地表下沉系数与采厚采深关系的讨论毕业设计.docx

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地表下沉系数与采厚采深关系的讨论毕业设计

摘要

随着经济的发展，对能源的消耗需求日益增加。

由于“三下”（尤其建筑物）压煤严重，伴随着煤炭生产规模的扩大和开采技术的提高，“三下”开采已迫在眉睫，这对生产安全提出了很大的挑战；同时，对防范灾害的意识的增强和对防护措施的加大，使人们开始重视研究采动地表动态沉陷的预计理论及方法。

越来越多的新理论被应用于开采沉陷预测中来。

在众多的数值模拟软件中，FLAC数值模拟软件在模拟非线性、大变形或动态问题时更加有效。

本文对开采沉陷动态过程机理、预计方法等方面的研究现状进行了论述，并使用FLAC2D软件对地表下沉数值进行模拟同时与实测数据进行比较，探讨地表下沉系数与采厚、采深的关系。

结论是下沉系数随采深增大而减小，呈现线性表现；采厚与下沉系数呈非线性关系，随着采厚的增加，下沉系数逐渐减小。

关键词：

下沉系数，采厚，采深，数值模拟，开采沉陷。

Abstract

Withthedevelopmentofeconomy,theenergyconsumptiondemandisincreasing.Duetotheminingunder"threebodies"（especiallybuildings）Serious,withtheexpansionofthescaleandimproveoftechnology,theminingunder"threebodies"isimminent,thisisahugechallengeforproductionsafety;while,withtheenhancementofdisasterawarenessandincreaseofpreventionmeasures,thepredictiontheoriesandmethodsofsurfacedynamicssubsidencebyminingbegindrawpeople’sattentionincreasingly.Moreandmorenewtheorywasappliedtopredictminingsubsidence.Inmanyofthenumericalsimulationsoftware,FLACismosteffectivewhenappliedtononlinearorlarge-strainproblems,ortosituationsinwhichphysicalinstabilitymayoccur.

Thestudystatusofthedynamicprocessmechanismofminingsubsidenceandpredictionmethodswerediscussed,anduseflca2dsoftwaretosimulationthesurfacesubsidencedata,thencomparewiththemeasureddata,therelationshipofsurfacesubsidencecoefficientandminingheightorminingdepthwasdiscussed.TheConclusionisthesubsidencecoefficientdecreaseswiththeincreaseofminingdepth,nearlylinearchange;withtheincreaseofminingheight,thesubsidencecoefficientdecreaseswithanonlinearrelationship.

Keywords:

subsidencecoefficientminingheightminingdepth

numericalsimulationsubsidencefactor.

