（采矿工程专业论文）巨厚松散层高潜水位下开采地表移动特征研究.pdf

摘要 摘要 厚松散层矿区地表移动规律不同于常规条件下地表移动与变形规律。本文以 实测资料为基础，用概率积分法求出了巨厚松散层的永夏矿区地表移动与变形的 基本参数及其交化规律。然后通过实验、实测和理论分析，研究了永夏矿区厚松 散含水地层内部非采动沉陷原因，建立了地面非采动沉降计算模型，并对区内地 面沉降进行预计。根据上覆岩层不同的介质特点，采用双曲函数法对厚松散层矿 区地表沉陷进行预计，解决了概率积分法在预计厚松散层开采条件下盆地边缘偏 差较大的问题。为从力学角度探讨岩层移动机理，本文采用f l a c 3 d 有限差分软件 对该条件的地表移动进行了模拟，依据参数识别原理，计算出了岩性参数，在此 基础上，针对巨厚松散层高潜水位村庄下压煤开采的具体问题，研究各种采煤方 法的可行性，并进行地表移动变形预测，认为条带开采是解决该条件下村庄压煤 切实可行的开采方案，然后根据前文求得的岩性参数，利用f l a c 3 d 软件对村庄下 采煤方案进行模拟，并与概率积分法预计的地表沉陷进行比较、验证，从而提高 了地表移动和变形预测可靠性，使采煤方案、开采参数合理可靠。 关键词：巨厚松散层高潜水位非采动沉陷双曲函数法f l a c 3 d a b s 仃a c t r _ e s e a r c ho nc h a r a c t e ro fs u r f 如em o v e m e m c a u s e db ym i n i n g u n d e re x t r at h i c ka 1 1 u v i u ma n dh i g hd i v i n ga r e a t h el a wo fs u r f h c em o v e m e mi n 也em i c ka u u v i u mi sd i 任b r e n tf b mt h eo r d i n a r y g e 0 1 0 9 yc o n d i t i o n s b a s e do nm e f i e l dd a - 协，t h ep 印e rd 鲥v e dt l l eb a s i cp a r 锄e t e r so f s u r f a c em o v e m e n to fy o n g - x i am i m n ga 咒aw i 也e x 姚t l l i c ka l l u v i 啪u s i n g 也em e t h o d o f p r o b a b i l i t yi n t e g r a la i l do b t a i n e dm e i rr e g u l a r i 哆t h er e a s o no fn o n - m i n i n 争i n d u c e d s u b s i d e n c ea i l dd e f o n n a t i o ni ny 0 n g i am i n 证ga r e ai ss n l d i e di nt h i sp a p e rb y l a b o r a t o r yt e s t s ，i n s i t l lm e a s l l r e m e m sa n dt l l e o r e d c a 王a n a l y s i s t h er e s u l t sr e v e a l 吐l e m e c h a f l i s mo fs u b s i d e n c eb ym i n i n gi nm i n e s 、i t ht h i c ka i l u v i u ma i l da r eo f s i 弘i 丘c a n c ei ni n c r e 嬲i n ga c c u r a c yo fs u b s i d e n c ep r e d i c t i o n a c c o r d i n gt om e d i 虢r c n t p r o p e r t i e s0 fr o c ks 臼+ a t aa n da l l u v i 啪i nt h ec o n d i t i o no ft h i c ka j l u v i m ，t h em o d e lo f h y p e r b o l i cn m c 虹o ni su s e dt op r e d i c tt l l es u r f 配es u b s i d e n c em r o u g ht l l e o r ya n a l y s i s ， s o l v i n gm ep r o b l e m 也a 土t h cd e v i a t i o ni s 掣e a t e ru s i n gt h em e m o do f p r o b a b i l i i n t e 翠a 1 i no r d e rt oe x p l o r et l l es 仃 m l mm o v e m e mm e c h a n j s m 仔o mt h em e c h a n i c s ，也es n a t a m o v e m e n ti nt 