（岩土工程专业论文）沉陷区煤岩柱长期强度讨论及地表环境资源损害评价研究.pdf

摘要 对于厚煤层开采，特别是大条带综放开采和。三下”开采，为确保煤柱的长 期稳定就要考虑煤岩体的流变特性问题。本文针对鲍店煤矿煤岩柱长期变形问题， 以流变理论为基础，通过物理试验测定煤岩的基本力学参数和蠕变参数，利用 f l a c 3 d 软件对地表变形规律和巷道围岩蠕变规律进行数值模拟，在岩体力学的基 础上，对模型进行合理的简化，利用经典弹塑性蠕变模型模拟计算，结合试验详 细分析了煤岩的蠕变特征和长期强度，并为地表环境资源的g i s 可视化评价系统 的建立提供相应的配套参数体系及基础数据库。 随着“三下”开采强度和开采范围的扩大，开采沉陷给地表环境资源造成了 严重的破坏，地表环境资源的损害评价及治理也成为迫切需要解决的技术性课题。 对于大面积的沉陷区来说，地表变形不均，各种资源错综分布，手工分析和计算 将会耗费大量的人力和物力，同时会出现损害程度认定不准，技术论证不充分等 现象。为提高工作效率，保证这项工作的程序化、规范化，本课题对沉陷区环境 资源损害的g i s 可视化评价方法作了深入研究。 ( 1 ) 环境资源损害评价涉及因素众多，评价模型不统一，本文深入分析了沉陷 区管线、建筑物、铁路公路和土地资源损害的破坏机理，综合研究了国内外沉陷 区资源损害评价模型，在此基础上建立了本系统的环境资源损害评价理论模型； ( 2 ) 着重研究了基于g i s 技术的沉陷区环境资源损害评价的空间分析方法和可 视化方法；以a r c v i e w 地理信息系统平台为基础，利用v b 语言二次开发集成专 业型可视化评价系统，编制了专业的数据管理模块和评价模块，实现了程序的模 块化，丰富了地理信息系统的功能，提高了系统的质量； ( 3 ) 以十采区的具体地质采矿条件为背景，对典型区域进行示范评价。 本文正是利用g i s 这项先进技术，探索了一种矿区环境资源损害评价的全新 方法，开发了沉陷区环境资源损害g i s 可视化评价系统，简化了评价过程，提高 了评价的准确性，实现了数据的可视化表现，解决了传统方法难以实现的技术性 课题。 关键词蠕变：长期强度；f l a c 3 d ；损害评价；地理信息系统：可视化 量堡堡三奎茎三耋堡圭茎堡堡兰 a b s t r a c t i nt h eh i g hs e a mm i n i n g ，e s p e c i a l l yi nb i g s t r i pf u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gm i n i n g a n d 、h r e e u n d e r m i n i n g ，s ot a k i n g i n t oa c c o u n tc o a l r o c k p i l l a r sr h e o l o g i c a l m e c h a n i c se n s u r i n gl o n g - t i m es t a b i l i t yi si m p o r t a n ti no r d e rt og u a r a n t e el o n g - t i m e s t a b i l i t yo f c o a lp i l l a r a i m i n ga tl o n g - t e r ms t a b i l i t yi nm i n eo f b a o d i a n ，o nt h eb a s i so f t h e o l o g y , t h i sa r t i c l em e a s u l e $ b a s i cm e c h a n i c a lp a r a m e t e ra n dc r e e pp a r a m e t e ro f c o a l - r o c kt h r o u g hp h y s i c a le x p e r i m e n t ，s i m u l a t e sn u m e r i c a l l yc r e e pl a wo fa d j a c e n t r o c ku s i n gf l a c 3 ds o f t w a r ea n da c c o r d i n gt ot h e o r i e so fc o a l r o c km e c h a n i c a l ， a n a l y z e s i nd e t a i l c r e e pc h a r a c t e r i s t i c sa n dl o n g - t e r m 蜘g 也o fc o a l - r o c kb y s i m p l i f y i n gr e a s o n a b l ym o d e l ，c a l c u l a t i n gi nt h ec l a s s i c a le l a s t o p l a s t i l i t ym o d e l a s s o c i a t i v ew i t l lp h y s i c a le x p e r i m e n ta n dp r o v i d e sr e l