白家庄采煤沉陷预测及治理研究毕业论文

1、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安全，也对生态环境造成很大破环。因此有必要对采煤沉陷区进行预测、防治研究。本文以白家庄矿36703工作面上方的地表为研究对象，根据工作面上方顶板的地质采矿条件，分别采用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。获得了地表的下沉值、下沉范围。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分析工具，FLAC3D在采煤沉陷模拟预测方面具有广阔的应用前景，其直观、动态的分析将丰富采煤沉陷移动与变形的研究。本文最后根据概率积分法和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方法。对于沉陷治理工作，提出了要从源头防治的措施，应采用更合理的采煤方式防止沉陷发生。关键词：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 a

2、nd managementon Bajiazhuang coalAbstractWith 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

3、 conditions of 36703 working face, itstatic 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,

4、 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 controlli

5、ng 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IABSTRACTII1 绪论11.1 问题的提出及研究意义11.2 国内外沉陷预测与治理研究现状21.2.1 国内外沉陷预测研究现状21.2.2 国内外沉陷治理研究现状41.3 沉陷治理存在的问题61.4本次研究采用的理论和主要研究内容62 沉陷预测方法概率积分法72.1概率积分法72.1.1随机介质理论基本原理72.1.2 下沉盆地92.1.3 单元水平移动112.2预计公式132.2.1半

6、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132.2.2有限开采时地表移动盆地走向主断面的移动和变形142.2.3有限开采地表盆地倾向主断面移动和变形预计152.2.4地表任意点移动和变形预计公式172.3 计算参数的选取182.4本章小结193 采煤沉陷治理方法203.1 矿区土地复垦203.1.1 复垦土地平整技术203.1.2 梯田式复垦技术213.1.3 充填复垦技术233.1.4 挖深垫浅和直接利用法253.2 沉陷控制工程253.2.1 采煤沉陷控制技术253.2.2 井下回填263.2.3 注浆处置273.3本章小结274 白家庄煤矿采煤沉陷预测研究284.1白家庄煤矿基本概况284.2白家庄煤矿开采沉陷预测284.2.1地表移动预测参数的选取284.2.2 预测结果294.3沉陷预测分析364.3.1最大沉陷值分析364.3.2 沉陷面积分析374.3.3沉陷剖面分析384.4本章小结405 白家庄矿采煤沉陷预测分析方法FLAC3D模拟415.1三维快速拉格朗日法综述415.1.1拉格朗日法简介415.1.2 FLAC3D软件的主要特点415.2 白家庄矿367

7、03工作面顶板移动变形FLAC3D模拟研究425.2.1 计算条件425.2.2地表沉陷分析435.3本章小结516白家庄矿的沉陷治理研究526.1 地表沉陷影响分析526.2 沉陷区生态修复土地复垦536.2.1修复方案536.2.2 方案设计546.3煤矿开采沉陷控制新技术586.4本章小结587结论和展望597.1结论597.2论文不足与展望60参考文献61致谢63621 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，应力要重新分配，达到平衡。在这个过程中，岩层和地表会发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】。我国的煤炭工业以井下开采为主,绝大多数是长壁工作面、全陷落法管理顶底板,再加上开采强度开采规模的日益加大、开采方式和工作面结构参数优化不合理、小煤矿的不规范开采等影响,致使采煤区地面沉陷比较严重。据调查统计,每从地下开采1万t煤约使10003000m2的土地遭受不同程度的沉陷

8、。全国因采矿活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200km2【2】。表11是我国部分矿区不完全统计的采煤沉陷分布表【4】。表11我国部分矿区采煤沉陷分布表矿区名称沉陷区面积（km2）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随着煤矿开采范围的扩大，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，不仅影响到居民的生命财产安全，也对当地的生态环境造成极大的破坏，而且这种破坏极有可能是无法恢复的。所以对于采煤造成的地面沉陷，治理工作就显得十分必要，这关乎到矿区居民的生产生活，也关乎到矿区的生态环境，对于煤矿的正常生产也十分重要。同时沉陷区的治理工作也要有章可循，要根据采空区范围预测可能的沉陷区范围，结合预测做好治理工作。本文将结合白家庄矿的36703工作面的资料，预测工作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工作。1.2 国内外沉陷预测与治理研究现状1.2.1 国内外沉陷

9、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，各国学者提出了一系列的预测方法。采煤沉陷的预测方法大体有三类： 以实验和观测资料为依据建立的预测模型，主要是根据观测资料和观测结果，结合一些采煤的采掘参数所建立的模型。观测资料来源于特定矿区，结果也只对调查区域有效。 根据沉陷影响范围提出的预测模型，一般是对于预测矿区进行观测，利用观测资料与类似地质条件下的自然沉陷进行比较，得出一个比率系数，进行沉陷预测。该预测方法应用有限，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。 建立数学-物理模型，根据力学原理计算顶板变形和沉陷发展，这类模型可以给出计算结果【5】。国内较为常用的方法主要有两种：概率积分法和典型曲线法。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元堆积而成，从单元随机移动出发研究岩体的移动过程，把岩体看成完全的松散单元，又加设小单元性质与岩体无关，从而将覆岩和地表移动与岩体本身的固有属性分离。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，岩体结构复杂时误差较大，但由于其避开了岩体的内在特性，概率积分法适用简便，在岩体结构表现为简单的层状性质时计算结果符合实际，在生产实践中广泛使用。2典型曲线法【1】典型曲线法是用无因次的典型曲线表示移动盆地主断面上的移动和变形曲线的一种方法，它适用于矩形或近似矩形的采区的地表移动变形预计。应用典型曲线法的步骤如下：

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