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选题报告

辽宁工程技术大学

研究生论文选题报告及论文工作计划

研究生姓名

学科（专业）

研究方向

指导教师

2014年7月20日填

选题报告

论文题目（或选题范围）基于采空区地球物理勘查的采空区稳定性分析

一、综述

采空区是由人为挖掘或者天然地质运动在地表下面产生的“空洞”，采空区的存在使得矿山的安全生产面临很大的安全问题，人员与机械设备都可能掉入采空区内部受到伤害。

由于地下采空区具有隐伏性强、空间分布特征规律性差、采空区顶板冒落塌陷情况难以预测等特点，因此，如何对地下采空区的分布范围、空间形态特征和采空区的冒落状况等进行量化评判，一直是困扰工程技术人员进行采空区潜在危害性评价及合理确定采空区处治对策的关键技术难题。

目前，地下空区已经成为制约矿山发展的一个重要难题，随着矿山向深部开采，地压增大，地下空区在强大的地压下，容易发生坍塌事故，尤其对采空区下开采的矿山影响很大；地采空区残留大量的采场、硐室、巷道没有进行及时处理，对新井开采带来了严重的隐患，同时给矿山工作人员带来严重的威胁。

我国许多矿井上部煤层中都有自然冒落废弃的采空区,由于历史原因,在矿井周围也存在着许多小煤窑。

采空区是塌陷易发区，该地区长期的煤炭地下开采形成了大量的采空区，并已引起大量的地面塌陷,时刻威胁着当地的生态环境和人民生命财产安全，严重制约着当地的生产力发展和城市规划建设。

这些采空区和小煤窑中都存在着积水,相互贯通而形成更大的采空区水，这些积水的存在给矿井的生产安全构成很大威胁。

山西原宽阳沟煤矿、岩头村煤矿、大沟煤矿整合而成三聚盛煤矿，井田面积2.4734km2，批采9号煤层,计划生产能力45万t/a。

经调查，4、7、9号煤层，均存在小窑破坏区。

4号煤层小窑破坏区位于井田北部，破坏面积238891m2。

7号煤层小窑破坏区位于井田北部，破坏面积241951m2。

9号煤层小窑破坏区位于井田北部，破坏面积332845m2。

采空区动力灾害的发生原因与开采设计关系较大，因而必须对三聚盛煤矿井田范围内煤层（4号和9号煤层）采空区及采空积水区情况进行稳定性研究，以便对9号煤层开采时可能存在的冲击危险进行详细的研究。

全面了解该地区煤矿采空区及积水区的分布特征和现状的基础上进行采空塌陷等危险进行研究，总结采空区内动力灾害发生发展的规律，揭示其不稳定倾向性的存在条件和影响因素，进而划分危险区域，并采取有效的区域预测、监测方法和相应的治理措施，以期最大限度地降低经济损失，避免人员伤亡，实现煤炭安全开采。

（一）国内外采空区物理勘查研究现状

1.国外研究现状

2.国内研究现状

（二）论文研究的主要内容

本论文以三聚盛煤矿采空区为研究背景，研究过程主要采用综合应用现场调研、理论分析、瞬变电磁法、测氡法、数值计算等手段，针对采空区稳定性进行研究。

主要研究内容如下：

（l）在前人研究成果基础上，总结井工采空区的形成、时空变异等，分析煤矿采空区性质和采空区稳定的影响因素。

（2）分析目前国内外采空区稳定性研究现状，结合安全评价方法和标准及《煤矿安全规程》的相关内容，确定煤矿采空区影响生产和安全的主要危险源。

（3）应用瞬变电磁法对三聚盛煤矿采空区进行探测研究，进行地质成果分析。

（4）通过测量地表氡元素的浓度（实际是测量氡及其子体衰变所释放的γ射线的强度）来准确圈定三聚盛煤矿采空区的位置和范围。

（5）运用FLAC.3D建立三聚盛煤矿采空区模型，并进行数值模拟，根据模拟结果进行稳定性分析。

（6）对三聚盛煤矿采空区对煤矿安全开采稳定性进行综合分析。

二、课题的实用价值或理论意义

三、课题研究方案

鉴于对国内外相关文献的分析与认识，结合三聚盛煤矿工程实际，研究过程主要采用综合应用现场调研、理论分析、瞬变电磁法、测氡法、数值计算等手段，采空区对对三聚盛煤矿安全开采涉及的相关问题进行深入研究，论文研究的内容如下：

