厚松散层下开采覆岩及地表移动规律研究
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摘要
在我国华北、华中及华东的许多地区，松散层厚度较大，开采沉陷规律与一般的地质采矿条件下的规律存在着很大的差异性。针对厚松散层下开采沉陷及岩层移动的特殊性，通过现场实测、相似材料模拟、数值模拟研究，掌握了厚松散层下开采地表移动的动静态规律，在此基础上，对厚松散层下开采覆岩和松散层移动机理进行了深入研究，建立了异构体耦合沉陷模型，并针对松散层的竖向变形规律，建立了土体压缩模型。论文主要工作及成果如下：
(1)通过对鲍店煤矿多个厚松散层开采工作面岩层移动观测数据进行分析，掌握了厚松散层下开采地表移动的动静态规律。并对厚松散层与一般地质采矿条件的工作面进行了角量参数和概率积分参数对比分析，得出了厚松散层下采煤地表移动参数变化的规律。回归分析了兖州矿区地表移动特征参数与地质采矿因素之间的关系，给出了适合兖州矿区的地表移动特征参数及预测参数系列经验公式。
(2)采用相似材料模拟方法对厚松散层下开采岩层和松散层移动规律进行了研究。分析结果表明，基岩与松散层在移动变形机理上存在差异，基岩移动变形主要受地下开采向上传播引起的，而松散层除了随基岩产生下沉移动外，在基岩相对较薄时还会产生土体压缩。因此厚松散层下采煤地表沉降主要由地下开采引起的下沉与土体压缩两部分组成。
(3)以兖州矿区鲍店煤矿地质采矿条件为模拟原型，建立了Flac~(3D)数值模拟模型。回归分析了基岩和松散层厚度与地表下沉系数、最大下沉和水平移动之间的关系。通过对松散层土体的变形分析，明确了基岩对松散层土体变形的显著影响和控制作用，以及不同松散层厚度下土体的变形规律。
(4)通过对数值模型模拟、土体变形监测、土样测试分析以及水文地质资料的分析，认为水位下降只是造成地表沉降的一种形式，其造成的土体压缩一般难以反映在对某一具体工作面中，而附加应力的作用是产生土体压缩的主要原因。针对以上分析结论，结合土体压缩实验研究和“土拱效应”理论，提出了土体再压缩的变形机理，认为松散层土体在沉陷过程中经历了“卸荷-再压缩”的过程，并在太沙基有效应力原理基础上，采用扰动状态概念，对有效应力产生土体的扰动压缩进行分析求解，建立了土体压缩的概念模型。
(5)鉴于基岩与松散层不同的移动变形机理，将上覆岩层按照开采空间的尺寸，结合弹性力学理论，分别建立了基于弹性梁和弹性板理论的关键层判别模型，根据判别分析了关键层的变形形式，并分别建立了基岩沉陷模型。再以概率积分法基本原理为基础，结合二、三维概率积分模型，通过基岩和松散层土体的下沉关系，分别建立异构体耦合沉陷模型。
(6)通过对松散层土体变形的实测和模拟实验结果分析，在“普氏拱理论”的基础上，结合采矿工程实际，给出了矿区松散层土体成拱判别条件(H≥2b/f_k)；并在基于合理假设的基础上，结合圣维南原理，应用角点法和分层总和法，建立了土体附加应力压缩计算模型。当松散层土体不满足成拱条件时，根据建立的附加应力土体压缩模型求取地表沉陷区域土体压缩量。将建立的异构体耦合沉陷模型和土体压缩模型计算结果叠加，可得到地表最终下沉，即W=W(x,y)+s。
(7)结合兖州矿区鲍店煤矿5304-1和1312工作面地质采矿条件和岩土分析数据，将预计模型获得的主断面上地表下沉与实测数据进行对比，预测结果与实测数据吻合度较高，进一步验证了所建立的异构体沉陷耦合模型和土体压缩模型在地表移动变形计算的可行性。
Compared with general geological and mining conditions, there are greatdifferences in the laws of surface subsidence mining under thick alluvium which insome areas of North China, Central China and East China. Due to the particularity ofthe mining subsidence and rock moving when mining under thick alluvium, wegrasped the ground surface movement dynamic-static laws by using fieldmeasurements, similar material simulation and numerical simulation study. We madethorough research in the the overlying strata when mining under thick alluvium andthe moving mechanism of alluvium, and build up bedrock-alluviumcouplingsubsidence model. Meanwhile, we also established soil compression model accordingto the laws of vertical deformation of alluvium. The following is main work andresults in the paper:
(1)We grasped the dynamic-static laws of the surface movement in mining underthick alluvium through analysis of observation data in strata movement of severalthick alluviumcoal face in Baodian Coal Mine. Meanwhile, we discovered the laws ofground surface movement parameter variation when mining under thick alluvium bythe comparative analysis between angle dimension parameters and probability integralparameters in the coal face of thick alluvium and the coal face under generalgeological and mining conditions. We made regression analysis on the relationshipbetween surface bedrock, thickness of alluvium and geologic and mining factors inYanzhou mining area, and concluded some empirical formula of surface movementcharacteristic parameters and forecasting parameters suited to this area.
