（地质工程专业论文）郑煤集团米村煤矿采空区上部建筑地基稳定性分析与研究.pdf

论文题目：郑煤集团米村煤矿采空区上部建筑地基稳定性分析与研究 专业：地质工程 硕士生：计宏 指导教i ) i l i 张志沛 摘要 ( 签名) ( 签名) 煤炭的地下开采，使其上方覆盖岩层失去支撑，岩体内部的原有应力平衡状态受到 破坏，引起岩体内应力重新分布，使采空区围岩的移动、变形直至破坏。采空区达到一 定的范围后，引起采空区上方地表产生移动和变形，严重影响采空区上部建筑物地基的 稳定性和地表建筑的正常使用。因此，开展采空区建筑地基稳定性的研究，对采空区地 表工程建筑开发利用和矿区经济环境的建设与发展有十分重要的现实意义。 本课题是以河南郑州米村煤矿工程为实例，根据米村煤矿矿区实际地质采矿条件， 选择某工作面作为原型，设计三组模型，采用软件f l a c 3 d 进行了两个阶段的数值模拟。 第一阶段模拟开采沉陷过程，研究采空区上覆岩层的移动变形规律与地表沉陷的基本规 律；第二阶段在开采结束，地表沉陷稳定之后，在沉陷盆地的不同位置施加大小不同的 建筑物荷载，通过数值模拟探讨采空区在附加荷载的作用下，附加荷载作用位置、荷载 大小、松散层的厚度等因素对采空区上覆岩层的移动及建筑地基稳定性的影响，评价了 采空区建筑地基的稳定性。并根据矿区地表建筑物损害的实际调查资料，给出建筑物保 护措施。 本文采用数值模拟方法来研究采空区建筑地基的稳定性，有一定的理论研究深度， 并对煤炭开采和采空区上部建筑物的保护有实际指导工程实践的应用意义。 关键词：采空区；移动与变形；数值模拟；地基稳定性； 研究类型：应用研究 s u b j e e t ：r e s e a r c h o ns t a b i l i t ya n a l y s eo fb u i l d i n gf o u n d a t i o na b o v e g o a fi nm i c h u nc o a l m i n eo fz h e n z h o uc o a l m i n eg r o u p s p 佻m i t y ：g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：j i h o n g i n s t r u c t o r ：z h a n gz h i p e i a b s t r a c t 1 1 把u n d e r g r o u n de x p l o i t a t i o no f t h ec o a li sm a d ei t sc o v e rw i t ht e i t a n el o s ts u p p o r t 1 1 1 e i n h e 佗翻玎潞b a l a n c es t a l e so f r o c km a s s 黜d e s 仕o y e d ，a n da r o s ei t ss t r e s sr e d i s t r i b u t e t h i s p r o c e s sb r i n g st h ew a l lr o c ko ft h eg o a fm o v e ，d e f o r ma n dd e s t r o y t h eg o a f sa r ef o r m i n g e x t e n s i v e l y 1 1 圮s u b s i d e n c ea n dd e f o r m a t i o no f t h e e a r t h ss u r f a c et h a tl e a db u i l d i n gt od e f o r m a n dd e s l r o y s oi ti si m p o r t a n tt or e a r c ho nt h es t a b i l i t yo ft h eb u i l d i n gf o u n d a t i o nw i t hg o a f , w h i c hh a sg r e a t l yi m p o r t a n c er e a l i s ms e n s et ou t i l i z et h eb u i l d i n ga b o v et h eg o a fa n d c o n s t r u c t i o no f c o a l m i n e i nt h e 班i p e r t h r e em o d e l s 鲫d e s i g nb a s e do nt h ec o a lm i l l eg e o l o o ca n da i g i n 血| g g e o l o g i co f m i c h u nc o a l m i n e t w os t e p so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n a r et a k e nb yu s eo f f l a c 3 d 1 