（地质工程专业论文）采煤沉陷中突变现象分析及预测.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 采煤沉陷中突变现象分析及预测 地质工程 张海龙( 签名) 夏玉成( 签名) 摘要 随着我国经济快速发展，对煤炭资源的需求越来越大，地下煤炭开采引起的采煤沉 陷危害越来越明显。特别是采空区上覆岩层移动、破坏发生突变，给矿井安全生产和人 身财产带来极大危害。因此，对采煤沉陷中突变现象的研究十分必要。基于突变理论， 本文针对采煤沉陷中的突变现象做了以下几方面研究： 首先，通过对突变理论已有的研究成果及相关资料分析，研究了采空区上覆岩层发 生采煤沉陷突变的发生过程及危害，提出了采煤沉陷突变的概念，即采动条件下采场或 采空区上覆岩体的运动，从一种稳定状态跳跃式地转变到另一种稳定状态，或上覆岩体 系统在采动影响下，某些变量( 如采空区面积、工作面长度及煤柱等) 从连续逐渐变化 导致岩体系统状态的突然变化。总结了采煤沉陷突变的特点为非线性、不连续性、突发 性等。并根据覆岩破坏的过程、特点及危害程度等划分了采煤沉陷突变的类型；其次， 在影响采煤沉陷突变因素的分析中，针对地质和采矿诱因，分别进行了定性和定量研究。 定量分析采用层次分析法，计算了影响采煤沉陷突变各因素的重要性权重。在以上分析 研究基础上，根据能量守恒原理和突变理论，建立采动覆岩中关键层突变力学模型，运 用尖点突变理论研究关键层的失稳突变，通过构建关键层突变势函数，揭示了采煤沉陷 突变发生的机理及煤沉陷突变发生的充分条件和必要条件，推导出关键层失稳时工作面 的临界长度公式。并以铜川矿务局鸭v i 煤矿相似材料模拟实验为工程实例，应用关键层 突变模型对实验结果进行分析，其结果具有较好的一致性，验证了研究方法的可行性及 模型的合理性。最后，根据采煤沉陷突变的特点、影响因素和发生机理等，提出采煤沉 陷突变的预防措施。 关键词：采煤沉陷；突变；关键层；突变模型；预测 研究类型：应用基础研究 s u b j e c t ：t h ea n a l y s i sa n dp r e d i c t i o no nc a t a s t r o p h i cp h e n o m e n o ni n m i n i n gs u b s i d e n c e s p e c i a l 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 ：z h a n gh a i - l o n g i n s t r u c t o r ：x i ay u c h e n g ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o a li n d u s t r y , t h ee f f e c to fm i n i n gs u b s i d e n c ei nc o a lm i n i n gi s g r e a t e ra n dg r e a t e r , e s p e c i a l l yt h ea b n o r m a lc o n d i t i o n sw h i c hd on o ta c c o r dw i t ht h eg e n e r a l l a wo fm i n i n gs u b s i d e n c ei nm i n i n gs u b s i d e n c e f o re x a m p l e ，t h ef a l lo fo v e r l y i n gs t r a t aw i t h l a r g ea r e ai ng o a fe t c ，c a nb ep o t e n t i a lt h r e a t st ou n d e r g r o u n dp r o d u c t i o n ，a n da l s ot h r e a tt h e p e r s o n a ls a f e t ya n dm i n ep r o d u c t i o ns a f e t y t h e r e f o r e ，b a s e do nt h ec a t a s t r o p h et h e o r y , t h e c a t a s t r o p h i cp h e n o m e n o no fm i n i n gs u b s i d e n c e a r ea r es t u d i e da sf l o l l o w s ： f i r s t l y , b a s e do nt h es t u d yo ft h e o r e t i c a lr e s e a r c hr e s u l t so nm i n i n gs u b s i d e n c ea n d r e l a t e dm a t e r i a l s ，t h ec o n c e p to fm i n i n gs u b s i d e n c em u t a t i o ni s p