（1）进行现场调研，收集、整理并分析国内外相关领域的文献资料。

（2）分析三聚盛煤矿采空区影响开采安全因素。

（3）应用瞬变电磁法对三聚盛煤矿采空区进行探测研究。

（4）应用测氡法来圈定三聚盛煤矿采空区的位置和范围。

（5）运用FLAC.3D建立三聚盛煤矿采空区生模型，并进行数值模拟。

（6）对三聚盛煤矿采空区稳定性进行综合分析。

（一）瞬变电磁法工作原理

变电磁法俗称TEM（Timedomainelectromagneticmethods）法，属时间域电磁感应方法。

其探测原理是：

在地面布设一回线，并给发送回线上供一个电流脉冲方波,在方波后沿下降的瞬间，产生一个向地下传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流，其大小取决于地质体的导电程度，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡（衰减）过程。

该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向地表传播，由地面的接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地下地质体的电性分布情况。

如按不同的延迟时间测量二次感生电动势V（t），就得到了二次磁场随时间衰减的特性曲线。

如果地下没有良导体存在时，将观测到快速衰减的过渡过程；当存在良导体时，由于电源切断的一瞬间，在导体内部将产生涡流以维持一次场的切断，所观测到的过渡过程衰变速度将变慢，从而发现地下导体的存在。

瞬变电磁法特点：

图1瞬变电磁法原理示意图

（1）对高阻层的穿透能力强，在高阻屏蔽地区用较小的回线可达到较大的探测深度，同时对低阻层有较高的分辨能力，利于在高阻围岩地区开展水文电法工作。

（2）瞬变电磁法一次磁场和被测磁场在时间上是分开的，所以，分辨率较高，并且可以在近区观测。

（3）方法本身受地形影响小。

使用回线源实现了装置的对称性,可以减少断面的不均匀性和地层倾斜的影响。

工作中根据实际情况采用了大回线源装置，用探头接收。

大回线装置的Tx采用边长较大的矩形回线，Rx采用小型线圈（或探头）沿垂直于Tx长边的测线逐点观测磁场分量dB/dt值。

地下感应涡流向下、向外扩散的速度与大地导电率有关，导电性越好，扩散速度越慢，这意味着在导电性较好的大地上，能在更长的延时后观测到大地瞬变电磁场。

从“烟圈效应”的观点看，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，反映浅部电性分布；晚期瞬变地磁场主要是由深部的感应电流产生的，反映深部的电性分布。

因此，观测和研究大地瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电性的垂向变化，这便是瞬变电磁测深的原理。

从傅立叶变换理论可知，一个脉冲电磁波可视为许多不同频率的谐变电磁波的组合，而一个脉冲电磁场感应产生的二次时变电磁场便是由许多不同频率的谐变电磁场感应产生的二次谐变电磁场的组合。

由此可见，TDEM与观测谐变电磁场的频率域电磁法（FEM）同属于研究二次涡流场的方法，二者有许多共同点，两种方法的物性基础都是电阻率的差异,物理原理都是电磁感应定律，可以使用多种同样的装置类型。

但与FEM相比，TDEM可以在没有一次场背景的情况下观测纯二次场异常，因此，可以使用同点装置,从而使体积效应、旁侧影响大大减小，而分辨率大大增强。

（二）测氡法工作原理

（1）氡的基本特征

自然界存在三大天然放射性系列，即：

铀系（238U）、钍系（232Th）和锕铀系（235U）。

这些元素的半衰期均很长（7.04×108～1.4×1010年），所以它们均赋存在目前的岩石中。

放射性核素放出射线，同时变成另一种核素的现象叫做衰变。

通常，我们把原来的核素称为母体,新产生的核素称为子体。

子体核素还会衰变,一直持续到衰变的产物不再具有放射性为止。

半衰期:

放射性强度减少到它最初期的二分之一所需的时间。

衰变常数:

在单位时间内每一个原子核的衰变几率。

从其衰变过程中可以看出:

氡既是铀系的子体,又是唯一呈气态的惰性气体,也是人们感兴趣的子体,因为它可以由地下深部迁移至地表,并可显示出地层深部各种变化的信息。

氡（222Rn）具有以下特性:

