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1、基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告书基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告目录1、立项的背景与意义11.1 立项的背景11.2 技术目标11.3 技术内容11.4 技术方法和路线22地质概况32.1地层32.1.1新老地层分述32.1.2主要含煤地层82.2构造122.2.1区域地质构造122.2.2矿区构造133. 矿井水文地质概况153.1井田边界及其水力性质153.2含水层与隔水层163.3矿井充水条件213.3.1生产矿井充水特征213.3.2矿井充水因素分析213.4井田及周边地区老窑水分布状况223.5矿井充水状况234 冒落带、导水裂隙带高度计算244.1
2、 计算理由244.2 计算公式244.3 计算结果254.3.1 覆岩岩性分析254.3.2 冒落带、裂隙带高度计算264.4计算结果分析264.4.1 保护层厚度的选择264.4.2 安全性分析275. 断层防隔水煤柱安全性验算285. 1 验算依据285. 2 验算结果286 冒落带、导水裂隙带高度数值模拟306.1 HPUY移动变形预计软件简介306.2 覆岩内部主要影响半径的确定336.3 移动变形主矢量计算方法356.3.1六个应变分量的求取356.3.2 变形主矢量的计算方法386.3.3 主应变的求取396.4 Drucker-Prager准则的应变表达式406.5 预计变形量与
3、判断破坏与否的计算程序表达416.6 回采方案裂隙带高度数值模拟426.7 数值模拟结果安全性分析477 固液耦合理论分析安全煤柱的稳定性487.1 FLAC3D软件简介487.1.1 FLAC3D的优点497.1.2 本构模型497.1.3 计算模式507.1.4 前后处理功能507.1.5 主要应用领域517.2 复杂地质条件建模的理论基础及建模527.2.1 三次样条插值的基本原理527.2.2利用三次样条插值法建立三维数值的步骤537.2.3 建立模型547.2.4 模型边界条件567.2.5 煤岩物理力学参数的选取567.3 块体固液耦合理论577.3.1 基本假设577.3.2 数
4、学模型597.3.3 流体渗流方程的数值解法607.3.4 程序设计627.4 模型的求解过程637.5 计算结果比较667.5.1 无渗流作用下煤柱稳定分析667.5.2 有渗流作用下煤柱稳定分析678 蓄水池坝安全性分析708.1概率积分法预计参数确定708.2地表移动和变形预计方案708.3预计结果718.4坝体采动影响程度分析728.4.1 下沉对堤坝影响的安全性分析728.4.2 水平变形对堤坝的影响分析749 结论76第78页基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 1、立项的背景与意义1.1 立项的背景AAAAA公司1970年8月动工兴建，1977年12月简易投产，200
5、5年核定生产能力为60万吨/年。目前，正在进行90万吨/年改扩建工作。矿井开拓方式为斜井开拓，多水平分区式开采，布置14、15两个采区。14采区为生产采区，布置有14161综放工作面，剩余储量103960万吨，预计2013年2月份回采结束，接替面为14022工作面，目前正在进行扩切眼工作，2013年元月份开始安装支架。15采区为改扩建区域，布置有1501备采工作面(可采储量89.99万吨)，目前正在实施瓦斯抽采。采煤方法均为走向长壁放顶煤，全部垮落法管理顶板。根据以上的工作面接替按排，备采工作面1501将在瓦斯抽放达标后回采。矿井西部、1501工作面上山方向邻接F19正断层，落差020m，走向
6、N6EN16E，倾向NW，倾角57。邻接F19断层处地表位置有西柏涧村西蓄水池，蓄水量不大，通过测量及地理信息系统计算，蓄水量为8857m3。F19断层揭露资料较少，因此F19正断层在该区的延展及富水性情况及地表蓄水池对1501工作面正常回采影响需要论证；因1501工作面煤层较厚，为安全合理留设断层防水煤柱，解放更多的煤炭可采资源，对该断层进行固液耦合数值模拟，以验证煤柱的稳定性具有必要性。1.2 技术目标根据实测资料，利用非线性理论，分析研究不同回采方案上覆岩层裂隙带的发育范围，进行回采方案优化，在资源回收最大化的前提下，提出能够满足生产需要的解决方案1.3 技术内容利用非线性理论，分析研究
7、水体下采煤的安全性，为水体下采煤提供理论上的支承；提供上覆岩层裂隙发育范围的图纸；在划定的范围内，设计各回采方案并进行优化，并提各方案的施工图纸；提供基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告。1.4 技术方法和路线利用非线性理论，根据实测资料，研究上覆岩层主要影响半径的分布形态；利用上覆岩层内主要影响半径的分布形态，研究覆岩内裂隙带的发范围；利用数字标高投影法、临界变形值法划定煤层回采时的保护范围；在划定的范围内，设计各回采方案并进行优化，最终达到安全回采的目的。 22地质概况2.1地层2.1.1新老地层分述因基岩在区内没有出露，仅据矿井和钻孔揭露资料情况，本区发育地层有：古生界奥陶系