e v a n tp a r a m e t e rs y s t e ma n db a s i c d a t a b a s ef o re s t a b l i s h i n gg i s - b a s e dv i s u a l i z a t i o ne v a l u a t i o ns y s t e m o fs u r f a c e e n v i r o n m e n t a lr e s o u r c e s w i t ht h eg r o w i n gi n t e n s i t yo f t h r e e - u n d e r m i n i n ga n d e x p a n s i o no f m i n i n ga r e a , t h ed a m a g ea s s e s s m e n ta n dc o u n t e r m e a s u r eo fs u r f a c ee n v i r o n m e n tl s o u l c eh a s b e c o m eap r e s s i n gr e s e a r c h t o p i c f o rl a r g e s u b s i d e n c ea r e a , u n e v e ns u r f a c e d e f o r m a t i o na n di n t r i e a t el a n dd i s t r i b u t i o nn l a k et h em a n u a lc a l c u l a t i o nc o n s i l l n eaj o t o fh u m a na n dm a t e r i a lc o s t , a n dt h ea c c u r a c ya n ds u f f i c i e n c ya r ed o u b t e d t h e r e f o r e ， t k sp a p e rm a k e si n - d e p t hs t u d i e so nt h ev i s u a l i z e de v a l u a t i o nm e t h o db a s e do ng i si n o r d e rt o i m p r o v ew o r ke f f i c i e n c ya n dm a k et h ed a m a g ee v a l u a t i o no fs u r f a l c e e n v i r o n m e n tr e s o u r c e ss t a n d a r d i z e da n dp r o g r a m m e d ( 1 ) t h e r ea r em a n yf a c t o r si n v o l v e di nd a m a g ee v a l u a t i o no f s u r f a c ee n v k o n m e n t r e s o u r c e s ，a n dt h ee v a l u a t i o nm o d e l sa r ev a r i o u s t h i st h e s i sp r e s e n t st h ed e t a i l e d s t u d yo nt h ed a m a g et y p e so f p i p e l i n e s ，c o n s t r u c t i o n s , r a i l w a y ，r o a da n dl a n dr e s o u r c e s i ns u b s i d e n c ea r e a , a n a l y z e st h en a t i v em o d e l ss y n t h e t i c a l l y , o nt h eb a s i so fw h i c h e s t a b l i s h e so w nm o d e lo f t h i se v a l u a t i o ns y s t e m 。 ( 2 ) t h es t u d yo nt h eg i s - b a s e ds p a t i a la n a l y s i sa n dv i s u a l i z a t i o nm e t h o do ft h e d a m a g ee v a l u a t i o no f s u r f a c ee n v i r o n m e n tr e s o u r c e si ns u b s i d e n c ea r e ai se m p h a s i z e d b a s i n go na r e v i e wg i s ，t h es p e c i a l i z a t i o nv i s u a l i z a t i o ne v a l u a t i o ns y s t e mh a sb e e n r e d e v e l o p e db yu s i n g v i s u a lb a s i c ”s