1绪论

1.1课题研究目的和意义

矿山资源的大规模开发和利用给人类带来了巨大的经济效益和社会效益，同时也对人类生存环境产生了一系列影响，其中，矿山开采沉陷是其中最重要的问题。

矿山开采引起了地表移动和变形，直接的影响了下沉地区范围内的建筑物、河流、铁路、管道及其它构筑物，改变甚至破坏它们原有的状态。

地表沉陷也会破坏地形、地貌产生，影响农业耕种、景观和矿区地面生态环境。

在中国，开采沉陷使东部平原矿区的耕地大量破坏，西部矿区的水土流失和沙漠化不断加剧，南部和西南部矿区的山体滑坡现象越来越严重。

这所有的一系列问题不仅给国家和企业带来了巨大损失，同时还对矿区及周边生态环境产生较大的负面影响。

因此，开采沉陷的防治是一项极其重要的工作。

开采沉陷的防治问题不仅关系到煤炭企业能否持续发展，而且也直接影响到国民经济是否健康的进行可持续发展。

因此，进行煤炭开采沉陷的研究，具有重要的理论意义和现实意义。

在如何减少地表沉陷造成的损失的工作中，对地表下沉的预测是一项卓有成效的工作，其中下沉系数是表征开采地表移动规律的重要参数。

然而各矿区在地质条件和采掘条件上多有差异，故下沉系数的确定也不尽相同，这就为预测地表变形增加了难度，因而确定下沉系数与煤矿开采条件的关系成为了一项重要的工作。

确定更精确的下沉系数就意味着能更好的预测下沉值，就能在经济上更加有效益，在安全方面更加有保障。

同时，这项工作也切实可行，对矿区安全工作影响很大，具有很重要的意义。

1.2国内外开采沉陷数值模拟研究历史和现状

1.2.1开采沉陷的概念

煤炭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，从而达到新的平衡状态。

在此过程中，岩体产生下沉、变形、移动，向上波及地表，形成地表移动盆地，从而对地物造成破坏，这就是开采沉陷。

开采沉陷的分布规律取决于地质和采矿因素的综合影响。

自然地质因素包括煤层厚度、倾角、埋藏厚度、松散层厚度、构造因素、物理力学和化学性质等；采矿技术因素包括采出煤量、采空区的位置、开采厚度、巷道尺寸、开采方法、顶板管理方法、开采系统、工作面推进速度、选择开采等。

1.2.2国外开采沉陷研究历史与现状

开采沉陷对人类的生产、生活影响较突出和较早被人们认识的应该算是地表移动和地下水的流失。

由于工业和经济的发展导致对能源需求的大幅度增加，“三下”开采逐渐被提上日程，在如何最大限度地开采地下矿藏，同时又能有效地保护目标，成为人们日益关注的课题。

纵观开采沉陷的形成和发展过程，可分成三个阶段:

第一阶段:

开采沉陷在人类开始开采地下资源时就被观察到了。

早在15世纪，关于允许开采深度的问题就已被比利时人写进了法律。

18世纪下半叶，人们已经能够对移动范围进行估计，这就是“法线理论”和“自然斜面理论”。

第二阶段:

第二次世界大战后，工业革命的迅速发展增加了对煤炭的需求，采矿业成为工业国家重要的基础产业。

由于受开采技术和装备的限制，多在浅部开采，因而，开采沉陷问题非常突出。

这一问题受到了政府和国民的重视，许多学者开始对开采沉陷计算进行了深入探索。

第三阶段：

随着计算机技术的发展，岩层和地表移动计算的数学模型和技术发展很快。

从上世纪70年代至今，人们将经典理论（第二阶段发展的理论）的算法编成计算机程序，使得过去难于计算的问题成为可能。

有限元、边界元、离散元等三种数值方法均在开采沉陷中得到广泛的应用，开采沉陷计算正在向着自动化、智能化、可视化的方向发展，计算结果能以各种图形方式给出、直观可视。

1.2.3国内开采沉陷研究历史与现状

我国的开采沉陷的研究工作是在新中国成立以后开始的。

在50年代初即有矿区建立地表移动监测站，在此后的时间更多的矿区建立观测站，通过对这几十年的实测资料进行综合分析，初步提出了移动与变形的计算公式，以及选定有关参数的方法。

借鉴外国先进技术、经验基础之上，再加上工程技术人员的创新改进，我国也逐渐形成了具有中国特色的且完全符合我国实际的一套开采沉陷理论。

近年来，由于数学、力学、建筑、计算机等学科新成果不断地引入到开采沉陷学科中来，从而形成了许多新的方法和理论。

在数值分析方面，应用离散元、非线性三维有限元来模拟开采沉陷的岩层移动动态过程。

例如：

国内于20世纪90年代初引进FLAC数值模拟软件，主要应用于工程地质和岩土力学分析，如矿体滑坡、煤矿开采沉陷预测、水利枢纽岩体稳定性分析、采矿巷道稳定性研究等。

1.2.4开采沉陷学的发展方向

岩层与地表移动的科学研究正处于向纵深方向发展的阶段，从研究水平和缓倾斜煤层到研究倾斜和急倾斜煤层的地表沉陷规律；从研究简单地质条件到研究复杂地质条件的移动和变形规律；从研究最终稳定的静态移动和变形到研究开采过程中动态移动和变形分布规律；从研究二维平面模型到研究三维立体模型。