1 1 i c ka l l u v i 蛐i si m i t a t e db yl l s i n gt 1 1 es o 行w a r eo ff l a c 3 d t h e p a r 哪e t e r so fr o c ka r eo b t a i n e d ，b u i l d i n gt h ef o u i l d a t i o n 也a tu s i n gm e c h a l l i c sm e t l l o d t os t u d ys u r f a c em o v e m e n t a c c o r d i n gt o 也eg e o l o g i c a la n dm i n i n gc o n d i t i o n so fa c e n 如m i n i n ga r e a ，ig t u d yt h ef e a s j b i l 姆m i n i n gm e 也o d ，p r e d i c t 也ef i n a la n d d ”锄i cr e s l l l t ，a i l dp u tf o 删t ot h ec o n c l u s i o n 恤ts t r i pm i n i l l gi st h ef c a s i b l e m e 也o di n 喊sa r 。au n d e fb u i l 曲1 9 s a tl t ，f i a c 3 dn m 嘶c a la n a l y s i si su s e dt o s i m u l a t e 也es 仃i pm i i l i n gm e m o d c o m p a r i s o n sa r cm a d eb e m e e na i l a l o g u er e s u l t sa n d p r e d i c t i o n r e s u l t sw i t it l l em e t l i o do fp r o b a b i l i t yi n t e g 豫i ，t l l e r e b yi m p r o v i i 培t h e r c l i d b i l i t yo fp r e d i c t i n gt l l es u r f a c em o v e m e n ta n dd e f o m a t i o na 1 1 di n s 曲n gm em i n i n g m e t h o da n dt h em i n i n gp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：e x t r a “c ka l l u v i u m h i g hd i v i n ga r e a n o n - m m i n g - i n d u c e d s u b s i d e n c ea n dd e f 0 n a t i o nt h em e t h o do f l 卵e r b o l i c 胁c t i o nf l a c 3 d l i 河南理工大学 学位论文原创性声明 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 的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地 方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名 河南理工大学 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：研究生在按攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于河南理工大学。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。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：圣苤茎 睁6 月日 指导教师签名 研一年6 月z 日 笙旧 盔阴 三声 d l 引言 1 1 研究的现实意义 1引言 开采地下资源引起的地表沉陷问题越来越受到人们的关注，控制开采沉陷， 保护人类生存环境是煤矿安全、高效生产所面临的重大课题。百余年来，人们根 据实测资料采用多种研究手段，经过不懈努力，对一般条件下采煤引起的岩层及 地表移动规律有了比较深刻的认测1 l 引。但对于特殊地质采矿条件下采煤引起岩层 及地表移动的研究还不够，有待于进一步深入研究，巨厚松散层高潜水位下采煤 引起的覆岩及地表移动规律就是其中之一。 具有厚松散层采矿条件的矿区主要分布在我国的华北及华东等地。近几年来， 在这些矿区，为解决具有厚松散层下“三下一上”压煤开采等问题，总结开采后 的覆岩破坏及地表移动规律，相继建立了一些地表移动观测站，取得了大量的实 测资料。淮北、淮南矿区与有关单位合作，对观测资料进行了初步总结，求得地 表移动变形的主要参数并分析了参数的变化规律，其实际意义是显而易见的。