（矿业工程专业论文）林西矿十水平建筑群下开采试验研究.pdf

摘要 捅要 开滦林西矿是已开采百余年的老矿井，储量已近枯竭。截止到2 0 0 3 年1 2 月， 林西井田采矿许可范围内煤炭资源总量为1 5 4 7 8 5 万t ，只“三下”压煤就有1 3 4 3 1 。5 万t ，占总量的8 7 ，其中“建下”压煤为1 1 6 6 7 6 万t ，占。三下”压煤的8 7 同时， 这些储量大多又分布在比较密集的城镇建筑群下，并且开采条件相对较好。因此， 研究探讨城镇密集建筑群下的十水平煤炭试验开采的新方法、新工艺、新技术。实 现以合理成本，最大限度回收煤炭资源，为解决林西矿长远水平接替紧张、生产过 于集中及煤层、煤种搭配结构不合理等诸多问题，已显得尤为重要。 林西矿十东区域城镇建筑群下开采方案是根据煤层覆岩中存在的厚岩层具有较 强的抵抗采动影响、抵抗拉伸变形的能力，会使地表下沉量显著减小，特别是在条 带开采中，通过选用合理的，采留比，使得覆岩中的关键层仍保持其悬空稳定状态， 则可有效的控制地表的下沉量的原理，按照对地面建筑“不破坏、不维修、不搬迁” 保护原则，林西矿已进行的采深大于5 0 0 m 大采深条件下冒落条带开采试验是在此 基础上进行的。通过试采的研究成功为开采其他区域煤量提供更完善的技术支持和 科学依据。 林西矿十水平试采区域建筑群下开采试验方案在研究制定过程中。以十东区域 为研究对象，紧密结合林西矿该区域巷道开拓的实际情况，综合考虑国内外条带煤 柱设计理论，主要采用威尔逊理论进行条带开采煤柱设计，同时用其他相关理论进 行安全性、稳定性验算分析在满足“允许地表变形”，“保持煤柱稳定”、“采出率最 大”条件基础上，通过计算和验算，得出保证安全情况下的最佳大走向条带开采采宽 和留宽，并利用全冒落法预计公式对地表变形进行预测。根据预测变形结果，本试 采方案选择9 煤层，5 煤层为试采煤层，采用上行开采即：先采9 煤层后采5 煤层， 大走向条带开采方法。其中9 煤层沿倾斜方向留宽1 1 0 m ，采宽7 0 m ，5 煤层沿倾向 留宽和采宽分别为1 0 0 m 和8 0 m 。据此严格按照采宽留宽布置工作面，采后地表变 形极轻微，其产生的地表变形最大值均小于国家制定的“规程”规定变形值，不影响 其正常安全使用，即满足所制定的“三不”要求。 图6 表1 1 参4 4 关键词：建下；条带；开采方法 分类号：t d 8 0 1 河北理工大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t 1 r h ck a i l u a nl i n x ic o a lm i n ei sam o r et h a n1 2 0y e a r so l dc o a lm i n ep i t t h er e s o u r c e h a sn e a r l yd r i c du p c u t so f ft od e c e m b e ro f2 0 0 3y e a r s , t h ec o a lr e s o u r c e st o t a lq u a n t i t y i nt h el i n x if i e l dm i n i n gp e r m i s s i o ns c o p ei s1 5 4 。7 8 5m i l l i o nt o n s ”a r c h i t e c t u r e sa n d r a i l w a ya n dr i v e r ”p r e s s e st h ec o a la b o u t1 3 4 3 1 5m i l l i o nt o n s , a c c o u n t sf o rt h et o t a l q u a n t i t y8 7 ，a m o n g ”c o n s t r u c t s ”p r e s s e st h ec o a li s1 1 6 6 7 6m i l l i o nt o n s ，o c c u p i e s a b o u t8 7 a tt h es a m et i m e t h i sr c s o u r c j 笛m o s t l yd i s t r i b u t eu n d e rq u i t ec r o w d e dc i t i e s a r c h i t e c t u r a la n dt h em i n i n gc o n d i t i o ni sr e l a t i v e l yb e t t e r t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho ft e n h o r i z o n t a lc o a l se x p e r i m e n t su n d e rt h ec i t i e sc r o w d e da r c h i t e c t u r a lc a r r yo nn e wm e t h