p e c i a lm o d u l e so fd a t am a n a g e m e n ta n d e v a l u a t i o nw e r em a d et or e a l i z et h ep r o g r a mm o d u l a r i z a t i o r t , w h i c he n r i c h e dt h e f u n c t i o no f g i sa n di m p r o v e dt h eq u a l i t ya n dt r a n s p l a n m t i o na b i l i t yo f t h es y s t e m 重量堡三銮兰三兰堡圭兰堡堡圣 ( 3 ) t a k i n gt h es p e c i f i cg e o g r a p h i cm i m n gc o n d i t i o n so ft h et e n t hm i m n g a r e aa s t h eb a c k g r o u n d ，t h ed e m o n s t r a t i o ne v a l u a t i o ni sm a d ef o rt y p i c a la r e f l 8 m a k i n gu s eo ft h i s a d v a n c e dt e c h n i q u eo fg i s ，t h i sa r c f i c l ee x p l o r e san e w e v a l u a t i o nm e t h o do fs u r f a c ee n v i r o n m e n t a lr e s o u r c e sd a m a g ei ns u b s i d e n c ea r e a ，a n d d e v e l o p sa ne n v i r o n m e n t r e s o u r c e sg i sv i s u a l i z e de v a l u a t i o ns y s t e mu n d e ri m p a c to f l o n g - t e r ms t r e n g t ho fc o a l r o c kp i l l a r t h i sm e t h o ds i m p l i f i e st h ee v a l u a t i o np r o c e s s ， i m p r o v e st h ea c c u r a c yo fe v a l u a t i o n ，r e a l i z e st h ev i s u a ld i s p l a yo fd a t a , a n ds o l v e st h e t e c h n o l o g i c a lp r o b l e mw h i c h i sd i f f i c u l tf o rt r a d i t i o n a lm e t h o d k e yw o r d s ：c r e e p ：l o n g - t e r ms t r e n g t h ；f l a c 3 0 ；d a m a g ee v a l u a t i o n ：g l s v i s u a l i z a t i o n 第1 章绪论 1 1 课题提出、意义和目的 1 1 - 1 课题提出及意义 多年来，煤炭生产为国家发展建设做出了巨大贡献。进入2 l 世纪，我国煤炭 生产在新形势下面临着新的机遇和挑战。随着国民经济的高速发展对煤炭基础能 源的需求不断加大，全社会对煤炭资源的开采与环境保护的要求日益增高和严格， 如矿区地表沉陷、环境的破坏和污染便是突出的亟需解决的重要问题。 我国也是世界上最大的原煤生产国和消费国。因此，煤炭开采带来的损害是 最为普遍和长期的，也是最严重的。据不完全统计我国现有建筑物下、铁路下、 水体下的压滞煤炭储量( 简称“三下”压煤) 总量达1 3 7 6 4 亿吨，其中建筑物下压煤 量达9 4 6 8 亿吨i i 】。 随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部资源日益减少，国内 外矿山都相继进入深部开采。深部开采使得煤岩柱的流变问题越来越突出，同样 “三下”采煤流变问题也是一个十分重要的问题，特别是厚煤层的开采。煤柱的 长期稳定性、长期强度是影响沉陷区的已建工程和新建工程安全稳定的重要因素， 工程实践中往往因忽视煤柱的时间效应( 蠕交) 而造成严重的损失。 开采沉陷( m i n i n gs u b s i d e n c e ) 是地下开采带来的主要损害之一。开采沉陷是指 地下有用矿物被采出以后，开采区域周围的岩体的原始应力平衡状态受到破坏， 应力重新分布，达到新的平衡，在此过程中，岩层和地表产生连续的移动、变形 和非连续的破坏( 开裂、冒落等) 的现象1 2 l 。而这种沉陷又可导致一系列的环境问题， 甚至引发重大的地质灾害事故，如地表耕地受到破坏，平原地区大片地表移动盆 地积水，建筑物的裂缝与崩塌，地下管道的裂缝和变形，铁路钢轨的悬浮，公路 路基沉陷，水体流失与矿井的淹没，都将造成巨大的经济损失和严重的社会问题。 