上 述矿区的特点是在厚松散层内存在不同程度的含水流砂层，因而在该矿区具有地 表移动变形规律中下沉系数大于1 这一特性1 3 j 。 永夏矿区则属另一类厚冲积层矿区。永夏矿区位于河南省永城市境内，存在 很厚的冲积层( 平均厚度3 1 3 m ) ，且潜水位较高( 距地表1 5 3 5 m ) ，该矿区冲积层 大致分为“四含四隔”各含水层之间有较为稳定的、较厚的隔水层，而且底部普 遍发育一层稳定的厚粘土层，这一情况与淮北、淮南不同，两淮矿区厚松散层含 水砂层直接与基岩接触，可能成为矿井直接充水水源。永夏矿区所处地区农业发 达，村庄密布，平均每平方公里有近2 5 个村庄，村庄下压煤现象非常严重，矿区 “三下”压煤问题如得不到有效解决，将大大缩短该矿区的生产服务年限，加速 矿井过早进入衰老报废期，不但给国家资源造成极大的浪费，还必然带来诸如就 业压力等众多社会问题。因此对本课题的研究，不仅对岩移理论有一定的补充完 善作用，还具有很重要的实践意义。 河南理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究概况及进展 1 2 1 开采沉陷学研究概况 早在十九世纪末，采矿引起的覆岩移动与破坏以及由此造成的井巷和地面建 筑物的损害就引起了人们的注意，并进行了初步的观察和记录，对开采沉陷的影 响问题有了一些初步的认识和研究。 二十世纪二十年代起，由于进行了地表移动实地观测，因而使开采影响理论 得到发展，在一些产煤先进国家已把岩层与地表移动作为一项科学研究工作【4 】。 1 9 2 8 年德国人凯因赫尔斯特( k e i n h o r s t ) 根据地表下沉结果提出了下沉量的计算 方法，成为探索和正确确定开采影响方法的转折点。1 9 3 1 年德国人巴尔斯( b a l s ) 发展了凯因赫尔斯特的理论，提出了连续影响分布的影响函数，为影响函数法奠 定了基础。1 9 4 0 年派茨( p e r z ) 等进一步发展了开采影响分布理论。所有上述从 几何角度出发，研究开采影响分布规律的地表下沉几何理论，是一种合乎逻辑的 方法，但是，其划分开采影响的方法不精确，根据不充分，因而导致理论结果与 实际资料之间存在着一定的误差【5 】。 从十九世纪末到目前，开采沉陷理论的研究已有上百年的历史。直到二十世 纪四十年代以后，开采沉陷理论才真正开始取得长足发展。1 9 4 7 年前苏联学者阿 维尔申利用塑性理论对岩层移动进行了分析研究，建立了描绘地表下沉盆地剖面 形状的公式，在大量实测资料的基础上，提出了开采水平煤层时地表的水平移动 与地表的斜率成正比的著名观点【6 。 1 9 5 0 年以后，波兰学者布雷德克( b u d r y k ) 和克诺特( k 0 n 址l e ) 提出了连续分布 影响曲线的概念，并选用高斯曲线作为影响曲线，从而使几何理论得到新的发展， 由此理论得出的结果也获得了广泛的实际应用【7 1 。 1 9 5 2 年波兰学者萨乌斯托维奇运用弹性理论，导出了地表下沉盆地的剖面方 程( 即弹性基础梁的波动理论) 。1 9 5 4 年波兰学者李特维尼申( l i t 谢n i s z y n ) 提出 了开采沉陷的随机介质模型，从而将开采沉陷理论的研究提高到一个新的阶段， 至此逐步形成了开采沉陷学的理论体系【羽。 综上所述，开采沉陷理论从十九世纪末到二十世纪四十年代，是本学科发展 的初期。在这几十年中，人们认识到研究地下开采对地表影响的重要性，提出了 有关岩层移动规律的一些初步的假说，并利用生产积累的经验初步在民用和工业 河南理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究概况及进展 1 2 1 开采沉陷学研究概况 早在十九世纪末，采矿引起的覆岩移动与破坏以及由此造成的井巷和地面建 筑物的损害就引起了人们的注意，并进行了初步的观察和记录，对开采沉陷的影 响问题有了一些初步的认识和研究。 二十世纪二十年代起，由于进行了地表移动实地观测，因而使开采影响理论 得到发展，在一些产煤先进国家已把岩层与地表移动作为一项科学研究工作h 。 1 9 2 8 年德国人凯因赫尔斯特( k e i i l l l o r s t ) 根据地表下沉结果提出了下沉量的计算 方法，成为探索和正确确定开采影响方法的转折点。1 9 3 1 年德国人巴尔斯( b a i s ) 发展了凯因赫尔斯特的理论，提出了连续影响分布的影响函数。为影响函数法奠 定了基础。1 9 4 0 年派茨( p e l 2 ) 等进一步发展了开采影响分布理论。所有上述从 几何角度出发研究开采影响分布规律的地表下沉几何理论，是一种台乎逻辑的 方法，但是，其划分开采影响的方法不精确根据不充分，因而导致理论结果与 实际资料之间存在着一定的误差口l 。 从十九世纪末到目前，开采沉陷理论的研究已有上百年的历史。直到二十世 纪四十年代以后，开采沉陷理论才真正开始取得长足发展。1 9 4 7 年前苏联学者阿 维尔申利用塑性理论对岩层移动进行了分析研究，建立了描绘地表下沉盆地剖面 形状的公式，在大量实测资料的基础上，提出了开采水平煤层时地表的水平移动 与地表的斜率成正比的著名观点嘲。 