(2)Using similar material simulation to study the movement laws of strata andalluvium when mining under thick alluvium. The result shows that there is differencesbetween bedrock and alluvium in the mechanism of moving deformation. The movingdeformation of the bedrock is mainly resulted from spread up of underground mining,but the movement of alluvium is not only due to the mining subsidence along with thebedrock but also make the compressive stratum when the bedrock is relatively flimsy.Therefore the reason of the ground settlement when mining under thick alluvium consists of two parts: mining subsidence and compressive stratum.
(3)Based on simulation prototype of geological mining conditions in BaodianCoal Mine, Yanzhou Coal Mining Area, the Flac3D numerical simulation model isestablished. Also using the regression analysis to analys the relationship between thethickness of bedrock and alluvium and the surface subsidence coefficient, themaximum subsidence and horizontal movement. Through analyzing the deformationof alluvium soil, make clear the significant effect and control attction on the alluviumsoil deformation by the bedrock, and the soil deformation laws of different thicknessof alluvium.
(4)Based on the analysis of the numerical model simulation, monitoring ofdeformation soil, soil sample test and the hydrology geological data, it considered thatthe water levels fall is just a form of ground surface subsidence which caused thecompression of soil is difficult to reflect in a specific working face, but main reason ofcompression of soil is the effect caused by additional stress. According to the aboveanalysis conclusion, combining experimental study of soil compression and the theoryof “soil arching effect”, the mechanism of soil recopression is put forward, whichthink that the soil of alluvium in the process of subsidence through a process of“unloading–compression”, and based on Terzaghi's Effective Stress Principle and theDisturbed State Concept (DSC) to get the analysis and solution of soil disturbedcompression caused by dffective stress, and we established a one-dimension mode ofsoil compression.
(5)Since the bedrock and alluvium have different movement and deformationmechanism，combing the elasticity theory, we respectively established discriminantmodel of key stratum based on the elastic beam and elastic plate theory. According tothe discriminant analysis of the deformation forms build the subsidence model ofbedrok. On the basis of the principle of probability integral method and using thetwo-dimensional and three-dimensional probability integral model, we created thebedrock-alluvium coupling subsidence model.
(6)Through the analysis of the measured results and the simulation experimentresults of soil deformation in alluvium, combing the mining engineering actualities on the basis of “arch theories” to give the criterion condition where the soil of alluviumin mining area becomes arch(H≥2b fk). When the soil of alluvium does not satisfythe condition of arch, we calculated the amount of compression of soil subsidencearea according the established additional stress soil compression model. Then wemade the superposition of the bedrock-alluviumcoupling subsidence model and soilcompression model, and get the result that the ground surface finally subsidence:W=W(x, y)+s.