u tf o r w a r d t h e n ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so fm i n i n gs u b s i d e n c em u t a t i o na r es u m m a r i z e d ，s u c ha s n o n l i n e a r i t y , d i s c o n t i n u i t y , a b r u p t n e s se t c a c c o r d i n gt op r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c sa n dd a m a g ed e g r e eo f o v e r b u r d e nf a i l u r e ，t h et y p e so fm i n i n gs u b s i d e n c em u t a t i o na r ed i v i d e d s c e n d l y , d u r i n gt h e a n a l y s i so nm u t a t i o nf a c t o r sw h i c he f f e c t e dt h em i n i n gs u b s i d e n c e ，t h eg e o l o g i c a la n dm i n i n g i n d u c e m e n ta r eq u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e l ys t u d i e ds e p a r a t e l y u s i n ga n a l y t i ch i e r a r c h y p r o c e s sa sq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ，i m p o r t a n c ew e i g h to fi n f l u e n c i n gf a c t o r sa r ec a l c u l a t e d b a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l t sa b o v e ，a c c o r d i n gt ot h ee n e r g yc o n s e r v a t i o np r i n c i p l ea n d c a t a s t r o p h et h e o r y , t h em u t a t i o nm e c h a n i c a lm o d e lo fk e ys t r a t u mi se s t a b l i s h e d ，a n dc u s p c a t a s t r o p h et h e o r yi su s e dt os t u d yi n s t a b i l i t ya n dm u t a t i o n ，a c c o r d i n gt oe s t a b l i s h m e n to fk e y s t r a t u mp o t e n t i a lf u n c t i o n ，t h em e c h a n i s ma n dn e c e s s a r ya n ds u f f i c i e n tc o n d i t i o n so fm i n i n g s u b s i d e n c em u t a t i o na r er e v e a l e d ，t h e nc r i t i c a ll e n g t hf o r m u l ao fk e ys t r a t u mi n s t a b i l i t yo n w o r k i n gf a c ei sd e r i v e d t a k i n gt h es i m i l a rm a t e r i a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n to ft o n g c h u a n m i n i n gb u r e a uy a k o um i n ea se x a m p l e ，b a s e do nt h ec a t a s t r o p h em o d e lo fk e ys t r a t u m ，t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea n a l y z e d ，a n dt h er e s u l t ss h o wb e t t e rc o n s i s t e n c y t h e nt h ef e a s i b i l i t y a n dr a t i o n a l i t yo fr e s e a r c hm