1 9 5 0 年以后，波兰学者布雷德克( b u d r y k ) 和克诺特( k o m e ) 提出了连续分布 影响曲线的概念，井选用高斯曲线作为影响曲线，从而使几何理论得到新的发展， 由此理论得出的结果也获得了广泛的实际应用【7 】。 1 9 5 2 年波兰学者萨乌斯托维奇运用弹性理论，导出了地表下沉盆地的剖面方 程( 即弹性基础梁的波动理论) 。1 9 5 4 年波兰学者李特维尼申( l i t w i l l i s z y l l ) 提出 了开采沉陷的随机介质模型，从而将开采沉陷理论的研究提高到一个新的阶段， 至此逐步形成了开采沉陷学的理论体系口】。 综上所述，开采沉陷理论从十九世纪末到二十世纪四十年代，是本学科发展 的初期。在这几十年中，人们认识到研究地下开采对地表影响的重要性，提出了 有关岩层移动规律的一些初步的假说，并利用生产积累的经验初步在民用和工业 有关岩层移动规律的一些初步的假说并利用生产积累的经验初步在民用和工业 1 引言 建筑物下有意无意进行了许多压煤开采的试验。二十世纪四十年代后到现在，是 理论大幅度发展的阶段，建立了许多系统的理论，从各个不同的观点出发，研究 了开采影响下岩层及地表移动的规律，尤其是地表移动的空间和时间规律。其中 尤以水平煤层开采的问题研究的较多。比较著名的有布雷德克一克诺特代表的几 何学派、阿维尔申及萨乌斯托维奇代表的连续介质力学学派，以及李特维尼申代 表的随机介质学派等等。现在的理论能较有根据地说明岩层与地表移动的一般规 律，其中某些理论结果在实践中获得了广泛应用，对建筑物下压煤开采工作起了 关键性的指导作用。近二三十年来，由于一些相邻学科与开采沉陷互相渗透、互 相促进，不仅使开采沉陷发展成为一门综合性、边缘性学科，而且在概念、方法 和手段上都有了很大的发展。 我国自2 0 世纪5 0 年代开始应用相似材料模拟研究开采沉陷规律及开展开采 沉陷的现场实际观测工作。系统的研究工作是自6 0 年代初开始的 9 1 。研究工作主 要包括：地表的移动规律，用各种数学函数描述地表的下沉曲线；条带开采地表 下沉移动规律：数值模拟，有：有限元、边界元、离散元法等：力学方法，厚硬 岩层的力学性质对地表沉陷的影响：覆岩中的结构对地表沉陷的影响等。具体研 究成果如下：刘宝琛、廖国华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( 1 9 6 5 ) ；刘天泉等对水平煤层、缓倾斜煤层、急倾斜煤层开采引起 的覆岩破坏与地表移动规律作了深入的研究( 1 9 8 1 ) ，提出了导水裂隙带概念，建立 了垮落带与导水裂隙带高度计算公式，为提高煤层开采上限，减少煤炭资源损失 作出了很大贡献：何国清、马伟民、王金庄等建立了碎块体理论一地表沉陷的威 布尔分布( 1 9 8 1 ) ；周国铨、崔继宪提出了负指数函数法计算地表移动( 1 9 8 3 ) ：白矛、 刘天泉对条带开采中条带尺寸进行了研究( 1 9 8 3 ) ；李增琪应用积分变换法导出层状 岩层移动的解析解( 1 9 8 3 ) ：张玉卓应用边界元法研究了断层影响下地表移动规律及 提出了岩层移动的错位理论( 1 9 8 7 ) ；而谢和平的损伤非线性大变形有限元法( 1 9 8 8 ) ， 何满潮的非线性光滑有限元法( 1 9 8 9 ) ，杨伦、于广明的岩层二次压缩理论( 1 9 8 7 ) ， 将地表沉陷与岩层的物理力学性质联系起来；杨硕建立了开采沉陷的力学模式 ( 1 9 9 0 ) ；王泳嘉将离散单元法和边界元法应用于开采沉陷中应力、位移、变形的研 究( 1 9 9 2 ) ：邓喀中提出了开采沉陷的结构效应( 1 9 9 3 ) ；吴立新、王金庄建立了条带 开采覆岩破坏的托板理论( 1 9 9 4 ) ：麻风海应用离散元法研究了岩层移动的时空过程 ( 1 9 9 6 ) ：于广明应用分形及损伤力学研究了开采沉陷中岩层非线性影响的地表沉陷 规律( 1 9 9 7 ) ；唐春安给出线弹性有限元法( 1 9 9 7 ) ；郭增长建立了极不充分开采条件 河南理工大学硕士学位论文 下地表移动的预计方法( 19 9 8 ) 等等。 在上述开采沉陷的研究方法中，应用力学方法研究开采沉陷，是经过许多的 简化处理后的理想状态下的模型，他们对覆岩破坏机理及地表沉陷的研究成果， 在其相应的条件下有其完善的一面，而在不同的地质条件下又失其普适性。 在影响函数方法研究中，具有代表性的概率积分法，在上覆岩层的岩性差别 不大且无地质构造情况下，所反映的覆岩移动规律和变形接近于实际情况，被广 泛应用；而在上覆岩层的岩性差别较大情况下，特别是在有厚硬岩层、冲积层、 地质构造情况下，预计岩层及地表的移动和变形与实际情况有一定差别。 1 2 2 本课题研究现状及进展 2 0 世纪8 0 年代初，在淮北的刘桥一矿、朱仙庄矿等发现在厚松散层条件下， 采矿引起的地表下沉系数大于1 ，一些专家学者由此开始了对厚松散层的研究。对 于下沉系数大于1 的现象，学者们经过研究认定，采煤和巷道掘进工程中含水地 层的局部水位降低，失水地层受附加荷载作用，导致了土层空隙比发生变化，从 而引起地表的附加下沉，他们还讨论了下沉机理和附加下沉的计算问题u “。 对于厚松散层下开采地表沉陷量的构成，目前理论界已基本达成共识，即： 地表下沉量的构成，主要包括两部分：一是开采岩土体的塌陷，包括岩土体的塑 性变形、流变及冒落物的压密等，即传统的开采沉陷量：二是开采沉陷土体的固 结变形量，而且体固结变形量在开采沉陷构成中占相当大比例。