1 f a s t 1 1 地e x p l o i t a t i o no f t h ec o a li ss i m u l a t e df o rt h es a k eo f r e s e a r c ho i lt h er u l eo f s t r a t a m o v ea n dt h ee a r t h ss u r f a c em o v ea n dd e f o r m a t i 1 1 地s e c o n d , t h es r a t aa r es t i l la f t e rm i n e o v e r , t h ed i f f e r e n td e g r e el o a d 黜e x e r to nd i f f e r e n tp o s i t i o no fs u b s i d e n c eb a s i n , s e v e r a l f a c t o r st h a ta f f e c t e dt h es t a b i l i t yo fb u i l d i n gf o u n d a t i o na r ed i s c u s s e d , s u c ha sd i f f e r e n tl o a d p o s i t i o n , d i f f e r e n tb u d d i n gl o a d a n dt h i c k n e s so fl o o s es e a m b a s e do nt h ep r a c t i c a l i n f o r m a t i o no f b u i l d i n go nc o a l m i n e , t h ep r o t e c t i o nm e a s l l r b 嚣a r eg i v e d a tl a s t 1 1 地n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni su s e dt or e a r c ho nt h es t a b i u t yo f b u i l d i n gf o u n d a t i o no f g o a f i nt h ep a p e r i th a sg r e a tm e a n i n go f g u i d a n c ep r o j e c tp m c t i k e y w o r d s ：g o a ls u b s i d e n c ea n dd e f o r m a t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o u n d a t i o n s t a b i l i t y 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：# 耘日期：聊垆矽 l 7 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文储虢 忾 指导教师签名：i 匕之7 每 2 旷。年印月加日 1 绪论 l 绪论 1 1 选题目的和意义 煤炭资源是国民经济与社会发展的重要物质基础，对我国社会主义建设有很大贡 献。十九世纪以前，人们对煤炭的需求量还不很大，基本上是在地面无建筑物的地区下 开采，因此，地下开采对建筑物的影响还未给予重视。随着社会的发展和生产技术的进 步，对能源的需求量大大增加，煤炭生产迅速发展，矿区地面建筑物逐渐增多，一些建 筑物建设在煤层开采的上方，为了获得更多煤炭资源，人们开始进行建筑物下采煤，然 而煤炭的地下开采，使其上方覆盖岩层失去支撑，岩体内部的原有应力平衡状态受到破 坏，引起岩体内应力重新分布，使采空区围岩的移动、变形直至破坏。当采空区面积达 到一定的范围后，引起采空区上方地表产生移动和变形，地表的移动与变形严重影响采 空区上部建筑物地基，导致了建筑物出现移动、变形，甚至破坏的现象【1 1 。地下开采引 起的地表变形对上部建筑物影响越来越受到人们的关注。 我国煤炭资源丰富，为了满足社会主义建设和发展的需求，煤炭被大量从地下开采 出来，多年来，在我国许多省市都存在大规模、大范围的采空区。矿体从地下被采出后， 采空区周围岩体内的原有应力平衡状态被破坏，引起应力的重新分布，并导致围岩的移 动、变形和破坏，直到达到新的平衡，即发生了岩层移动的现象。岩层移动和变形改变 了上覆岩土层的工程地质性质，使采空区岩体地基破损，并导致采空区上部建筑物发生 破坏。煤炭开采，对地面建筑物造成的有害影响时有发生，给人民财产和生命安全造成 很大威胁，因此对采空区上部建筑物地基稳定性进行深入、系统的研究显得尤为重要。 1 2 选题背景 河南煤田分布主要集中在豫西地区，其次为豫北和豫东，豫南地区很少。全省1 3 5 个市( 县) 中有蕴藏煤炭资源。