开采沉陷对环境的影响造成了巨大的经济损失，给煤炭企业带来了沉重的负 担，我国的一些煤炭企业每年为此支付的赔偿达数千万元，不仅如此开采沉陷还 带来了一系列的社会问题。由于世界工业化的进程对煤炭的需求量不断增加，开 采沉陷对环境的影响也越来越大，因而倍受人们韵重视。合理开采和优化利用煤 青岛理工大学工学硕士学位论又 炭资源，保护受开采影响区域内的主要井巷、建( 构) 筑物、管线、水体、铁路 和地表生态环境，保护矿井开采不受水体的威胁，使煤炭工业健康持续发展，适 应可持续发展战略模式，是我国煤炭工业的主要技术政策吼。 由开采引起的环境资源损害问题，已成为困扰矿区可持续发展的关键性问题 之一。市场经济的发展和可持续发展基本国策的贯彻执行，要求我们在获得最佳 企业经济效益的同时，充分考虑环境承载力，合理评价和解决开采引起的损害。 这也是矿区且前迫切需要解决的研究课题。因此，进行煤岩柱长期强度影响及地 表环境资源损害的研究将具有重要的现实意义和长远意义 1 1 2 研究目的 通过对目前沉陷区煤岩柱长期强度及地表环境资源损害问题的研究，结合兖 州矿区的具体状况，收集与矿区开采和环境资源损害相关的各种技术资料，在大 量的实际调查和理论研究的基础之上，运用矿区开采理论、岩石流变理论、矿区 开采沉陷学理论、环境资源损害评价理论、环境经济学理论和资源损害理论，运 用数值模拟的方法计算出煤岩柱长期强度、地表的长期变形，建立矿区环境资源 损害评价体系，确立相应的损害解决方案。并应用g i s 和科学计算可视化等技术， 开发出“沉陷区地表环境资源损害g i s 可视化评价系统”，进而为矿区防护和治理 环境资源损害提供科学依据，并提供可视化操作平台。 1 2 国内外研究应用现状 本课题的研究内容涉及岩石流变理论、矿山开采学、开采沉陷学、环境经济 学、环境资源损害评价、地理信息系统( o l s ) 及科学计算可视化、系统程序设计等 学科领域，属于交叉学科研究。目前，国内外的研究现状是：研究成果大多集 中在开采沉陷理论及工程实践方面，这方面的研究较为成熟。关于煤岩柱长期强 度和蠕变的计算的研究比较深刻，但是真正用于矿区“三下”或是深厚煤层开采 的情况还很少【4 】；关于矿区环境资源损害评价体系方面研究不足，我国是从上世 纪八十年代，对沉陷区建筑物、水体、铁路和地面生态环境等进行研究，但还没 有形成理论体系；采动区环境资源损害g i s 可视化评价系统开发方面，处于起 步阶段，有一些探讨性成果，但没有形成达到实用化水平的应用系统。 1 2 1 开采沉陷和煤岩柱长期强度的研究现状 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 目前，开采沉陷的力学机制正在越来越受到广大开采沉陷学者的重视，研究 领域也越来越宽( 如开采沉陷的模拟、开采沉陷对环境的影响等都被作为研究内 容) 【5 1 。开采沉陷的研究对国民经济的发展和人民生活的提高有着重要意义。开采 沉陷对人类生产和生活的影响极为重大，因此，各国矿山工程技术人员投入了越 来越多的时间、技术和装备进行研究。苏联、波兰、德国、澳大利亚、英国、加 拿大、日本和美国等国家，对开采沉陷的理解和“三下”( 建筑物下、水体下、铁 路下1 开采技术都进行了深入的研究，并取得了丰硕的成果。从5 0 年代起，我国的 一些主要煤矿，如淮南、开滦、抚顺、阜新、峰峰、大同、鹤岗、新汶、阳泉、 本溪等，先后建立了地表观测站开展了开采沉陷观测工作。经过近4 0 年的努力， 我国不仅积累了上千条观测线的实测资料，而且对开采沉陷的基本规律有了进一 步的认识，并且提出了具有我国特色的统计方法，积累了较为丰富的经验1 2 j 。 煤柱作为保护矿井巷道，控制岩层移动和矿井隔离的常规方法一直沿用至今。 现在虽然已普遍采用无煤柱开采方法，但在特殊开采条件尤其在三下条带开采时 还需留设一些煤柱用于各种不同目的嘲。随着采深的增加，留设的煤柱也会越来越 大。 近年来，国外学者在实验和经验总结的基础上，提出了许多有关煤柱强度 的估算公式，其中最有代表性的主要有4 类，即o b c r t - d w w a n l l w a n g 公式、h o l l a n d 公式、s a l 栅o n m n u r o 公式和b i e n i a w s k i 公式，这些公式分别具有不同的背景和不 同适用范围吲。美国的a m h i r t 和a s h a k o o r 对不同煤层和不同煤矿同一煤层取 样进行了单轴抗压强度实验 a l 。实验结果表明，不同煤层和不同煤矿同一煤层的平 均抗压强度差别较大，同时在同一地点所取煤样的抗压强度值离散性较大。 岩石流变实验研究始于本世纪初叶。我国以陈宗基教授为首的岩体流变学学 派，从5 0 年代开始，在重大工程研究中进行过一定规模的岩石剪切流变和三轴流 变实验，把岩石流变学研究推进了一大步1 9 。在国内，彭苏萍等对三软煤层巷道围 岩进行了流变实验研究，吴立新等对河北峰峰矿区二矿山青煤进行了流变实验研 究，姚爱军等对兴隆庄煤岩体进行了流变实验研究【lo 】。其它关于煤样流变实验研 究的资料还不多见。 煤柱载荷与煤柱强度是稳定性分析的基础，也是沉陷分析的基础，二者有待 依靠实验和理论的结合进一步更真实地确定。我国煤炭资源丰富。