因此，各位专 家学者在各自课题的研究中，普遍将松散层与基岩两部分分开进行考虑。 由于理论及工程实践的需要，近年来参与厚松散层下开采沉陷课题研究的学 者渐多，理论成果主要有如下几方面； 中国矿业大学的钱鸣高院士带领的课题组，提出了岩层移动与控制的关键 层理论，在岩层移动中考虑了坚硬岩层的控制作用】。 认为在厚松散层矿区的煤层上覆岩层，总体上分为第三、四纪表土层和基岩 两部分。衰土层多为含水松散层，与基岩相比有不同的变形移动特性，研究岩层 移动应该将表土层和基岩段分开。为了解清楚岩层变形、破坏和移动的动态过程， 关键在于要分析清楚岩层中起主要控制作用的厚硬岩层的变形破断运动规律及其 运动过程中与上、下部软硬岩层间相互耦合的作用关系。 王金庄等提出了松散层下开采的双层介质模型。松散层结构松软，抗变形 能力低、抗剪强度低，和基岩相比属于软弱层，基岩可以认为是松散层沉陷的控 4 1 引言 制层，相似材料模拟试验表明受基岩沉陷影响，其上的松散层呈现整体下沉。 下位基岩采用均质连续各向同性的弹性体模型，呈梁弯曲形式，从梁弯曲去研究； 上位松散层采用统计分析方法研究，可以认为松散层的移动主要表现随机过程， 可采用随机介质力学模型研究。 王泳嘉等提出了巨系统复合介质岩层移动模型，建立了复合介质层状( 薄 板) 一离散( 块体) 耦合模型i l ”。认为上覆岩层大体可分为两种形态：其一是断 裂带和离层传递带的大位移，大变形区域，称作“下位岩层”，其二是整体移动带 的均布弯曲小变形区域，称作“上位岩层”。上位岩层采用连续变形的弹性层状介 质模型是合适的，岩层明显呈现板弯曲的形式，应该以薄板弯曲的角度去研究， 下位岩层采用弹性层状介质模型是不太合适的，下位岩层呈现分层块体变形的形 式，应以离散元数值模拟的角度去分析3 1 。 中国矿业大学的隋旺华博士从多学科角度出发，以厚松散层工程地质特性 和机理研究为切入点，研究了深厚土体在采动影响下土体变形和孔隙水压力相互 作用机理以及超静孔隙水压力和土体变形随开采和时间的变化规律 1 4 】，并分析了 各种工程地质因素对土体变形的影响。 在预计方法上，淮北矿务局纳入了 凰0 l 为松散层厚度，皿，为上覆地层总 厚度) 作为计算变量，用概率积分法进行预计，在取得较令人满意效果的同时，也 发现用概率积分法预计的下沉盆地边缘部分与实测资料相比收敛过快。郝庆旺博 士也提出了采动岩体扩散模型的空源假说i l 引，丰富了随机介质理论，获得了令人 满意的预计效果，但是由于空源定位上的假定，必须采用反分析求参数和确定空 源密度，实际应用尚有难度。可见。这些发展和修正的针对厚松散层开采沉陷的 预测方法。难以反映厚含水松散层下开采沉陷土层内部移动变形机理及水土耦合 作用机理，也没有考虑土体沉陷过程的时间效应。 国际上对于厚松散层下开采沉陷课题的研究并不多见，主要集中在城市地表 沉降方面“”。”。原苏联研究了顿巴斯和西顿巴斯矿区厚松散含水层下采煤地表观 测显示出的沉陷特性，用】l l 日。( h 为松散层厚度，耳。为基岩厚度) 衡量松散层的 影响，主要是研究了 h 对水平移动的影响。波兰的j 斯泰拉克研究了由于含水 层疏干造成的下沉量【5 j ，但所建立的公式并不适合于厚松散层沉陷变形预计。 综合以上分析，可见厚松散层下开采沉陷方面研究的进展主要有以下几点： a 、厚松散层下开采现场观测表明地表移动变形与一般地质条件下相比具有特 殊的规律和移动参数： 河南理工大学硕士学位论文 b 、对厚松散层矿区地表移动变形特殊性产生的原因作了一些探讨； “发展或改进了一些理论方法对地表移动变形进行预计，在计算中普遍考虑 了松散层厚度这一因素，且致认为传统的方法难以取得令人满意的效果： d 、认识到研究开采沉陷中考虑水土、水岩耦合作用的重要性，并对总应力变 化造成的主固结问题进行了初步分析。 1 3 存在问题及本文研究内容 永夏矿区巨厚松散层高潜水位地下开采地表移动变形规律研究这一课题来源 于河南省教委、企业联合攻关项目，主要是针对该矿区巨厚松散层村庄下压煤开 采问题提出的。有关厚松散层下开采沉陷这一课题的研究与探讨是传统开采沉陷 理论研究的深入和更进一步的发展，是开采沉陷学科应生产发展的需要而产生的 一个新的研究分支。对厚松散层下开采沉陷问题的研究，将使得传统开采沉陷理 论更加成熟，日趋完善。 从目前国内外专家学者在本领域所做的工作，可以看出目前的研究中仍存在 许多不足，有待于进一步深入研究，主要有以下几个方面： 厚松散层土体的工程地质特性研究不够。深部土体由于常规的市政建设和 水利设施涉及不到，相关资料缺乏，因此到目前为止，对深部土的工程性质的了 解还很不够； 采动影响厚松散层土体内应力分布情况，土体固结变形与孔隙水压力变化 规律； 长期以来人们对上覆岩层跨落带、裂隙带研究较多，而对弯曲带特别是厚 松散层条件下采动影响土体的移动变形规律和机理研究较少； 基岩移动变形与厚松散层土体移动变形之间的关系有待进一步研究： 厚松散条件下开采地表移动变形预计及厚松散层对地表移动参数、角量参 数的影响。 由于本课题研究涉及的领域较广，是多学科相互交叉、相互渗透的研究课题， 需要矿山测量、采矿工程、煤矿地质学、开采沉陷、岩土力学、概率与数理统计 等许多学科的知识，因而研究难度较大。