全省己探明的1 9 个煤田和9 个预测含煤区，依其地理 位置的分布是：豫北地区有安阳鹤壁、焦作、济源3 个煤田和濮阳汲县、范县、濮 城渠村3 个含煤区及台前县吴坝找矿区、垂深2 0 0 0 m 以浅煤炭资源赋存量3 4 5 1 4 亿 吨，占全省总量的2 9 4 9 。豫西地区有陕渑、义马、新安、宜洛、偃龙、荥巩、新密、 登封、临汝、平顶山、韩梁、禹县等1 2 个煤田和灵宝卢氏栾川含煤区。垂深2 0 0 0 m 以浅煤炭资源赋存5 4 3 4 2 亿吨，占全省总量的4 6 4 3 。豫东地区有永夏煤田和太康、 郸城东、虞城东、周口南4 个含煤区。埋深2 0 0 0 m 以浅煤炭资源赋存2 6 3 6 9 亿吨，占 全省总量的2 2 5 3 。豫南地区有确山、南召、商固3 个小煤田和浙川内乡零星含煤 区。垂深2 0 0 0 m 以浅煤炭资源赋存培1 5 亿吨，仅占全省总量的1 5 5 。 西安科技大学硕士学位论文 到目前为止，全省已形成了平顶山、焦作、义马、鹤壁、郑州和永城六大煤炭开发 基地，这六大矿区开采历史长，规模大，集中了河南绝大部分的煤炭资源量和企业，因 此，全省煤矿采空塌陷区主要分布在上述这六大地区。由采矿活动引起的采空区塌陷地 质灾害主要表现在：河南煤炭开采除了义马有一个露天采场之外，其余皆为井下开采， 地下采空造成地表塌陷及地裂缝等次生地质灾害，破坏土地、林地，造成水土流失，生 态环境失衡，尤其对建筑物、道路、工程水利设施等破坏严重。依据已有的研究资料， 对以上六大煤矿区不完全的统计，塌陷成灾面积达3 万亩，伴随大量地裂缝危害，塌陷 区的耕地农田毁坏约占1 3 ，多数塌陷区城镇、村落集中，人口、建筑群落密集，严重 影响和制约了区域社会和经济的可持续发展。例如鹤壁市城市就因采煤塌陷进行三次城 市搬迁建设。1 9 9 6 年鹤壁煤田东街村发生塌陷，造成经济损失1 6 3 9 万元；平顶山市西区 整个处于塌陷区之上，建筑、道路破坏严重，据1 9 9 2 年调查资料，平顶山矿区已产生地 面塌陷2 3 处，不稳定面积8 0 1 3 k i n 2 ，最大塌陷深度4 m ；焦作矿区形成塌陷坑1 5 个，面积 5 1 6k i n 2 ，焦作市的城市扩建和发展也因采煤塌陷区分布广泛而受到制约；义马矿区发 生2 0 个塌陷坑，其中最深的达2 0 余米，最大直径3 0 余米等1 2 】。 米村煤矿位于河南省新密煤田西北部，在新密县城西l o 公里的米村乡及牛店镇境 内，距郑州市5 0 公里。对该矿区的塌陷区调查报告表明，本次调查面积2 0 1 8 k ：m 2 ，其 中严重塌陷区面积为1 2 | k i n 2 ，次严重塌陷区面积为8 9 5 k m 2 ，轻微塌陷区面积6 1 9 k m 2 ， 无塌陷区面积3 8 2 k m 2 。总体特征为：矿区中西部塌陷较严重，南部及北部的铁路沿线 基本没有塌陷。塌陷严重区零星的分布在三个地方，由南向北依次为无塌陷区、轻微塌 陷区、塌陷次严重区、轻微塌陷区、无塌陷区，塌陷严重区在次严重区的南部及北部都 有分布。郑煤米村矿调查区位置坐标见表1 1 。 地表大面积下沉和塌陷，造成大批房屋、厂校、构筑物、交通设施、道路管线、公 共设施、耕地、水源等产生严重的破坏和全区生态环境的恶化，给矿区人民生活和各类 生产活动带来极大的困难，对人民群众的生命财产安全构成严重的威胁，严重影响本地 区的可持续发展和社会稳定，因此，开展采空区上部建筑物地基稳定性的研究和探讨， 合理提出该省矿区环境的治理措施，对矿区土地的更有效的利用，城市建设和矿区煤炭 工业的可持续发展都有着极为重要的现实意义【2 】。 表l 1 郑煤米村矿调查区位置坐标一览表 2 1 绪论 1 3 国内外的研究动态和发展 采空区建筑地基的变形和破坏规律及其稳定性的评价在国内外都属于一个较新的 研究课题。多年来，国外学者对在“三下”( 建筑物下、铁路下和水体下) 采煤引起的岩 层移动【3 】。地表沉陷及其对建筑物的破坏方面己经作了大量深入的研究工作，其研究成 果也比较成熟。2 0 世纪七十年代，j o n e s 等人( 1 9 7 7 ) 4 1 研究了采矿塌落对公路的影响； 八十年代以来，m c w a n g ( 1 9 8 2 ) 1 3 j 、j o n e s ( 1 9 8 8 ) 州、s e r g e a n t ( 1 9 8 8 ) t t i 、 等人又分别研究了采矿及下伏空洞对建筑物地基的危害，1 9 8 5 年d r u m 8 1 等人在实际调 查的基础上，将和空洞接触的岩土简化为理想的线弹性介质，研究了在弹性极限条件下 岩土的沉陷破坏机理。八十年代后期，s i r i v a r d a n e 和a m a n d a ( 1 9 9 1 ) 1 9 1 、x l y a o ( 1 9 9 3 ) 0 0 l 、w o o d ( 1 9 9 0 ) l l l 】等学者相继运用有限元法和边界元法研究了采动覆岩产 生垮落的开采条件和垮落高度、覆岩产生离层裂缝的力学条件及离层裂缝的位置和高度 等。这些研究都是建立在特定的实验基础上，依靠的主要是以往的经验，而且主要是侧 重于对由此而引起的灾害方面的评价。