许多城镇和村 庄下、铁路下、河流湖泊下压有大量的煤炭资源。历史和实践充分证明，采用留 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 煤柱支撑上覆岩层以控制地表沉陷的开采方法，是适合我国煤炭开采技术的有效 措施。但事实上，国内外在进行各类煤柱设计时都没有或没有明确考虑实际情况， 只是笼统鲍给定一个安全系数来适当扩大煤柱的宽度。进行煤岩基础力学实验， 通过数值计算进行方案优化来指导煤柱设计更为科学、更为合理。 近年来，由于计算机技术和“3 s ”技术的快速发展，世界各国日益关注g i s 这一热点技术，大力投资人力、物力、财力进行g i s 技术的研究和应用开发，并 逐步将其应用于矿山开采沉陷的研究之中。 1 2 2 地理信息技术的应用及发展 g i s 即地理信息系统，是计算机科学、地理学、测量学、地图学等多门学科综 合的边缘学科，在我国又称资源与环境信息系鲥1 1 】，g i s 概念的提出起始于2 0 世 纪5 0 年代，8 0 年代得到飞速发展，进入2 0 世纪9 0 年代，随着g i s 产业的建立和 数字化信息产业产品在全世界的普及，g i s 应用正以超常的速度进人各行各业。因 此有人说，9 0 年代是g i s 的用户时代。也就是说，g i s 在它诞生的几十年里取碍 了巨大成功，但其巨大潜力在最近十几年才为人们所认识。据统计，世界上约8 0 0 6 的信息资源与地理位置有关，这引起了整个信息技术( i t ) 产业界的高度重视。跨越 2 l 世纪，i n t e r n e t i n t r a n e t 和w e b 技术的发展开创了以分布式计算为核心的计算机 网络新时代，引起了i t 产业的重大变革，极大地推动了人类从后工业社会迈向信 息社会的进程【1 2 1 2 11 1 4 1 。同时i n t e m e t 上的海量信息资源使g i s 观念发生重大变化， 给新一代g i s 带来了巨大机遇和挑战。 国外地理信息系统现已进入了产业化阶段，涌现出一大批以g i s 为核心的信 息技术产业公司。目前世界上常用的g i s 软件已达4 0 0 多种，具有代表性的、国 外较著名的g i s 软件有：a r c i n f o ，i g d s m r s ，t i g r i s ，s p a n s ，m a p i n f o ， g e n a m a p , e r d a s 等。 我国g i s 的研究起步于2 0 世纪8 0 年代初期，早期以引进国外的地理信息系 统软件为主。随着国内g i s 基础研究的发展以及应用领域的不断扩大，基于国内 g i s 应用领域的广阔市场和良好发展前景，国内开始独立研制开发适合国情的g i s 软件产品。9 0 年代相继有一些国内的g i s 软件产品问世，国内较著名的有m a p g i s ， g e o s t a r , c r r y s t a r ，m a p e n g i n 等。虽然中国地理信息系统事业起步较晚， 但取得了重大的进展。目前地理信息系统正在向产业化方向发展，g i s 已成功地应 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 用到一百多个领域。 地理信息系统的应用遍及环境保护、资源保护、灾害预测、投资评价、城市 规划建设、政府管理等众多领域，取得了良好的经济效益和社会效益。近年的研 究成果主要有：“九寨沟旅游景观资源保护和规划中g i s 的应用x 辜寄蓉等，2 0 0 2 ) ； “基于g i s 城填地籍和土地利用设计方案”( 袁国辉，杨堂堂，2 0 0 2 ) ；“基于g i s 的贵州农村发展规划管理系统研究”( 龙拥军等，2 0 0 2 ) 等t - i 。7 1 。 1 2 3 开采沉陷环境资源损害g i s 可视化评价系统开发现状 矿区环境资源损害是一个全球性的共同课题，受到世界各国的普遍重视，世 界上主要的采煤国如德国、英国、美国、澳大利亚、加拿大、前苏联、波兰、前 捷克共和国等，都在这方面做了大量的工作，如在土地复垦领域已形成了一定的 规模和工程技术手段( 主要是采用后处理方式) 。 g i s 技术的出现，为空问地理信息处理提供了极为方便的手段，于是有关专家 开始尝试将g i s 技术引入到矿山环境和土地复垦领域的空间数据信息处理中。 k r i g e ( 1 9 9 6 ) 是最早将g i s 调查引入采矿环境工程的人员之一，他从空间上研究探 索了适于矿产资源进一步开发的景观类型。a n d e r s o n 等利用遥感图像数据建立了 土地利用和土地植被分类系统。d a r m o d y ( 1 9 9 4 ) 在研究了对影响土壤沉陷灵敏性的 有关因素( 季节性、水平面高度、坡度、遭受洪涝的可能性、自然排灌条件、水文 及土壤结构等) 基础上，通过绘这些属性分配权重，从而给每个不同区域土壤单元 分配不同的土壤沉陷灵敏值s s s ( s o i ls u b s i d e n c es e n s i t i v i t y ， o 2 0 之间) ，再结 合g i s 技术，建立了一个有关美国伊利诺斯州长期开采对农业用地沉陷敏感性及 农作物产量影响的预测模型，用于对矿区庄稼产量损失进行预测，并为长期开采 与复垦规划设计提供参考。