但许多相关学科已有深入研究，如岩 力学中对有关岩土的岩性进行的详细研究，土的固结、压缩等方面己形成完整的 理论和方法：矿山开采沉陷学从实测、预计到控制的一套完整理论与方法，是本 l 引言 课题主要的借鉴与参考，同时也是课题必不可少一个组成部分。前人在本领域所 做的工作，为本课题的研究提供了翔实的比较、鉴别资料，同时也为本课题的研 究奠定了良好的基础。 鉴于以上原因，本论文以理论分析、现场实测和数值模拟作为主要研究手段， 在借鉴前人已取得成果的基础上，对本课题展开研究，主要做了以下几方面的工 作： 本文以实测资料为基础，全面总结了永夏矿区地表移动变形规律，以满足 生产的需要； 通过实验、实测和理论分析，对永夏矿区厚松散层地层内部非采动沉陷原 因进行研究；然后，从地下开采引起的地表沉陷和厚冲积层含水层失水引起的地 表沉陷两种不同的沉陷机理出发，试图立足多学科经典理论，以众多的现场资料 分析为基础，建立厚冲积层条件下非采动地表沉陷引起粘土层固结压缩沉降计算 公式，以期用更为科学有效的方法预防和治理地表沉陷对地表构筑物的不利影响； 在地表移动变形计算方面，传统的预计方法概率积分法原理将上覆岩体视 为单一介质处理，并没有顾及基岩和冲积层的物性差异，本文的理论探讨在前人 研究的基础上，利用新的预计模型，对实例矿井进行预计，并与概率积分法预计 结果进行对比； 为了获得可靠的f l a c 3 d 数值模拟力学模型和岩性参数。利用参数识别原 理，对试采工作面的实测资料进行反演运算，综合分析并与概率积分法结果相比 较，以验证f l a c 3 d 数值模拟预计方法的可行性： 针对车集煤矿2 4 采区的村庄下采煤问题，本文从经济、技术角度分析了可 行的采煤方法，建立了地表移动变形的预测模型，并对2 4 采区村庄采煤采用的开 采方案进行预测，并结台建筑物破坏( 保护) 等级和经济效益的比较，对开采方案 进行优化设计： 利用f l a c 3 d 数值模拟对2 4 采区优化后的开采方案进行模拟分析，得出一些 有价值的结论，并进一步验证2 4 采区开采设计参数的合理行和可靠性。 河南理工大学硕士学位论文 2 1 引言 2 永夏矿区地表移动规律 永夏矿区是我国“七五”、“八五”计划重点建设项目，是新兴的无烟煤生产 基地，“三下”压煤量很大，而且该矿区又属厚松散层高潜水位矿区。该矿区目前 尚无一套完整的岩层移动规律可供“三下”压煤开采的指导，其次，两淮矿区虽 也为厚松散层矿区，同时有关单位也曾就该矿区的覆岩破坏和地表移动规律进行 了不同程度的探讨，但两淮矿区上覆岩层中均存在厚度不尽相同的含水流砂层， 由于这一特殊地质条件的存在，其规律尚不能为本矿区所借鉴，因而总结该矿区 的地表移动规律对指导“三下”压煤开采具有实际应用意义，因此，本章以实测 资料为基础，主要介绍永夏矿区厚松散层下采煤引起的参数变化规律及地表沉陷 特征。 2 2 地表移动变形参数变化规律及地表沉陷特征 地表移动变形参数包括地表移动基本参数和角量参数，地表移动基本参数涉 及到煤炭开采以后地表变形程度，而角量参数决定移动盆地的形态及可靠的地质 损害分析、永久及临时安全煤柱的合理留设【1 8 】。目前，我国广泛采用的地表与变 形预计方法是概率积分法，丽概率积分法实旅地表移动与变形预计的基本参数有 下沉系数q 、主要影响角正切t a n 、拐点偏移距s 、水平移动系数b 和最大下沉角 e ：角量参数有边界角、移动角和裂缝角。 为研究冲积层条件下地表移动变形规律，相继在永夏矿区陈四楼煤矿2 2 0 6 工 作面、车集煤矿2 2 0 1 、1 3 2 2 工作面上方地表建立了地表移动观测站，取得了一些 观测数据。本节主要以实测数据为基础，对厚冲积层矿区地表移动变形基本参数 和角量参数变化规律进行讨论。 2 2 1 矿区地质采矿条件及测线设置 永夏煤田属全隐蔽煤田，煤系地层属下二叠系山西组和下石盒子组，上覆基 岩以砂岩和砂质泥岩为主，属中等坚硬岩层，新生界覆盖层厚度3 2 0 4 0 0 m ，由 粘土、砂层与砂质粘土组成，含水丰富，潜水位标高+ 3 0 o + 3 3 5 m ，距地表1 5 3 5 m 。 2 永夏矿区地表移动规律特点 区内主采煤层为二2 、三3 煤，二2 煤平均厚度2 5 m 左右，三3 煤平均厚度1 6 m ； 煤层倾角平缓，煤层顶板多为泥岩、砂质泥岩或砂岩，易于管理，属稳定至中等 稳定顶板；底板多为砂岩或砂质泥岩，不易发生底鼓，水文地质条件简单至中等。 三煤组和二煤组之间的开采顺序为“上行”，即初期先开采二2 煤层，后期再采三 煤组。采煤方法为单一倾斜( 或走向) 长壁采煤法，全部陷落法管理顶板。回采工作 面装备为综合机械化。 区内煤层赋存较稳定，多为单斜构造，观测线所设采区及工作面地质构造比 较简单。由于采用“上行”开采，观测数据均为二2 煤开采的观测结果，且易区分， 基本为地表稳定后的观测结果。 为清晰起见，将各工作面观测站情况列于表2 一i ，各工作面地质采矿要索见 表2 2 。 2 2 2 下沉系数及地表最大下沉值 下沉系数q 下沉系数是充分采动条件下地表移动稳定后最大下沉值与采厚之间的比例关 系，其数值取决于上覆岩层的性质、采煤方法、顶板管理方法以及采动次数等因 素。永夏矿区均为走向长壁采煤法，冒落法管理顶板。