉陷速度和沉陷位移因此减 小了。 关键词 多层采空区；重复采动；强度分析；概率积分法；数值模拟 II Abstract In the past three decades, Chinas annual coal output has consistently ranked first in the world. With the improvement of coal mining s and more advanced roof management s, the area of goaf and ground subsidence caused by coal mining is increasing year by year. Mined-out subsidence not only causes direct loss of life and property, but also causes a series of social and ecological security problems, including further deterioration of the living environment, destruction of natural landscapes, grassland degradation and desertification. Therefore, it is urgent and realistic to study the mechanism of ground subsidence in the goaf. Taking Longde Coal Mine in Yushen Mining Area, Shaanxi Province as an example, the internal rock mass stability and surface movement and deation after multi-layer coal slicing are studied. The s used are as follows First, analyze the strength of the roof and coal pillars in the goaf from the perspective of mechanics，and then use the probability integral to predict the maximum surface subsidence displacement after repeated mining of multi-layer coal, and then use FLAC3D software to analyze the internal rock mass stress changes in the process of repeated mining of multi-layer coal, predict the maximum surface subsidence displacement, and analyze the reasons for the difference between the results of the two s. The main research results are as follows 1 Based on structural mechanics, the strength of the roof and coal pillars in the goaf is analyzed, and the results are as follows. After the first mining, the roof of the 2-2 coal seam working face was damaged and collapsed, and the coal pillar was basically stable. After the second mining, the roof of 3-1 coal seam working face was damaged and collapsed, and the coal pillar was in an unstable state of bearing limit. 2 Based on the probability integration to calculate the results of surface movement and deation, the results are as follows. The duration of the surface movement process after mining the 2-2 coal seam is about 1.12 years. The duration of the surface movement process after mining the 3-1 coal seam is about 1.39 years. After the 2-2 coal seam and the 3-1 coal seam are all mined, the maximum surface subsidence value is 5.5m. III 3 Based on the simulation results of Flac3D, after all multi-layer coals are mined, different subsidence monitoring curves appear along the coal seams direction and inclination. Stress concentration occurs in the roof and sidewall coal pillars of the goaf, 2-2 the maximum tensile stress appears at the roof position of the goaf, 3-1 the maximum compressive stress and the maximum shear stress appear at the position of the coal pillar on the sidewall of the goaf, The coal pillars of the 2-2 coal seam goaf are stable, and the coal pillars of the 3-1 coal seam goaf have shear failure. The maximum accumulated surface subsidence is 3.51m, which is different from the 5.5m calculated by the probability integral . The reason is that the overlying strata ed rock beams after the first mining of the 2-2 coal seam, which delayed the caving zone and the water-conducting fracture zone to the surface. During the development process, the surface subsidence speed and subsidence displacement are therefore reduced. Key words Multi-layer mined area； Repeated acquisition； Strength analysis； Probability Integral ；Numerical Simulation IV 目录 第一章 绪论 1 1.1 研究背景及研究意义 ................