此外，欧美国家一些专家学者也不同程度地研究 了洞穴的塌陷对地面基础工程的影响。国内的专家学者们对此也作了相应的研究。麻风 海、王永嘉等人( 1 9 9 4 ) 0 2 在板壳弯曲理论的基础上，建立空间压层模型，应用傅立 叶积分变换，得出计算水平煤层开采的地表移动空间解析式，以此来研究岩层与地表移 动规律；李德海、王长江等人( 1 9 9 5 ) | 1 3 l 现场实测和相似材料模拟实验为基础，采用 连续介质力学的方法，深入地研究了采空区上覆岩层和地表的移动变形与开采工作面推 进速度的关系，得出它们之间的动态关系方程；王金庄，李永树( 1 9 9 7 ) 1 1 4 j 指出当地 表达到充分采动以后，在地表移动盆地的平底部分水平移动值并不等干零，仍有微量的 水平移动值；腾永海( 1 9 9 7 ) 【”】把地表点的移动过程看成是时间的函数，利用负指数 推导出采动过程中地表点的移动变形公式，( 即下沉速度、倾斜、曲率、水平变形和竖 直变形公式) ，经实践证明此种方法能够较准确地反映地表点的移动过程；李永树、韩 丽萍( 1 9 9 8 ) 【16 】根据地表移动基本原理及褶曲构造矿层开采地表移动预计方法，给出了 向斜构造和背斜构造矿层开采时的地表移动与变形曲线，总结出下沉盆地中地表沉陷的 分布特征，并从地表移动机理方面对三种基本构造形式的下沉曲线形态进行分析，合理 地解释了产生曲线形态差异的基本原因：侯长祥( 1 9 9 9 ) 【l 7 】通过对覆岩岩性与开采影响 传播方向关系的研究，得出了倾斜煤层在三下开采时，覆岩越软，对地表最大下沉值影 响越大：煤层倾角越大，地表最大下沉值的变化越大的重要结论；郝延锦、宁永香( 2 0 0 0 ) i t s 对厚松散层条件下采动程度的确定方法进行了探讨，并应用数理统计原理整理和分析 了大量的实测资料，研究了厚松散层条件的岩层移动特征，对厚松散层条件下开采沉陷 问题的进一步研究具有重要意义：连传杰、吴宗清等( 2 0 0 1 ) i l 卅考虑岩性差异的前提下， 推导出了岩层与地表移动的广义下沉公式；李万武( 2 0 0 2 ) 在研究采动过程中地表移动 西安科技大学硕士学位论文 变形规律时指出，地下开采过程中地表点移动的全轨迹是一个复杂的三维空间螺旋式形 状。走向主断面内地表点从开始移动到停止移动，最后并不完全回到其原始水平位置， 而是略超过其原始水平位置，并略偏向推进的回采工作面一方。同时还认为地表点移动 向量始终指向采空区，即下山方向地表点的水平移动始终指向上山方向，而上山方向地 表点的水平移动始终指向下山方向；崔希民等人( 2 0 0 2 ) 针对相似材料模拟实验研究的 现状和特点，从相似原理、相似材料、边界条件、温度、湿度等方面对岩层与地表移动 模拟实验的误差来源进行了分析，将实验误差分成了可控制的、可改正的和不可避免的 三类，从理论上研究了压缩下沉和模型边界开裂引起的移动误差分布规律，为观测数据 曲线形态异常的改正提供了理论依据，从而有助于改进模拟实验的精度。但是对于采空 区在建筑物荷载以及动附加荷载作用下的地基稳定性评价、采空区地基处理范围的界定 等方面则缺乏系统深入的研究例 采空区上方修建建筑物的关键问题是对采空区建筑地基的稳定性进行评价。国内有 关专家学者对此也作了相关的研究。工程地质手册( 第三版，1 9 9 2 ) 中提供了临界埋 深的计算公式，用以评价埋深较浅、地质条件简单的小煤窑采空区场地建筑的适宜性 2 0 l ， 腾永海等人( 1 9 9 7 ) 提出了以建筑物荷载影响深度、采空区冒落裂缝带发育高度不相互 重叠来判断采空区地基的稳定性以及确定建筑物层数的方法1 2 l j 。该方法难以考虑上覆岩 层复杂的地质构造条件及垮落裂隙带的后期变化，而且也只能算作一种定性分析方法 3 1 采空区建筑地基稳定性的力学分析是一个极其复杂的问题。它不仅和开采煤层的厚 度、倾角、埋深、上覆岩层的岩性、物理力学性质、厚度、赋存状态、场地地形地貌、 地质构造、水文地质条件以及煤矿开采方法、开采面积、开采次数，顶板管理方法等地 质采矿条件有关，而且也和新建建筑物荷载的大小、基底型式、位置、基础的类型等密 切相关。由于地质采矿条件的多样性，对于这样一个多因素影响的复杂系统，采用数值 方法进行计算成为首选的方法。常江( 1 9 9 5 ) 以弹塑性理论为依据，将老采空区地层概 化为一个连续介质和碎裂介质的耦合体，首次运用有限元法分析了不同覆岩组合对采空 区建筑地基稳定性的影响；许延春等人( 1 9 9 6 ) 2 2 1 结合工程实例从采矿、地质、地表移 动和残余变形等方面对采空区上待建工程中地基稳定性问题进行了综合分析评价；刘占 魁等( 1 9 9 7 ) 圆运用岩体结构力学原理方法，从岩体的破裂深度和变形量两个因素，研 究了附加荷载作用下采空区上覆岩体的稳定性。