d a v i d s o n ( 1 9 9 4 ) 等结合现有的土地资源调查技术，在地 中海地区进行了有关将g i s 技术作为辅助手段用于农业土地资源评价的研究，并 高度评价了基于g i s 技术，应用模糊分类方法进行土地适宜性分析和土地资源管 理的有效性。d a v i d ( 1 9 9 0 ) 等利用g i s 的图层信息数据的重叠组合功能，调查美国 伊利诺斯州南部地区传统房柱式开采废弃矿的沉陷位置及沉陷对上部土地、基础 设施的潜在破坏影响。y o u n o s ( 1 9 9 3 ) 等在g i s 环境下，运用通用土壤侵蚀方程 u s l e ( u n i v e r s a ls o i ll o s se q u a t i o n ) 来建模分析预测美国弗吉尼亚西南地区现存的 废弃矿山土地土壤侵蚀情况。 就目前情况来看，g i s 事业取得了重大进展，其研究和应用正逐步形成行业 5 ! 璺矍三奎耋三兰堡圭茎堡篁圣 化，具备了走向产业化的条件，并渗透到了各行业的各个领域；矿区环境资源损 害评价体系方面研究仍然不足；对开采沉陷带来的环境资源损害的研究处于经验 实践阶段，评价理论还不成熟；开采沉陷地表环境资源损害可视化评价系统开发 方面，尚处于起步阶段，虽有一些探讨性成果，但没有形成达到实用化水平的应 用系统。 1 3 课题研究内容及目标 本研究课题的主要任务是：一f l a c 加数值模拟计算开采沉陷后的煤岩柱长期 强度，为建立地表变形数据库做准备；二在分析和建立矿区环境资源损害评价模 型，确立相应的防护和治理措施的基础上。应用g i s 和科学计算可视化等技术， 开发出“沉陷区地表环境资源损害g i s 可视化评价系统”。研究和开发工作涉及的 内容十分广泛，包括基础资料的收集与整理，大型工程分析软件f l a c 3 0 的数值模 拟，环境资源损害评价理论的研究，g i s 可视化技术研究，软件工程设计方法研究 等。其主要内容包括： ( 1 ) 煤岩柱流变试验和f l a c 3 的数值模拟以及建立沉陷区地表环境资源基本 信息、地表变形、地面高程等空间信息管理数据库( 典型区域示范研究) ： ( 2 ) 建立沉陷区地表环境资源损害评价指标体系及相应的标准，确定损害评价 模型； ( 3 ) 进行基于g i s 技术的沉陷区地表环境资源损害评价空间分析方法和可视化 方法的研究； ( 4 ) 环境资源损害评价系统设计； ( 5 ) 专业模块开发； ( 6 ) 环境资源损害可视化评价系统的应用。 课题的目标是构建“沉陷区地表环境资源损害g i s 可视化评价系统”，运用 g i s 技术探索出一条适合沉陷区地表环境资源损害评价的全新的技术路线和评价 方法，并开发相应的空间分析评价系统。评价系统具有环境损害评价因子提取、 损害预测与评价、矿区环境资源基础资料和评价结果的可视化查询、综合分析与 决策、数据管理等功能。 1 4 系统研究开发的技术路线 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 5 研究工作基础 兖州矿区是我国技术力量最为雄厚的大型煤炭企业，多年的开采和规划管理 积累了大量的资料和丰富的经验。兖州矿区自1 9 8 5 年建立了地表移动观测站，到 目前为止，已建立各类地表移动观测站1 7 个，观测线3 7 条，做了大量的观测工 作，为各种研究工作提供了丰富的基础数据。2 0 0 0 年7 月，原集团公司生产处又 与中国矿业大学合作，完成了“兖州矿区地表移动变形规律综合分析与研究”课 题，并建立了“开采沉陷可视化工程分析设计系统”，为沉陷区环境资源评价提供 7 胃岛理工大学工学硕士学位论文 了比较完善的地表移动变形资料。 课题是国家自然基金项目( 开采沉陷主要环境资源损伤量化损益评价体系研 究，项目编号：5 0 4 7 4 0 7 0 ) 的子项目，也是建设部科技项目( 地下开采引起的地 表建筑物损坏可视化系统，项目编号：0 3 3 0 0 6 ) 和日本文部省国际合作基金项目 ( 中国荤北平原l ：扫l ，- 5 地下探掘c 起因于5 地簋沈下邑圣口) 影警。予测保全 对策 研究，项目编号：0 2 1 0 8 2 ) 的深入和发展，课题已经对矿区的沉陷及地表 破坏进行了深入的分析研究，对煤岩体的力学性质做了大量的试验，对矿区的地 表环境资源进行了长期的观测和调研，为课题的完成做了很好的基础。 课题依托于山东省地质环境与效应工程技术研究中心，各种完善的实验设备 为开发本系统提供了良好的条件。中心拥有与该课题研究有关的各类工程实验中 心、实验室和各类大型实验设备：同时，大型的工程分析软件有：f l a c 3 0 、f l a c 2 v 、 a n s y s 、s a p 5 等，配有一系列的g i s 软件系统：还建有专门的岩土工程数值模 拟中心和计算中心，完全可以保证本课题研究所需要的软、硬件系统。 8 胃岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章煤岩柱长期强度数值模拟 煤岩柱长期强度是煤柱长期稳定的根本保证，也是地表最终变形的决定因 素，是矿区环境资源评价分析的基础。迄今为止，有关煤岩标准试件的实验和煤 柱长期强度及其稳定性的规律，在世界上仍缺乏深入的实验与理论研究i 舛。