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ......................................................................................................... 2 1.2.1 国外开采沉陷研究历史及现状 ...................................................................... 2 1.2.2 国内开采沉陷研究历史及现状 ...................................................................... 3 1.2.3 多层煤重复采动研究现状 .............................................................................. 6 1.3 主要研究内容及技术路线 ......................................................................................... 7 第二章 隆德煤矿地质环境条件 9 2.1 自然地理 ..................................................................................................................... 9 2.1.1 地理位置 .......................................................................................................... 9 2.1.2 气象 .................................................................................................................. 9 2.1.3 水文 ................................................................................................................ 10 2.2 地质环境 ................................................................................................................... 11 2.2.1 地形地貌 ........................................................................................................ 11 2.2.2 地层岩性 ........................................................................................................ 11 2.2.3 地质构造 ........................................................................................................ 13 2.2.4 水文地质 ........................................................................................................ 13 2.2.5 岩土体类型 .................................................................................................... 13 2.3 研究区概况 ............................................................................................................... 14 第三章 多层采空区顶板及煤柱强度分析 19 3.1 多层采空区顶板强度分析 ....................................................................................... 19 3.1.1 多层采空区顶板破坏分析 ............................................................................ 19 3.1.2 多层采空区顶板极限跨径 ............................................................................ 22 3.1.3 多层采空区顶板强度分析计算结果 ............................................................ 23 3.2 多层采空区侧壁煤柱强度分析 ............................................................................... 26 3.3 本章小结 ................................................................................................................... 