本文是一篇土木工程论文，本文采用数值模拟的研究方法，分别分析了老虎台矿-280m采区与前期多采区按实际开采时序开采和不考虑时间间隔连续开采两种开采方式诱发覆岩移动变形与破坏的变化规律，通过倾斜变形、水平变形、曲率等指标综合求出危险边界、移动边界、边界角与移动角，并在此基础上针对重点区域的典型市政措施提出安全防护措施。针对老虎台老矿区地表沉陷区，设计了地表监测系统，并对老虎台矿沉陷区及东露天矿老旧矿区生态环境修复提出了具体措施与方法。
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
2019 年，我国人均煤炭消费为 3.47 吨标准煤每年，与发达国家仍有距离，煤炭需求仍有较大增长空间，煤炭作为兜底能源的地位仍然不可动摇[1]。现阶段，随着浅煤层资源的逐渐耗尽，深部煤层将是我国未来煤炭资源的重要储备。据统计，我国煤炭总量为 5.57 亿吨，其中埋深在-1000m 以下的浅煤层总量为 2.62 万亿吨，大部分浅煤层已被开采；埋深在-1000m 以下的深部煤炭资源占已探明煤炭储量的五成以上。我国煤炭开采深度正以每年 8~12m 的速度增加，在我国华东和华中地区煤炭平均采深甚至以每年 10m~25m 的速度向深部发展[2,3]。据国家发改委统计数据显示，截止至 2017 年，我国采煤沉陷区总面积达 2 万 km2，分布在 23 个省市自治区；到 2025 年，我国煤炭需求总量预计将达到 41 亿吨，预计采空沉陷面积将新增至 3 万 km2，地表沉陷区的治理迫在眉睫。开采沉陷引起的生产安全及生态环境问题众多，如 1999 年湖南水口山铅锌矿地表发生坍塌，局部形成多处塌陷坑[4]；小官庄铁矿地下采空区引起井筒变形和偏移，造成了极大的安全隐患[5]；2007 年，抚顺老虎台矿发生透水事故，造成多名矿工遇难[6]；2021 年 4 月 11 日，新疆丰源煤矿在技术改造过程中突发突水事故，造成多名当班工人被困。抚顺矿产资源丰富，素有“煤都”之美誉。受长期开采影响，抚顺市采煤沉陷区面积 23.29km2，受矿山地质灾害影响区域面积达 74.73km2。
1.1.2 研究意义
矿山开采沉陷，在某种程度上来说，就是矿体围岩移动变形[3]。随着地下矿体被挖出，其形成的附加应力场、自重应力场、与构造应力场构成叠加效应形成新的应力场[7-9]；其结果是每一次开挖后形成的应力场都是前一次应力场的演化与叠加，引发围岩和覆岩变形和破坏，进而破坏地面市政设施、工业设施和居民建筑。
老虎台矿开采前期采用分层充填开采，目前老虎台矿综放开采对煤层进行分层放顶煤开采。井工开采诱发上覆岩体破坏，对于地表重要市政设施安全及工作面稳定具有重大影响；井工开采诱发覆岩破坏，离层空间和裂隙会发育成导水通道，若导水裂隙带发育至地表水池并联通，就极易发生井下突水事故。
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1.2 矿山地下开采诱发地表变形的国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
18 世纪 20 年代，比利时学者在调查分析的基础上结合实验提出了“垂线理论”[14]，此后学者在此假设的基础上提出了“法线理论”[15]；18 世纪后期，德国科学家 JLcinsky 在 1876 年提出“二等分线”理论[16]，1882 年 Oester 提出了“自然斜面理论”，与移动角相关，法国学者 Fayal 提出“圆拱”理论，以及在 18 末期，高斯的“二分带理论”，Brauner 提出了网格法[17]，这些早期的研究成果虽然受当时的科技水平和理论体系的影响都有一定的局限性，但为后来的研究提供了新的思考角度。
进入 20 世纪，开采沉陷学得到进一步扩展，1907 年，Korten 根据实测结果结合理论分析，总结了地表水平移动和变形的关系。1923-1928 年，Keinhost 和Smchmitiz 分别提出了地表下沉与开采充分程度的关系和地表下沉与地表水平移动之间的关系。1954 年，波兰科学家 J.Litwinisyn 提出“随机介质”理论，该理论将岩体视为不连续体，把岩移视为随机过程，利用数学方法得出了下沉盆地地表水平位移值。1958 年，前苏联首次提出了“三带理论”，提出采空区上部岩体破碎程度，依下而上分别为冒落带、裂隙带和弯曲带。19 世纪 60 年代，英国学者Berry 和 Sales 将岩体设为连续均质弹性介质，提出了覆岩下沉计算理论[18-23]。
1990 年后，计算机信息技术高速发展，国外学者 Wood[24]、Sirivardance 和Amanda[25] 、X.L.Yao[26]等科学家相继将数值模拟的方法逐步引入到地下开采引起地表变形的研究中，煤矿开采沉陷研究跨入了新纪元。
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第二章 老虎台矿区新采区设计与工程地质概况