长期 以来，国内外做的煤岩实验多是非标准试件【1 8 】- 【2 “。所有煤矿的煤柱强度计算公 式都是根据实验室煤岩试块单轴实验、现场调查和现场观测得出的1 2 2 l - 【2 5 】；在设 计煤柱尺度时，都是采用经验公式和经验参数进行粗放设计和预计，笼统的给出 一个安全系数，导致煤柱设计不合理，导致长期强度不够而造成矿山资源损害 2 6 1 1 2 9 1 。本章针对兖州煤业股份有限公司鲍店煤矿十采区的实际情况，结合试验 运用f l a c ”程序对鲍店煤矿开采沉陷规律进行模拟，并为建立“沉陷区环境资 源损害g i s 可视化评价系统”相关配套参数体系及数据库提供一定依据。 2 1 煤岩柱长期强度和流变特征 岩石的变形和应力受时间因素的影响。当载荷( 或应力) 为常量时，岩石的变 形随时问的发展而变化的过程，称蠕变现象：当应变为常量，岩石内的应力随时 间的推移而减小的过程，称为松弛现象。大量岩体工程测试表明，软弱岩石、含 有泥质充填物和夹层破碎带的岩体，其流变性都十分显著。在煤炭开采过程中， 煤系地层的受力是一个长期过程。煤岩体的流变问题对于地下采煤是一个十分重 要的问题，特别对于大条带综放开采和房柱式开采，为确保煤柱的长期稳定性就 要考虑煤岩体的流变特性，在工程实践中往往因为忽视煤柱蠕变而造成严重损失 1 3 0 l 。例如，1 9 7 5 年大同矿物局马脊梁矿4 0 2 采区随着开采范围的增大，项板以 上覆岩巨大压力由煤柱承担，煤柱在不断增大的压力作用下逐渐蠕变进而屈服， 导致厚硬板因失去支撑而快速跨段冒落。由此不难看出，煤柱煤岩体强度的时间 效应( 蠕变) 不应该被忽视。 岩石流变的性能和大小主要取决于施加的应力和岩石的性质。施加的应力差 愈大，变形增长的幅度愈大。各种岩石的流变性能差别很大，坚硬的砂岩流变量 一般很小，松软的粘土岩，泥质页岩等流变量往往较大，岩石的流变按其流变过 程可分为稳定流变和不稳定流变。 当岩石应力较小时，岩石变形虽随时间有所增长，但流变变形的增长率随时 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 间而逐渐减小，最终趋近于某一稳定的极限值，这种流变称为稳定流变( 图2 1 中1 ) 。当岩石应力较大时，岩石变形不断增加直到破坏的流变称为不稳定流变 ( 图2 - 1 中2 ，3 ) 。在图2 - 1 的岩石流变曲线中，o j 0 2 吒，可见不同应力条 件下岩石的蠕变曲线是不相同的。 延续时间 图2 - 1 岩石蠕变曲线 根据蠕变速率不同，典型的蠕变曲线可分三个阶段，如图2 1 中曲线2 ，岩 石的恒定应力盯：作用下，首先出现瞬时弹性应变岛。随着时间延续，应变沿a b 线增长，应变速率逐渐减少，称为第一阶段蠕变或过渡蠕变。随后，应变沿b c 段增长，该阶段应变一时间曲线接近直线，应变速率近似常数，所发生的蠕变称 第二阶段蠕变或等速蠕变。c 点以后，应变加速增长，直至破坏，称为第三阶段 蠕变或加速蠕变。 上述蠕变变形占也可用下式表示：s = 毛+ 毛o ) + 岛( f ) + 岛( f ) 式中氏瞬时弹性应变； s 过渡蠕变； 岛等速蠕变； 毛加速蠕变。 划分稳定蠕变和不稳定蠕变的关键在于作用载荷的大小，并且有一个临界载 荷或临界应力。小于临界应力时属稳定蠕交，大于i 临界应力时属不稳定蠕变，工 程上称这个临界应力为长期强度，这是岩石保持长期稳定性的必要条件。泥质页 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 岩、砂质页岩和砂岩的长期强度极限为瞬时强度极限的7 0 8 0 。 煤柱的产期强度是煤岩体在无限长时间内达到破坏时的应力值它的合理选 择是计算煤柱屈服区范围和确定煤柱留宽和采宽依据，是实现煤柱长期稳定的根 本保证。煤柱的长期强度有两种表征方法，即各围压下的起始流变应力和煤岩体 的长期抗剪强度指标c ，庐值。 2 2 厚煤层煤柱岩体流变力学特性试验 为了研究煤岩体的长期强度和流变力学特性，进行了原湿度的单轴压缩试验 及三轴压缩试验。样品采取自山西组3 。煤层，取方形样，并进行蜡封。在采样 和制作过程中保持了煤样原始层面倾角和湿度，并对其上下方向作了标记，且在 试验中保持原方位。 2 2 1 区域条件及地层岩性 兖州煤业股份有限公司鲍店煤矿位于山东省济宁市境内，跨邹城、兖州两市， 位于兖州煤矿中部，井田面积3 6 5 k m 2 ，1 9 8 6 年6 月投产，主要开采煤层为3 ( 3 。、3 ，) 煤层，是典型的地表沉陷区域。十采区位于兖州向斜的中部，总体 构造受兖州向斜的控制。该采区的开采对象为3t 、3t 煤层，属于结构简单、厚 度稳定的煤层。3 煤层，平均厚6 2 9 m ，平均采深5 2 5 m 。3t 和3t 煤有效工业储 量1 9 5 0 0 万吨，有效可采储量为1 6 5 9 3 万吨。区域内无大的断层构造。 本区域可开采煤层二叠系山西组煤3 和3t ，煤层上覆岩层主要由二叠系山 西组、侏罗系和第四系组成。第四系( q ) 厚1 3 3 m 左右，主要由粘土层、砂层 和粘土砂砾层组成，含多层含水层，与侏罗系呈不整合接触；侏罗系( j 3 ) 厚3 0 0 m 左右，以中粗砂岩、粉砂岩和细砂岩组成。 