研究方面更加复杂化、全面化和实际化，计算机模拟也更加可视化和智能化，不仅预测结果，也能在动态过程中进行预测。

1.3论文研究内容

1、模拟矿区地质条件简介，通过对模拟地区的蒋庄煤矿进行介绍，进而模拟整个滕南地区。

该阶段详细介绍该地区的各地层岩石性质，为后面的数值模拟提供准确的参数。

2、FLAC数值模拟实验。

对软件和下沉系数进行原理上的介绍，并编写程序进行实验，根据地层资料，随着采深的变化改变各地层的厚度。

在固定单一采深的情况下模拟不同采厚的下沉情况；在固定单一采厚的情况下模拟不同采深的下沉情况。

3、分析模拟图（主要为下沉曲线图），对下沉系数与采深、采厚的关系进行说明。

根据得出的关系进行数学建模，得出数学关系式。

再结合数学模型对煤矿开采边界条件的开采工作提出几点建议。

2模拟矿区地质条件

2.1模拟矿区地质条件

枣庄矿业集团公司蒋庄煤矿位于滕县煤田的滕南矿区，行政区划属于滕州市西岗镇和微山县欢城镇。

井田东西宽约3.5km，南北长约10km，面积36.6394km2。

该矿设计生产能力为150万t/a，2004年核定生产能力240万t/a，现年产量达270万t。

2.1.1井田位置

枣庄矿业集团公司蒋庄煤矿位于滕县煤田的滕南矿区，位于山东省西南部，京沪铁路线南沙河站至枣庄西车站的西侧，地跨滕州、微山两县（市），西频昭阳、微山等湖，与江苏省丰沛煤田隔湖相望。

行政区划属于滕州市西岗镇和微山县欢城镇。

井田东西宽约3.5km，南北长约10km，面积36.6394km2。

蒋庄井田边界及四邻关系如下：

1、北部西段以程楼断层，中段以蒋庄井田3870000线、杜庙断层、刘仙庄断层为界与郭庄煤矿相邻。

东段以田陈井田第七勘探线为界与田陈煤矿相邻。

2、南部以李集断层为界，东段与付村煤矿接壤，西段与高庄煤矿为邻。

3、西部北段以高庙断层、徐庄断层与柴里煤矿相邻。

南段以高庙断层与崔庄煤矿接壤。

4、东部以尹家洼断层为界东南段与岱庄煤矿相邻。

东北段与田陈煤矿相邻。

蒋庄井田内地面标高48.37～33.37m，东北高西南低，井田内没有河流，仅西界的南端有旧运河流过，并与邵阳湖相接。

2.1.2交通条件概况

铁路以井筒位置为中心，东至京沪铁路线官桥车站13km，由官桥车站南至徐州车站82km，北至滕州车站19km。

从官桥车站接轨至柴里煤矿的专用铁路线全长17km，于1972年建成通车。

官桥—柴里铁路专用线穿越蒋庄井田中部，距井筒仅110m。

公路在井田中部有滕州至微山的公路穿过，井筒在该公路西侧2.1km处。

井筒东至104国道15km。

以井筒为中心，北距西岗镇5km，经过西岗至滕州25km；南距欢城5km，经欢城东至官桥车站16km，至枣庄49km，西过微山湖二级坝到江苏省沛县34km，南过微山县城至枣庄矿业集团公司约25km。

南四湖和京杭大运河山东以南段已经疏浚完工，可以通行汽轮，从井口到微山县欢城的微山湖港大约10km。

矿井铁路、公路、水陆交通十分方便（图2.1）。

图2.1　交通位置示意图

图2.2矿区工程地质岩组柱状图

2.1.3矿井开采地质条件

2.1.3.1地层结构特点

本区地层属华北型沉积，以石炭二迭系为煤系地层，地层系统自老向新有震旦、寒武、奥陶、石炭、二迭、侏罗、第四系等。

除奥陶系以前地层在煤田外围有零星出露外，余皆隐伏于第四系和侏罗系地层之下。

如图2.2所示。

下面对3下煤所在的二迭系及其覆盖情况叙述如下：

1、二迭系（P）

二迭系地层自下而上有山西组和石盒子组。

（1）山西组（P11）

该组厚度95～140m，一般为110m左右。

本组与太原群为连续沉积，以第一层灰岩上部之海相泥岩顶面或其相当层位为界，其上过渡相的砂质沉积物则划归山西组，本组下部为过渡相沉积，上部为存陆相沉积，是本区重要的含煤地层。

