白家庄矿采煤沉陷预测及治理研究 摘要
随着煤炭资源的开采，越来越多的土地因为采空区塌陷而遭到破坏，威胁到地表人群的生产生活宁静，也对生态情况造成很大破环。因此有须要对采煤沉陷区进行预测、防治研究。
本文以白家庄矿 36703 事情面上方的地表为研究东西，凭据事情面上方顶板的地质采矿条件，分别采取概率积分法和三维快速拉格朗日有限差分法（FLAC3D 数值模拟），对受开采影响的地表移动和变形进行静态和动态预测。得到了地表的下沉值、下沉范畴。预测结果表明，在地表移动和变形预测方面，概率积分法和 FLAC3D 数值模拟都是可行的。作为一种三维显式有限差分法的数值阐发东西，FLAC3D 在采煤沉陷模拟预测方面具有辽阔的应用前景，其直观、动态的阐发将富厚采煤沉陷移动与变形的研究。
本文最后凭据概率积分法和 FLAC3D 数值模拟的预测结果，结合矿区的实际，提出了土地复垦和生态重建的治理要领。对付沉陷治理事情，提出了要从源头防治的步伐，应采取更公道的采煤方法防备沉陷产生。
要害词：预测；概率积分法；FLAC3D 数值模拟；地表移动和变形；土地复垦
A study of mining subsidence prediction and management on Bajiazhuang coal Abstract With the exploitation of coal resources,an increasing number of land due to subsidence of mined-out area was destroied.
The subsidence seriously threats to the ground productive and life safety of people, but also destroied ecological environment. Therefore,
it is necessary for mining subsidence to research prediction and controlling.
This paper takes ground above 36073 working face of baijiazhuang coal as an example. According to the geological and mining conditions of 36703 working face, it static and dynamic predicts the displacement and deformation of surface with the probability-integral method and Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions(numerical simulation with FLAC3D) respectively.
Results of prediction pointed out the value of the ground subsidence, the subsidence area. It shows that the probability-integral method and numerical simulation with FLAC3D are feasible on predicting displacement and deformation of the ground.
But, as a three-dimensional explicit finite-difference analysis tool, the application in simulation and prediction mining subsidence has broad application prospect.Its visualized and dynamic analysis will be rich in the study which predicts the displacement and deformation of mining under ground. Finally,according to the predicted results of the probability-integral method and numerical simulation with FLAC3D, the treatment of the land reclamation and ecological reconstruction was used.
For controlling work of subsidence,
the better ways to prevent the subsidence occurred in coal mining is using reasonable mining methods to prevent subsidence from source. Key words: Prediction;
Probability-integral method; Numerical simulation
with FLAC3D;
Ground
displacement and deformation; Land Reclamation
目录 摘要 ..................................................................... I ABSTRACT ................................................................ II 1 绪论 ................................................................... 1 1.1
问题的提出及研究意义 ................................................ 1 1.2
国内外沉陷预测与治理研究现状 ........................................ 2 1.2.1 国内外沉陷预测研究现状 .......................................... 2 1.2.2 国内外沉陷治理研究现状 .......................................... 4 1.3
沉陷治理存在的问题 .................................................. 6 1.4 本次研究采取的理论和主要研究内容 .................................... 6 2 沉陷预测要领——概率积分法 ............................................. 7 2.1 概率积分法 .......................................................... 7 2.1.1 随机介质理论根本原理 ............................................ 7 2.1.2 下沉盆地 ........................................................ 9 2.1.3 单位水平移动 ................................................... 11 2.2 预计公式 ........................................................... 13 2.2.1 半无限开采时地表移动盆地走向主断面的移动和变形的预计 ........... 13 2.2.2 有限开采时地表移动盆地走向主断面的移动和变形 ................... 14 2.2.3 有限开采地表盆地倾向主断面移动和变形预计 ....................... 15 2.2.4 地表任意点移动和变形预计公式 ................................... 17 2.3
盘算参数的选取 ..................................................... 18 2.4 本章小结 ........................................................... 19 3 采煤沉陷治理要领 ...................................................... 20 3.1
矿区土地复垦 ....................................................... 20 3.1.1 复垦土地平整技能 ............................................... 20 3.1.2 梯田式复垦技能 ................................................. 21 3.1.3 充填复垦技能 ................................................... 23 3.1.4 挖深垫浅和直接利用法 ........................................... 25 3.2
