煤柱群下重复开采覆岩与地表移动变形数值模拟研究_kaic

目   录
第1章 绪论
1.1 选题背景与意义
1.2 国内外研究现状
1.2.2 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.3 主要研究内容
1.4 研究技术路线
第2章 研究区情况分析
2.1 矿区工程地质概况
2.2 研究区沉陷情况介绍
2.2.1 移动变形情况
2.2.2 地表下沉角量参数
2.2.3 采动地表裂缝分析
第3章 模型建立
3.1 概念模型
3.2 phase2技术简介
3.3 phase2模型建立
3.4网格图建立
3.5 材料属性设置
3.6 挖掘图建立
第4章 数值模拟结果分析
4.1 只开挖上层煤覆岩与地表应力场、破坏场及位移场分析
4.1.1 应力场分布规律
4.1.2 破坏场分布规律
4.1.3 位移场分布规律
4.2 煤柱群下重复开采覆岩与地表应力场、破坏场及位移场分析
4.2.1 应力场分布规律
4.2.2 破坏场分布规律
4.2.3 位移场分布规律
第5章 结论与展望
参考文献
 
煤柱群下重复开采覆岩与地表移动变形
数值模拟研究
摘要
建立二维地质开采模型，以矿井特定开采地质条件为工程背景，采用二期有限差分方案，旨在研究煤柱群下地表运动的变形规律以及揭示其形成机理。 反演研究了两种情况下（仅上层煤开采和煤柱群重复开采）的地下开采对地表和上覆土层的影响，并根据分析得出：上覆土层和地表沉降规律。
(1)只有在开采侏罗系煤层时，覆盖层和地表之间不会发生明显的沉降，这是由地质开采条件决定的。在只开采侏罗系煤层的情况下，由于地质开采条件的限制，覆盖层和地表之间不会出现显著的沉降。
(2)多次采矿使得煤柱组因为过度覆盖而进行了地质变化，在此过程中产生了“四带”的独特特征，分别为自下而上的落陷带、断裂带、扭曲带和塌陷带。
(3)地表沉降系数小，意味着地表下面的地质构造稳定，沉降盆地的范围较大，容易发生断层运动及地面变形。我们通过对地质开采条件和相关理论的分析来探究它的形成机理。我们对其形成机制进行了研究，考虑了地质开采条件和相关理论分析。这个研究成果对于类似地质环境下的矿产损害的研究具备一定的指导和参考作用。这项研究成果对于研究地质矿产环境下矿物损害问题有一定的指导和借鉴意义。
关键词：煤柱群；重复开采；模拟研究
 
Numerical simulation study on overlying layer and surface deformation under the action of coal pillar group
A two-dimensional geological mining model was established, taking the specific mining geological conditions of the mine as the engineering background, and adopting the second-phase finite difference scheme, aiming to study the deformation law of the surface movement under the coal column group and reveal its formation mechanism. The inversion studies the effects of underground mining on the surface and overlying soil layer in two conditions (only upper coal mining and repeated mining of coal column group), and obtains the law of overlying soil layer and surface settlement according to the analysis.
(1) In order to study the deformation law of overload and surface motion under coal pillar group and reveal its formation mechanism, a three-dimensional geological model is established by using the second phase of finite difference program, and a specific mining geological condition is established as the engineering background. The overlying laws of soil and surface subsidence under two conditions (only coal mining and repeated mining in the lower part of coal pillar group) are inverted and analyzed. It is concluded that there is no obvious subsidence between overburden and surface under geological mining conditions when only Jurassic coal seam is mined.
(2) When repeated mining under coal pillar group, overload damage constitutes the development characteristic of "four belts", i.e. e. From bottom to top, there are subsidence zone, fracture zone, bending zone and collapse zone;
(3) The surface settlement coefficient is small and the settlement basin range is large, so the surface settlement is easy to form discontinuous motion deformation. Based on geological mining conditions and related theories, the formation mechanism is analyzed. The research results have certain guiding and reference significance for studying mineral risks under similar geological and mineral conditions.
Keywords: coal column group；repeated mining；simulation study
 