走向达到充分采动，倾向 为非充分采动。表2 3 为三个工作面的实测下沉系数。求取方法是根据概率积分 法原理。按间接平差法，利用实测的下沉及水平移动值，通过全剖面的曲线拟合 求取参数，这种方法比用特征点求取参数精度高。并能满足各参数之间的匹配关 系。此外，对于非主断面上的观测点也能用来求取参数。 由表中数据可见，地表下沉系数随冲积层厚度的增加而增大。这就是说，松 散层厚度越大，下沉系数越大，且有随采深加大而增加的趋势。厚冲积层条件下 地表下沉系数比一般地区偏大的实事在淮南矿区也得到证实。潘集一矿工作面平 均采深为4 3 0 m 左右，第四系冲积层厚度达3 5 0 m 左右，实测下沉系数均在0 8 以 上，此外，在新生界存在含水层。由于不断失水导致含水松散层压缩使地表下沉 变大，下沉系数出现大于1 的情况，淮南矿区一般条件下下沉系数为o 6 0 8 。 经分析，永夏矿区巨厚松散层条件开采地表下沉系数偏大的原因有以下两点： 1 ) 松散层与基岩比较，其密度低，相对软化，没有明显分层，相似模拟试验 表明，在采动沉陷过程中，松散层内不出现离层裂缝，自松散层与基岩接触面起 至地表的松散层内，各点的下沉量无明显减少现象，而基本相等，说明松散层呈 河南理工大学硕士学位论文 整体性下沉。 表2 一l 观测站概况 t a b l e2 1 s u r v e yo f o b s e r v a t j o ns t a t i o n s 观测线长度 测点数( 个)控制点数( 个) 煤厚m ( m ) 倾角n ( 。) 上山采深( m ) 下山采深( m ) 平均采深h o ( m ) 走向长l ( m ) 倾斜长d 松散层h 厚( 1 ) 基岩h 基厚( m ) 开采煤层 开采方法 顶板管理方法 开采时间 3 1 l o 。 3 8 6 4 1 7 4 0 1 8 6 0 1 8 5 2 8 6 1 1 5 2 走向长壁 全陷 9 8 6 2 0 9 9 1 1 1 3 2 9 5 l o 。 4 4 0 4 8 0 4 6 0 1 3 5 0 1 9 5 2 2 0 2 4 0 一2 走向长壁 全陷 9 9 1 0 5 0 1 6 1 0 2 5 1 0 。 4 6 8 5 0 2 4 8 5 1 0 5 0 2 0 0 3 0 4 1 8 l 一2 走向长壁 全陷 0 0 1 2 4 0 2 5 1 0 2 永夏矿区地表移动规律特点 表2 3 实测下沉系数 1 h b l e2 3s u b s i d e n c e 口a f a m e t e ro fa c t u a lm e a s u r e m e n t 2 ) 松散层的岩性较软，易产生塑性变形，在自重力作用下，会对其下部基岩 产生较大压力，特别是当松散层为巨厚，基岩相对薄时，基岩的抗变形能力较弱， 这样，起控制作用的基岩在巨厚松散层的巨大压力和自重作用下，容易发生移动 变形和折断，引起下沉量增大。 关于采动程度的讨论 衡量采动程度时，一般采用工作面长度d 和开采深度h o 两种主要参数的比值 来判断。 永夏矿区的陈四楼矿和车集矿，松散层厚度为3 5 0 m 左右，经实地观测，在采 面长度d 很小及其与采深h o 比值还达不到一般情况下的比值时，地表已出现充分 采动的特征。这说明，在巨厚松散层条件下，采用采深d h o 作为衡量充分采动的 标准已不能合理反映采动程度。 由于冲积层的强度相对基岩很低。基岩可作为控制岩梁，地表下沉盆地的纵 向发展程度取决于基岩岩性、采厚及开采方法。陈四楼2 2 0 6 工作面和车集矿2 2 0 l 工作面岩性、开采方法相同，采厚也相近，但2 2 0 1 工作面基岩较厚比较而言， 2 2 0 l 工作面基岩所起的控制作用较大。通过相似模拟实验表明，冲积层和基岩的 交接面在采动过程中始终不产生脱离现象，说明开挖在基岩面形成的下沉空间由 冲积层的整体下沉所充填，因此地表的采动程度完全由基岩的采动程度所决定。 由此可见，用采宽和基岩厚度的比值d h * 更能反映采动程度。由前面实例， 2 2 0 6 和其它两个工作面d h * 比值相差较大，因此下沉系数相差也大。再如，淮 北张庄、刘桥一矿及朱仙庄，d ，h 比值分别为1 0 7 7 、1 1 7 9 及1 4 2 5 ，比值相差 不大，因而这三个矿的下沉系数均为o 9 6 。 可南理工大学硕士学位论文 地表最大下沉值 无厚冲积层时，一般用下式计算非充分采动条件下地表最大下沉值： 一驴“”“苟云 ( 2 叫) d l 为倾向工作面长度，d 2 为走向长度，h o 为平均采深，f 为采动程度函数。 有厚冲积层时，地下开挖的结果首先在基岩上表面形成下沉盆地，设基岩面 上的最大下沉为w 。i ，则有： d 1d 1 一矿“”八盖盖 ( 2 1 ) 式中q i 为基岩下沉系数。 冲积层作为载荷覆于基岩之上，其影响也使基岩下沉增大，故应考虑其厚度： 一矿州每每专 c z 基岩最大下沉w m j 通过冲积层传递到地表，使地表最大下沉为w t 。，比值 w m ，、m j 可看做是冲积层相对于基岩的下沉的系数，设为q l ，则地表最大下沉为： 。，g ? ( 2 4 ) 将式( 2 3 ) 代入上式，得： 一v 旷，哇，每寺 c z 訇 由此可见，地表下沉系数q 为： 9 2 9 j 口，( 2 6 ) 上式表明，地表下沉系数为基岩下沉系数与冲积层相对于基岩的下沉系数之 乘积。