8、中统马家沟组(O2m)，石炭系上统本溪组(C2b)、太原组(C2t)，二叠系下统山西组(P1sh)、下石盒子组(P1x)，上统上石盒子组(P2s)、石千峰组(P2sh)，新生界新近系、第四系(N+Q)。现由老到新分述如下：(一）、奥陶系中统马家沟组（O2m）在区外北部奥陶系中统马家沟组（O2m）有大面积出露，区内无出露，有12个孔揭露，揭露最大厚度110.76m（10-2孔）。其岩性以浅灰色厚层状灰岩为主，细晶质结构、块状构造，局部为白云质灰岩。上部夹少许角砾状灰岩，呈浅灰深灰色，角砾间充填有浅灰色铝土质泥岩及深灰色泥岩透镜体，具黄铁矿晶体及结核，发育有溶洞和裂隙，裂隙多被次生方解石脉充填。本
9、组产主要动物化石：Actinoceras 珠角石Armtnoceras 门角石（二）、石炭系（C）（1）上统本溪组（C2b）由奥陶系石灰岩顶到一煤底，地层厚度为1.5519.49m，平均厚度为12.05m。区内有15个孔见及，岩性以浅灰色铝土质泥岩为主，具鲕粒结构，含黄铁矿结核及晶体。局部为深灰色泥岩，产植物化石碎片；中部偶尔发育一层薄灰岩（L0）或薄煤层一0煤；中下部为灰白色细中粗粒砂岩和铝土质泥岩。与下伏奥陶系中统马家沟组呈平行不整合接触。（2）上统太原组（C2t） 从一煤层底到L9灰岩顶，如L9灰岩不发育，则以二1煤层下的一层厚砂岩为界。该组地层厚95.28125.00m，平均厚度为11
10、0.18m。岩性主要由灰深灰色、灰黑色泥岩、砂质泥岩、砂岩、石灰岩和煤层交互组成，为一典型的海陆交互相沉积。一般含79层灰岩(即L1L9)。其中L8 、L2灰岩全区发育，层位稳定，为井田内主要标志层。与下伏本溪组呈整合接触。本组产植物化石： Taeniopteris sp. 带羊齿属 Pecopteris sp. 栉羊齿属 Callipteris sp. 美羊齿属 Annularia sp. 轮叶属 Calamites sp. 芦木属产动物化石： Sinocrinus sp. 中国海百合属 Dictyoclostus taiyuanfuensis 太原府网格长身贝属Dictyoclostus
11、sp. 网格长身贝属 Pentamerus sp. 五房贝属 Pseudoschwagerina sp. 假希瓦格筳属 Triticites sp. 麦粒筳属 Sphenophyllum sp. 楔叶属 Brachythyrina sp. 准腕孔贝属 Linopteris neuropteroides. 麦网羊齿（三）、二叠系（P）（1）二叠系下统山西组（P1sh）由L9灰岩顶或二1煤层下的一层厚砂岩底至砂锅窑砂岩（Ss）底，厚89.43115.47m，平均厚97.63m，由砂岩、泥岩、砂质泥岩和煤层组成。含煤6层（二0、二1、二2、二3、二4、二6），二1煤层为全区主要可采煤层。与下伏太原组
12、呈整合接触。本组产植物化石： Sphenopteris sp. 楔羊齿属 Pecopteris sp. 栉羊齿属 Neuropteris sp. 脉羊齿属 Calamites sp. 芦木属 Lepidodendron sp. 鳞木属 Tingia carbonica(Scheuk) Halle 石炭齿叶 Tingia hamaguchii 菱齿叶（2）二叠系下统下石盒子组（P1x）由砂锅窑砂岩（Ss）底至田家沟砂岩（St）底，厚196.62267.40m，平均为252.25m，主要由砂岩、砂质泥岩、泥岩组成。据其沉积特征可划分为三、四、五、六4个煤段。与下伏山西组呈整合接触。三煤段由砂锅窑砂
13、岩（Ss）底至四煤底砂岩（S4）底，厚90.90118.17m，平均为110.47m。底部砂锅窑砂岩厚1.0016.50m，平均为5.47m，为灰绿灰白色，中细粒砂岩，含黑色泥岩包体，具交错层理，是下石盒子组较好的标志层；其上为一层灰白、浅灰色铝质泥岩，具紫斑，富含菱铁质鲕粒，层位不稳定，多相变为砂质泥岩或泥岩；中上部由紫斑泥岩、灰色砂质泥岩及浅灰色、灰色砂岩组成。砂岩、砂质泥岩中含丰富的植物化石碎片。四煤段由四煤底砂岩（S4）底至五煤底砂岩（S5）底，厚37.2076.29m，平均为55.00m。下部为四煤底砂岩，厚0.6118.00m，平均为6.72m，为浅灰色、灰绿色粗中粒砂岩，硅质胶结，含深灰色泥岩包体，具交错层理；中上部为深灰、灰色砂质泥岩、泥岩，含铝质具紫斑及菱铁质鲕粒，局部夹砂岩、粉砂岩透镜体。五煤段由五煤底砂岩（S5）底至六煤底砂岩（S6）底，厚18.6660.84m，平均为42.48m，主要由砂岩、砂质泥岩、泥岩组成。下部为五煤底板砂岩，厚0.3515.31m，平均为7.76m，为灰白色、浅灰色细粗中粒砂岩，含泥质条带及团块，具平行层理及交错层理，局部夹泥岩、砂质泥岩；上部为紫斑泥岩、砂质泥岩。六煤段从六煤底砂岩（S6）底至田家沟砂岩（