本组底部以一层具混浊层理和底栖动物通道的细砂岩与太原群分界，中下部为浅灰、灰白色厚层状中粒砂岩为主，加粉砂岩、泥岩、砂质泥岩、粘土岩共含煤三层（第2、3上、3下），其中3上、3下煤层为主要可采煤层。

在泥岩、粉砂岩内富含楔叶羊齿、可达木、带羊齿等植物化石。

上部为杂色泥岩、粉砂质粘土岩以及粉砂岩夹灰色、灰绿色中粒砂岩。

（2）石盒子组（P12+P21）

本组最大残厚229m。

岩性以杂色砂岩、粉砂质粘土岩、粉砂岩为主，间夹灰绿、灰色中粒砂岩及紫灰色中细粒砂岩，属纯陆相沉积。

底部以一层分选差、矽质胶结的、浅灰至灰绿色中粗粒砂岩或含砾砂岩与山西组分界。

距底部含砾砂岩26～72m，一般是60m左右处含薄煤1～4层（柴煤），煤厚一般为1m左右，位居柴煤附近的粉砂岩和粘土岩颜色常变深，在粉砂岩内含大羽羊齿、翼羽木等植物化石，柴煤层位较稳定，可作为煤系地层上部的对比标志层。

2、上侏罗统（J3）

本区最大残厚为353m，根据岩性可分为上下两部。

上部有灰、灰绿色细砂岩、粉砂岩互层、灰绿色细砂岩、青灰色细砂岩与灰色粉砂岩互层、杂色粘土岩、红及紫灰色粉砂岩夹紫红色细砂岩组成。

下部一般为厚80～190m的砾岩，间夹数层紫红、紫灰色细砂岩、粉砂岩组成。

砾岩为紫红、紫灰、灰绿色，砾岩成分以石英砾、灰岩砾为主，砾石滚圆度较好，分选较差，砾径一般15～20mm，胶结物一般为钙质，部分为铁质和泥质胶结，一般是以砾岩覆盖于石盒子组之上，但在部分块段亦有以砂岩与石盒子组地层相接触的。

3、第四系（Q）

本区第四系厚140.55～181.40m，平均160.54m，区内分布东北薄、西南厚，分上下两组。

上组：

顶部0.60～2.85m为覆盖土层，其下为黄色、黄褐色粘土、砂质粘土、砂姜结核砂质粘土及3-4层砂砾层组成。

下组：

由粘土、含砂姜结构粘土、粘土质砂及砂砾层组成。

2.1.3.2煤层

本井田主要煤系为下二叠统山西组和上石炭统太原组。

含煤地层平均总厚为280m，共含煤4层，煤层平均总厚7.77m，含煤系数3.20%。

山西组含煤2层，其中全区可采为3下煤层，较大面积可采为3上煤层，可采总厚度为6.14m。

太原组含煤2层（自上而下编号为12下、16），其中全区可采为16层煤，局部可采为12下层煤，其余煤层均不可采，可采总厚度为1.63m。

2.1.3.3煤质

井田内各煤层的成因类型属陆植煤类，变质程度为低～中变质阶段的烟煤，工业牌号3上、3下煤层为气煤，12下煤层为气煤，16煤层为肥煤；3下、16煤层平均为中灰分，3上、12下煤层平均为富灰分；3上、3下煤层为低硫煤，12下煤层为中硫煤、16煤层为富硫煤；3上煤挥发分（精煤）为34.91～43.29%，3下煤挥发分（精煤）为33.58～45.02%，12下煤挥发分（精煤）为37.06～48.36%，16煤挥发分（精煤）为41.22～46.37%。

