地表岩移实施方案

浅埋深大采高地表岩移规律研究实施方案承担单位：鄂尔多斯市转龙湾煤炭有限公司协作单位：山东科技大学项目负责人：张学相起止时间：2017.4-2018.32017年6月12日目录一、项目的必要性（一）研发的必要性、目的及意义1.现状分析2.目的及意义（二）国内外同类技术发展状况及发展趋势1.目前国内外同类技术发展状况2.发展趋势二、研究开发内容三、目标及主要经济技术指标四、关键技术及创新点五、项目技术路线六、现有基础及技术条件七、对安全、环境、健康的影响性分析八、经济、社会效益分析九、项目实施进度计划十、经费概算十一、项目负责人、项目组成员及分工人工智能技术等在开采沉陷中得到了广泛的应用。由于数值方法能够考虑岩体固有属性，且适应于不同特征的岩体采动沉陷研究，能够有效地反映出采动岩体沉陷状态，因此学者们投入了大量的研究，特别是近十多年来取得了许多有价值的成果。如张玉卓的模糊内时有限元法和位错边界元法，谢和平的损伤非线性有限元法，何满潮的非线性非光滑有限元法，邓喀中的损伤有限元法，高延法的粘塑性有限元法，麻凤海的离散元法等均对岩体开采沉陷的状况进行了很好的模拟。近年来，岩体力学理论迅速发展，推动了开采沉陷理论的研究。人们将损伤理论应用于开采沉陷的研究，得出了一些有益的力学模型的数值计算方法。邓喀中采用断裂力学、损伤力学相结合的方法，分析了节理对岩层及地表移动的影响，采用弹性梁、板理论推出了岩体内部移动新的计算式。于广明从相似材料模型入手研究了节理岩体采动沉陷规律模型的损伤张量计算及沉陷量的统计损伤分析。李云鹏、王芝银提出了开采沉陷粘弹塑性损伤模型，并进行了实例分析。(6)开采沉陷预计方法开采沉陷预计方法主要有:基于实测资料的经验方法;影响函数法;理论模拟法。①经验方法基于实测资料，通过大量实测资料的数据处理，建立各种数学模型对地表沉陷盆地进行拟合。国内外应用较广的有典型曲线法和剖面函数法。②影响函数法影响函数法的实质是描述微小单元开采对岩层或地表的影响(以影响函数表示)程度。通过影响函数对开采面积的积分计算地表的移动和变形。影响函数法主要有:巴尔斯法，别耶尔(Beyer)法，扎恩(sann)法，埃尔哈尔特一佐埃尔(Ehrhardt-Sauer)法和克诺特(Knothe)一布德雷克(Budryk)法。其中最具有代表性的有克诺特一布德雷克方法，该法选用高斯曲线作为影响曲线，对近水平煤层的下沉描述非常成功。③理论模拟法把岩体抽象为某个理论模型，按照这个模型计算受开采影响岩体产生的移动、变形和应力分布情况。近年来，采动地表移动变形规律研究方面主要成果还有：(l)魏秉亮等人对浅埋近水平煤层采动地面变形规律以及浅埋近水平煤层采动岩移与塌陷机理进行了研究；(2)西安矿业学院侯忠杰、石平五教授对厚沙层下煤层覆岩破坏机理以及浅埋煤层矿压显现与岩层控制进行了研究，研究表明厚风积沙层下，当顶板基岩不厚时，采后覆岩“三带合一”。在不能形成任何承载结构的厚风积沙层下，顶板薄基岩是沿全厚的整体切落破坏，具有冲击性。另有研究表明，薄基岩在厚沙覆盖层作用下的整体切落是顶板破断运动的主要方式，指出保证足够的初撑力和采空区一定充填状况是控制要点。(3)西安科技大学王贵荣教授对厚黄土层薄基岩地区开采沉陷规律进行探讨得到，在厚黄土层覆盖地区，地下开采引起的地表沉陷是由上覆基岩和黄土层双层介质变形、移动叠加作用所致，基岩是黄土层地表沉陷的控制层。黄土层垂直节理发育，决定了其沉陷变形有别于其他岩土层，地表出现台阶状断陷，典型的“三带式”破坏形式变为“二带式”。地形起伏对地表沉陷有一定影响，地表变形最大值出现在地表坡角较大的采空区上方。