深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究-new

深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究青岛理工大学王旭春教授二OO六年十月国家自然科学基金日本文部省国际合作基金山东省自然基金山东省中青年科学家奖励基金兖矿集团公司科技项目——深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究Ⅰ、宽厚条带规律及煤柱设计理论公式问题⑴覆岩破坏及地表移动规律、煤柱的应力与应变变化规律；⑵A.H.Wilson理论及公式能否适用宽厚条带煤柱的设计；⑶煤柱塑性区宽度的确定问题等。Ⅱ、开采方案优化设计问题⑴全采模式；⑵部分开采模式(条采和房采)。Ⅲ、计算数学模型选择问题⑴开采沉陷预测；⑵条带开采与房式开采方案设计。Ⅳ、系统开发关键技术问题⑴多种数据格式的存储及导出；⑵三维数据场可视化；⑶各类接口设计等。1.1需要解决的理论和技术问题——深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究⑴厚煤层条带综放三维相似材料物理模拟试验；⑵宽厚条带煤柱塑性区FLAC3D三维数值分析；⑶条带开采A.H.Wilson公式改进；⑷开采方案优化设计问题；⑸建筑物下开采方案优化设计系统实现；⑹计算成果三维数据场可视化及接口设计；⑺开采沉陷可视化工程分析设计系统研制与开发；⑻环境资源损害量化评价体系1.2研究及开发工作内容⑴宽厚条带开采地表及覆岩移动破坏规律、煤柱应力及应变的变化规律和煤柱塑性区的宽度等(大型三维相似材料物理模拟试验)；⑵宽厚条带煤柱应力及塑性区的分布和演化规律、塑性区宽度及围压经验系数(物理模拟+FLAC3D数值模拟试验)；⑶条带开采A.H.Wilson公式改进(试验成果+理论推导)；⑷建下开采方案优化设计两类模式提出及控制变形开采动态优化设计思想及方法系统实现(理论研究+系统开发)；⑸开采沉陷可视化工程分析设计系统；(特色：一体化、集成化、可视化、标准化)⑹环境资源损害量化评价体系。1.3研究方法1厚煤层条带综放三维相似材料物理模拟试验第四系表土泥岩夹薄层砂岩泥岩、砂岩互层细砂岩粉砂岩、泥岩互层中砂岩夹粉细砂岩粉砂岩兴隆庄煤矿相似材料模拟试验的地质模型三维相似材料模拟地质模型三维模型试验台前侧面实体图地表移动观测点、开采位置布设采面Ⅰ采面Ⅱ采面Ⅲ煤柱煤柱31245671234567891011121314151617181912345678910111213141516171811223344556677889走向Ⅰ线走向Ⅱ线倾向Ⅰ线倾向Ⅱ线应力应变传感器1900mm480mm1000mm340mm850mm走向Ⅰ测线走向Ⅱ测线倾向Ⅰ测线倾向Ⅱ测线走Ⅰ走Ⅱ倾Ⅰ倾Ⅱ模型地表变形观测系统布设图地表观测系统（测点及透镜）采面Ⅰ采面Ⅱ采面Ⅲ煤柱煤柱31245671234567891011121314151617181912345678910111213141516171811223344556677889走向Ⅰ线走向Ⅱ线倾向Ⅰ线倾向Ⅱ线应力应变传感器1900mm480mm1000mm340mm850mm煤柱应力、应变匹配传感器布设图返回煤柱煤柱煤柱I条带II条带冒落及破坏形态(模型内25cm横断面处)020406080100120140160180200-1400-1200-1000-800-600-400-2000W(mm)(cm)☆1○2△3★4◇5走向Ⅰ测线地表下沉观测曲线020406080100-1400-1200-1000-800-600-400-2000W(mm)(cm)☆1○2△3★4◇5倾向Ⅰ测线地表下沉观测曲线条带Ⅲ采面开采后地表下沉盆三维插值图-1200.