1）氡的原子序数为86，位于周期表中第6周期零族元素的最后一个元素，是气体中最重的元素之一。

氡是镭放射性衰变的中间产物，其本身辐射出α射线，它所衰变的子体为重金属84Po，82Pb，83Bi等核素，它们多是放射性的，且多是α衰变体。

2）氡是一种无色、无味、无嗅的放射性惰性气体。

其密度为9.73克/升，是目前已知的最重的气体。

当温度为-65℃时，由气体变为液体；在-71℃时，又由液体变为固体。

在0℃和760毫米汞柱下，气态氡的比重等于9.727×10-13克／立方厘米，液态氡的比重为5.7克／立方厘米，比空气重得多。

3）氡是一种惰性气体，一般不参加化学反应，能溶于水、油等液体中，在液体中的溶解度随液体温度的升高而下降。

4）氡能被固体物质所吸附。

所有固体物质都不同程度地吸附氡，其中尤以活性炭、煤、橡胶、蜡最为突出，其吸附能力随温度的增加而减弱。

5）氡具有衰变性。

氡是由镭衰变来的，氡又继续衰变并产生系列子体。

6）氡气的运移理论。

比重大于空气的氡气可由地下深部迁移到地表附近，为了解地下深部的地质信息提供了新的途径。

自80年代以来,人们在研究中发现氡的向上运移能力比用扩散理论预计的要强。

而且明显大于向下运移能力。

显然,，这与传统的氡运移理论相违背，说明扩散理论不可能是氡运移的主要机制。

1997年刘鸿福通过实验研究，提出氡及其子体和母体在衰变过程中释放出来的α粒子减速后形成的大量氡核，可将氡及其子体极化，并在电场力和范德华力的作用下，与氡及其子体相互作用形成“团簇”。

当“团簇”结合的氦核达到一定数量时，氡就将随之向上运移，形成明显的向上运移气流。

“团簇运移理论”给出了在理想条件下，即不存在对流、渗流、温差、压力等作用的条件下，氡及其子体借助其自身固有的因素向上运移的真正原因。

（2）采空区引起氡异常

煤层开采后，在地下形成大面积的采空区，它是地下地质体中的人为缺陷。

这一人为缺陷的形成，破坏了岩体中原有的天然应力状态，引起应力重新分布，在采空区周边易形成局部应力集中区。

按照森维南原理，由于掘洞室引起的应力状态的重大变化局限在洞室周围一定的范围内，通常此范围等于地下洞室横截剖面中最大尺寸的3-5倍。

采空区形成一段时间后，一旦采空区周边应力集中强度超过了岩体强度，煤层顶板及其采空区四周岩体就会破坏、冒落，应力集中区随之向围岩中转移，而在采空区周边形成一个应力松动圈（即应力降低了的区域）。

采空区四周低应力区的形成，往往又会促使岩体内部的水分、气体由高应力区向低应力区转移，进一步恶化了采空区围岩的稳定条件。

煤层顶板冒落后，自煤层向上形成三个变形带，即冒落带、裂隙带与无裂隙沉降带。

这三个带的高度是煤层厚度与煤层倾角的函数，可由下述公式来计算：

冒落带高度：

裂隙带高度：

式中：

M为煤层高度

α为煤层倾角

K为顶板岩石碎胀系数，位于1.1～1.4之间

对于煤层厚度为10m，煤层倾角为10°缓倾斜厚煤层（山西省二叠系山西组主采煤层大多是这种情况），取K值为1.2，则冒落带高度可达51m左右，裂隙带高度可达150m左右，两带总高度可达200m左右，对于山西省许多地区来说，这一高度已达到或接近地表，足以引发浅、表层变形，对氡气向上运移起控制作用。