e t h o da r ev e r i f i e d f i n a l l y , b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c sm i n i n g s u b s i d e n c em u t a t i o n ，i n f l u e n c i n gf a c t o r sa n do c c u r r e n c em e c h a n i s m ，t h ep r e v e n t i v em e a s u r e s o fm i n i n gs u b s i d e n c em u t a t i o na r ep u tf o r w a r d k e yw o r d s ：m i n i n g s u b s i d e n c e c a t a s t r o p h et h e o r yk e ys t r a t u m c a t a s t r o p h em o d e l p r e d i c t i o n t h e s i s：b a s i ca p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西要料技大学 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t 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 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名黼孕彩日期加z 石- 侈 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。 学位论文作者弛知治彩 指导教师签名：忑“ 哆年 6 月f j e l 1 绪论 1 1 研究背景与意义 1 绪论 矿产的大规模开发和利用，极大地推动了人类经济和社会的发展。但是由于矿山开 采引起的地面沉陷也给人类生活和生态环境带来了消极的影响。在矿山开发过程中形成 的地表沉陷、植被破坏、土地荒漠化、水源枯竭等一系列问题，不仅破坏了矿区的生态 环境，甚至对当地居民生存环境构成了威胁。矿山沉陷对矿区环境造成的严重损害，已 成为制约矿区可持续发展的主要问题之一。在矿山开采中煤炭开采的破坏较其它矿产开 采更为严重，对矿区生态环境的损害已经到触目惊心的程度。 煤炭是我国最主要的能源之一，我国9 6 左右的煤炭产量来自井工开采，井工开采 破坏土地占煤炭开采破坏土地面积大于9 0 t 1 1 。煤从地下被开采出来后，原始应力状态 遭到破坏，导致应力重新分布，达到新的平衡状态。并且由于各采煤矿区的地质条件岩 性等的不同，决定上覆岩层抗扰动能力【2 】不相同。当采空区达到一定范围，上覆岩层内 部应力抗扰动强度达到极限而失衡。为了寻求新的平衡状态，煤层顶板及其上覆岩体产 生破裂、沉陷、坍塌，且向上波及地表，形成地表移动盆地，对地物造成破坏即开采沉 陷。采空区沉陷致使滑坡、崩塌、地裂、沉陷等地质灾害频繁发生，时刻影响矿井的正 常生产和矿区人民的正常生活秩序。 山西省是我国煤炭开采强度最大的省份，全省煤炭分布面积占全国煤炭分布面积的 3 6 ，煤炭产量占全国煤炭产量的1 4 。全省范围内分布着八大国有煤炭企业，中小型 煤矿遍及全省8 5 个县( 市) ，个体煤矿到处可见。在对全省4 0 多个国有与地方煤矿的 调查中，就有3 9 个发生过程度不同的由于采矿引起的地质灾害。根据2 0 0 3 年统计，全 省采动面积近2 万k m 2 。2 0 0 6 年山西省统计，山西地下采空区已超过2 万多i n 2 ，占全 省面积的七分之一。据陕西省2 0 0 7 年统计，从2 0 0 0 年至2 0 0 7 年7 月，仅神木县因煤 炭开采造成的采空区面积就达2 2 0 k m 2 ，接近西安市未央区的面积。据2 0 0 8 年9 月1 3 日陕西省铜川市交通信息网报道，由于煤炭等资源的大规模开采，使铜川形成的采空区、 沉陷区面积达2 6 7 m 2 。另据不完全统计，我国部分矿区开采沉陷面积如表1 1 所示。 表1 1 我国部分矿区开采沉陷面积 近几年来，采煤沉陷事故接连不断，惨不忍睹。除了人们常听到的瓦斯爆炸、顶底 板突水、矿震等外。最近几年不断发生的一类采煤沉陷事故也让人们更加关注，就是采 空区冒落引发的地面突然塌陷，这种突然的塌陷给井下、地表造成巨大的危害，带来的 西安科技大学硕士学位论文 经济损失令人不可想象。采煤沉陷是一个非常复杂的过程，涉及到岩层结构、地质构造、 地层岩性等许多因素。在实际采空区覆岩沉陷过程中，发现覆岩的移动破坏、沉陷会出 现异常现象，如：据大同矿务局从1 9 4 9 年建局至1 9 8 3 年的3 4 年发生3 7 次顶板大面积 瞬时一次冒落至地表，导致地面突然塌陷【3 l 。这种大面积突然塌陷在我国其他矿区亦有 发生。另据地面岩移观测资料研究和实验室内相似模拟采煤试验表明f 4 j ，地表下沉曲线 由平变斜( 从稳定不动到开始移动) 、从斜变陡( 由缓慢下沉到快速沉降) ，如图1 1 、 图1 2 所示，这些异常不符合采煤沉陷的一般规律性，表现出从一种状态瞬间或急骤的 跳变到另一种状态的非线性、不连续特点。