00-1100.00-1000.00-900.00-800.00-700.00-600.00-500.00-400.00-300.00-200.00-100.00各条带开采煤柱内测点应力变化曲线00.20.40.60.811.21.41.61.82P(kg)4563721☆初始值○第Ⅰ条带采后值△第Ⅱ条带采后值★第Ⅲ条带采后值◇稳定值（测点号）⑴地表形成单一均匀下沉盆地，变形规律与一般条带相似；⑵Wmax=1282mm，q=0.145，Umax=810mm；⑶顶板冒落高度24m，断裂角65°；⑷存在离层，距顶板60m;⑸煤柱塑性区宽度20～24m，核区宽度32～40m；⑹煤柱核区压缩量0.22m。三维相似材料物理模拟实验结论2宽厚条带煤柱塑性区FLAC3D三维数值分析——宽厚条带煤柱塑性区FLAC3D三维数值模拟分析数值模拟计算模型及结果80m80m80m80m80m100m100m70m119m100m计算模型图第Ⅲ条带开采并稳定后煤柱应力分布第Ⅲ条带开采并稳定后煤柱塑性区分布煤柱最终塑性区分布及分区图煤柱塑性区煤柱塑性区煤柱核区煤柱核区模拟研究结论Ⅰ、宽厚条带开采煤柱塑性区宽度不同于普通条带开采；Ⅱ、物理模拟结果为20～24m，数值模拟结果为16～20m，综合取煤柱塑性区宽度为20m;Ⅲ、A.H.Wilson通过试验得出普通条带：Y=0.00492MH本次模拟试验得出宽厚条带：Y=0.00635MH；Ⅳ、经对水平应力模拟计算得出：考虑了侧向应力系数和应力集中系数的侧向应力经验系数=0.4~0.8。3条带开采A.H.Wilson理论公式探讨及改进4A.H.Wilson理论公式探讨及改进我国在进行条带开采设计时，应用最多的是英国的A.H.Wilson(威尔逊，1972)煤柱设计理论及公式。A.H.Wilson理论由于建立在三向强度特性的基础上，克服了其它方法的缺陷，因而更加实用和可靠，得到了广范应用。然而，A.H.Wilson计算公式也存在着因简化而带来的问题，有专家学者多次指出这一点，并提醒在应用时注意，主要是煤柱极限强度计算和煤柱屈服区宽度确定问题。同时，简化的A.H.Wilson公式没有煤体的强度参数c和，无法对煤柱的长期强度问题进行有说服力的分析，也容易引起认识上的混乱。模拟试验也得出：对于宽厚条带煤柱塑性区宽度的确定，不能采用A.H.Wilson试验得出的经验式。A.H.Wilson理论公式A.H.Wilson的主要贡献在于提出了煤柱两区约束理论(或称渐进破坏理论)、给出了三向受力状态下煤体的极限强度简化计算式、并通过实验确定了煤柱屈服区宽度，在此基础上推导出煤柱承载能力的计算公式。σσYYa屈服区111核区屈服区煤柱两区约束理论A.H.Wilson理论公式⑴煤柱所能承受的极限荷载σS条带煤柱极限荷载计算示意图YσσYa11LMHaHS00492.04，MNA.H.Wilson理论公式⑵煤柱实际承受的荷载σP采空区及煤柱分担荷载示意图面积=施于煤柱a由冒落岩石承受的荷载b由冒落岩石承受的荷载bzzb/20.3Hb/20.3HH的荷载，MNLHbbaHP6.022煤柱极限强度推导三向应力状态下的极限平衡条件(σ+σ)/2c·tancABCD0στ=c+tanσσ31τ1331sin1sin1sin1cos2c由极限平衡条件可知，在三向应力状态时应有：煤柱极限强度推导在煤柱边缘侧向应力σ3=0，屈服区侧向应力σ3由外向里渐增，至与核区交界处时为最大，最大侧向应力σ3=γH(MPa)。式中为考虑了侧向应力系数和应力集中系数的经验值，数值模拟试验得出=0.4～0.8。一但核区内部达到峰值应力，则核区弹性状态逐渐消失，煤柱失稳。将σ3代入前式，得出：Hcsin1sin1sin1cos21A.H.威尔逊对此式进行了简化处理：①煤体的内摩擦角φ取固定值36°(按英国的情况)；②将式右边的第一项舍去。