缓倾斜层状矿体开采沉陷预测与控制研究.pdf

中图分类号鱼2 2 U ] D C 博士学位论文 学校代码 Q 5 3 3 密级公珏 缓倾斜层状矿体开采沉陷预测与控制研究 I n V e s t i g a t i o ni n t oP r e d i c t i o na n d C o n t r o lo f M i n i n g S u b s i d e n c eo ft h eG e n t l yI n c l i n e dB e d d e d0 r eB o d y 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 贺桂成 矿业工程 安全技术及工程 资源与安全工程学院 丁德馨教授 论文答辩日期堂 兰望答辩委员会主 中南大学 二O 一三年十二月 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作 的贡献均已在论文中作了明确的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者繇燃吼丝址月五日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学位论文的 规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其它手段保存和汇编本 学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者笨幺．眨考参蚁 作者签名垒 蔓 日期堂 年卫月』日一一日期生咂月＆日 万方数据 博士学位论文摘要 缓倾斜层状矿体开采沉陷预测与控制研究 摘要目前，随着矿产资源的大量开采和地下水资源的过度抽取，导致地 表出现了大面积的沉降，给当地的环境和人们的生命财产造成了巨大损害。 石膏是一种埋深浅、矿体薄、分布广的缓倾斜层状矿体，具有遇水膨胀、 软化等特点，开采此矿体极易诱发地表沉降和塌陷事故。但由于其价格低， 人们对其开采沉陷的研究成果较少。因此，开展此项研究具有十分重要的 理论意义。本文采用室内试验、理论分析、相似模拟、现场测试和数值模 拟相结合的研究方法，对石膏矿的力学特性、采空区顶板的破断机理及其 上覆岩层的移动规律，以及开采沉陷的预测方法和控制措施进行了研究， 得到了如下研究成果 1 采用I 洲T ．1 5 0 B 岩石力学试验机，对自然状态和水饱和状态的石 膏试样，以及自然状态下不同高径比的石膏试样的瞬时力学特性进行了试 验研究。研究结果表明水饱和状态的石膏试样的抗压强度是其自然状态 的7 9 ．9 4 ％；根据试验结果分析，得到了石膏试样强度与尺寸效应的理论模 型及其参数。 2 采用S A W ．2 0 0 0 岩石力学试验机，对自然状态和水饱和状态的 石膏试样进行了分级加载的流变试验。试验结果表明自然状态和水饱和 状态的石膏试样均表现出了很好的流变特性，且其流变全过程曲线符合粘 弹性流变特征；自然状态和水饱和状态的石膏试样的长期强度分别为其峰 值强度的7 7 ％和6 8 ．8 ％，且后者的长期强度为前者的5 5 ％。 3 根据弹性．粘弹性相应原理，采用粘弹性薄板弯曲理论，建立了采 空区顶板粘弹性薄板弯曲的力学模型，得到了采空区顶板的临界荷载及其 挠度曲线的表达式，建立了采空区顶板破断的判据，确定了合理的采空区 长度、矿房跨度、直接顶厚度等采场结构参数。利用F L A C 3 D 中的伯格斯蠕 变模型对采空区项板蠕变变形和不同高跨比的矿柱承载能力进行了数值模 拟。数值模拟结果表明在O ～6 0 d 时，采空区顶板缓慢下沉、逐渐离层、开 裂形成薄板弯曲结构；在1 8 0 d 时，采空区顶板离层现象十分明显，顶板开 始破断失稳，此时地表也出现了明显的沉降；到达3 6 0d 时，采空区顶板已 整体垮落失稳，地表沉降值逐渐增大，最终形成整体塌陷；当石膏矿柱的 跨度小于4 m 时，其已被压坏而不能支承上覆岩层的围岩压力，导致采空区 项板及上覆岩层破断而垮落。 4 采用相似理论，建立了相似模拟模型试验。相似模拟试验结果表 明当矿房跨度大于1O m 时，采空区顶板开始产生竖向裂隙和离层裂隙； Ⅱ 万方数据 博士学位论文摘要 随矿房跨度的增大，其竖向裂隙和离层裂隙逐渐增大而产生弯曲、下沉、 破断以及整体垮落；当矿房跨度为1 6 4 m 时，采空区上覆岩层的垮落带高度 为5 5 m ，为采空区高度的1 8 ．3 倍，导水裂隙带发育高度为9 4 ．5 m ，为采空 区高度的3 1 ．5 倍，地表沉降的最大值为1 1 5 c m ，下沉系数为0 ．3 8 。 5 根据理论分析、相似模拟、数值模拟的结果，建立了考虑采场结 构参数的地表沉降和项板竖向位移预测的砧虾I S 模型，分析了其拟合性能 和预测性能，对衡山某石膏矿的采空区地表沉降和项板竖向位移进行了预 测，同时还对其进行了实测。研究结果表明建立的采空区地表沉降和顶 板竖向位移预测的A N F I S 模型的拟合精度分别达9 6 ％和9 8 ％以上，预测精 度分别达9 7 ％和9 6 ％以上；采用该模型预测的衡山某石膏矿的采空区地表 沉降值和项板竖向位移值与实测结果吻合良好；矿房跨度为1 0 m ，矿柱跨 度为4m 是该地区石膏矿最合理的采场结构参数。 6 采用I 洲T 一1 5 0 B 岩石力学试验机，对7 种配合比的黄土．废石胶 结充填体在不同龄期的抗压强度进行了测试，利用龄期为2 8d 的黄土．废石 胶结充填体的力学参数对试验采场进行了充填法回采的F L A C 3 D 数值模拟， 根据数值模拟结果选用C 组配比的黄土．废石胶结充填体对该矿试验采场进 行了充填，同时还对其进行了应力测试。研究结果表明龄期为2 8 d 的C 组黄土．废石胶结充填体的抗压强度大于2 Ⅷa ；选用C 组配合比的黄土． 废石胶结充填体的试验采场的应力测试结果与数值模拟结果吻合良好，能 有效地控制该试验采场的地压。 7 采用C 组黄土．废石胶结充填体的力学参数对石膏矿采空区进行 充填开采的F L A C 3 D 数值模拟，分析了5 种充填开采方案对采空区项板岩层 的竖向位移和地表沉降的影响。数值模拟的结果表明采用最优充填开采 方案能有效地减小地表沉降、采动影响范围和下沉系数，其值分别为未充 填时的6 5 ．1 ％、5 6 ％和6 4 ．6 ％，达到了控制开采沉陷的目的。图1 2 7 幅，表 3 7 个，参考文献2 5 6 篇 关键词开采沉陷石膏流变力学特性；粘弹性薄板；相似模拟；F L A C 3 D 数值模拟；6 岍I S 预测方法；黄土．