王传焕、李守礼( 1 9 9 8 ) 运用工程地质 测绘、综合物探等方法研究了采空区上修建铁路的地基稳定性；陈海波、何万龙( 1 9 9 8 ) 在研究小煤窑采空区建设大型电厂的地基稳定性时，提出了以由巷道宽度、采空区覆岩 平均重度、建筑物基底单位压力以及覆岩破坏角等固素决定的临界采深与所研究采空区 的采深之问的关系来评价采空区地基稳定性的方法，但是此方法只适应于评价埋深较浅 的巷道式的小煤窑采空区地基稳定性；康建荣( 1 9 9 9 ) 1 2 4 1 运用相似材料模拟和离散元法 研究了采动覆岩离层形成的过程、机理及基本规律，并开发了适用于任意形状、多工作 4 l 绪论 i i i ；_ 面、多开采线段的开采沉陷预计系统( m s p s ) ：孙忠弟等人( 2 0 0 0 ) 1 2 5 1 研究高等级公路 下伏空洞对路基场地稳定性的影响时，开发y - - 维弹塑性理论有限单元法计算软件。袁 灯平等人( 2 0 0 1 ) 尝试利用a n s y s 有限元分析软件对某市拟建工业园采空区场地的稳 定性进行了模拟分析，模拟结果证明利用a n s y s 进行开采沉陷特别是对深部矿区的模 拟尤为有效可行。井彦林等认为( 2 0 0 2 ) 传统的评价方法是从覆岩的性质、应力分布入 手，研究破坏机理、塌陷的分带性、地表移动和变形的计算、移动速度和移动过程的持 续时间。岩移的观测方法、观测网的设置原则等，对于后期的位移预测多是探讨计算方 法，方法很先进，但参数太多，实际计算时很难求得这些参数，更谈不上准确了，另一 个问题是数学模型是建立在理想的条件下，有很多的假设条件，与实际情况往往有较大 的出入，所以在相当长的一段时间内，采空区稳定性评价停留在科学研究阶段，而没有 在实际工作中得到应用 2 6 1 。因此，在评价过程中，应在充分了解场地地质条件的基础上， 加强岩土工程测试工作，结合数值计算方法，对采空区的稳定性进行综合评定。来兴平、 伍永平等人【2 7 】( 2 0 0 2 ) 阐述了非线性监测监控技术在岩石地下工程围岩稳定性分析与 预报的重要地位和声发射技术在该领域的应用特征，并将其用于实际工程中，通过实时 监测监控，分析了岩石声发射的时间序列与破坏过程，对安全施工与生产有实时性、可 靠性和可预测性；蒋卫东，李夕兵等( 2 0 0 2 ) 采用采空区数量、采空区上部岩体厚度、 裂缝密度及裂缝集中度4 个指标对采空区上部地表稳定性进行灰色定权聚类分析，所谓 裂缝分布密度为地震地质剖面图中裂缝数与采矿剖面图中采空区两端的水平距离之比， 单位为条m ，裂缝集中度为相交裂缝的长度与相交裂缝两端的水平距离之比，单位为 r n m ；张荣林( 2 0 0 3 ) 对己形成多年的较大的连续采空区，采用三维数值法对其稳定 性进行了计算分析；张俊英，王金庄( 2 0 0 3 ) 1 2 8 在研究采空区地表新建建筑地基稳定性 评价技术中提出，当拟建建筑物建在稳定采空区上方地表时，其地基稳定性评价只需考 虑建筑载荷对采空区地表的作用；当拟建建筑物建在非稳定采空区地表时，还需同时考 虑开采残余沉降的影响；郭广礼，何国清等( 2 0 0 3 ) 1 2 9 1 在部分开采老采空区覆岩稳定 性分析一文中，专门针对我国较普遍的老窑和小窑部分开采采空区问题，对其地表破 坏特征、覆岩稳定性分析和评价方法等问题进行了讨论，提出了用采深与保持极限平衡 的临界采深的大小关系法和安全系数法对不同条件下的覆岩进行稳定性判别；毕克强、 武秀芳( 2 0 0 3 ) 3 0 l 通过计算厂址周围开采沉陷时的移动影响边界对采空区地基稳定性进 行分析评价。这些研究成果为进一步研究老采空区在建筑物荷载作用下的地基稳定性问 题奠定了坚实的基础明。 经过几十年的研究，我国在建筑物下采煤的试验研究工作中，积累了大量的资料， 取得了许多宝贵的经验，在采空区上部建筑物的稳定性评价、建筑物地基加固，抗变形 建筑设计的问题研究也有了很大突破，更好的促进了煤炭事业的发展，为现代化建设贡 献了力量。 西安科技大学硕士学位论文 1 4 存在问题 尽管采空区地基稳定性的研究己经有不少学者作了研究，对生产和工程实践起到了 一定的作用，但总体未说目前国内外对老采空区建筑地基稳定性的研究仍然十分薄弱， 还存在以下关键问题亟待解决： ( 1 ) 采空区在建筑物荷载作用下地基发生沉降、变形的机理； ( 2 ) 采空区上覆岩体的不连续性和可变性，如层面、节理、夹层、离层、断层、 垮落带、裂隙带、弯曲带以及其它构造特征： ( 3 ) 岩体本构方程的模拟，如各向异性、弹性、塑性、粘性、非线性、大变形， 以及水理、风化等对岩体性质的影响； ( 4 ) 岩体破碎后在不同地质采矿条件下的力学性质及其力学参数的测定方法； ( 5 ) 采空区建筑地基的稳定特性及其变形破坏规律、地基稳定性的判别方法和标 准【3 1 。 地基稳定性问题目前尚处于起步阶段，但是许多学科的发展为其深入研究提供了新 的研究契机。从完善岩土力学发展，将理论的发展转化为生产力的角度出发，本课题的 研究也显得非常必要。总之，采空区建筑地基稳定性问题是一个复杂的系统问题，采用 数值分析、计算机模拟的方法不但可行，可以花费较少的人力、物力和较短的时间找到 影响采空区地基稳定性的破坏机理和主要影响因素。这对岩石力学理论发展具有非常积 极的意义【3 j 。 