o d , t h en e wc r a f t , t h en c wt e c h n o l o g y , a tar e a s o n a b l ec o s ta n dm a x i m u ml i m i tr e c y c l e st h e c o a lr e s o u r c e sa n df o rs o l v e st h el i n x im i n i n gi n d u s t r yc o m p a n yl o n gt e r ml e v e lt o r e p l a c ep r o b l e m sa n dt h ep r o d u c t i o nt o oc o n c e n t r a t e sa n dt h ec o a ls p e c i e sm a t c h e s s t r u c t u r en o tt ob eu n r e a s o n a b l eh a sa p p e a r e de s p e c i a l l yi m p o r t a n t l y u n d e rt h el i n x ic o a lm i n et e ne a s tr e g i o n sc i t i e sa r c h i t e c t u r a lm i n e si st h i c kr o c k l a y e rw h i c he x i s t sa c c o r d i n gt ot h e c o a ls e a mi na s t r o n g e rr e s i s t a n c et oi n f l u e n c ea n dt h e r e s i s t a n c es t r e t c he l o n g a t i o na b i l i t y ，c a nc a u s et h es u r f a c et os i n kt h eq u a n t i t yr e m a r k a b l y t or e d u c e ，s p e c i a l l yi n s t r i pb e l tm i n i n g , t h r o u g hs e l e c t sr e a s o n a b l y , p i c k sr e m a i n s c o m p a r e dt o ，c a u s e di nt h ec a pr o c kt h ee s s e n t i a ll e v e ls t i l lt om a i n t a i ni t sh a n g i n gs t e a d y s t a t e , t h e nm i g h tt h ee f f e c t i v ec o n t r o ls u r f a c es i n kt h eq u a n t i t yp r i n c i p l e , a c c o r d i n gt o 。d i dn o td e s t r o yt ot h eg r o u n dc o n s t r u c t i o n ，d o e sn o ts e r v i c e , d o e sn o tm o v e 。t h e p r o t e c t i o np r i n c i p l e ，t h el i n x ic o a lm i n eh a sc a r r i e do np i c k sd e e p l yi sb i g g e r t h a n5 0 0 m g r e a t l yt op i c ku n d e r t h ed e 叩c o n d i t i o nt ob r a v et of a l lt h es t r i pb e l tm i n i n ge x p e r i m e n t i sc a l t i e so ui nt h i sf o u n d a t i o n t h r o u g ht ot r yt op i c ks t u d i e ss u c c e s s f u l l yf o rm i n e so t h e r r e g i o nc o a la m o u n t s t op r o v i d et h em o l ep e r f e c tt e c h n i c a ls u p p o r ta n dt h es c i e n t i f i cb a s i s t h el n x ic o a lm i n et e nl e v e l st i yt 0p i c ku n d e rt h er e g i o na r c h i t e c t u r a lc o m p l e xt o m i n et h ee x p e r i m e n t