28 V 第四章 多层采空区地表沉陷数值预测 29 4.1 开采沉陷预测模型 .................................................................................................... 29 4.1.1 沉陷预测方法选取 ......................................................................................... 29 4.1.2 数学模型的建立 ............................................................................................ 29 4.2 开采沉陷预测结果 ................................................................................................... 33 4.2.1 2-2煤层开采后预测结果 ................................................................................ 33 4.2.2 3-1煤层开采后预测结果 ................................................................................ 34 4.3 本章小结 ................................................................................................................... 35 第五章 多层采空区地表沉陷数值模拟 36 5.1 Flac3D数值模型 ......................................................................................................... 36 5.1.1 建模范围 ......................................................................................................... 36 5.1.2 网格划分 ......................................................................................................... 37 5.1.3 监测线布置和监测数据处理 ......................................................................... 38 5.1.4 本构模型、屈服准则和边界条件 ................................................................. 39 5.2 2-2煤层开采完成后地表沉陷数值模拟结果分析 ................................................ 39 5.2.1 2-2煤层开采完成后应力分析 ..................................................................... 39 5.2.2 2-2煤层开采完成后下沉位移分析 ............................................................. 41 5.3 3-1煤层开采完成后地表沉陷数值模拟结果分析 ................................................ 44 5.3.1 3-1煤层开采完成后应力分析 ..................................................................... 44 5.3.2 3-1煤层开采完成后下沉位移分析 ............................................................. 47 5.4 岩体应力变化及地表最大下沉预测值差异原因 ................................................... 49 5.5 本章小结 ................................................................................................................... 50 第六章 结论与展望 52 6.1 结论 ........................................................................................................................... 52 6.2 展望 ........................................................................................................................... 53 参考文献 54 攻读硕士学位期间的研究成果 59 致谢 60 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 研究背景及研究意义 我国有非常悠久的煤炭资源开采历史。据相关史料记载，早在春秋战国时期，我国 登封等地对煤炭资源就开始了开采和利用[1]。截止 2020 年，以 23 亿吨的煤炭产量，西 部地区煤炭产量占全国产量的 59。近些年来，随着我国经济的高速发展，对能源的消 耗也日益增加， 西部地区作为我国煤炭资源的主产地， 逐渐成为了能源输出的主要地区， 我国煤炭工业的战略重心也逐渐西移[2]-[4]。随着重点开发晋陕蒙区战略的提出[5]，位于 陕北的榆神矿区因煤层容易开采， 成为我国煤炭资源理想的输出地[6]。 大采高和超大工 作面等高强度开采技术已在此地区日益成熟，并得到广泛使用[7]-[9]。但是，开采完地下 煤层后，采空区周围原始应力场被改变，在重力作用下重新分布，使采空区上覆岩土体 产生移动变形，达到新的平衡，这个过程被称为“开采沉陷”[10]。 煤层开采引发的诸多问题中最常见的就是地面沉陷。 沉陷盆地的边缘容易出现拉裂 破坏，造成地面不均匀沉降，破坏地表自然景观和房屋建筑。煤层开采还会导致煤层上 覆岩层断裂，形成裂隙导水带，进而破坏含水层影响地表水系，可能造成地表植物非正 常死亡，破坏生态[11]-[12]。1997 年至今，经过多次整改，榆林市煤矿数量从 854 个减少 到 404 个，但废弃煤矿的采空区存在安全隐患，地表沉陷过程中，岩层发生断裂，可能 破坏地下水系，破坏生态环境[13]。