因此，把这种采煤沉陷中覆岩运动状态突然 改变称为采煤沉陷中的突变现象，简称采煤沉陷突变。 名1 0 0 0 囊裟 i - 4 0 0 釜2 0 0 懈0 碧 萋 l 5 0 l y b 誓= 3 9 3 m m d - 4 0 3 “ 。2 0 i - l o l l 1 6 7 m m d 嚣跃阶袅 图1 1 神府矿区5 11 0 1 工作面地表最大下沉值监测点 ( 据夏玉成等，2 0 0 8 ) 2 0 04 0 06 8 0 0 开采长度“) 重黧 器2 冀 蘸遂 詈 j 0 1 0 0 2 0 03 0 04 0 05 0 0 6 0 0 开采长度油) 图1 2 相似材料模拟实验中随着开采长度的推进地表下沉出现突变 ( 左图：开采k 度在3 5 0 m 附近处，下沉值增大：右图：开采长度在2 0 0 m 处，下沉值增大) 近年来，随着煤炭开采量的增加，开采沉陷区的面积不断增大，情况日益严重，导 致采煤沉陷突变现象屡见不鲜。采煤沉陷突变的发生，往往带来难以预料灾难，其造成 的破坏程度难以估量。如：1 9 9 4 年，大同黄土坡煤矿采空区突然塌陷，致使楼房倒塌， 2 1 人死亡，4 0 多人受伤；1 9 9 5 年，山西省孟县青城村北侧，煤矿采空区突发塌陷，范 围达4 万m 2 以上，使村庄8 0 的民房产生裂缝【5 】：1 9 9 7 年大同市发生采空区塌陷3 7 起， 2 i 绪论 其中村庄塌陷面积4 0 0 0 多m 2 ，9 人在塌陷中世生；新华社报道西安2 0 0 5 年1 1 月1 6 日， 陕西省府谷县府榆煤矿突然发生冒顶事故致造成9 名矿工被田井下，地表塌陷面积1 1 万m 2 ；1 7 日晚再次发生冒顶事，造成地表塌陷面积扩大至2 6 万m 2 ，巷道被堵塞搜救 工作被迫暂停，附近1 0 0 多名村民被紧急转移。2 0 0 8 年6 月1 7 日2 1 时3 0 分，包头市 固阳县西斗铺镇 兰沟村发生采空区地表坍塌事故，造成其上矿业公司的1 0 间职工休 息室中的5 间塌陷，导致屋内正在睡觉的7 名矿工被埋，塌陷区域形成了一个直径约5 0 m 的椭圆，塌陷深度约3 5 m 。 采煤沉陷突变不仅造成矿井下的安全生产和人员生命危险，甚至引起冲击地压、矿 震、顶板冒落、瓦斯爆炸、煤层顶板和底扳突水等动力灾害的连锁发生。如：2 0 0 6 年8 月4 日下午3 时3 0 分左右，山蕊省宁武县西马坊乡大辉窑沟煤矿周边的采空区突然大 面积塌陷，引发煤矿水、火并发的重大安全事故，共造成1 8 人死亡。1 9 9 3 年，原大同 矿务局晋华富矿突然发生太面积采空区塌陷造成3 8 级塌落地震，影响半径达1 5 公里， 相邻的煤矿生产矿井遭受严重破坏，造成井下8 名矿工死亡。2 0 0 7 年s 月2 9 凌晨3 时， 神术县孙家岔镇边不拉煤矿矿井采空区突然塌陷引发地震，塌陷时井下幸无矿工作业， 据中国地震台网测定，该处发生了3 3 级地震( 见圈1 3 ) 。 图1 3 神木县孙家岔镇边不拉煤矿突然塌陷导致地表产生裂缝 所以，采煤沉陷突变不但影响矿井正常生产，造成井下人员伤亡，而且影响地表特 征和生态环境，造成地表大面积塌陷，出现地裂缝、山体滑坡等破坏耕地，影响地袭地 貌、地形特点。同时栗煤沉陷破坏地面建筑构造物及景观等，甚至于威胁到当地居民正 常生产生活和人身财产安全。 以上实际案例资料说明，采煤沉陷突变是采煤沉陷中一个非常特殊、不容忽视的重 要环节，成为煤炭生产过程中非常担忧且棘手的问题，甚至于成为制约中国煤炭工业可 持续发展的因素之一。随着能源消费的进一步增长和人们对生活水平质量要求的日趋提 高，煤炭日益广泛的应用人类对煤炭资源的依赖性愈来愈强烈，可预见，煤炭资源的 西安科技大学硕士学位论文 开采量在未来的几十年里，不但不会减少，相反还会加大开采力度。也就意味着有更多 的潜在突变事故威胁着井下的安全生产和人身安全。因此，对采煤沉陷中的突变现象研 究十分必要。 1 2 国内外研究现状与动态 1 2 1 采煤沉陷国内外研究现状 国内外对采煤沉陷的研究由来己久，人们从不同的角度、按照不同的标准，通过对 实际发生的采煤沉陷，进行了采煤沉陷影响范围及采动后上覆岩层、地表的变形移动规 律的研究，经历了从被动的认识采煤沉陷规律，到主动控制采煤沉陷的过程。国际上， 发达国家已开始以系统、综合的思想对矿区环境、灾害进行多学科的研究。国内，一些 原煤炭部属院校的地质专家和岩层控制专家分别做了大量工作，在理论和实践方面均取 得了突破或重大进展。 采煤沉陷学是一门综合性较强的边缘学科，涉及探矿、采矿、工程地质与水文地质、 岩土工程、测量、数学、力学、建筑结构等学科知识。采煤沉陷的研究既受到这些学科 发展的制约，又对这些学科的发展起到推动和补充作用，丰富了这些学科的理论和实践。 目前，对采煤沉陷研究主要从对采煤沉陷规律、采煤沉陷机理和采煤沉陷预测三个 方面进行研究： ( 1 ) 采煤沉陷规律的研究 采煤沉陷规律研究主要分为：用数学函数描述地表的移动规律、条带开采地表下沉 移动规律、数值摸拟研究、厚硬岩层的力学性质及其影响、覆岩结构对地表沉陷的影响 等。