沉陷控制工程 ....................................................... 25 3.2.1 采煤沉陷控制技能 ............................................... 25 3.2.2 井下回填 ....................................................... 26 3.2.3 注浆处理 ....................................................... 27 3.3 本章小结 ........................................................... 27 4 白家庄煤矿采煤沉陷预测研究 ............................................ 28 4.1 白家庄煤矿根本表面 ................................................. 28 4.2 白家庄煤矿开采沉陷预测 ............................................. 28
4.2.1 地表移动预测参数的选取 ......................................... 28 4.2.2 预测结果 ....................................................... 29 4.3 沉陷预测阐发 ....................................................... 36 4.3.1 最大沉陷值阐发 ................................................. 36 4.3.2 沉陷面积阐发 ................................................... 37 4.3.3 沉陷剖面阐发 ................................................... 38 4.4 本章小结 ........................................................... 40 5 白家庄矿采煤沉陷预测阐发要领—FLAC3D 模拟 .............................. 41 5.1 三维快速拉格朗日法综述 ............................................. 41 5.1.1 拉格朗日法简介 ................................................. 41 5.1.2 FLAC3D 软件的主要特点 .......................................... 41 5.2
白家庄矿 36703 事情面顶板移动变形 FLAC3D 模拟研究 .................... 42 5.2.1 盘算条件 ....................................................... 42 5.2.2 地表沉陷阐发 ................................................... 43 5.3 本章小结 ........................................................... 51 6 白家庄矿的沉陷治理研究 ................................................. 52 6.1
地表沉陷影响阐发 ................................................... 52 6.2
沉陷区生态修复—土地复垦 ........................................... 53 6.2.1 修复方案 ....................................................... 53 6.2.2 方案设计 ....................................................... 54 6.3 煤矿开采沉陷控制新技能 ............................................. 58 6.4 本章小结 ........................................................... 58 7 结论和展望 ............................................................. 59 7.1 结论 ............................................................... 59 7.2 论文不敷与展望 ..................................................... 60 参考文献 ................................................................ 61 致谢 .................................................................... 63
1 绪论
1.1 问题的提出及研究意义
地下煤层被采出后，采空区周围的岩体的原始应力平衡状态遭到破坏，应力要重新分派，到达平衡。在这个历程中，岩层和地表会产生连续的下沉和移动，这种现象称为“开采沉陷”（Mining subsidence）【 1 】。沉陷是井下煤田开采对土地破坏的主要形式,沉陷地面一般占井下煤田开发区总土地破坏面积的 80%以上【 2 】。
我国的煤炭产业以井下开采为主,绝大多数是长壁事情面、全陷落法治理顶底板,再加上开采强度开采范围的日益加大、开采方法和事情面结构参数优化不公道、小煤矿的不范例开采等影响,致使采煤区地面沉陷比力严重。据视察统计,每从地下开采 1 万 t 煤约使 1000~3000m 2 的土地遭受差别水平的沉陷。全国因采矿运动形成的采空区面积约80.96 万公顷，引发地面沉陷面积 35.22 万公顷，【 3 】
每年增加 200km 2 【 2 】。表 1—1 是我国部分矿区不完全统计的采煤沉陷漫衍表【 4 】。
表 1—1 我国部分矿区采煤沉陷漫衍表 矿区名称 沉陷区面积（km 2 ）
抚顺 16.89 古交 66.09 鹤壁 64.38 鸡西 193 济宁 126.67 六盘水 78.21 阜新 101.38 山西（10 个矿区）
1084.886 辽源 23.37 鹤岗 63.73
随着煤矿开采范畴的扩大，越来越多的土地会受到破坏，沉陷也会对矿区的居民生
活带来威胁。矿区大面积的土地破坏，不但影响到居民的生命财产宁静，也对本地的生态情况造成极大的破坏，并且这种破坏极有可能是无法规复的。所以对付采煤造成的地面沉陷，治理事情就显得十分须要，这关乎到矿区居民的生产生活，也关乎到矿区的生态情况，对付煤矿的正常生产也十分重要。同时沉陷区的治理事情也要有章可循，要凭据采空区范畴预测可能的沉陷区范畴，结合预测做好治理事情。
本文将结合白家庄矿的 36703 事情面的资料，预测事情面采煤后对地面的影响，并结合预测做好沉陷区的治理与防治事情。
1.2 国内外沉陷预测与治理研究现状
1.2.1 国内外沉陷预测研究现状
采矿沉陷预测研究的历史仅仅有一百多年历史，各国粹者提出了一系列的预测要领。采煤沉陷的预测要领大要有三类：
① 以实验和视察资料为依据创建的预测模型，主要是凭据视察资料和视察结果，结合一些采煤的采掘参数所创建的模型。视察资料来源于特定矿区，结果也只对视察区域有效。
② 凭据沉陷影响范畴提出的预测模型，一般是对付预测矿区进行视察，利用视察资料与类似地质条件下的自然沉陷进行比力，得出一个比率系数，进行沉陷预测。该预测要领应用有限，比率系数很难确定，自然沉陷也主要受地球力学和地质影响。
③ 创建数学-物理模型，凭据力学原理盘算顶板变形和沉陷生长，这类模型可以给出盘算结果【 5 】。
国内较为常用的要领主要有两种：概率积分法和典范曲线法。
1 概率积分法（随机介质理论）【 6 】
概率积分法的依据是非连续介质力学理论，将岩体看成是由无穷多个单位聚集而成，从单位随机移动出发研究岩体的移动历程，把岩体看成完全的松散单位，又加设小单位性质与岩体无关，从而将覆岩和地表移动与岩体自己的固有属性疏散。
概率积分法没有考虑岩体结构的特性，且利用的预计参数没有力学意义，岩体结构庞大时误差较大，但由于其避开了岩体的内在特性，概率积分法适用轻便，在岩体结构体现为简单的层状性质时盘算结果切合实际，在生产实践中遍及使用。
2 典范曲线法【 1 】
典范曲线法是用无因次的典范曲线体现移动盆田主断面上的移动和变形曲线的一种要领，它适用于矩形或近似矩形的采区的地表移动变形预计。
应用典范曲线法的步调如下：
⑴ 对实测资料进行数据处理惩罚，创建用地质采矿数据求取预计参数和地表移动变形最大...