(7)Combining the geological mining conditions and data from geotechnicalanalysis in the5304-1and1312working face in the Baodian coal mine Yanzhoucolliery section, we compared the date of subsidence on the main section usingprediction model and the data we measured are goodness of fit, which is furtherverified the possibility for deformation calculation of surface movement by establishthe bedrock-alluviumcoupling subsidence model and soil compression model.
(1)通过对鲍店煤矿多个厚松散层开采工作面岩层移动观测数据进行分析，掌握了厚松散层下开采地表移动的动静态规律。并对厚松散层与一般地质采矿条件的工作面进行了角量参数和概率积分参数对比分析，得出了厚松散层下采煤地表移动参数变化的规律。回归分析了兖州矿区地表移动特征参数与地质采矿因素之间的关系，给出了适合兖州矿区的地表移动特征参数及预测参数系列经验公式。
(2)采用相似材料模拟方法对厚松散层下开采岩层和松散层移动规律进行了研究。分析结果表明，基岩与松散层在移动变形机理上存在差异，基岩移动变形主要受地下开采向上传播引起的，而松散层除了随基岩产生下沉移动外，在基岩相对较薄时还会产生土体压缩。因此厚松散层下采煤地表沉降主要由地下开采引起的下沉与土体压缩两部分组成。
(3)以兖州矿区鲍店煤矿地质采矿条件为模拟原型，建立了Flac~(3D)数值模拟模型。回归分析了基岩和松散层厚度与地表下沉系数、最大下沉和水平移动之间的关系。通过对松散层土体的变形分析，明确了基岩对松散层土体变形的显著影响和控制作用，以及不同松散层厚度下土体的变形规律。
(4)通过对数值模型模拟、土体变形监测、土样测试分析以及水文地质资料的分析，认为水位下降只是造成地表沉降的一种形式，其造成的土体压缩一般难以反映在对某一具体工作面中，而附加应力的作用是产生土体压缩的主要原因。针对以上分析结论，结合土体压缩实验研究和“土拱效应”理论，提出了土体再压缩的变形机理，认为松散层土体在沉陷过程中经历了“卸荷-再压缩”的过程，并在太沙基有效应力原理基础上，采用扰动状态概念，对有效应力产生土体的扰动压缩进行分析求解，建立了土体压缩的概念模型。
(5)鉴于基岩与松散层不同的移动变形机理，将上覆岩层按照开采空间的尺寸，结合弹性力学理论，分别建立了基于弹性梁和弹性板理论的关键层判别模型，根据判别分析了关键层的变形形式，并分别建立了基岩沉陷模型。再以概率积分法基本原理为基础，结合二、三维概率积分模型，通过基岩和松散层土体的下沉关系，分别建立异构体耦合沉陷模型。
(6)通过对松散层土体变形的实测和模拟实验结果分析，在“普氏拱理论”的基础上，结合采矿工程实际，给出了矿区松散层土体成拱判别条件(H≥2b/f_k)；并在基于合理假设的基础上，结合圣维南原理，应用角点法和分层总和法，建立了土体附加应力压缩计算模型。当松散层土体不满足成拱条件时，根据建立的附加应力土体压缩模型求取地表沉陷区域土体压缩量。将建立的异构体耦合沉陷模型和土体压缩模型计算结果叠加，可得到地表最终下沉，即W=W(x,y)+s。
(7)结合兖州矿区鲍店煤矿5304-1和1312工作面地质采矿条件和岩土分析数据，将预计模型获得的主断面上地表下沉与实测数据进行对比，预测结果与实测数据吻合度较高，进一步验证了所建立的异构体沉陷耦合模型和土体压缩模型在地表移动变形计算的可行性。
Compared with general geological and mining conditions, there are greatdifferences in the laws of surface subsidence mining under thick alluvium which insome areas of North China, Central China and East China. Due to the particularity ofthe mining subsidence and rock moving when mining under thick alluvium, wegrasped the ground surface movement dynamic-static laws by using fieldmeasurements, similar material simulation and numerical simulation study. We madethorough research in the the overlying strata when mining under thick alluvium andthe moving mechanism of alluvium, and build up bedrock-alluviumcouplingsubsidence model. Meanwhile, we also established soil compression model accordingto the laws of vertical deformation of alluvium. The following is main work andresults in the paper:
(1)We grasped the dynamic-static laws of the surface movement in mining underthick alluvium through analysis of observation data in strata movement of severalthick alluviumcoal face in Baodian Coal Mine. Meanwhile, we discovered the laws ofground surface movement parameter variation when mining under thick alluvium bythe comparative analysis between angle dimension parameters and probability integralparameters in the coal face of thick alluvium and the coal face under generalgeological and mining conditions. We made regression analysis on the relationshipbetween surface bedrock, thickness of alluvium and geologic and mining factors inYanzhou mining area, and concluded some empirical formula of surface movementcharacteristic parameters and forecasting parameters suited to this area.