具体研究内容、方法与成果很多。其中，较为主要的研究成果为刘宝深、廖国华出 版的专著煤矿地表移动的基本规律，将概率积分法全面引入我国，至今已成为预计 开采沉陷的主要方法【6 l ；吴立新、王金庄建立了条带丌采覆岩破坏的托板理论，并且研 究了煤柱的稳定性问题f7 1 ，为煤矿条带开采打下坚实的基础，也是目前“三下”开采时 条带设计的主要依据；王泳嘉将离散单元法和边界元法瞵j 应用于开采沉陷中应力、位移、 变形的研究，为后来的开采沉陷离散元模拟预计打下基础；钱鸣高、缪协兴等人提出并 深入研究了关键层理论，开辟了新的采动岩层控制方法理论【9 】。黄乐亭等【io 】通过分析相 似材料模型实验结果和实测资料，将地表动态沉陷瓮地发展变化的全过程划分为下沉发 展、下沉充分和下沉衰减三个阶段，并用负指数函数分别表示出三个阶段走向主断面上 的地表下沉规律。这与开采沉陷学中将采煤沉陷划分为初动期、活跃期、衰退期三个阶 段是基本一致的。滕永海等【1 1 1 对综采放顶煤条件下地表沉陷规律进行了研究，表明在综 采放顶煤条件下地表移动剧烈，地表下沉盆地陡峭，移动变形集中，地表断裂比较发育， 地表下沉系数、主要影响角正切明显偏大，导水断裂带异常发育，其高度与煤层开采厚 4 1 绪论 度近似成正比。但在“高产高效”矿井，普遍采用综采放顶煤技术、全部垮落法管理顶 板，煤炭开采对上覆岩土层的扰动强度比过去强烈得多，因而，采煤沉陷的三个阶段也 会表现出一定程度的变异。 ( 2 ) 采煤沉陷机理的研究 采煤沉陷既与开采因素有关，也受地质因素影响，这已成为大家的共识。采矿学科 和矿山测量学科的教授、学者和工程技术人员，对采煤沉陷与其影响因素的关系进行了 大量的深入研究，取得了许多较为成熟的理论与应用成果。被人们关注最多的地质因素 是煤层覆岩的力学性质l l 2 j 【l3 1 ，大家普遍认为，煤层覆岩中的厚硬岩层对地表沉陷具有托 板式控制作用1 7 j ，因而是影响采煤沉陷特征的关键层。关键层的变形破裂一结构一运 动将在采场覆岩中引起大范围的岩层活动。这种活动下可影响至采场和支架，上可影响 到地表。由于关键层的作用，当工作面推进到一定长度之前，开采引起的地表沉陷是很 小的，以至可以忽略不计；明显的地表沉陷是在覆岩中的坚硬砂岩层开始破断后才突然 出现的1 1 4 j ；主关键层的破断不仅引起地表下沉速度的明显增大，还导致地表移动影响边 界的明显变化，一旦主关键层破断，地表移动影响角明显减小，地表移动影响边界明显 向外扩大【1 5 】。 关于其它地质因素与采煤沉陷的关系，也有一些专题研究。例如，戴华阳等【1 6 】把煤 层倾角作为采煤沉陷预计模型的变量，构建了从近水平到急倾斜煤层开采中岩层与地表 移动的统一化预计模型；文献【1 7 1 卅研究发现，有断层存在时，地表移动范围比正常情况 下扩大，断层露头处的地表移动和变形值大大超过j 下常值，并出现非连续破坏形态，地 表裂缝发育经历时间较短，地表移动和变形程度剧烈；文献【2 睨1 】通过相似材料模拟，得 出了节理使覆岩破坏更加剧烈，使覆岩破坏范围随之增大，对采动岩体裂隙的开裂、扩 展及分布起着主控作用的结论；随后，将损伤力学及分形几何等现代非线性科学应用于 采动沉陷学科领域，就节理对岩体采动沉陷规律的影响进行了更加深入的理论研究和实 验研究。构造应力对煤矿区岩层移动的影响，近年来逐渐得到煤矿研究人员注意。隋惠 权、于广明1 2 l j 认为，拉张构造应力是使下沉盆地范围增大、地面破坏程度加剧、使地表 产生不连续的变形和破坏的主要原因；冯国财等【1 9 】针对断裂活动影响矿区的采煤沉陷灾 害问题，指出在断裂活动影响矿区，构造应力丌挖卸载使地表产生附加水平移动变形， 采煤沉陷灾害加剧。夏玉成等【2 】【4 】针对在不同的构造环境下，同样强度的地下采矿活动 所引起的采煤沉陷有明显差异这一事实，从地质角度系统分析和论证了煤层上覆岩土体 的综合硬度、松散层比例和关键层位置，煤层倾角及褶曲翼间角，节理和断层发育特征， 构造应力状态以及地下水等地质因素对采煤沉陷的控制作用和控制机理，提出“构造控 灾观点，使采煤沉陷机理研究更趋全面和深入。 ( 3 ) 采煤沉陷的预计 近年来，有人尝试应用非线性科学理论和方法，如灰色系统理论、分形理论【2 1 】【2 2 1 、 5 西安科技大学硕士学位论文 人工神经网络预测模型【2 3 。2 5 】等，对采煤沉陷进行预计。虽然非线性科学理论和方法在处 理多因素的复杂非线性问题时，对数据有较高的拟合能力及预测精度，可以克服在不充 分或极不充分采动条件下用概率积分法预计开采沉陷时，系统偏差影响预测精度的问 题。但是，这些理论和方法的应用，必须以相同地质、采矿条件下有比较多的岩移实测 数据，足以构成训练样本为前提。而实际情况往往难以满足这一需要，许多煤矿只有一、 两个工作面的岩移实测数据，甚至完全没有进行过岩移观测。此外，由于不同煤矿区地 质条件的巨大差异，这类预计模型不宜直接用于其它煤矿，因而其推广应用受到客观条 件的限制。 值得特别注意的是，近几年来，数学领域罩的突变理论1 2 6 方法和概念被越来越普遍 的理解和接受。突变理论被应用在采矿、工程地质与水文地质、岩土工程、力学、建筑 结构等学科，来研究岩体的突变情况，已获得较好的分析结果，为岩体的移动变形研究， 开创了新途径。 