无冲积层时，q i = 1 ；有冲积层时，由模拟实验观测到基岩面最大下沉通过 冲积层传递到地表仅有微小衰减；当冲积层中有流砂层存在时，q l 可能比较大，使 地表下沉系数大于1 。 由此地表最大下沉为： 训c o s 吖囔t 每寺 c z 叼 上式中当脖0 时，ht = h o ，上式就变成( 2 1 ) 式。 1 2 2 永夏矿区地表移动规律特点 由于本矿区观测站较少，实测资料尚不全面，难以从部分观测资料中合理确 定永夏矿区求最大下沉的经验公式。 2 2 3 拐点偏移距s 拐点偏移距决定下沉曲线的拐点与煤层开采边界的相互位置，拐点通常不在 边界正上方，而向采空区或者煤柱方向( 有相邻老采区时) 偏移。对于一些预计方法 来说，关系到坐标原点的位置，直接影响到各种移动变形值的计算精度，是一个 很重要的定位参数。永夏矿区实测拐点移动距见表2 4 。 表2 4 实测拐点移动距 t 扎l e2 4i n n e c t i o np o i n to f 斑e to f t l l a lm e 硒u 舱m e n t 拐点偏移距与岩性、回采区段尺寸、采深和邻区开采的影响有关。当采区尺 寸达充分采动时，它趋于定值。本矿区走向已达到充分采动，由表中数据可见， 走向拐点移动距随采深增加而增大，停采线侧拐点移动距大予开切眼侧拐点移动 距，下沉盆地是偏态的。由于数据较少，且1 3 2 2 受相邻采区开采影响，因而无法 分析采宽对拐点移动距的影响。 根据规程 19 】：当上覆岩层为坚硬岩层时。充分采动的拐点偏移距为o 1 5 0 2 0 h o ，中硬岩层时为o 1 0 0 1 5 h o ，软岩为o 0 5 0 1 0h o ，由表中数据可见，永夏矿 区拐点移动距属软弱类岩层。 2 2 4 主要影晌角正切协n 口 地表下沉系数的增大，同时地表沉陷盆地的范围也将扩展，反映地表沉陷影 河南理工大学硕士学位论文 响范围的指标为概率积分参数t a n 卢，永夏矿区各矿实测走向t a l l 值，陈四楼矿 2 1 6 3 。9 9 ，车集矿2 4 9 4 3 1 ，这充分表明巨厚松散层下开采，引起的地表沉 陷盆地范围扩展。 主要影响角正切与综合岩性密切相关，综合岩性越硬，t a i l 值越小；综合岩 性越软，t a n 口越大。冲积层影响着岩性参数的变化及地表移动盆地的形态，一方 面基岩作为下部岩体，最先受到采动影响，它的移动变形和破坏，决定了冲积层 的活动特点；另一方面，冲积层作为抗弯能力很低的松散介质覆盖于基岩之上， 不仅对基岩起荷载作用本身又以流动形式充填基岩下沉空间，最终引起地表下 沉。表土层的流动特性决定了地表移动范围大，且随冲积层厚度的增大而增大， 这是厚冲积层矿区主要影响角正切诅n 大的主要原因【2 0 】。分析永夏矿区松散层下 开采的地表移动观测成果，回归分析主要影响角正切t a l l 卢和松散层厚度 、采深。 的关系可得如下线性关系： 伍n 胪a “告士m ( 2 8 ) 式中：a 一系数，取2 0 5 6 ； b 系数，取o 5 1 6 ； f r 中误差。 2 2 5 水平移动系数b 由以往的研究可知，一方面冲积层随着基岩的移动而移动：另一方面由于冲 积层的流变特性，本身也以流动的形势充填基岩下沉空间，水平移动系数随着冲 积层厚度的增大而增大。通过实测资料分析，永夏矿区的水平移动系数b ，陈四楼 矿0 2 4 o 3 1 ，车集矿o 2 l o 3 5 ；回归分析水平移动系数b 和松散层厚度 、 采深。，存在如下线性关系： 如+ m ( 2 9 ) q c 一 日。 式中：a 一系数，取o 5 5 7 ： d 系数，取2 4 8 ， c 系数，取1 1 2 8 ； m 中误差。 2 永夏矿区地表移动规律特点 2 2 6 角量参数 通常用角量参数圈定移动盆地边界，所谓角量参数主要是边界角、移动角、 裂缝角。 边界角和移动角 边界角是确定地表下沉盆地范围的基本参数，移动角是矿区地表移动参数中 的主要参数之一，对合理留设煤柱和“三下”采煤有重要价值。 在实测移动变形凿线上，按规程“9 规定求得的边界角和移动角见表2 5 。 边界角和移动角的确定方法都分别与地表移动变形有关，而移动变形值的大小又 随采动程度变化。故在充分采动条件下确定的数值才有可比性。表中角量参数是 在走向充分采动、倾向非充分采动条件下求得的，可在类比条件下参考使用。 表2 5 实测边界角和移动角 1 a b l e2 5b o u n d a r y 柚g l ea i l dt r a v e 】i n ba n g l eo fa 魄斌m e 鹊u r e m t 由实测数据可见，当表土层所占比例h 小。较大时，走向边界角6 。减小，下山 边界角p 。增大。总的来看，厚表土层条件下，边界角有减小趋势，说明在上覆岩 层平均强度降低时。下沉盆地边界易向外扩展。 裂缝角 在充分采动或接近充分采动条件下，在地表移动盆地的主断面上，移动盆地 内最外侧的地表裂缝至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为裂缝 角。走向、下山、上山裂缝角分别为6 ”、e “、y ”，裂缝