2.1.3.4地质构造

蒋庄井田受高庙断层、刘仙庄断层、尹家洼断层等控制，总体构造线展布为NNE向，形成一断裂构造发育，以地堑、地垒为主要特点的宽缓褶皱区。

井田内断层很多，含煤地层沿走向、倾向产状均有变化，个别地段有岩浆侵入。

属构造中等区。

2.2可采煤层顶底板条件

2.2.13上煤层：

顶板岩性变化较大，顶板为泥岩、泥质粉砂岩，厚0.00～2.46m。

老顶常为中、细粒砂岩，厚14～25m。

部分地段顶板为中～细粒砂岩。

砂岩单向抗压强度干燥状态下平均为60.198MPa，饱和吸水状态下平均为41.010MPa；泥岩单向抗压强度干燥状态下平均为45.449MPa。

属中等冒落～难冒落顶板。

底板多为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩细砂岩互层，厚度一般为2～4m。

2.2.23下煤层

3上、3下煤层合并区内顶板为砂质泥岩、泥岩，厚0.06～5.25m。

分叉区内大部分地段顶板为浅灰、灰白色细、中砂岩，有时夹砂、泥岩互层。

老顶常为中、细粒砂岩，厚度一般为20～30m，当3上煤层尖灭时，可增至50m左右或更大。

砂岩没有强度试验资料，据肉眼鉴定，其坚固性优于3上煤层顶板砂岩。

属中等冒落～极难冒落的顶板。

14勘探线以北部分地段及以南的大部分地段有泥岩伪顶，其厚度多在0.50m以下，有时增厚至2～3m或更大些，成直接顶，容易冒落，应予以重视。

底板为砂质泥岩，向下渐变为粉砂岩，砂泥岩互层，一般为3～5m。

未发现底鼓现象。

2.2.312下煤层

顶板为泥岩、砂质泥岩，向上渐变为粉砂岩、细砂岩，厚5～7m。

稳定性较差。

属冒落～中等冒落顶板。

底板为泥岩、砂质泥岩及粘土岩，向下为石灰岩（八灰）或砂岩，有石灰岩（八灰）存在时，泥岩厚度不超过0.5m。

2.2.416煤层

顶板为第十下层石灰岩，厚3.38～9.40m，一般5m左右。

层位稳定，岩性坚固。

据柴里井田资料，石灰岩单向抗压强度干燥状态下平均为166.557MPa，饱和吸水状态下平均为146.355MPa。

属极难冒落顶板。

有时具泥岩伪顶，厚度0.10m左右，易随煤脱落。

底板为泥岩，厚度多在1m以内，向下变为砂岩。

表2.1可采煤层顶底板岩石强度一览表

岩性

抗压强度（MPa）

抗拉强度（MPa）

抗剪强度（MPa）

中、细砂岩

58～136

5.5～14.3

12.6～37.2

泥岩

19～40

2.8～5.5

16～23.8

石灰岩

54～167

7.9～14.1

2.3实验模拟矿区综述

上述为蒋庄煤矿地质报告，在此次实验中，模拟地区为整个滕南矿区，以济宁地区为中心。

蒋庄煤矿地质代表着滕南矿区一般矿区的地质条件。

在整个滕南矿区地形地貌特征为平原,采煤主要为3下、3下煤，还有其余的煤层例如12下、16煤层，在整个滕南矿区各部分的煤层埋藏深度和厚度各不相同。

地质条件大体相近，但由于地理中有断层，各矿区同时还具有自己的特点。

在相同中还具有自己的不同。

考虑到此次模拟矿区地质条件相似，但采矿条件和埋藏条件稍有不同的情况，因此，在模拟的过程中采用对比方法。

具体的做法是方案一：

选取固定的采深，分别模拟不同采厚条件下的下沉值并根据下沉值确定数学关系式；方案二：

选取固定的采厚，分别模拟不同采深条件下的下沉值并确定数学关系式。

考虑到滕南矿区各矿开挖时间较长，有些矿服务时间已经很长，实测资料比较全，根据实际经验进行模拟，并与实测数据进行比对，确定模拟数据的可用性和准确性，并以此为根据进行沉陷预报模拟。