2.1 老虎台矿概况
2.1.1 位置与交通
老虎台矿位于辽宁省抚顺煤田中部，地理坐标为东经：123°53′42″～123°57′59″，北纬：41°50′57″～41°52′22″。
老虎台矿由电铁与国家二等站大官屯站相连，矿区电铁距大官屯站直线距离9.6km，抚顺至沈阳 48.2km，矿区与市区各厂矿由公路相联系，路网发达，交通便利。图 2-1 为老虎台矿区位置图。
图 2-1 老虎台位置图
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2.2 老虎台矿区工程地质特征
2.2.1 井田地质构造
老虎台矿井田共有两层煤，即一层煤（也叫本层煤）、三层煤（也叫 B 层煤）。一层煤为主要开采煤层，三层煤曾在-159m、-225m、-280m 和-330m 等水平进行试采，但由于岩浆侵入，煤层极不稳定，目前尚未开采[50]。
图 2-3 老虎台井田综合柱状图
根据 E5600、E5800、E6000、E6200 勘探线剖面图，对应工作面上方为炮采已采区充填体。根据之前学者研究，阶段煤柱复采工作面覆岩采厚破坏比为 9.2，本工作面煤层厚度 4～12m，覆岩破坏最大高度为 92m。本区油母页岩铅直厚度168～190m，平均厚度 179m；绿色页岩铅直厚度 111～175m，平均厚度 143m；弯曲带岩柱为 279～365m。弯曲带岩层主要为油母页岩、绿色页岩，岩层结构致密，坚固性系数 f=3.5~4，具有较好的隔水作用。
矿井充水水源为冲积层含水层孔隙水的长期渗透补给，冲积层位于地表，平均厚度14.15m，由松散的砂质黏土，细～粗粒砂、砾石组成，单位涌水量q=0.841～4.12L/s•m，k=10.27～92.8m/d。冲积层含水层水源来自大气降水的补给，富水性具有季节性特点。由于煤层顶板泥质岩层的隔水性，冲积层含水层的补给条件差，断裂构造不具有导水性，受开采破坏或影响的凝灰岩含水层富水性弱，无充沛水源补给，工作面上方已采区及覆岩不具备充水条件，水文地质条件简单。与工作面正穿和有影响的-280、-330m 水平 51#～57#炮采已采区旧巷 22 条，在煤层底板凝灰岩局部裂隙水补给条件下，预计个别旧巷可能存有一定量的积水。巷道掘进过程中，超前探明旧巷的富水性。根据煤岩层及原炮采已采区开采经验，煤岩层及原炮采已采区弱含水，预计-280m 阶段煤柱工作面开采，冲积层含水层和旧巷水不能构成安全威胁。根据近三年对-280m 水平涌水量观测，预计该工作面正常涌水量 0.56m3/min。
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第三章 按各采区实际开采时序模拟研究覆岩移动规律.................. 15
3.1 数值模拟模型设计....................................15
3.1.1 老虎台矿各采区按实际开采时序开采方案分析模型设计......................... 15
3.1.2 研究区岩石力学参数确定............................... 16
第四章 按各采区连续开采模拟研究覆岩移动规律.......................... 34
4.1 数值模拟模型的设计.............................34
4.1.1 老虎台矿各采区按连续开采方案数值模拟模型设计................................. 34
4.1.2 老虎台矿地下开采数值模拟模型的建立................................ 35
第五章 地表移动破坏范围界定及顶板突水预测与安全防护措施研究....................................53
5.1 不同开采条件下地表移动影响范围..............................53
5.1.1 移动角与边界角对比分析................................... 53
5.1.2 实测资料分析.................................. 55
第六章 老虎台矿-280 水平采区安全监测及老矿区土地复垦和生态重构
6.1 老虎台矿地表变形监测体系建立
6.1.1 采空区安全监测的必要性
在过去，工人更多的是凭经验来判断生产是否有危险，最常用的方法就是敲帮问顶。随着人们对信息技术认识的不断深化，科学的预测方法应用变得越来越普遍，典型的有探地雷达、应力监测、射频传输跟踪。近几年，微震监测系统在地下事故预测和救援方面应用的越来越广泛。
矿山采空区系统复杂且不可逆，要想准确对矿体的力学性能变化进行控制与预测，先进的监测系统和电控技术必不可少。采用数字化监测监控采空区，可以更好地了解上覆岩体、围岩的动态变