第1章 绪 论
1.1选题背景与意义
采煤会导致土地覆被和地表沉降，从而破坏矿区的生态和人文环境，进而带来相应的破坏。我国每开发1万吨煤，地表沉降面积约为0.2平方公里，而普拜、城河、铜川等部分地区的煤炭勘探区可造成0.42平方公里以上的沉降面积。虽然我国煤炭生产和消费占资源结构的70%左右，但为了满足当前国民经济增长的高需求，中国将继续大规模、高强度地开发煤炭资源。由于在早期采掘工艺和技术设备方面的不足，塔煤采矿方法仍然局限于在浅埋藏煤层的地面上进行挖掘，从而导致采空区域内形成了大量的煤柱。
1.2 国内外研究现状
1.2.1国外研究现状  
在对列日市（比利时第三大城市）沉降收缩现象进行检查时发现，工作表面以下的承重矿柱中的建筑材料存在一定的损伤。为了解释这一现象，戈诺特于1858年根据预压缩数据建立了“正态理论”，认为倾斜矿层的开挖坍塌向矿层法线方向扩散，它首先不是直接发生在采矿作业面上方，而是发生在采矿作业面的下坡位置上方。该研究基于开采深度较小的数据，无法获得地表活动数据，因此对地表沉降规律的推测仅限于山下物质。这个理论是有争议的，因为当时的一些物理学家认为“正常理论”无法解释这些现象。由于“正常理论”无法解释这些现象，这个理论在当时引起了许多物理学家的争论[1]。杜蒙在1871年修改了他的正态方向理论，因为它有一些缺点。他认为该理论仅在矿层倾角小于68°时适用，并提出了W =α的边坡计算模型。在列日下游地区，Dumont使用水平测量法线来确定柱开采的方向，并使最大沉降收缩值不超过每层厚度的三分之一。他对地表移动盆地的大小和研究表面的相对位置进行了深入分析，并调查了移动盆地的各个组成部分对建筑物的危害。他指出，最具威胁性的地区位于移动盆地的边缘，那里的不均匀沉降是影响建筑结构的最大因素。因此，他反对在采空区安装柱子。他以前的一些了解，在目前的建筑物下采矿领域仍具有重要的指导作用[2]。         
20世纪以后，通过对土壤胁迫的长期广泛观察，土壤开挖中的沉降和收缩研究取得了显著进展。1903年，Halbaum首次将采空区的上部岩石结构视为悬臂梁，结果发现土表面的应力和曲率与半径的基本规律成反比。Korten（1907）通过检查真实数据总结了水平运动和变化的分布。Korten（1907）根据测量数据检查了水平运动和变化的分布。Fckardt（1913）将石头的运动过程视为每种石头的逐层曲线。Lehmann(1919）提出，表面沉降过程类似于一次打褶活动。
在20世纪60年代中期，Lee在对采集的29个断层影响探测数据进行综合分析后，发现断层不仅存在吸附变化的现象，而且其滑移与实际开挖深度也无关。1968年，前苏联科学家科列巴耶娃利用铁丝垂直炮法和同位素壳对岩体运动进行了大规模观测，获得了岩石内衬结构运动的数据，并绘制了相应的等高线图。在同一时期，达尔（1967-1969）、布朗（1968）、波蒂尼（1969）、李·施特劳斯（1969）和奈尔（1969）。采矿收缩过程的数值模拟计算已开始进一步研究[3]。
80年代以来，随着计算机技术和沉降理论的不断进步，土体表面沉降收缩变形逐渐向自动化、智能化、可视化方向发展。可用的测量数据可用于预测相应预测模型的基本参数，并计算住宅区任意点的表面变形量。以简单直观的图表呈现淹没或地面恶化的后果。使用计算方法和相关专业知识创建的专家系统或决策支持系统可以帮助投资决策。
1.2.2 国内研究现状
从长期开采坍塌理论研究和生产实践来看，采矿沉陷是一门综合性学科，涵盖测绘、采矿、力学、数学、地质、计算等需要跨学科研究和深入分析的学科：         在首次对聚落的研究中，中国采用了与其他国家类似的调查学科视角。上世纪50年代，为了研究矿山沉降法，我国开始应用现场测量研究。值得注意的是，在1954年，在每个主要采矿地点建立了十到几十个移动土壤观测站。通过收集有关矿区岩层和地表运动的广泛信息，它可以为创建各种计算方法奠定基础。1954年，中国在开滦建立了黑鸭天文台[5]。1957年至1959年，唐山煤炭研究所对枣庄、开滦、淮南、焦作等矿区的10多个地面移动观测站进行了分析总结，并完成了报告。这是一本关于采矿岩层和地表运动的书，是与北京矿业技术学院、中南矿冶学院和合肥工业大学合作编写的。该书由煤炭工业出版社于1960年出版，全面介绍了岩石物理力学的性质、观察方法以及露天和地下采矿岩层运动的结果。书中还采用类似的材料模型实验研究岩层的运动，并介绍了国内外的相关观测和新的理论经验。书中还以我国各主要矿区的实际观测数据为例进行了叙述。我国的学者为了精确预测沉陷现象，开始通过分析大量矿区沉陷资料，并结合国外的预测理论，进行数学角度的研究，以开发可靠的开采沉陷预测模型[3]。 
中国地质学家除了已经提到的几点外，还对一些特定的地质条件进行了研究，以便更好地了解定居问题。2009年，崔希民开展研究，分析了地表运动范围差和不连续变形的影响，基于基岩运动角与断裂边坡的关系，考察了断层对地表运动范围和不连续变形的影响，并给出了断层突起通道和裂缝的计算方法[4]。
1.3 主要研究内容
利用有限差分程序建立二维地质开采模型，研究煤柱群下重复开采超载和地表运动的变形规律，并发现其形成机理。 岩层运动和地表运动是相互关联的。为了更好地研究地表变形规律，有效控制沉降，仅仅研究地表运动规律是不够的。节理充填沉积、减压抽气、水体采煤等开采工程与上覆岩层分离发育密切相关。为了优化注浆减压气抽采的钻井调控，减少钻井工程量，提高节理填沉降效果和排气抽气速度，有必要研究岩层内部运动，以及超载岩分离的动态发展和分布特征。
根据塔山矿第一板块区8104工作面的地质开采条件，进行数值模拟，考察8104工作面开采对移动变形超载和地表破坏的影响。