根据最终的结果讨论如何在保证矿区各种公共设施和建筑物的安全的前提下创造更大的经济效益。

为矿区沉陷预防方法提供一个佐证。

有的模拟条件并不是真实情况，故在建模选取地质条件参数时并不是地质报告上的参数，主要是为了考虑模拟各个条件的全面性，使结论更具全面性，能够适应较大的方面。

但由于地质条件选取为滕南矿区，故结论的使用方面还具有局限性，只是适用于滕南矿区。

3FLAC数值模拟实验

3.1FLAC软件介绍和下沉系数简介

3.1.1FLAC使用原理和方法

FLAC软件由美国Itasca公司于20世纪80年代开发并于20世纪90年代得以广泛利用。

目前该软件在国外已被广泛应用于工程地质、岩土力学以及构造地质学和成矿学等研究领域。

它是基于拉格朗日差分法的一种显式有限差分程序，它不仅适宜于处理大尺度、大变形工程和地质问题，而且可以在初始模型中加入诸如断裂、节理构造等地质因素。

国内于20世纪90年代初引进该软件，主要应用于工程地质和岩土力学分析，如矿体滑坡、煤矿开采沉陷预测、水利枢纽岩体稳定性分析、采矿巷道稳定性研究等。

FLAC软件设计的基本算法是拉格朗日差分法，是一种利用拖带坐标系分析大变形问题的数值方法，并利用差分格式按时步积分求解。

3.1.2FLAC软件的特点

FLAC应用范围广泛，拥有11种材料本构模型和5种计算模式，同时还可以模拟多种结构形式和确定任意的边界条件。

下面介绍一下其余的模拟方法如有限元法、概率积分法等，1、有限元法是一种高效能、常用的计算方法．有限元法在早期是以变分原理为基础发展起来的，所以它广泛地应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中（这类场与泛函的极值问题有着紧密的联系）。

自从1969年以来，某些学者在流体力学中应用加权余数法中的迦辽金法或最小二乘法等同样获得了有限元方程，从而有限元法可应用于以任何微分方程所描述的各类物理场中，而不再要求这类物理场和泛函的极值问题有所联系。

2、概率积分法数学模型，当前，我国各矿区在进行地表移动预计时普遍采用概率积分法，其主要原因为：

①概率积分法采用随机介质力学理论，数学模型可靠；②预计公式推导过程严密，便于进行理论分析和编程解算；对下沉盆地的描述较为精确、合理；③我国学者对概率积分法进行了行之有效的发展、修改和补充工作，并且大力进行推广和应用。

上述方法代表着现有的开采沉陷理论，传统的定量理论分析方法假设较多，由于地下工程的结构和岩石破坏过程十分复杂，相似材料模拟成本高且误差大，这样就会影响研究结果的真实性。

而数值计算由于其可以综合考虑多种因素，且计算结果直观，在地下工程稳定性研究中得到了日益广泛的应用，已经成为岩石力学的一种重要研究手段，也是分析水平承载层（如顶板）稳定性的有力工具。

而且大部分现有的开采沉陷理论基本上都是以均匀连续介质假设作为理论研究前提，不能考虑岩层中存在的不连续面，如节理、裂隙以及断层的影响。

而实际上岩层中存在大量的节理裂隙和规模不等的断层，这些不连续面的存在影响了开采沉陷规律，尤其是当开采区域断层比较发育时，断层对开采沉陷规律的影响十分明显，在这种情况下就不得不考虑断层等不连续面的影响；另一方面，由于目前的开采沉陷预计理论（如概率积分法）的关键参数必须经过现场观测才能确定，因而给实际观测工作造成了一定的难度，因此，此次实验使用FLAC模拟软件对煤矿开采沉陷进行预计．该方法以岩石力学理论为基础，以煤岩物理力学参数和地层构造特性为计算依据，无需作任何假设或确定某些关键参数，从而克服了经典预计方法的不足。

此外，它能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为，分析渐进破坏和失稳，特别适用于模拟大变形。

FLAC程序具有很强的前后处理功能。

只要设定某些控制点的坐标，程序就可以自动生成网络，界面美观。

用户或根据实际情况通过某些命令修改网络，还可以直接在屏幕上绘制或以文件形式创建和输出打印多种形式的图形。

还可根据需要，将若干个变量合并在同一副图形中进行研究分析。

3.1.3下沉系数

下沉系数（subsidencefactor）是在充分采动条件下，开采近水平煤层时地表最大下沉值与开采厚度之比。

其大小主要与上覆岩层的性质、地层结构、采煤方法、顶板管理方法和采动性质等地质采矿因素有关。

地表下沉系数是预计地表沉陷的关键性参数，其取值的准确性决定了确定地表移动变形的精度，对地表沉陷移动预计的影响非常大。

即使是相同的或相似的地质采矿条件，地表下沉机理的不同会导致下沉系数存在着很大的差异。

例如：

在同一矿区，利用常规方