1 2 2 突变理论在地学中的应用发展 由于突变理论特别适合于内部作用尚属未知系统的研究，近几十年来，突变理论的 方法和概念被越来越普遍的理解和接受。 地质学中，以岩石( 体) 为研究对象，岩体内部结构构造属未知或不完全未知的系 统，或者说是个“黑箱 或灰色事物。而岩体力学的本质特征是非线性。由于岩体形成、 演化中与所处的地质环境不断地进行物质和能量交换，使得组成物质具有多样性、空间 分布具有复杂性、矿物成分具有空间变异性及结构的不确定性、多样性，因此岩体力学 行为实际上是非线性的、动态的、不可逆的演化过程。地质学的这些特殊性为突变理论 在地学领域中的应用开辟了一条新途径。目前我们均应用的是初等突变理论。 国外学者c u b i t t 和h e n l e y ( 1 9 7 6 ) 将突变理论应用于地学中的沉积过程和地壳中的 断层运动，并提出了一个定性的突变模型。国内学者也认识到岩体稳定性是一个复杂的 过程，岩体系统是一个非连续的动力系统，且在岩体失稳突变理论研究中，建立了许多 模型。突变理论已被较广泛的应用在地学中的各个领域，边坡稳定性评价f 2 7 j 1 2 引，岩石工 程力学【3 l 】及开采沉陷等方面。如：秦四清，李爱民等运用突变理论方法对边坡稳定行进 行评判，只用获取几个必要的参数，就能给出边坡失稳的判据( 充分必要条件) ；陈忠 辉，唐春安，傅宇方等用突变理论应对岩石失稳破裂的变形突跳研究，表明用突变理论 研究岩石的突变是可行的。此外，突变理论也被广泛的应用在采煤沉陷中，研究因采煤 沉陷而引起的冲击地压、矿震、顶板冒落、顶( 底) 板突水，瓦斯爆炸等动力灾害，并 取得了一定的成果。 6 1 绪论 1 2 3 突变理论在采煤沉陷研究中的应用 人们常用微分方程模型来描述自然现象，在许多学科领域中固然取得了巨大的成 功，但是微分方程只适宜描述连续变化现象，不适宜描述不连续现象。几十年来，前人 对煤矿采空区的地表沉陷做了大量具体深入的研究，已经取得了一系列重要的研究成 果，对采空区地表进行监测，对其稳定性进行分析并提出相应的预防治理措施。然而， 采煤沉陷是一个复杂的工程力学问题，在地表沉陷的过程、采动岩体破坏及移动中都表 现出强烈的非连续性、非线性和复杂性。采煤沉陷中的突变现象往往具有突发性、不可 预知性，常带来难以预料的灾难，成为困扰煤炭工业的问题。针对此，专家、学者们用 突变理论对采煤沉陷中突变现象进行研究，已经取得成效，并为煤矿的安全生产提供了 一定的参考和指导。 顶板冒落的研究，主要是以钱鸣高院士提出的“关键层理论” 2 9 - 3 1 】为依据合理选择 研究对象，应用突变理论建立力学模型进行分析研究。如：侯忠杰、谢胜华【3 2 】以浅埋煤 层中的组合关键层为研究对象，运用突变理论定量分析了顶板台阶下沉量以及组合关键 层失稳的充要条件。 突变理论也被应用到分析煤矿柱的稳定性，中国生等【3 3 】【3 4 】等对矿房矿柱系统简化力 学模型，确立突变理论模型，分析矿柱破坏失稳的机理，合理优化矿房矿柱自身系统的 力学几何特性参数，得出矿柱产生破坏突变失稳的充要条件。此外，他们针对于底 板突水的预测防治，运用突变理论进行分析研究【3 引，为保证安全生产提供了一定的理论 指导。伍永平、杨永刚、解盘石【3 6 j 在对大佛寺煤矿顶板发生透水机理研究分析中运用突 变理论，定性解释了顶板突水机理，定量得到了基岩关键层极限跨距及顶板突水的充分 必要条件，同时说明应用突变理论分析顶板突水是可行的。 谷新建教授基于能量守恒原理，对采空区项板建立力学模型，运用突变理论研究矿 山冒落型地震机理，结合实例得到顶板冒落时的能量表达式，为矿山冒落型地震成因机 理研究开辟了新途径l j 。 郝飞等根据突变理论的特点，建立煤与瓦斯突出的安全力学条件下，运用尖点突变 理论研究矿井中的煤与瓦斯突出，通过构造煤与瓦斯突出的突变势函数，利用突变尖点 模型对突出的启动和终止过程进行定性分析和研究，从而为煤与瓦斯突出灾害预测与防 治提供新的理论依据1 3 引。 1 2 4 突变理论在采煤沉陷突变中的应用 采煤沉陷突变属于自然现象。所以应用突变理论对其进行分析研究有一定的可行 性，前人开创性的研究对突变理论在岩体失稳中的应用奠定了坚实基础。将关键层控制 理论的基本原理应用于开采沉陷中已成为一种趋势，结合计算机模拟技术运用，已经推 7 西安科技大学硕士学位论文 动开采沉陷学的发展。将突变理论应用于开采沉陷研究中，对地层沉陷理论的发展和人 类生产实践活动具有重要的理论价值和工程意义例。 1 - 3 主要研究内容与目标 在全面收集大量开采沉陷资料的基础上，本文主要研究以下内容： ( 1 ) 分析典型突变现象：包括突变现象发生的地质、采矿条件和突变的特点，及 其带来后果等。 ( 2 ) 研究突变现象的影响控制因素：主要考虑影响开采沉陷的地质因素和采矿因 素，以及开采工艺等。 ( 3 ) 总结突变现象发生的规律：归纳分析突变发生的临界条件、范围、前兆特征 等。 ( 4 ) 建立突变理论模型：研究突变理论的几种类型，考虑控制因素的影响，选择 适合于开采沉陷突变现象的类型建立突变力学模型。 ( 5 ) 揭示突变现象发生的机理：研究上覆岩层突变发生的内在原因及过程等。 ( 6 ) 提出预测与预防措施。 1 4 研究方法与技术路线 1 4 1 研究方法 ( 1 ) 主要针对采煤沉陷相关的科技期刊、硕士和博士论文、科研报告等进行全面 收集，从中筛选出有发生突变现象的典型案例； ( 2 ) 对典型案例进行认真分析，找出影响突变现象发生的主要因素。主要是影响 开采沉陷最密切的地质因素和采矿因素及岩体物理力学性能等。地质因素包括分析上覆 岩层岩性、构造介质、构造介面、构造形态、构造应力及水文地质条件等；采矿因素， 包括开采深度、开采厚度与采空区面积、顶板管理与采煤方法、工作面推进速度、重复 开采情况等。充分考虑影响采空区地面下沉的因素，采用计算机地质学理论分析地质条 件因素和采矿因素的单因素和组合因素与采煤沉陷之间的影响程度，找出影响突变现象 发生的主要因素； ( 3 ) 根据典型突变现象的地质、采矿条件和突变现象发生的影响因素等，并结合 相似模拟实验的结果，总结采煤沉陷突变的特点及类型； ( 4 ) 根据采煤沉陷突变的规律特点和影响因素，建立突变理论模型分析采煤沉陷 中突变现象发生的机理。由于本次研究采煤沉陷中的“突变现象”这一具有突发性等特 点的灰色对象，因此突变理论成为本课题的一种主要分析研究途径和方法。分析上覆岩 层失稳的临界状态条件和揭示采煤沉陷突变的机理； 8 1 绪论 ( 5 ) 突变模型的检验 结合实验原形的地质、采矿条件及岩石的物理力学性质，应用所建立的突变理论模 型对相似材料模拟实验过程结果进行分析验证。由于相似材料模拟实验需耗费较长的时 间和较多人力，并考虑到工作效率和经济因素，本文以现有相似材料模拟试验资料为依 据； ( 6 ) 根据以上理论成果和实际的地质开采等条件，对开采沉陷中突变现象提出预 防措施。 9 西安科技大学硕士学位论文 1 4 2 技术路线 1 0 2 采煤沉陷中的突变现象 2 采煤沉陷中的突变现象 2 1 采煤沉陷突变的概念 本文将采煤沉陷中的突变现象定义描述为：采动条件下的采场或采空区上覆岩体从 一种稳定状态跳跃式地转变到另一种稳定状态，或者说在上覆岩体系统在采动影响下， 某些变量( 如采空区面积等) 从连续逐渐变化导致岩体系统状态的突然变化。其表现为 覆岩瞬时突然塌陷，地表移动沉降幅度从平稳到缓慢、从缓慢到快速的状态变化等，即： 上覆岩体在沉陷过程中呈现出不连续、非线性的特点，与采煤沉陷一般规律性不符合异 常现象，称之为采煤沉陷突变现象，这个过程称为突变过程。 2 1 1 矿井生产中突变现象一一大面积塌陷 山西省是我国的重要煤炭生产基地，煤炭资源赋存特点：分布广、埋藏浅、储量丰 富、品种齐全、煤质优良、开采条件优越。山西全省有六大煤田：大同、宁武、西山、 沁水、霍西、河东。其中大同矿区具有开采历史长，煤层多，面积大，上覆围岩、项板、 煤层具有坚硬特点，因此开采后其煤层顶板不易发生冒落，造成大面积顶板悬空，形成 大面积的地下采空区。随着采煤工作面的不断推进，采空区面积达到某一定程度时，其 大面积悬空顶板瞬间突然大面积跨落，破坏工作面、损坏设备，同时由于顶板大面积的 跨落诱导冲击矿压、矿震发生，压出采空区瓦斯，造成瓦斯、煤尘重大事故隐患，而且 甚至引起地表突然塌陷，伴随陷落地震，对地表建筑设施产生严重的破坏。 大同市国土资源局有关资料显示，目前，大同地下采空区的总面积为5 0 0 k m 2 ，这 一范围内都潜藏着灾害隐患，采空区上的村庄、学校、重要建筑物以及铁路、公路都受 到严重威胁。据大同矿务局统计，从1 9 4 9 年建局至1 9 8 3 年的3 4 年发生3 7 次顶板大面 积瞬时一次冒落【3 】从中选出具有代表性的3 例作为本部分的典型案例： ( 1 ) 案例之一 挖金湾矿青羊湾井1 4 4 层4 0 4 盘区8 3 2 采区，距地表垂深8 4 1 0 4 m ，煤层厚度 4 0 4 3 m ，直接顶为2 5 2 8 m ，基本项为3 0 m 的厚层状中粗砂岩，结构完整，节理裂隙 极不发育。采用房柱式采煤法，一次采全厚，房宽8 l o m ，房间煤柱6 - 8 m 。1 9 5 8 年开 采至1 9 6 1 年5 月采完开始回收煤柱，在回煤柱过程中，于1 9 6 1 年1 0 月2 2 日发生大面 积一次冒落。冒落时采空区面积1 6 3 0 0 0 m 2 ，其中煤柱面积3 3 2 0 6 m 2 ，占采空区面积 2 0 3 7 。瞬时一次冒落面积1 2 4 0 4 7 m 2 ，占采空区面积的7 6 1 ，地面形成1 2 4 3 0 0 m 2 的 圆形盆地，深o 5 1 o m 。冒顶区域如图2 1 所示。由于有预兆，安监员撤出了现场的3 0 名矿工，安监员和3 名区队干部没有来得及撤出遇难，但大面积顶板瞬时一次冒落的同 西安科技走学项士学位论文 时，产生强大的空气冲击，冲击波所到之处将1 4 名矿工摧倒摔死，有的被贴在煤壁上， 摔伤1 9 人。摧毁1 3 道密闭，9 0 多架棚子，整个矿井通风系统、运输系统、供电系统、 通讯系统全部破坏，切目引起的矿震31 级，矿井被迫关闭。 鬻 1 t k e i r 鞠 图2 l 挖金湾矿青羊湾升1 4 。