简化后得出煤体的极限强度σ1=4γH(MPa))。煤柱极限强度影响因素敏感度分析在式中，影响煤柱极限强度的因素有：煤体粘聚力c、煤体内摩擦角φ、上覆岩体平均重度γ和开采深度H。煤体粘聚力c值范围为0.98～9.81MPa，一般为1.96～3.92MPa；煤体内摩擦角φ值范围为16°～40°，一般为28°～35°；上伏岩体的平均重度γ值范围取20～30kN／m3；开采深度H范围取100～600m。将煤体极限强度计算式表达为，即令：21111sin1cos211cHsin1sin121(取1)煤柱极限强度影响因素敏感度分析0.002.004.006.008.0010.00c,MPa01020304050,MPa煤体粘聚力c对的影响曲线11sin1cos211c煤体内摩擦角φ对的影响曲线1116202428323640051015202530354045,MPac=0.98MPac=5.00MPac=9.81MPasin1cos211c煤柱极限强度影响因素敏感度分析162024283236400102030405060708090,MPaH=100mH=300mH=500mH=700mm3煤体内摩擦角φ对的影响曲线21Hsin1sin121煤柱极限强度影响因素敏感度分析覆岩平均重度γ对的影响曲线212021222324252627282930KN/m301020304050,MPaH=100,H=300,H=500,Hsin1sin1210100200300400500H,m020406080100,MPa(1)(1)(2)(2)(2)minminminmaxmaxmaxHCmin=65mHCminHCmaxHCmax=366m(1)c=0.98MPa,m3(2)c=9.81MPa,m3采深H对煤体极限强度的影响曲线11620242832364001020304050607080,MPaH=100mH=300mH=500mc=3.0MPa,m3煤体内摩擦角φ对煤柱极限强度的影响曲线1煤柱极限强度影响因素敏感度分析煤柱极限强度影响因素敏感度分析结论：①A.H.Wilson将煤体的内摩擦角φ取固定值36°，简化了煤体极限强度的计算式。但从上述分析中看到，煤体内摩擦角的变化，对煤体极限强度的影响很大，不应该用一个定值来简化计算。②煤体内摩擦角φ的一般范围是28～35°，取较大的36°进行计算，虽然可以对舍去的第一项进行一些补偿，但无法达到“同步”补偿。③煤体的极限强度计算式的第一项数值11，只有在煤的变质程度较低，即煤体粘聚力和内摩擦角很小，而开采深度较大(＞500m)时，其数值相对第二项来说达到可以忽略不计的程度。而当c、φ取一般值时，第一项数值11值的变化范围为2.65～15.06MPa，并不是很小。④应用A.H.Wilson公式取得大量成功实例的重要原因，是其在安全系数方面进行了调整，达到1.5～2.0。LMHaHS00492.04原式LHbbaHP6.022相同条带开采Wilson公式改进结果煤柱所能承受的极限荷载σS◆煤柱实际承受的荷载σP◆LkMHaHcSsin1sin1sin1cos2改进总结：针对条带开采A.H.Wilson理论公式中存在的问题，在详细分析与推导的基础上进行了改进。新的公式更为严密，并适合宽厚条带的开采设计。4建筑物下开采方案优化设计系统实现部分开采模式的优化设计问题对于部分开采(条采和房采)，其方案优化设计即要考虑地表变形指标，还要考虑煤柱的稳定性指标，本研究将其概括为：强度设计+变形设计模式。部分开采优化设计流程为：Ⅰ煤柱的强度设计确定合理的采、留宽度(开采方案)，并进行煤柱强度设计。Ⅱ地表变形设计根据形成的开采方案，进行开采沉陷预测。Ⅲ开采方案动态优化设计考虑强度、变形、回采率等因素进行动态曲线优化设计。控制变形开采动态优化设计思想及方法常规设计步骤：第一步：选择