因此，对采空区地表移动变形进行研究是迫切且具有 现实意义的。 逐年增加的煤炭需求量迫使煤炭开采技术也急需不断的完善， 不同煤层的上下工作 面开采， 同煤层的多工作面开采以及厚煤层的分层开采等重复采动在工程中得到广泛使 用[14]。而多层采空区因其复杂的应力特征和空间分布，对它的研究少于对单一采空区的 研究。 因此，本文以陕西榆神矿区隆德煤矿为研究对象，在对矿区工程地质条件、采矿条 件以及地面沉陷进行调查的基础之上，对多层煤开挖后岩体内部应力变化进行分析、地 表移动变形进行了研究。该研究对于认识和揭示多层煤开采条件下，岩体内部应力变化 及地表移动变形规律具有重要参考价值。 长安大学硕士学位论文 2 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外开采沉陷研究历史及现状 对于开采沉陷的认识，国外起源较早，最早出现在 15 世纪的比利时，通过刑罚来 让人们知道开采不是无节制的，需要承受开采沉陷带来的后果[15]。15 世纪之后，由于世 界经济的快速发展，开采沉陷造成大量人员伤亡和经济损失。认识到其重要性后，各国 的矿山工程师和技术人员投入了越来越多的时间、技术和设备来进行这项研究。 直到 20 世纪初，从事采矿工作的人们才开始系统的了解、监测开采沉陷，并设置 监测点来对地面沉陷进行观测， “开采沉陷”开始成为新的学科被研究。1949 年出版的 Bergschadenkunde最具代表性，书中 Niemczyk.o 系统的讲解了开采沉陷，并总结了 地表移动的规律[16]。 Tadashi 等（1970）通过对 Kyushu 煤矿周边水库大坝的调查，定量的评价了煤矿开 采对库区地表结构的破坏， 发现无论是坝轴线方向还是水流轴线方向的坝体内拉应力都 会加剧煤层开采对库区的破坏， 每年超过 2mm/m 的拉应变最终会导致水库渗漏枯竭[17]。 Jones 等 （1973） 为了能够预测特定位置和条件下的开采沉陷运动， 描述了将数学模 型应用于该问题的方法，并举例说明了预测结果的准确性和预测过程的简便性，通过示 例说明了进行这些预测的精度和难易程度，预测了特定条件下给定点的沉降数值[18]。 Aston 等（1987）对悉尼煤田海底开采沉陷进行了长期跟踪研究,其中预测方法主要 分为两大类经验方法和分析方法，在进行结果对比后发现，这两种方法都适用于悉尼 煤田，预测结果与实际沉降数值基本上一致[19]。 Sladen 等（1988）提出可以通过用废料填充或“堆积”矿洞，可以减少沉陷的数量 和严重程度。同时煤层开采如果在水体之下，则必须保持排水并防止渗水[20]。 Jarosz 等（1990）研究了开采沉陷与地下开采进度和时间的关系，提出了基于高斯 影响分布和 Mitsherlich 有限增长定律的预测方法，并将其应用到 Appalachian 煤田随时 间的沉降发展。该方法已取得了很好的效果，并在一些长壁开采实例中得到了验证[21]。 Bahuguna 等 （1991） 在矿山沉陷预测方法中详细的介绍了三种沉降预测方法 经验 方法、理论分析方法和理论模型方法，在不同地方经过验证对比后发现，理论分析方法 中的影响函数法是最理想的一种方法，并提出了改进地方，可以结合下沉系数使最终计 算结果更加理想[22]。 第一章 绪论 3 Darmody 等（1995）建立了农业土壤沉降敏感性预测模型（SSS 模型） 。SSS 模型将 选定的土壤特性集成到 GIS （地理信息系统） 中， 以便为给定区域分配沉降敏感性得分。 以 Zea mays L.为参考，来预测长壁式采煤对 Illinois 南部年作物产量损失[23]。 Nichol 等 （2000） 对北威尔士 Holywell 矿区的采矿记录、 地质环境等资料进行研究， 在此基础上结合实地调查， 克服了因采空区岩体的特殊性和可变性导致的采空沉陷难以 预测的困难， 成功对影响 Holywell 公路网的五个矿山进行了预测， 并提议矿区管理过程 中应该进行实时的监测，及时发现并处理地面沉陷对 Holywell 公路的影响[24]。 Merad 等（2004）为了解决法国 Lorraine 铁矿开采后引发的管理问题，提出了基于 多准则决策辅助方法，称为“ELECTRE-TRI” ，将危险区域划分为预定义的类别，并考 虑了专家的意见，定性、定量的标准和不确定性[25]。 Alex 等（2010）介绍了一种利用多 SAR 差分干涉图研究 Sydney 南部煤田开采沉陷 的方法。利用该方法导出了研究区累积沉降图，对 ALOS-Palar 图像处理之后，与 GPS 野外测量数据对比后发现沉降结果与预测的采矿诱发变形之间存在着很高的相关性[26]。 Tajduś 等（2015）建立了一种基于有限元的开采沉陷预计模型，并对两个矿区的水 平位移分布和地表沉陷进行了分析， 结果表明数值模型较好地描述了沉降的分布和沉降 槽的坡度，但由于边界效应水平位移计算值存在较大差异，特别是在影响范围较远的地 区[27]。 Rehman 等（2020）利用现场实测参数分析 Raniganj 煤田的开采沉陷敏感性。建立 了一个分析采矿沉陷敏感性的最佳模型（Mamdani 模糊模型） ，并通过 ROC 曲线、种子 细胞面积指数（SCAI）和空间一致面积法对模型进行了验证。该方法的框架将对分析不 同地理位置的敏感性具有指导意义[28]。 可以看出，国外对于开采沉陷的研究侧重点一直在发生变化，从最开始系统性的定 性评价， 发展到侧重于某一点的定量评价， 再到后面的开采沉陷预测算法的出现和完善， 然后是基于实际监测数据的沉降模型。主要是因为随着科技的进步，计算机的运算能力 也得到的质的提高，繁琐的运算也能通过计算机快速得到结果，对开采沉陷预测结果的 精准也有了新的要求，基于实际监测数据的模型能够更好的预测开采沉陷的结果。 1.2.2 国内开采沉陷研究历史及现状 以 cnki 中国知网收录的以开采沉陷为主题的学术期刊文章为例， 收录的外文期刊最 长安大学硕士学位论文 4 早为 D. J. Bentley 的 Coal Mining Subsidence Act, 1957，收录的中文期刊最早为 1984 年 R.N.森格等水体下采矿设计探讨 ，可见与国外相比，国内对于开采沉陷的研究起步相 对较晚。 新中国成立后，我国开始了对开采沉陷的研究。 经过近 40 年的艰苦努力，我国不 仅积累了数千条观测线的实际测量数据，对矿山沉陷的基本规律有了进一步的认识，而 且提出了具有中国特色的预测方法。在“三下”采矿实践中，也取得了巨大成就，并积 累了相对丰富的经验。学术期刊文章的收录数量也有了质的变化。图 1-1 为近 40 年来 知网收录的以开采沉陷为主题的中文学术期刊文章年度分布图。 图图 1-1 近近 40 年来知网收录的以开采沉陷为主题的中文年来知网收录的以开采沉陷为主题的中文学术期刊文章学术期刊文章年度分布图年度分布图 从图 1-1 中可以看出，我国对开采沉陷的学术研究大致分为三个时期1、1993 年 之前，我国对开采沉陷的研究主要处于起步阶段，每