2 2 2 试验方法与加载等级确定 为了判断蠕变试验的第一级应力值及应力级数，对煤岩试件进行单轴压缩试 验，其常规单轴压强度界于8 0 m p a - - - 1 4 5 m p a ，含水量界于3 8 o 5 ，破坏形式 均为张裂破坏。 试验在三轴流变仪上进行，蠕变试验单试件法。即每一个试件根据单轴抗压 强度，将各围压下( 包括q = o ) 的q 预分7 - 8 级，即o 1 i 、q 2 o j ，、q 。为 了求得起始流变应力，试件在常应力即正作用下，不产生常速流变，即e = 0 ， 膏岛理工大学工学硕士学位论义 而q 2 q 6 作用下，将产生常速流变阶段。一般在常速流变阶段开始后7 8 小 时就已经充分显示常速流变特征，此时结束该应力级蠕变试验。本次采用加载后 大于1 2 小时结束一级应力级蠕变试验，在应力级下产生加速流变，结束该试件 的蠕变试验。 2 2 3 试验结果 1 、煤岩单轴压缩试验 盯应力级分别为3 0m p a 、4 0m p a 、4 5m p a 、5 5m p a 、6 5m p a 、7 5m p a 、 8 5m p a 、9 5m p a 、10 8m p a 。在o r 应力为3 0m p a 、4 0m p a 时仅具有瞬时应变 和阻尼应变阶段，在正应力为4 5m p a 9 5m p a 时产生常速应变阶段，由此获得 了个应力下的常速应变速率( 占) 。在盯应力为1 0 8 m p a 时产生了加速流变阶段， 此应力为单轴蠕变试验的破坏应力。应变历时过程曲线如图2 - 2 ，应力一应变的 速率关系如图2 3 。单轴起始流变应力为4 3m p a ，瞬时变形模量为1 6 5 1 0 3 m p a ，阻尼变形模量l a x1 0 3m p a ，粘滞系数4 2 x1 0 1 4 p a s 。 应 变 厶 9 9 5 7 9 6 5 9 7 3 9 8 1 9 9 01 4 5 6 2 9 1 24 3 6 8 图2 - 2 试件应变历时过程曲线 1 2 5 8 2 47 2 8 0 时间( 分) 应9 , 5 0 力 王 j 7 6 0 5 7 0 应 变 苫 3 8 0 1 9 0 o 2 1 3 图2 - 3 试件应力一应变速率关系 应变速率1 0 4 ，秒 时闻( 分) 图2 - , 4 三轴试验q = o 9 m p a 时试件应力一应变速率关系 2 、煤岩三轴压缩蠕变 试件相应的围压仉分别为0 6 a 、0 9 加a 、1 2m p a 、1 5m p a 。应力历时 过程曲线如图2 - 4 。各试件在不同围压下的起始流交应力为6 5 8 9 m p a 、瞬时变 形模量为1 8 2 2 81 10 3m p a 、阻尼变形模量1 5 4 - 2 5 4 1 0 3m p a ，粘滞系数 8 4 - - 1 2 6 l o p a s 。根据各围压下产生的加速流变相应的破坏应力奠尔圆及莫尔 包络线图得到： 1 3 曼星堡三奎兰三耋堡圭耋堡篁兰 起始流变强度参数：内聚力：c = i 7 m p a 摩擦角：西：2 4 5 。 流变破坏强度参数：内聚力： c = 3 5m p a 摩擦角：西：3 6 o 3 、试验结果分析 试验表明试件的破坏与面割理及端割理有关，对于岩体、煤岩体内的节理裂 隙、割理将控制煤岩体的强度、变形特性。另外通过三轴实验可以看出围压影响 着煤岩体的力学性质，包括瞬时力学性质和时间有关的力学性质，而且随着围压 的增加，起始流变应力、瞬时变形模量、阻尼变形模量、粘滞系数都有增加。本 次试验起始流变应力，一般为试验流动破坏强度的3 7 - - 4 5 ，而一般的软岩起 始流变应力为试验流动破坏强度的3 0 4 0 ，硬岩为6 0 - 一7 5 ，因此强度上具 有软岩特性。 2 3f l a c 3 d 软件简介 1 、数值模拟程序选择 目前对地下工程问题的分析，最常用的数值模拟方法有有限差分法、有限元 法、边界元法和离散元法等。这些数值方法各有优劣，使用条件也存在差异，有 限元法和边界元法在工程中的应用十分广泛，并发挥了重要的作用，但是它们是 以连续介质为出发点，基于小变形的假定。虽然也可以解决由几种介质组成的非 均质问题，并用节理单元等方法模拟为数不多的节理和断层等结构面，但是对于 富含节理和大变形的岩体，尤其是几何非线性的岩体难以求解，所得结果往往与 实际相差甚远。 岩体是一种复杂的地质体，在其漫长的形成和演变过程中，经受过各种地质 作用，并非一种性质单一的工程材料。地下工程所涉及的岩体除非均质各向异性 特征之外，一般都具有非线性和大变形特点。基于本文的研究目的和计算范围， 决定选用国际岩土界十分推崇的非线性大变形程序f l a c 来进行数值模拟计算。 2 、f l a c 3 0 概述 f l a c 是f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u a 的缩写，可译为连续介质快速 拉格朗日分析，它是由美国明尼苏达大学和美国i t a s c a c o n s u l t i n g g r o u p i n e 联合 开发的差分程序，于1 9 8 6 年研制推出【3 1 i 。而f l a c 3 0 是i t a s c a 公司在f l a c 基础 1 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 上开发的三维连续介质显式有限差分计算