废石胶结充填体 分类号6 2 2 Ⅲ 万方数据 博士学位论文A B S T R A C T I n v e s t i g a t i o nn o P r e d i c t i o na 1 1 dC o n 仃o lo fM i l l i l l g S u b s i d e n c eo fm eG e n t l yI n c l i n e dB e d d e dO r eB o d y A b s t 糯c t T h ea r e ao f 疵“n gs u b S i d ％c em c r 鼢s 血g 谢也掣0 u d w a t e ro v 凹蛐g a n dm i 工l e r a lr e s o u r c e se x c e s s i v em i I l i 工】g ，a tp r e s 即t ，i ss e r i o u s 吐1 r e a t St ot 1 1 eh 1 1 r r l a n l i f ea I l dp l r o p e r 眵a 1 1 dm es u l l ．0 u n 幽ge n V 打o I Ⅱn e n t ．T h e 影p s u H li sag e n t l ym c l 证e d b e d d e do r eb o d y 也a ti sc h a r a c 锄z e db ys h a U o wb 耐a l ，n 狮wf - O r e b o d y ，w i d e d i 缸b u t i o n ，w a t e r e de x p a n d i l l ga n ds o f t e 血g ，a r l d 心do u tm e 舒，p s u mo r eb a d y i se a s i l yt oc a u S e 吐1 ee v e n t so fm 洒i I 】gs u b s i d e n c e ．T h e r ei s1 i t t l er e s e a r c hr e s u l 乜o n m er n e c h a n j s mo f m 抽i I l gs u b s i d e n c eb e c a u S eo f 也e1 0 、№rp r i c e ，i ti sv e r ym l p o n a n t t os t u d yo nt h em e c h a l l i s mo f 蛐gs u b s i d e n c e ．T h i sp a p e rc o m b i I l e du s e l a b o 】m 岫t e s t ，t 1 1 e o r ya 1 1 l y s i s ，s i I I l i l a rs i I l l u l t i o n ，f i e l dt e S ta n dn u m e r i c a ls j m u l a t i o n f o ra n a l 弘血g 也ec k 吼I c t e r so f 舀，p s u l 1 1o r eb o d y ，b ∞k e nr n e c h a n i s mo fg o a fr o o f a r l dd e f ．0 n n a t i o n1 a wo fo v e r l y i 工培s ．嗽，a n dc o n t r 0 1m e a S u r e sa n dp r e d i c t i o n m e Ⅱ1 0 d ．T h en l 咖r l ；e s u l t sa r - ea sf ．o n o w s 1 T h e 血s t a n t a n e o u sm e c h a n i c sc h a r 删S t i c so fm eg ，p s u I ns t 如删 s a I n p l ei 1 1an a c u 【r aIS t a t ea n ds a t u l 眦e ds 雠ea 1 1 dm eg Ⅵ S l 蛐w i t bs i 【d i 丘- e r e n tm t i o s o f h e i 出t od i 锄e t e r ．man 咖r a ls t a t eb yu s 崦I 岍1 5 0 B r o c km e c h a l l i c st e s t ．m g m a c h l e ．T h el a b o r a t o 巧t e s tr e s I l l t ss h o wt 1 1 a t ，也ec o m p r e s s i V e 蜘g m so f 也e 鼢伊S u mS t 明d a r ds 锄p l ei 工1 as a t u r a t e d 姐t ei s7 9 ．9 4 ％o f 也e 勖甲s u mi 1 1an a t u 豫l s 锄c e ，m el 曲o m t o n rt e s tr u e s u l t sw e r eu s e df ．o re 鳓如l i s l l j 玎gm e 廿l e o r e t i c a lm o d e l b e t w e e ns b r e n g 血a n dd i I l l e n s i o ne f I b c ta n di t sp 锄砌e 1 _ e ] r S ． 2 T h er h e o l o g i c a lm e c h a 血c sc h a r a c 俐S t i c so f 廿l e 舀币s 吼i 1 1an a t l 黝Is t a t e 锄1 di I las a t u 1 鼍t e ds t a t eu n d e rs t e pl o a d m gb yu s m gS A W ．2 0 0 0r o c km e c h a m c s t e 池gm a c l l i l l e ．T h el a b o r a t o r yt e S tr e s u l t ss h o wm a t ，廿l es 晚s s s _ 昀mm l lc 1 】Ⅳeo f 龇固，p s u mu n d e rs t e pl o a d i n gi si 1 1g o o da 辨e m e mw i mV i S c o e l a S t i cc r e e pc u n ，e ， t 1 1 e1 0 n g - 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m z z yi 工1 f e r e n c eS y s t e m m o d e lf ．o rp r e d i c t i n g 廿1 eg u r f ．a c es u b s i d e n c e a 工1 d Ⅱl ev e r r t i c a ld e f o m a t i o no fm er o o fo ft 】1 eg o a fa n dt 】舱f i t t i n ga r l dp r e d i c t m g c a p a b i l i t i e sw e r ea 工1 a l y z e d ．T h e 脚’I Sm o d e l 、v a su s e df ．