层4 0 4 盘区 8 3 2 采区房柱下作面井下与地面塌陷平而剐 ( 据束永律2 0 0 29 ) ( 2 ) 案例之二 马脊梁矿旧井2 ”层4 0 2 盘区，采深5 58 1 0 6 m ，煤厚6 0 - 67 m ，直接项为3 0 - 45 m 的坚硬砂岩及局部含砾粗砂岩，基本项为5 0 m 以上的黄色粗砂岩。刀柱开采，一次采全 厚。工作面长6 0 7 5 m ，每采2 5 m 留5 m 的刀间煤柱。盘区采夺面积达到1 5 1 2 8 0 m 2 ，其 中煤柱面积2 9 1 7 4 m 2 ，煤柱比率1 9 4 。见囤2 2 ，1 9 7 5 年6 月1 9 日发生了大面积顶板 瞬时一次冒落，冒落面积1 2 5 3 0 2 m 2 ，占采空面积的8 28 3 ，地面塌陷面积约7 0 0 0 m 2 ， 并形成一个近似椭圆形的环状塌陷坑，深度07 m ，塌陷坑周围出现1 3 条大裂缝，展大 宽度36 m ，切冒引起的地震相当于3 2 级。 ( 3 ) 案例之三 雁崖矿开采侏罗纪煤系1 l # p z ；3 0 1 盘区距地面垂深1 3 0 m ，煤层厚度60 - , 7o m ，直接 顶为0 8 - 15 m 的扶色细砂岩，老顶为3 8 , 一1 16 m 的深灰色砂质页岩。采用短壁采煤方法， 锚秆控制顶板，次采全厚。工作面长2 3 0 m ，走向长2 8 5 m 。采空区面积3 0 0 0 1 m 2 ， 其中煤柱面积6 8 5 0 m 2 ，煤柱比率1 9 5 1 9 6 4 年1 0 月2 8 日2 0 对1 0 分发生丈面积顶 板瞬时次冒落，冒落面积1 7 3 7 0 m 2 ，占采空区面积的5 7 9 。因为冒落前顶扳有预兆， 2 采煤沉陷中的突变现皋 及时撤出工作面人员，没有发生伤亡。但产生了较大的空气冲击，摧丌了采区与总回风 道之间预留的泄风口的临时密闭，将空气冲击气流引入盘区总回风槽，使盘区总回j ) 吨道 内的1 5 0 多架木棚子全部摧毁。理论计算空气冲击压强为0 2 0 9 m p a 。螭硬难冒顶板大 面积瞬时一次冒落后，地而塌陷形成7 8 5 0 m 2 的椭圆形盆地，深度达40 m 之多。顶板冒 落及地而塌陷情况如图23 所示。 幽2 , 2 马脊梁矿旧井2 4 层4 0 2 珊医井下与地面塌陷平面蚓 ( 据束永津，2 0 0 29 ) 酗2 , 3 雁崖矿1 14 层3 0 1 盘区井f 与地面塌陷平面图( 据束永汁，2 0 0 2 9 ) 西安科技大学硕士学位论文 从上面三个案例中可以看出，大同矿区上覆岩体岩性为：砾岩、含砾粗砂岩、粗砂 岩、中粗砂岩岩体。且各分层厚度大，为3 5 2 5 m ，岩块单轴抗压强度一般较高，主要 有北东、北西两组呈x 型或m 型构造裂隙，线裂隙度指数o o 1 4 条m ，属于不发育襞 隙等级。因此，从总体来看岩体结构致密，整体性强，岩体强度高。煤层采动后顶板悬 空面积一般为3 0 0 0 7 0 0 0 m 2 ，最大可达到8 0 0 0 1 2 0 0 0 m 2 。 2 1 2 岩移观测与相似模拟材料实验中的突变现象 神府矿区对某工作面岩移观测中发现，观测初始阶段，观测点地表下沉量为o o l m ( 观测2 天) ；在以后的2 2 天里，地表最大下沉量达到2 3 7 6 m ；9 2 天后经观测，地表 最大下沉量为0 0 9 3 m 。表明岩移观测中，地表的下沉量经历了：初始阶段活跃阶段 衰退阶段，其下沉速度从“慢快缓慢 。根据该矿的地质和采矿实际情况， 按照采煤沉陷一般规律计算的采动损坏起动距比工作面实际起动距小，与实际情况恰好 相反。表2 1 为神府矿区和铜川矿区岩移观测记录资料，图2 4 为铜川矿区9 0 5 工作面 地表最大下沉点速度变化曲线，用实际数据说明采煤沉陷突变现象的存在。 表2 1 地表最大下沉点移动参数 ( 据夏玉成，2 0 0 8 1 4 】) 图2 4 铜川矿区9 0 5 工作面地表最人下沉点速度变化曲线 现有的相似材料模拟实验监测数据表明，在进行相似模拟开挖过程中，地表下沉幅 度也存在从缓慢到快速的突变现象。根据己有实验百分表观测数据换算成地表实际下沉 值，所绘出的模拟丌采过程中地表下沉曲线( 图2 5 ) 和根据水准仪测量结果绘出下排 1 4 2 采煤沉陷中的突变现象 测点的下沉曲线( 图26 ) 。模拟开采时，当工作面长度为0 1 0 5 c m 时，地表下沉地从平 稳壤慢沉降，最大下沉量为7 2 m m ；工作面开采长度超过1 0 5 m 后，地表出现快速下沉。 围2 5 相似材料模拟开采全过程百分表监测出的地表下沉曲线图 图2 6 相似材料模拟模型开采垒过程下排测点监铡出的煤层顶板下沉曲线幽 2 2 采煤沉陷突变分类及特点 ( 1 ) 采煤沉陷突变分类 根据上面的典型案例和所收集的众多突变资料，把采煤沉陷突变分为以下几类： 按采煤沉陷突变危害程度可以分为： 覆岩冒落塌陷型突变。如：大同矿区一次大面积瞬时冒落，神木县孙家岔镇边不拉 煤矿突然塌陷等； 地表沉陷盆地型突变。如前所述的岩移观测资料中神府煤矿，地表加速下沉形成沉 陷盆地。 按照采煤沉陷突变所持续的时间分为：急骤型和缓和型。急骤型又可分为一次性彻 西安科技大学硕士学位论文 底冒落突变和一次性滞后突变。如神木县孙家岔镇煤矿接连发生两次大面积冒落。缓和 型是指突变现象发生时的