a lp l a ni nt h er e s e a r c hf o r m u l a t i o np r o c e s s ，t a k et e ne a s tr e g i o n sa s t h er e s e a r c ho b j e c t ，i nc l o s ei n t e g r a t i o nw i t hl i n x ic o a lm i n et h i sr e g i o ut u n n e ld e v e l o p s t h ea c t u a ls i t u a t i o n ，t h es y n t h e s i sc o n s i d e r e dt h ed o m e s t i ca n df o r e i g ns t r i pb e l tc o a l c o l u m nd e s i g nt h e o r y ，m a i n l yu s e st h ew i l s o nt h e o r yt oc a r r yo nt h es t r i pb e l tt oo p e nt h e m i n i n gc o a lc o l u m nd e s i g n ，s i m u l t a n e o u s l yu s e so t h e rc o r r e l a t i o nt h e o r i e st oc a r r yo n n 摘要 s e c u r e , t h es t a b l ea n a l y s i s i ns a t i s f i e s ”a l l o w st h es u r f a c et od i s t o r tt h em a i n t e n a n c ec o a l c o l u m ns t a b l y , p i c k sr a t ei sb i g g e s t ”i nt h ec o n d i t i o nf o u n d a t i o nt l 仰o u g ht h ec o m p u t a t i o n , o b t a i n si nt h eg u a r a n t e es e c u r i t ys i t u a t i o nb e s tb i gf i e n ds t r i pb e l tm i n i n gt op i c ka f f a b l e k e e p st h ew i d t h ，a n du s i n ga l lb r a v e st of a l lt h el a w t oe s t i m a t et h ef o r m u l ac a r r i e so nt h e f o r e c a s tt ot h es u r f a c ed i s t o r t i o n a c c o r d i n gt of o r e c a s tt h ed i s t o r t i o nr e s u l t , t h i st r i e st op i c kt h ep l a nt oc h o o s e9c o a l m s , 5c o a ls e a m sf o rt r yt op i c kt h ec o a ls e a m ，u s e so n al i n eo f m i n i n gn a m e l y ：a f t e r f i r s tp i c k s9c o a ls e a m st op i c k 5c o a ls e a m s ，b i gt r e n ds t r i pb e l tm e t h o do f e x p l o i t a t i o n 9 c o a ls e a m sa l o n gi n c l i n et h ed i r e c t i o nt ok e e pt h ew i d t h1 1 0m e t e r s , p i c k st h ew i d t h7 0 m e t e r s ，5c o a ls e a m sr e m a i na l o n gt h et e n d e n c ya f f a b l ep i c kt h ew i d t hr e s p e c t i v e l ya l e 1 0 0m e t e ra n d8 0m e t e r s a c c o r d i n gt ot h ea b o v e s t r i c t l ya c c o r d i n gt op i c k st h ew i d t ht o k c 印t h cw i d t ha r r a n g e m e n tw o r k i n gs u r f a c e , a f t e rp i c k st h es u r f a c et od i s t o r te x t r e m e l y s l i g h t l y , i tp r o d u c e st h es u r f a c ed i s t o r t i o nm a x i m u mv a l u e ss m a l l e rt h a nt h en a t i o n a l f o r m u l a t i o n t h er e g u l a t i o n s 。