1 5 论文研究内容 本课题以郑煤集团米村煤矿为背景，运用f l a c 数值模拟方法，对采动岩层及地表 的移动和变形规律进行研究，并针对建筑物荷载大小、附加荷载作用位置和松散层不同 因素对采空区地基稳定性的影响进行评价和分析，并提出采空区地基措施及建筑物抗变 形设计。 ( 1 ) 采动引起地表移动与变形的特征及规律。 ( 2 ) 分析和研究郑煤集团米村煤矿采空区建筑地基稳定性，探讨建筑物荷载的大小、 荷载作用位置、和采空区的上覆松散层的厚度不同因素对采空区建筑地基稳定性的影 响，对采空区建筑地基稳定性做出评价。 ( 3 ) 结合米村煤矿矿区采动塌陷灾害和建筑物破坏情况提出，采空区上部建筑物保 护措施。 通过对采空区上方地表移动与变形的数值模拟分析，确定采空区上方地表移动与变 形的特征和基本规律，并研究采空区建筑地基稳定性的主要影响因素。最后依据实际工 程资料及数值模拟数据，并参考工程地质手册及有关资料，综合评价采空区在附加 6 1 绪论 建筑荷载作用下的建筑地基的稳定性 3 2 1 。 1 6 研究方法 ( 1 ) 对郑煤集团米村煤矿工程实例的现场调查数据和资料进行分析和整理，明确 研究区地形地貌、气象水文地质条件、地层岩性与地质构造、岩石力学性质、煤层分布 特征、采煤层的厚度、倾角、埋深、煤层顶板管理方法、开采方法、开采面积、采空区 支护方式等地质采矿条件。 ， ( 2 ) 分两个阶段进行数值模拟：第一阶段模拟开采沉陷过程，研究采空区上覆岩 层的移动变形规律与地表沉陷的基本规律；第二阶段在开采结束，地表沉陷稳定之后， 在沉陷盆地的不同位置施加大小不同的建筑物荷载，研究采空区地基的稳定性。 ( 3 ) 根据郑煤集团米村煤矿实际工程情况，设计三组模型进行开采和加载的数值 模拟。通过数值模拟探讨采空区在附加荷载的作用下，荷载作用位置、附加荷载大小、 松散层的厚度等因素对采空区上覆岩层的移动及建筑地基稳定性的影响，评价模型i 、 、m 的采空区建筑地基的稳定性。 本课题在研究采空区地基稳定性时，充分考虑了采空覆岩的变形破坏特点和影响的 因素，运用数值模拟的方法研究其基本规律和主要影响因素。这一点不但对于岩土力学 的本质有更深刻的理解，而且对于工程实际也具有一定的指导意义。 7 西安科技大学硕士学位论文 2 研究区地质、采矿条件 2 1 自然地理位置及地形条件 米村煤矿位于新密煤田西北部，在新密县城西l o k m 的米村乡及牛店镇境内，距郑 州市5 0 k m 。南临郑( 州) 临( 汝) 公路，东临荥( 阳) 密( 县) 铁路支线自 东向西直通矿区，支线上又有运煤专线直达米村煤矿主井煤楼。火车可自米村煤矿经七 里岗至新郑站与京广路接轨，交通运输比较方便。米村井田略呈西北窄、东南宽的梯形， 其四界为自然边界：西南面以前高村断层与王庄煤矿分界，东南方以张湾断层为界，西 北和东北方向以一i 煤层露头为界。其范围东西长约9 k m ，南北宽1 7 1 3 2 k m 。矿区 的地形属一古老的冲积、洪积裙，东、西、北三面环山，呈箕形盆地，相对高差3 0 0 4 0 0 m 。区内由于洪水水流的切割，暂时性水流和冲沟发育。地面标高+ 2 3 4 + 3 5 7 m ， 西北高、东南低，地形坡度较缓。米村煤矿交通位置图如图2 1 所示。 图2 1 米村煤矿交通位置图 2 2 区域气象情况及水文地质情况 本区气候属半干旱大陆性气候。据1 9 6 5 年至1 9 8 8 年气象资料，年最大降雨量9 7 3 m m ， 最小降雨量3 9 7 7 m m ，平均为6 2 4 3 5 m m 。七、八、九三个月为雨季，降雨量约占全年 降水量的6 0 ，最大日降雨量1 0 3 5 m m 。平均年蒸发量为2 0 8 6 3 m m 。年平均气温1 4 3 ， 最高4 1 3 ，最低1 7 8 。最大积雪深度2 0 0 m m ，最大冻土深度1 8 0 m m 。夏季多南风， 冬季多西北风，最大风速2 2 m 秒。本区受气候和地貌因素影响，地表水系不发育。虽 然区内冲沟纵横，但多为间歇性流水之河谷。 主要含水层及其富水性，由上向下依次为： ( 1 ) 第四系上部含水层：厚1 3 7 1 5 4 3 m ，平均8 5 7 m ；单位涌水量为o 5 7 l s m ， 2 研究区地质，采矿条件 水位标高6 5 年为+ 2 4 5 m ；与二l 煤层上下含水层无水力联系。 ( 2 ) 第四系下部含水层组：厚o 3 9 2 7 m ，平均1 5 5 8 m ；单位涌水量为0 0 0 7 3 9i s m ， 渗透系数为0 0 2 1 m d ，水位标高6 5 年为+ 2 6 5 7 8 m ：在二l 煤层露头处有微弱补给。 ( 3 ) 基岩风化带含水层组：厚1 0 9 5 4 9 4 5 m ，平均3 2 2 6 m ；单位涌水量为0 0 2 5 8 0 0 9 4l s m ，渗透系数为0 0 4 8 2 0 3 3 7 m d ，水位标高6 5 年为- i - 2 8 5 4 2 m ；当与二l 煤层 顶板接触时，为直接充水含水层。 ( 4 ) - - l 煤上部砂岩含水层组：厚3 3 9 5 5 4 5 m ，平均2 2 7 5 m ；单位涌水量为0 0 0 5 2 4 l s m ，渗透系数为0 0 3 6 6 m d ，水位标高6 5 年为+ 2 8 2 1 7 + 2 4 9 0 6 m ；为二l 煤层顶板 直接充水含水层。 ( 5 ) 太原群第七、八层灰岩含水层：厚5 0 3 1 6 1 0 m ，平均9 3 6 m ；单位涌水量 0 0 0 1 3 1 0 0 9 3 1 s m ，渗透系数0 0 2 6 2 2 4 8 7 m d ，水位标高7 7 年为+ 8 5 8 6 m ；为二i 煤层底板充水含水层。 ( 6 ) 第l 4 层灰岩含水层：厚6 a 3 5 8 m ，平均2 0 m 。 ( 7 ) 奥陶系马家沟组上寒武统灰岩含水层：单位涌水量为2 0 2 1 2 4 6 8 1 s m ，渗 透系数为3 6 7 0 9 6 0 7 m d ，水位标高8 2 年为+ 1 7 8 5 8 m ；与二l 煤层顶、底板主要含水 层经断层对接或导通时，补给各含水层。 2 3 地层岩性与地质构造 2 3 1 地层 本区基岩为华北陆地型沉积，均被第四系或第三系松散沉积物所覆盖。含煤地层为 石炭、二迭纪含煤岩系，沉积于奥陶系灰岩底盘之上。现将本区地层由老至新分述如下： ( 1 ) 奥陶系：本区只发育有中奥陶统马家沟组，厚约0 7 0 m ，与下伏寒武系假整 合接触。 ( 2 ) 石炭系：中石炭统本溪组，与下伏奥陶系假整合接触，平均厚8 1 4 m ，岩性为 铝土泥岩，致密质纯。上石炭统太原群，与本溪组连续沉积，平均厚7 9 m ，主要由灰岩、 砂岩、砂质泥岩、泥岩及煤层组成，含煤8 层( 一i 一1 ) ，一l 煤层为厚1 0 4 m ，在矿 区大部可采。 ( 3 ) 二迭系：下二迭统山西组，与下伏太原群呈连续沉积，平均厚8 3 6 2 m ，主要 由砂岩、砂质泥岩、泥岩和煤组成。山西组下部含本区主要可采煤层二l 煤层，平均厚 6 4 5 m 顶部为深灰色泥岩和砂质泥岩，夹二2 、二3 煤线。在二l 煤和二2 煤之间，有 两层长石石英砂岩，大占砂岩和香炭砂岩，大占砂岩厚度8 4 5 m 左右，由灰深灰色细、 中粒砂岩组成，硅质胶结，距二l 煤顶板1 1 7 m ，局部为其直接顶板；香炭砂岩厚度1 4 3 m ， 上部为灰灰白色细、中粒砂岩，底部为中、粗粒砂岩，硅质胶结，下距二l 煤3 0 m 左 9 西安科技大学硕士学位论文 右；下二迭统下石盒子组，平均厚6 8 3 6 m ，由砂质泥岩、泥岩和砂岩组成；上二迭统上 石盒子组，平均厚1 6 8 m ，为陆相含煤沉积，共含煤线及薄煤层5 层，由下而上为四煤 组、五煤组、六煤组。 ( 4 ) 新生界：第三系、第四系，厚约1 6 3 2 1 2 9 o o m ，平均7 2 5 9 m 。分布规律 为西薄东厚。根据鉴定区附近的钻孔资料，6 - 0 5 钻孔表土层厚度2 5 7 4 m ，6 - 0 7 钻孔表 土层厚度2 8 8 2 m ，5 a - * i 6 3 钻孔表土层厚度1 6 7 0 m ，5 a - * h4 2 钻孔表土层厚度2 0 9 0 m ， 平均约为2 3 m 。 2 3 2 构造 米村煤矿西南面以前高村断层与王庄煤矿分界，东南方以张湾断层为界，西北边界 附近有闫家门断层，以上断层均为落差大于2 0 m 的断层，此外，还有后高村断层。矿区 内大中型断层数量较少，井田内部小断层较发育，达3 0 多条，多为落差小于1 0 m 的小 断层。整个井田的地质构造，以断裂为主，褶皱次之。主要断层情况如下：前高村断层 是米村井田的南部自然边界，是南盘上升、北盘下降的高角度张扭性正断层，断层走向 1 1 0 0 1 3 0 0 ，倾角6 0 0 ，全长1 5 k m ，在井田南边缘延伸6 7 5 k m ，断层落差7 0 2 0 0 m ： 闰家门断层为断层走向5 5 0 ，倾向1 4 5 0 ，倾角6 0 0 ，断层落差4 2 m ，在井田边界附近延 伸1 7 5 k m ，向西南与前高村断层相交。东南盘为上盘( 下降盘) ，高角度张性正断层； 张湾断层为高角度张扭性正断层，断层走向7 0 0 ，倾角6 0 0 ，在井田东南边缘延伸2 3 k i n ， 断层落差1 6 0 2 6 0 m ；后高村断层，位于米村井田南部，其东段与前高村断层几乎平行， 向西逐渐合并，断层走向1 1 0 。，倾角6 0 0 ，断层落差由东向西逐渐加大，为2 0 4 0 m ； 本井田为一较平缓的单斜构造，地层走向大体为东西走向，倾向偏南，倾角5 0 1 2 0 ， 局部有宽缓的小褶曲，米村煤矿地质构造示意图如图2 2 所示。 2 4 地震 根据中国地震动参数区划图( g b l 8 3 0 6 - - - 2 0 0 1 ) ，区内地震动反应谱特征周期为 0 3 5 s ，地震动峰值加速度为o 1 0 9 ，所对应的地震基本烈度为度区。 2 5 开采技术条件 2 5 1 煤层分布特征 米村井田共含5 个煤组，即石炭系太原群的一煤组，二叠系山西组的二煤组，以及 上石河子组的四、五、六煤组。共含煤层1 6 层，编号分别是一i 、一3 、一、一5 、 一6 - l 、一、一7 、一s 、二1 、二，- i 、二抛、四2 、四3 、五、六l 、六 2 煤层。