(2)Using similar material simulation to study the movement laws of strata andalluvium when mining under thick alluvium. The result shows that there is differencesbetween bedrock and alluvium in the mechanism of moving deformation. The movingdeformation of the bedrock is mainly resulted from spread up of underground mining,but the movement of alluvium is not only due to the mining subsidence along with thebedrock but also make the compressive stratum when the bedrock is relatively flimsy.Therefore the reason of the ground settlement when mining under thick alluvium consists of two parts: mining subsidence and compressive stratum.
(3)Based on simulation prototype of geological mining conditions in BaodianCoal Mine, Yanzhou Coal Mining Area, the Flac3D numerical simulation model isestablished. Also using the regression analysis to analys the relationship between thethickness of bedrock and alluvium and the surface subsidence coefficient, themaximum subsidence and horizontal movement. Through analyzing the deformationof alluvium soil, make clear the significant effect and control attction on the alluviumsoil deformation by the bedrock, and the soil deformation laws of different thicknessof alluvium.
(4)Based on the analysis of the numerical model simulation, monitoring ofdeformation soil, soil sample test and the hydrology geological data, it considered thatthe water levels fall is just a form of ground surface subsidence which caused thecompression of soil is difficult to reflect in a specific working face, but main reason ofcompression of soil is the effect caused by additional stress. According to the aboveanalysis conclusion, combining experimental study of soil compression and the theoryof “soil arching effect”, the mechanism of soil recopression is put forward, whichthink that the soil of alluvium in the process of subsidence through a process of“unloading–compression”, and based on Terzaghi's Effective Stress Principle and theDisturbed State Concept (DSC) to get the analysis and solution of soil disturbedcompression caused by dffective stress, and we established a one-dimension mode ofsoil compression.
(5)Since the bedrock and alluvium have different movement and deformationmechanism，combing the elasticity theory, we respectively established discriminantmodel of key stratum based on the elastic beam and elastic plate theory. According tothe discriminant analysis of the deformation forms build the subsidence model ofbedrok. On the basis of the principle of probability integral method and using thetwo-dimensional and three-dimensional probability integral model, we created thebedrock-alluvium coupling subsidence model.
(6)Through the analysis of the measured results and the simulation experimentresults of soil deformation in alluvium, combing the mining engineering actualities on the basis of “arch theories” to give the criterion condition where the soil of alluviumin mining area becomes arch(H≥2b fk). When the soil of alluvium does not satisfythe condition of arch, we calculated the amount of compression of soil subsidencearea according the established additional stress soil compression model. Then wemade the superposition of the bedrock-alluviumcoupling subsidence model and soilcompression model, and get the result that the ground surface finally subsidence:W=W(x, y)+s.
(7)Combining the geological mining conditions and data from geotechnicalanalysis in the5304-1and1312working face in the Baodian coal mine Yanzhoucolliery section, we compared the date of subsidence on the main section usingprediction model and the data we measured are goodness of fit, which is furtherverified the possibility for deformation calculation of surface movement by establishthe bedrock-alluviumcoupling subsidence model and soil compression model.
引文
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