t h es t i p u h t i o nd i s t o r t i o nv a l u e , d o e sn o ta f f e c ti t sn o r n i a l s a f e t yh a n d l i n g , n a m e l ys a t i s f i e s ”t h r e en o t “t h er e q u e s tw h i c hf o r m u l a t e s f i g u r e6 ：t a b l e1 1 ；r e f e r e n c e4 4 k e yw o r d s su n d e rc o n s t r u c t i o ns t r i pb e l tm i n i n gm e t h o do fe x p l o i t a t i o n c h i n e s el i b r a r yc a t a l o g ：t d 8 0 1 1 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北 理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了 谢意。 签名：鼍绰日期：举上月二由 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 日期：丛净竺月珈 引言 引言 开滦林西矿为开采百余年的老矿井，现年产原煤1 0 0 余万t ，该矿井由于百年开 采，矿井储量已近枯竭。为解决林西矿业公司长远水平接替紧张和可采储量及时补给， 再加上近期矿生产区域又过于集中，以及当前的煤层、煤种搭配结构不合理等诸多问 题，研究在地质和生产条件相对优越的井田东部建筑群和原京山铁路下采煤已显得尤 为重要和意义重大。鉴于煤层覆岩中存在的厚岩层具有较强的抵抗采动影响、抵抗拉 伸变形的能力，因此会使地表下沉量显著减小。特别是在条带开采中，通过选用合理 的采留比，使得覆岩中的关键层仍保持其悬空稳定状态，则可有效的控制地表的下沉， 保护地面设施。林西矿已在我国首次进行了采深大于5 0 0 m 大采深条件下冒落条带开 采试验( 九东中石门区域建筑群和铁路下采煤试验研究) ，十东0 0 0 0 区域城镇建筑 群下开采方案是在此基础上进行的。试采的研究成功将进一部拓宽我国大采深冒落条 带开采的应用空间。 本课题在分析总结正在进行的林西矿九东中石门区域建筑群和铁路下采煤试验 研究的基础上，以十东区域为研究对象。研究制定东都1 0 水平区域城镇建筑群下开 采试验方案。 方案在编写制定过程中，为确保方案的科学性和合理性，紧密结合林西矿井巷 开拓的实际情况，在认真分折、总结九东中石门区域井下实际开采过的现状和全面查 阅地面观测站实测资料的基础上，在满足“三不”原则的前提下，开采方案研究的制定 本着重点煤层冒落条带开采的结构参数及井田东部煤层开采的顺序，开采煤层以及采 留比，通过预测采后地表移动变性值与“三不”原则及保护地表建筑物不变形要求相比 较，选择确定井田东部煤层开采方法及技术工艺 河北理工大学硕士学位论文 1 文献综述 地下开采引起的地表沉陷是涉及全球性人为环境灾害之一l l l 。近十几年来，国内 外将地表沉陷作为采矿工业研究领域中一项新的内容。据有关资料介绍1 2 l ，人类比较 系统的研究地表沉陷问题是从1 9 世纪中期才开始的近几十年来随着采矿工业的蓬 勃发展和相关学科理论与技术的不断完善，地下开采引起的地表沉陷问题也得到了进 一步的发展。 建筑群下采煤为保护地面建筑物不被破坏，关键是地下开采后地表移动变形值的 预测分析。无论哪种采煤方法，开采技术及工艺采后地表移动变形是绝对的，不变形 是相对的。建筑物下的开采引起地表变形是否在保护建筑物允许变动范围之内，所以 研究预测林西矿东部十水平建下开采引起地表移动变形值是制定区域开采方案的关 键因素。 1 1 国内外建筑物下煤层开采技术现状 1 1 1 减沉开采方法 减沉开采方法既是通过采场顶板管理方法的改变，控制顶板的下沉量而达到减 缓地表沉陷量。常用的方法为充填开采方法和部分开采方法。 1 充填开采方法 采用全部跨落法管理顶板时，地表最大下沉值可达采厚的6 0 9 d ，一般为 8 0 左右；采用水砂充填管理顶板时，地表的最大下沉值仅为采厚的8 1 5 f 3 1 2 部分开采方法 减小地表移动和变形值的另一项有效措施是采用部分开采法，其实质是将被开 采的矿层划分成若干条带，开采一条( 即采出条带) ，保留一条( 即保留矿柱) ，用留下 不采的矿柱支撑顶板，以达到减小地表移动和变形的目的，此法的缺点是采出率低( 一 般采出率为5 0 6 0 ) ，掘进率高，开采工艺复杂，效率较低【椰。 