o rp r e d i c t m ga l es 1 耐沁e s u b s i d e n c ea 1 1 dm ev e r t i c a ld e f o m l a t i o no f m er o o f o f 吐1 eg o a f o f a ∞币s Ⅶn 皿n ei 1 1 H e n g s h a na n d Ⅱl ep r a c t i c a ls u r f - a c es u b s i d e n c ea I l dv e I r t i c a ld e f ．o m a t i o no f 也er o o f w e r em e a s u r e d ．T h er e s u l t ss h o wm a t ，t 1 1 ea c c u r a c i e so f 吐l e 丘t t m gr e s u ho fm e s u l l j 犯esu _ b s i d e n c ea n d 也ev e r t i c a ld e f ．0 n n a t i o no f 吐1 eI ．o o fb vt 王1 ee s t ￡l b l i s h e d A N F I Sm o d e l 锄o u n tt o9 6 ％a n d9 8 ％，a n dm ea c c u r a c i e so f t l l ep r e d i c t m gr e s u h o f 山eS 1 时．a c es u b s i d e n c ea n dt l l ev e r t i c a ld e f b n n a t i o no f m er o o f b vm ee s t a b l i s h e d A N F I Sm o d e la m o u mt o9 7 ％a r l d9 6 ％，r e S p e c t i v e l y ，a n dt h ep r e d i c t e dr e s u l t so f t h eS 1 卫 f ．a c es u b s i d e n c ea n d 也ev e r t i c a ld e f b m a t i o no fm er o o fo f 吐l e2 0 a fo fa V 万方数据 博士学位论文 A B S T R A C T g y p s 啪心b y m ee s 切b l i S h e dA N F I Sm o d e l 觚d h em e a S u r e dr e s u l t sa r ei 1 1g o o d a 田旧e m e n t ．T h ei r 】【t e r v a lp i l l a rs p a na n dr o o ms p a n 锄_ es u i t a b l et o4 ma n d10 mf - 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2 ．1 开采沉陷理论模型研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．2 开采沉陷相似模拟试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．2 ．3 开采沉陷数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．2 ．4 开采沉陷预测理论和预测方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．2 ．5 开采沉陷控制理论及方法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 1 ．3 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯，⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 3 1 ．4 研究的特色与创新之处⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 石膏试样瞬时及流变力学特性试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．2 石膏试样试验概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．2 ．1 石膏试样制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．2 ．2 力学试验装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．3 石膏试样单轴压缩力学特性试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．3 ．1 自然状态石膏试样单轴压缩强度及变形特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．3 ．2 水饱和状态石膏试样单轴压缩强度及变形特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．3 ．3 自然状态与水饱和状态石膏试样单轴压缩破坏特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 2 ．4 不同高径比的石膏试样单轴压缩力学特性试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 2 ．4 ．1 不同高径比的石膏试样应力一轴向应变特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 4 2 ．4 ．2 不同高径比的石膏试样应力．横向应变特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 2 ．4 ．3 不同高径比的石膏试样应力一体积应变特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 6 2 ．4 ．4 不同高径比的石膏试样破坏特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 2 ．4 ．5 石膏试样破坏时的能量耗散特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 8 2 ．4 ．6 石膏试样强度与尺寸效应的理论模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 2 ．5 石膏试样流变力学特性试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 Ⅶ 万方数据 博士学位论文 目录 2 ．5 ．1 流变力学