煤矿采空区形成后，改变了地下地质体的应力分布状态，促使地质体发生变形，从而改变了地下气体的运移与集聚环境，对氡气的运移与富集具有一定的控制作用。

主要表现为三个方面：

1）储气作用：

相对于周围完整岩体来说，采空区冒落带及裂隙带是相对松散带，其中岩石块体之间空隙大，连通性好，是储存气体与地下水的理想场所。

2）集气作用：

如上所述，采空区煤层顶板塌陷冒落后，应力集中向围岩内部迁移，在采空区周边形成一个低应力区，一般来说，气体与液体总是由压力较高的部位向压力较低的部位运移。

因此，采空区及其周边派生变形区就成为地下抽吸气体的容器，不断把围岩中的气体抽到采空区中来，造成氡元素在采空区的聚集。

同时，由于采空区及其周边裂隙带的存在，还可以其它方式促使放射性元素向采空区运移、富集。

3）通道作用：

采空区冒落带及其派生裂隙形成后，都是气体自下向上运移的良好通道。

在地温与地压作用下，氡气必然与其他气体（CO，CO2，CH4，H2S等）一起自地下深处向地表迁移，在地表形成氡异常区。

总之，通过上述种种作用，氡射气元素向采空区运移，在采空区集聚，在地表形成一个与采空区形态相应的氡异常区。

因此，可以通过测量地表氡元素的浓度（实际是测量氡及其子体衰变所释放的γ射线的强度）来准确圈定煤矿采空区的位置和范围。

（三）FLAC.3D简介绍

FLAC.3D（ThreeDimensionalFastLagrangianAnalysisofContinua）是美国ItascaConsultingGoupInc开发的三维快速拉格朗日分析程序，是二维的有限差分程序的扩展，该程序能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为，特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形，能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。

调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。

单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发生变形和移动（大变形模式）。

FLAC.3D采用的显式拉格朗日算法和混合离散分区技术，能够非常准确的模拟材料的塑性破坏和流动。

由于无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。

但是，美中不足的是FLAC.3D的后处理功能。

尤其是在剖面等值线上，无法显示相应的数值。

利用TecPlot可以弥补这个方面的不足，其优点具体如下：

（1）具有完善的图形显示功能；

（2）有强大的图形编辑功能；

（3）可以进行图形格式的转换，具有较强的数据交换能力；

（4）具有通用性、易用性，适用于各类用户。

四、总结相关研究成果，完成学位论文的撰写。

技术路线流程见图2。

图2技术路线流程图

四、所阅读的文献、资料

论文工作计划

论文工作计划

起止日期

阶段工作内容及计划完成的指标

相关资料、数据的收集整理和准备阶段

在对三聚盛煤矿采空区进行瞬变电磁法与测氨法勘探的基础上，对采空区进行数值模拟

论文撰写

论文审阅

2014.5

2014.6—2014.10

2014.11—2014.12

2014.12

分析煤矿采空区性质和采空区稳定性的影响因素。

通过瞬变电磁法与测氨法对三聚盛煤矿的采空区地球物理特征进行勘探，以此来圈定该区采空区的位置、范围、埋深以及分布走向。

在此基础上对采空区进行数值模拟。

撰写、修改论文。

论文答辩。

实验设备及其他条件落实情况：

属于哪一级科研项目及所属类型（国家重点、部委、省（市）、校重点、横向、自选等）及经费来源、金额：

（单位千元）

横向课题：

安家岭露天煤矿开采范围内井工采空区安全开采方案

在所属论文类型、选题来源前划“√”（只可选择一项填写）

论文类型

√理论研究

应用基础

用于生产

其他

选题来源

√指导教师所承担的科研

课题或其中的子课题

委托或定向单位所承担

的科研课题或其子课题

自选题

指导教师意见：

导师签字年月日

导师组意见：

签字年月日

研究生论文选题报告评审纪要

教研室（研究室）采矿工程

主持人：

时间：

参家

加姓

评名

审及

的职

专称

姓名

职称

姓名

职称

评提

审出

会的

对问

开题

题及

报意

告见

请专家按下列指标评议选项报告，在评价项栏划“√”。

等级

指标

优

良

中

差

论

文

选

题

选题有新意，有较大的科学理论意义或对国民经济建设有较大的实用价值。

选题有一定的理论意义或一定的实用价值。

选题尚可，对生产有意义。

选题不当，理论意义或使用价值不明确。

文

献

综

述

阅读广泛，综述能力很强，了解本领域国内外学术研究动态主攻方面明确。

阅读比较广泛，综述分析能力较强，了解本领域前人主要工作，明确工作方向。

基本了解本学科及相关学科的研究状况和进展，综述尚可。

综述不够全面，对本学科及相关学科的研究不十分了解。

是否

通过

签字年月日

学科（专业）学位委员会审批意见：

签字年月日