部分开采的适用条件是：地面建筑物十分密集，结构复杂的建筑物，有纪念性 建筑物，铁路隧道等，它们由于技术和经济上的原因不适于采取建筑物加固或充填措 施；开采煤层层数少，厚度比较稳定，断层少；邻近采区的开采不致破坏煤柱的完整 性嘲。 3 覆岩离层充填方法 一2 1 文献综述 覆岩离层注浆控制沉陷技术就是利用煤层开采后覆岩层裂过程中形成的离层空 间，借助高压注浆泵，从地面通过钻孔向离层空间中注入充填材料，占据空间，减少 采出空间向上的传递，支撑离层上位岩层，减缓岩层的进一步弯曲下沉，从而达到减 缓地面下沉的目的。 1 1 2 协调开采方法 协调开采是根据开采引起地表移动变形分布规律，通过合理的开采布局，开采 顺序，方向、时间等方法减缓开采地表变形值。 减小开采边界影响的叠加多工作面协调开采在有些条件下，需要布置多个工 作面同时开采，使得保护建筑物位于开采形成的静态下沉盆底部分，同时考虑开采过 程中地表移动变形的动态影响，故将开采工作面按一定方式布置，减小开采动态变形 影响 我国自6 0 年代开始条带采煤试验研究，迄今已在全国多个矿务局近4 0 个条带 开采试验区进行了研究，初步掌握了条带开采的地表沉陷规律及其对建筑物的影响 阁采用冒落条带法歼采其采深一般小于4 0 0 m ，采厚6 m 以下，面积回采率一般在 4 0 7 8 6 ，条带开采地表下沉系数一般在0 0 2 4 0 2 之间林西矿已在我国首次 进行了采深大于5 0 0 m 大采深条件下冒落条带开采试验( 9 东中石门区域建筑群和铁 路下采煤试验研究) 。1 0 东0 0 0 0 区域城镇建筑群下开采方案是在此基础上进行的。 试采的研究成功将进一部拓宽我国大采深冒落条带开采的应用空间 综上所述，经过几十年的发展和完善。国内外对地下开采引起的地表沉陷理论 进行研究的学者较多，这就使得该理论的发展比较成熟，但如何基于林西矿井田东部 十水平区域煤层赋存的条件及地表建筑物类型、结构、保护等级等实际情况进行区域 开采方案研究及设计成为林西矿建筑物下十水平煤炭资源的开采关键所在 1 2 开采沉陷理论的研究现状 1 2 1 开采沉陷理论的研究历史 地下开采引起的岩层移动及地表下沉是一个复杂的物理、力学变化过程，它涉及 到采矿工程的各个领域【6 l 。在国外，地下开采引起的岩层移动及地表下沉问题早已被 人们所认识。从开采沉陷理论的形成发展过程来看，可分为三个阶段。 1 初期认识和初步研究阶段 3 河北理工大学硕士学位论文 地表开采沉陷问题早已被人们所注意。早在1 5 世纪，比利时曾公布一项法令： 在列日城下开采时，开采深度不得小于1 0 0 m 。在1 8 2 5 年、1 8 3 9 年比利时组成专门 委员会对列日城受采矿影响而引起的破坏进行调查，形成了最初的开采影响传播的 “垂线理论”假设；在随后的1 8 5 8 年，以实际观测资料为基础，比利时人哥诺( g o n o t ) 提出了“法线理论”，认为采空区上、下边界开采影响范围可用相应点的层面法线确定： 1 8 7 1 年，比利时人狄芒( d u m o n t ) 建议把地表下沉表示为1 7 l ： w - 胁s 口( 1 ) 式中：舫矿层厚度； 口矿层倾角 后来又相继出现了德国人依琴斯凯的“二等分线理论”( 1 8 7 6 ) ，耳西哈1 8 1 的“自然 斜面理论”( 1 8 8 2 ) ；1 8 8 5 年，法国人法约尔( f a y 0 1 ) 利用模型研究，提出了开采沉 陷的“拱形理论”；1 8 8 5 年1 8 9 7 年，豪斯( h a u s s e ) 建立了采空区上方有三带分布 的沉陷模式，即在采空区上方首先形成梯形的冒落带和裂隙带，高度为采厚的3 0 5 0 倍，冒落带上方则为弯曲带。在这个时期，人们对开采影响问题有了一些初步的 认识和研究【8 - 1 0 j 。 2 开采沉陷理论的形成阶段 1 9 世纪末，沉陷理论研究逐步深入，在研究各种沉陷分布与各类角度的同时， 也开始了对开采引起的地表下沉与变形规律的研究。自2 0 世纪2 0 年代开始，由于进 行了地表水平移动实地观测，使开采沉陷理论得到了进一步的发展。二次世界大战后， 人们又着重从连续介质理论和非连续介质理论来研究开采沉陷问题。如目前广泛使用 的弹性、塑性有限元法、边界法和离散元法等都是建立在连续介质理论的基础上；而 非连续介质力学中最有成效的研究则是随机介质理论 1 9 2 3 年斯米茨( s c h m 峭虑了作用面积问题，导出了她表下沉公式： ， w - l 一牌，7 丁 ( 2 ) ， 式中：，_ 对该点有作用的总开采面积； 严一总作用面积中实际开此面积； e - 时间因素； 月- 开采方法影响系数。 - 4 - 1 文献综述 1 9 3 2 年，巴尔斯( b a l s ) 提出了连续分布的影响函数概念，认为开采对地面的 影响可用牛顿引力定律加以说明，认为采完整个作用面积后，开采对a 点的作用k 童 为： 墨一r 。