铜川矿区地下煤层开采诱发地表黄土沉陷变形研究

摘要

铜川矿区地处陕北黄土高原与关中平原过渡地带，区内煤层上覆基岩薄而黄土层厚，煤层地下开采引起的地表沉陷变形及其诱发的地质灾害有其独特之处。开采沉陷不仅造成地表开裂、变形，破坏建筑物，加速水土流失进程，而且还诱发滑坡、崩塌等地质灾害，损害十分惨重。因此，对厚黄土薄基岩地区开采沉陷规律的研究迫在眉睫。 本文以铜川矿区东坡煤矿最具典型性的508工作面为例，采用现场调查、相似材料模拟、数值模拟等方法，研究了黄土山区煤层开采诱发地表黄土沉陷变形的形成规律及致灾机理。 对508工作面地表沉降观测资料分析认为，当工作面覆岩较薄、黄土层较厚时，地下煤层开采影响传递到地表所需要的时间较短，因此508观测站超前影响角ω小于其它地区。地表开始移动后迅速进入活跃期，活跃期周期长，下沉量大，活跃期过后地表移动基本停止。地表最大下沉值出现在山区两反向局部滑移体中部，而不是传统意义上的下沉盆地中央。 相似材料模拟分析表明，由于垂直节理发育，山区地表厚黄土层变形、破坏表现为台阶状断陷，典型的“三带式”破坏形式变为“二带式”；冒落带发育后迅速在地表形成弯曲下沉带，导致地裂缝在开挖一段时期后迅速发育形成，具有时间上的突然性，且多出现在地表台阶状断陷边缘，成固定距离分布，表现为垂直变形；地表的竖向移动变形受地形的影响较小，而水平移动变形受地形的影响较大，因此地形发生改变的拐点处地裂缝容易产生拉伸变形。 运用FLAC<'3D>软件对煤层地下开采引起的上覆岩层应力和位移的变化过程进行了模拟，分析认为：在厚黄土层薄基岩覆盖区地下采煤时，地表沉陷是由上覆基岩和黄土层双层介质变形、移动叠加作用所致，基岩是黄土层地表沉陷的控制层；在黄土山区条件下，黄土层内的应力分布与地形密切相关，靠近边坡部位的最大主应力<'σ<,1>>大致与坡面平行，受地形变化影响较大，最小主应力<'σ<,3>>大致与坡面垂直，受地形变化影响较小；山区黄土层内的水平位移和垂直位移的大小和分布与地形密切相关，山区地下煤层开采使最大主应力<'σ<.1>>变化较大，引起地表的上升和下沉，产生水平位移；黄土层与基岩接触面和采区边界通常是各种应力集中区，黄土层与基岩的层间摩擦力引发浅部基岩随黄土块层发生滑移，导致最小主应力<'σ<,3>>产生变化，产生垂直位移。综上所述，在厚黄土薄基岩条件下，基岩是煤层地下开采引起的地表黄土沉陷的控制层。当地下采空区面积扩大到一定程度，造成一定范围内煤层顶板岩层大面积垮落，随着采空区面积的进一步扩大，引起主关键层关键块的依次塌落，塌陷基岩的边缘裂缝便向上扩展，很快与上覆黄土层垂直节理贯通，使塌陷区基岩之上的黄土层从土体中分离出来，成为相对独立的作用在基岩之上的静荷载，伴随基岩的塌陷而沉陷，从而使地表出现不连续裂陷和台阶状断陷。 最后，结合矿区实地情况和沉陷特征，提出煤矸石充填建筑复垦模式和塌陷区煤矸石、粉煤灰充填农林复垦模式是铜川矿区复垦的最佳模式。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1选题背景及研究意义

1.1.1选题背景

1.1.2研究意义

1.2国内外研究动态及发展趋势

1.2.1地表沉陷的国内外研究动态

1.2.2地表沉陷的数值模拟研究趋势

1.3研究内容、方法及采用的技术路线

1.3.1研究内容

1.3.2研究方法

1.3.3技术路线

2铜川矿区自然地理地质概况及地表观测资料分析

2.1铜川矿区自然地理概况

2.2铜川矿区地质概况

2.2.1地层及岩性

2.2.2地质构造

2.2.3水文地质

2.2.4煤层和煤质

2.3 508地表移动观测站概况

2.4 508观测站动态移动规律分析

2.4.1工作面推进过程中地表移动情况

2.4.2地表裂缝发育特征

2.5 508观测站静态移动规律分析

2.5.1地表移动变形最大值

2.5.2地表移动变形的特征

2.5.3地表移动参数的确定

3铜川矿区地表沉陷相似材料模拟研究

3.1实验目的

3.2物理力学性质和相似材料的配比

3.3 508工作面相似材料模拟实验设计

3.3.1相似材料模拟实验设计

3.3.2地表覆盖层移动测点布置

3.3.3相似材料模拟实验过程观测

3.4 508工作面相似材料模拟实验结果分析

3.4.1煤层开采诱发地表沉陷变形过程

3.4.2采动地表移动规律

3.4.3地裂缝发展产生过程及分布规律

3.4.4地面塌陷发展产生过程及分布规律

4铜川矿区地表沉陷数值模拟研究

4.1数值模拟概述

4.2 FLAC3D程序及本构模型简介

4.2.1 FLAC3D程序简介

4.2.2 FLAC3D本构模型基本形式

4.3 508工作面数值模拟设计

4.3.1实验模型的建立

4.3.2边界条件的设定

4.3.3参数选取

4.3.4开采方案设计

4.4 508工作面数值模拟结果分析

4.4.1位移特点

4.4.2应力特点

5铜川矿区采动黄土层滑移机理分析

5.1铜川矿区煤层开采条件及上覆黄土层特征

5.1.1铜川矿区煤层开采条件

5.1.2铜川矿区黄土特征

5.2采动沉陷机理

5.2.1地表沉陷机理

5.2.2单元开挖地表沉陷理论模型

5.3铜川矿区地表移动滑移成因及其机理分析

5.3.1铜川矿区地表移动向量分析

5.3.2铜川矿区地表滑移向量分析

5.3.3铜川矿区采动滑移成因及其机理分析

5.4铜川矿区采动滑移附加变形分布规律及典型滑移

5.4.1铜川矿区采动滑移附加变形分布规律

5.4.2铜川矿区典型采动滑移

5.5铜川矿区地表沉陷变形的一般特征

6铜川矿区煤层开采导致的地质灾害及其防治措施

6.1铜川矿区地质灾害现状

6.1.1地质灾害类型及规模及分布特征

6.1.2煤层开采导致的地质灾害

6.2铜川矿区地表沉陷环境保护与治理的现状

6.3地表沉陷引发的地质灾害预防措施

6.4地表沉陷引发的地质灾害治理措施

6.4.1注浆技术

6.4.2条带技术

6.4.3锚固技术

6.5铜川矿区可采用的土地复垦技术

7结论

7.1结论

7.2展望

致 谢

参考文献