其中，太原群底部的一l 煤和山西组的二1 煤为本矿主要可采煤层。目前的开 2 研究区地质、采矿条件 采对象是二l 煤层。 图2 2 米村煤矿地质构造示意图 ( 1 ) 石炭系太原群一煤组 石炭系太原群一煤组，含煤8 层，其编号自下而上分别为一i 一8 煤层。各煤层 分别位于l i l 3 灰岩之下据钻探揭露，一。煤层在井田内大部可采，其余各层均为不 可采、不稳定煤层，有时为炭质泥岩所代替；一，煤层位于太原群底部，据3 6 个钻孔揭 露，其厚度为0 2 2 6 m ，平均厚1 0 4 m ，可采指数k i n = 0 8 6 ，避变异系数r = 6 1 ，属 不稳定的薄煤层。煤层结构较简单，仅部分钻孔见有l 2 层厚0 0 5 0 5 4 m 的炭质泥岩 夹矸。煤层顶板为l l 灰岩，底板为铝土泥岩，易于识别。 ( 2 ) 二叠系山西组二i 煤层 二叠系山西组二1 煤层，位于山西组下部，是本矿主要开采对象。据全矿井1 0 3 个 钻孔和井下探煤厚资料揭露，其厚度为o 2 4 5 8 m ，每层变异系数r = 7 0 1 ，可采性指 数k m = 0 9 6 ，属不稳定的候煤层。煤层结构简单，局部地段偶含l 2 层夹矸( 厚0 0 5 0 4 5 ) 。煤层直接顶板一般为深灰色和黑色砂质泥岩、泥岩。 2 5 2 煤层顶板工程地质特征 ( 1 ) 二l 煤层顶底板物理力学性质 在精查勘探过程中，采取二l 煤层顶底板岩样1 0 个，底版岩样8 个，进行了岩石物 理学性质分析。伪顶：有四个钻孔见一层0 0 6 2 3 0 m 后的炭质岩伪顶，井下揭露顶一 般厚0 2 m ；直接顶：一般为深灰色或灰黑色粉砂岩、砂质泥岩，仅有五个钻孔见到中粒 砂岩，平均厚度1 1 7 m 。岩石比重为2 6 3 2 8 1 ，容重为2 3 3 2 6 6 k n m 3 ；垂直抗压 强度( 干燥状态) 为1 3 0 8 1 6 8 1 k p a ：抗剪强度在倾角为4 5 0 正应力、剪应力下，均为 1 2 9 4 0 5k p a ；粘聚力为4 6 2 0h j i p a ，内摩擦角为2 7 0 3 3 0 3 0 ；软化系数为0 4 2 0 4 8 ； 直接底：为黑色细砂、粉砂岩。砂质泥岩及泥岩，平均厚度1 1 4 m 岩石比重为2 6 8 2 7 4 ；容重为2 4 5 0 2 6 2 0k n m 3 ；垂直抗压强度( 干燥状态) 为1 1 0 9 k p a ；垂直抗拉 西安科技大学硕士学位论文 强度为0 5 7 7 2 0m p a ：软化系数为o 8 3 ；老底：为石炭系太原群的第七、八层灰岩 平均总厚度为9 3 6m ，是本区主要含水层。由于该含水层水压较大，开采时，在底版为 泥岩的地段，易发生底鼓、破裂而造成底版突水。一i 煤层老底为中奥陶统马家沟灰岩， 是区内主要含水层之一 ( 2 ) 顶板管理 7 本矿所开采的二l 煤层，直接顶板一般是易于冒落的粉砂岩、砂质泥岩和泥岩，其 厚度大于煤层厚度。因此，当煤层被采出以后，顶板易随支柱的撤离而垮落，且垮落后 能填满采空区，故顶压较为缓和，顶板易于管理，为一级顶板；老顶一般在直接顶垮后 7 i o 天，即可全部垮落。当老顶不能及时垮落时，可采用人工放炮法使顶板落实。在 炮采中，一方面使用摩擦式金属支柱和胶接顶梁加强支护，另一方面采用走向长壁分层 采煤法，采高为2 2 2 5m ，空项距为1 6 2 4 m ，放顶步距为0 3 2 4 m ，从而缩短了 空顶距离和放顶时间。 2 5 3 开拓方式 根据煤层厚度不同，对于薄及中厚层煤层，一般均按煤层全厚一次采出。采用单一 长壁采煤法。对于厚煤层，一般是将其分成若干中等厚度的分层，采用分层长壁采煤法： 按照回采工作面的推进方向与煤层走向的关系，又可分为走向长壁采煤法和倾斜长壁采 煤法两种类型。走向长壁采煤法工作面在一个区段内沿倾斜布置，沿走向推进的；倾斜 长壁采煤法的工作面，在一个分带内是沿走向布置，沿倾斜向上( 仰斜) 或向下( 俯斜) 推进的。壁式采煤法有以下主要特点：具有较长的工作面；回采工作面两端至少有两条 巷道，用于通风及运输；随工作面推进要有计划地处理采空区；回采工作面采下来的煤 沿平行工作面方向运出工作面；采煤方法的选择主要取决于与煤层赋存条件有关的地 质、技术和管理等方面的因素。一般来说，影响采煤方法选择的主要因素有：煤层的厚 度、煤层的倾角、煤层的结构、煤及其围岩的性质，井田的瓦斯含量与含水量，煤层的 层间距，开采深度，回采工作面和巷道掘进的机械化水平、方式和方法，工业( 用户) 对煤质的要求等。本课题研究的矿区米村煤矿属厚煤层矿区，采用分层长壁采煤法，其 特点是：回采工作面长度较长；工作面两端有可供运输、通风和行人的巷道；回采工作 面向前推进时，必须不断支护；采空区要随工作面推进按一定方法及时处理；回采工作 面内煤的运输方向与工作面煤壁平行 2 5 4 采空区支护方式 采空区处理的目的在于减轻采场压力，使上覆岩层因开采而引起的运动更快的趋于 平衡，使采场支护更有效、更经济和更安全。采空区处理方法主要根据顶板力学性质及 其层位组成、煤层厚度、地面的特殊要求(