0 s 2 0 d 0 一i 1s i i l 印+ j 1 “_ ( 3 ) 把整个开采影响圆分成5 个影响同心圆，用自由中心等角度间隔的射线划分这 些等影响圆。将开采面积就其影响作离散性数值划分，既灵活又实用。它既适用于各 种数学模型，又能适用于各种开采条件，至今也很有实用价值，为影响函数法奠定了 基础1 1 1 。l s i 。 1 9 4 7 年前苏联学者阿韦尔申对开采沉陷进行了细致的理论研究工作，利用塑性 理论对岩层移动进行了分析研究，并结合经验方法建立了地表下沉盆地剖面方程及数 学塑性理论到1 9 5 0 年以后，波兰学者克诺泰和布德雷克l 蜘1 7 l 也对地表移动进行了 大量的研究，并提出了用高斯曲线作为影响函数的方法，对以往的几何沉陷理论进行 了惨正建立了地表移动的完整体系。布德雷克提出了永平煤层开采地表水平移动与 地表倾斜成正比的著名论断，解决了壳诺泰下沉盆地中的水平移动和水平变形问题， 构成了布德雷克一克诺泰理论。采掘对地表任意点a 的影响如图1 所示。 a v 、f ( ) 出二 困1 采掘对地袭任意点影响示意图 1s k e t c hm a po ft h ea f f e c o ne x c a v a t i n gt od i s c r e l i o n a r yp o i n to f t h ee a r t h ss u r f a c e 图1 中a b 段内矿层采空后，将使a 点下沉h - 可以将a b 段分解为若干长度为 t 的开采分段。a 点因开采蝇而下沉的彬应与t 的长度成正比。比例系数f 是 坐标置的函数，即： 彬- 厂k ) 峨( 4 ) 5 河北理工大学硕士学位论文 于是有： 艺觇( 5 ) 当a 砖一o ；n 一* 时，因开采a b 段a 点的下沉就等于： 形0 ) 。，g k ( 6 ) 在分析大量试验资料后，克诺泰认为f ( x ) 具有高斯曲线形状，即： ，g ) 旦：竖寥1 号( 7 ) 式中： 棚表主要影响半径； 聪。地表最终最大可能下沉量。 克诺泰选用高斯曲线作为影响曲线，其正态分布类型即为国内通称的概率积分 法，此法在我国应用比较成熟【堋 1 9 5 3 年波兰学者萨武斯托维奇提出了将岩体视为均质线弹性体，提出计算岩体 下沉的方法。 1 9 5 4 年波兰学者李特威尼申提出了开采沉陷的随机介质理论，卓有成效地促进 了岩石移动变形研究工作的开展，将地表移动破坏理论的研究提高到一个新的阶段。 随机介质理论是地表移动与变形、岩体内部移动与变形等预计体系的基础。 z - z ， ， 。 上墨 z - 7 - v - v c z , ) “u u 叫必l l 出炒 个例。：。o 7 土产 z ，z ， ，一岫 7 jv - v ( z x ， l 图2 开采传播影响示意图 6 - 1 文献综述 f i g 2s k e t c hm a p o f t h ea f f e c to ne x p l o i t a t i o ns p r e a d 如图2 所示。在直角坐标系下，z x , z 亭，研代表不同水平面上的岩层。当开采在 z l 水平进行时，z l 水平的下沉曲线为w ( z l ，x ) ，这一下沉可导致其上部z 2 ，z 3 水 平分别以一定的概率发生的下沉量为w ( z 2 ，) 、w ( z 3 1 ) 。由于w ( z 1 ，x ) 是发 生w ( z 2 ) 的原因，故可认为w ( z 2 i ：) 是某个特定数学运算作用于函数w ( z 1 x ) 的结果，其表达式为： - y g ：，亭) 一q 矸，g ，工) ( 8 ) 同理2 矽瓴，叩) - q ：彤g ：，亭) - q 笔q 2 ( z ，x ) ( 9 ) 设在z l 水平x 处开采一个微元叔，则在z 2 水平上造成的下沉应与吨撇正 比。其比例系数称为分布系数，记为6 k ，毛z 右) ，则 w ( z ：，亭) - 卢咆，工b g i , x ；锄毒皿( 1 0 ) 比较式( 8 ) 与式( 9 ) 可知，q 是一个积分算子，算子核即为分布函数6 ，为满 足式( 1 0 ) ，6 须满足： 6 仁，焉乃，卢) f 6 g ，j ；z ：，亭沁b ：，亭；z ，| 7 p 耋( 1 1 ) 上述方程是一个积分方程，李特维尼申求得的最后下沉盆地w 对平面问题， 必须满足方程式： 掣口g ，z 矽+ 卢掣+ r 掣( 1 2 )韶 似职 在空问问题中，以z 表示垂直轴，以x 。，x ：表示两个相互正交的水平轴，贝f j 为； 掣- 且，g ，而，工：) 掣+ 且：g ，h ，罩：) 掣+ 口。g ，毛，工：) 旦：! ! ： i 号坚生+ 4 g ，而，工：) 旦! ! ：笔 生尘 鸭( z , x g , x 2 ) 型掣+ j ：矽x ：) ( 1 3 ) 7 河北理工大学硕士学位论文 李特维尼申称符合这一方程的介质为随机介质，遵循这一规律的运动称为随机 介质运动。砂粒、岩块体、破碎矿岩等就是这类介质l 删 李特维尼申等学者应用非连续介质力学中的颗粒体介质力学研究岩层及地表移 动问题，认为开采引起的岩层和地表移动的规律与作为随机介质的颗粒体介质模型所 描述的规律在宏观上相似。概率积分计算方法就是把地下开采引起的岩层及地表移动 过程看作是随机过程，用概率论的方法建立由地下单元开此所引起的岩层及地表单元 下沉盆地表达式、单元水平移动表达式，经迭加建立下沉的剖面方程及其移动与变形 分布表达式。 随后通过实践应用到上个世纪7 0 年代末期，形成了地表移动破坏的理论体系 进入2 0 世纪，计算工作有了重大的突破，各国相继建立了各自的计算方法和理论模 型。在此阶段开采沉陷理论得到了迅速发展。 3 开采沉陷理论发展阶段 从二十世纪7 0 年代至今，随着科学技术的发展和研究手段的提高，开采沉陷理 论中渗透了其它相关学科的理论，得到了进一步的发展 由于岩石工程的复杂性，一般难以用封闭形式的解析公式定量地求角孚问题。在 这一阶段，陆续问世的有限元、离散元、边界元及各种算法和程序，充分发挥了各自 的长处，在很大程度上促进了岩石软科学研究以及岩体地下工程的发展。目前实际上 最为成熟和有效的有限元法与程序仍在不断更新和发展，离散元法程序也在不断出 现另一方面又出现了一些新的算法和程序，如刚性有限元法、广义有限元法、运动 单元法、界面元法、块提单元法、块体理论、d d a 法、f l a c 、无网格法以及由于优 化与人工智能的需要而推出的遗传算法等 。 有限元法作为一种高效能的数值方法在岩石力学与岩土工程中得到了很大发 展，成为各类数值计算中应用十分广泛且最为简明的一种方法。有限元的应用同电子 计算机的发展紧密相关，在计算机高速发展的今天，有限元程序研制也取得了巨大的 成绩，世界各国纷纷研制出了一批著名的有限元计算机软件，如：s a p 、a d i n a 、 a n s y s 、f l a c ，v e l e p 、s a f e 等。在地表移动学科，也有许多研究者用有限元数 值模拟对岩层移动及地表沉陷问题进行了卓有成效的探讨闭。 1 2 2 我国开采沉陷理论的发展情况 在我国，地下开采引起的岩层移动及地表沉陷理论是建国以后发展起来的。从 1 9 5 3 年在开滦矿务局建立第一个地表移动观测站后，在一些矿区相继建立了地表移 8 1 文献综述 动观测站，获得了大量宝贵的实测资料。通过对这些资料的总结分析，求出了这些矿 区的岩层及地表移动参数为矿区采动损害和开采沉陷理论研究提供了基础数据中 国矿业学院和峰峰矿务局【2 l l 提出了适合峰峰矿区的蜂峰型典型曲线。1 9 6 3 年唐山煤 炭研究院僻恨据实测资料分析，建立了地表下沉盆地的负指数剖面函数。1 9 6 5 年， 刘宝琛、廖国华将波兰学者李特威尼申的随机介质理论进一步完善、改进，在我国形 成地表移动预计的概率积分法，这一方法广泛应用于我国采矿行业。在随后的发展中 至上世纪年代以后，随着科学技术的发展和研究手段的提高，通过在实践应用中 不断改进和完善已有的理论，并在地表开裂理论中渗透了其它相关学科理论的研究成 果，如有限元数值模拟技术等，使地表变形理论在我国得到进一步发展和完善。 一些学者从不同的侧面用不同的方法对开采沉陷理论进行了探讨研究。1 9 8 1 年 刘天泉与仲惟林等学者合作，系统总结了概率积分法在我国实践中的经验，提出了覆 岩破坏的基本规律和冒落带高度的计算方法何万龙( 1 9 跖1 9 9 2 龌出了山区地表移 动预计计算方法等吴立新、王金庄( 1 9 9 4 ) 提出了条带开采覆岩破坏的托板理论 李永树( 1 9 9 5 1 9 9 7 ) 等建立了褶曲构造煤层三维空间开采时地表单元下沉盆地和单 元水平移动表达式。李增琪( 1 9 8 5 ) 采用f o u r i e r 变换推出了岩层与地表移动表达式 张玉卓( 1 9 8 6 ) 提出了岩层移动的位错理论。何国清( 1 9 8 1 ) 和吴戈分别提出了下沉 盆地剖面的“威布尔分布”和“g 分布”模式。杨硕( 1 9 9 0 ) 提出了开采沉陷的力学预测 模式。邓喀中( 1 9 9 3 ) 提出了岩体开采沉陷的结构效应。于广明等( 1 9 9 4 1 9 9 7 ) 研 究了开采沉陷的非线性机理和规律，以及对分形及损伤力学在开采中的应用进行了探 讨。崔希民( 1 9 9 6 ) 对主断面的地表移动与变形进行了实时位移的分析，应用流交模 型进行开采沉陷研究另外，一些现场技术人员对采动滑坡、采动对断层的影响、巨 厚松散层下采矿对地表移动规律、条带开采地表移动规律等方面也进行了大量的研究 1 2 3 1 。 1 3 非充分开采地表与岩层移动研究 开采的充分性，是岩层移动研究的重要方面许多采动影晌问题都与开采的充分 性有关。所谓充分开采是指这样一种开采沉陷状态：在一定的开采条件下，当开采工 作面推进到足够的尺寸时，地表的最大下沉值不再随工作面的推进而增加；反之，如 果地表的最大下沉值仍然随工作面的推进而增大，则此种开采沉陷状态为非充分开 采。开采的充分性涉及很多因素，如采空区的几何尺寸，开采深度，覆岩岩性，开采 9 河北理工大学硕士学位论文 方法。另外还涉及煤岩层的倾角，大倾角煤层开采，受采空区竖直分量的影响，常常 不存在充分开采的状态，以下的讨论只考小倾角的情况。 非充分开采问题较为普遍，如单一窄工作面开采，大采深煤层开采，条带开采， 急倾斜煤层开采等，均属非充分开采，而大采深条件下的极不充分开采问题犹为突出 极不充分开采是非充分开采的一种特例，它是一种充分度极小的非充分开采。常用的 概率积分法是以充分开采为前提的预计方法，对于非充分采动情况，应用上采用调整 参数的办法进行修正，实际中存在较大偏差，对于极不充分开采情况，概率积分法更 加不适用，预计误差很大。因此，有必要分析研究极不充分开采条件下的沉陷问题【硼。 1 3 1 极不充分开采地表移动的基本特征 1 在采动程度较小的情况下，地表的最大下沉值很小，一般小于充分采动时地 表最大下沉的十分之一t 当采动程度超过某一格界值时，地表的最大下沉急剧增大， 采动程度的这一临界值称为临界采动程度系数。 z 对于中硬岩层，临界采动程度系数大约为1 3 ，小于临界采动程度系数的采动 称为极不充分采动 3 当地表的采动程度系数大于临界采动程度系数。地表达到非充分采动时，地 表的最大下沉值可能是极不充分采动条件下地表最大下沉值的数倍。当地表的采动程 度由非充分采动逐渐增加到充分采动时，地表的下沉值随采动程度的增加而逐渐增 加。与地表由极不充分采动到非充分采动下沉增量相比，地表由非充分采动到充分采 动下沉增a 要平缓的多 1 3 2 极不充分开采的地表移动和变形预计方法 1 分析了离散介质碎块体移动概率分布，认为有限开采时，随开采深度的增加 碎块体移动概率可应用正态分布的概率密度函数进行近似计算。在此基础上提出了适 合极不充分开采的地表移动和变形预计方法一概率密度函数法。建立了极不充分开采 地表移动和变形预计公式，预计结果与实测资料进行对比，说明概率密度函数法适合 于极不充分采动地表移动和变形预计1 2 5 1 。 2 根据概率密度函数法分析，极不充分开采时，下沉盆地的拐点出现在距地表 最大下沉点0 4 r 处，拐点处地表的下沉值为最大下沉值的0 6 倍。地表的最大拉仲变 形发生在距最大下沉点的0 7 r 处，最大压缩变形发生在采空区中央最大下沉点处，极 不充分采动时最大压缩变形约为最大拉伸变形的2 2 倍【矧。 - 1 0 1 文献综述 3 将概率密度函数法推广应用到条带开采地表移动和变形预计，建立了适合条 带开采地表移动和变形预计的公式，并与实测资料进行了对比，取得了令人满意的效 果。 4 根据概率密度函数法分析，条带开采地表是否出现波浪形下沉盆地，不仅与 开采条带宽度有关，同时与开采条带宽度和条带留煤柱宽度是否协调有关。 5 与全采相比。条带开采更容易出现平底形下沉盆地，当条带煤柱宽度和开采 条带宽度之和等于0 9 4 r 时，地表将出现比较平缓的平底下沉盆地；当两者之和等于 0 8 r 时，下沉盆地中央出现倾斜变形为零的区域；当两者之和等于0 7 r 时，地表下沉 盆地中央出现水平变形为零的区域【2 7 l 。 河北理i t 大学硕士学位论文 2 林西矿试采区域基本情况及研究方案的确定 2 1 试采区域地质条件 2 1 1 试采区域范围 研究方案要论证的试采区域为十水平0 0 0 0 区域。范围为东北至林赵边界，西南 至f l 断层，开采上限为- 5 7 0 m ，下限为- 7 1 0 m ，区域内含5 煤、7 煤、9 煤、1 1 煤和 1 2 煤五个可采煤层，煤层走向近w s e n 向，平均倾角为2 4 。左右。开采的部分范围 为六号井煤柱及原京山铁路煤柱，所对应的地面由东向西为古冶东街、古冶站和古冶 西街，见图3 井上下对照图。 2 1 2 上覆地层岩性 图4 为十东区域林西矿六号井筒素描图，本区第四系松散冲积层约1 5 4 m 。5 煤 层以上基岩厚约4 8 7 m ，基岩岩性主要由砂岩、泥岩、粘土岩组成，其中；泥岩累计 厚度占5 煤上覆基岩总厚的1 1 ，粘土岩占1 0 ，粉砂岩占2 3 ，细砂岩占1 4 ， 中砂岩占1 9 ，粗砂岩占2 3 ，整个煤系上覆地层岩性中等偏硬，煤系地层情况详 见图5 林西矿六号井柱状图。主可采煤层顶底板情况及岩性特征详见表1 2 1 3 地质构造与水文 该区域东部为开平主向斜轴邻近构造块，西部为单斜构造块，东部邻近向斜轴部， 压扭及张扭性的中小型断层较为发育，中石门以西单斜构造块，构造比较简单，以张 扭性小型断裂为主，大中型断裂稀少，以f l 断层为主，f 1 断层为高角度正断层，预 测落差为2 5 m 左右，向西深部发展，落差逐渐加大，邻近f l 断层附近将出现一系列 的伴生和派生的中小型断层，对采掘有一定的影响。 由于该区域位于开平主向斜南翼，东侧为开平主向斜轴，西侧为f 1 断层，上方 及东侧为老采空区。对应地表为七滦铁路、8 5 号桥及六号井，加之接近开平主向斜 轴部f 1 断层，至使该区域水文地质条件比较复杂， 主要充水水源为5 煤层以上砂岩裂隙水及f 1 断层水、邻区老塘水及底板水。 1 2 嚣h日a昌oq iio事。暑jo葛iiu镰id 匾受兹卜叫球n匪 议嚣g睬椒妖富嗡露睾祷醐凶眯b籽嚣n 塑! ! 里三盔堂堡主堂堡堡塞 r。 一一 f，1 f 。 穗k - 劫r 、如o ，坪矗 3 0 ( 枣弋农帮。 赢 鎏萎心s 、