(4)安徽理工大学宣以琼等人对榆阳煤矿覆岩破坏移动规律进行研究总结得出:受沉积环境的影响，浅埋煤层顶板岩层微观结构特征为石英含量较高，黏土矿物含量较低，具有典型脆性材料的特点，表现为易裂、抗扰动能力差和再生隔水能力弱等破坏移动演化特征。实践表明，采用采空区滞后控水、煤水分流、控制风机巷附近采高；物探预测地质弱面和富水区域预先加固疏放，是浅埋煤层防止突水溃砂行之有效的调控保障技术措施。(5)河南理工大学宋常胜等人对厚松散层薄基岩条带采动地表移动变形规律研究得出，煤系地层中的关键层对条带开采的地表沉陷起着控制作用，含水松散层的固结变形机理表明巨厚松散层并非随基岩整体下沉。通过建立巨厚松散层下条带开采岩土层移动的复合介质模型，对煤系地层中的上位岩土层巨厚松散层和下位岩层关键层分别加以研究，认为可以用此模型较好地解释巨厚松散层下条带开采的机理和地表沉陷规律。(6)西安科技大学赵兵朝在对浅埋煤层条件下基于概率积分法的保水开采识别模式研究的基础上，结合已有的研究成果和现场调研情况，得出浅埋煤层条件下采用不同基采比所导致的矿压显现特征不同的结论，进而以基采比为关键参数，结合基载比来进一步分析研究浅埋煤层条件下的矿压显现特征与地表移动变形规律。另外还有很多学者对厚松散层薄基岩地表沉陷破坏规律进行了相关的研究。综上所述，针对转龙湾煤矿煤层埋深200m左右，平均厚度4.3m这样地质条件的地表移动变形规律研究的还很少，需要进一步的研究。2.发展趋势理论与实践的结合是开采沉陷理论发展的基础，通过对不同地质条件的数据观测及研究，能不断丰富开采沉陷理论，而且可为类似地质条件开采沉陷预计提供依据。（三）相关技术专利检索分析情况通过关键字“地表沉陷”的检索，共检索相关专利22项，通过关键字“地表岩移”检索，共检索相关专利3项，没有与本课题密切相关的专利，本课题的研究能为矿井安全、高效开采提供了设计依据，而且丰富了特殊地质条件岩移理论方面的研究，具有较好的理论创新性，所研究内容不涉及侵犯其他知识产权，不存在知识产权风险。二、研究开发内容1）减少地面监测点，优化地表观测站设计。根据实测地表移动观测资料,研究浅埋深大采高矿山煤层开采地表沉陷特征。研究转龙湾矿井不同开采条件下地表移动变形沉陷盆地特征等，对比分析与其他浅部矿井地表变形之间的差异性，对由基岩厚度增加造成的影响进行分析；研究地表移动变形动态演化规律、静态演化规律，建立适合转龙湾矿井开采的地表预计参数求取模型；研究优化矿井工作面尺寸、推进速度等对地面的采动影响，对减少地表移动变形的机理进行分析。2）研究转龙湾矿井开采覆岩破坏、应力分布特征及压力拱分布形态，解析开采过程中支承压力、覆岩运动及地表沉陷之间的关系，提出矿井开采采场空间结构模型，建立非充分采动阶段支承压力计算模型，分析覆岩应力场转移及发展过程，建立基于应力场转移的覆岩形变沉陷模型，并给出地表沉陷各特征参量的确定方法。3）转龙湾矿井开采预计参数研究研究矿井开采过程中覆岩体内动态移动形变规律及对地表的影响，确定覆岩体内主要影响半径及基本变形指标，推导出与地表移动变形各参数、赋存深度之间的关系式；研究可靠的覆岩体等效力学参数反演方法，解决模拟试验岩层参数选取困难问题；分析在不同采矿条件下（考虑松散层影响）采深、采宽、开采范围等对概率积分法主导变形预计参数—下沉系数、拐点偏移距的影响，建立地表移动参数、概率积分法预计参数与地质采矿条件之间的关系。三、目标及主要经济技术指标（一）目标1）得出转龙湾矿井开采过程中支承压力、覆岩运动及地表沉陷之间的关系，建立基于应力场转移的覆岩形变沉陷模型，确定出地表移动各特征参量。2）掌握转龙湾矿井采场覆岩体内的移动变形规律，确定出覆岩体内主要影响半径及基本变形指标，给出与地表移动变形各参数、赋存深度之间的关系式。3）建立转龙湾矿井开采地表沉陷预计模型，获取优化矿井工作面尺寸、推进速度的方法。（二）主要经济技术指标1）确定启动距、超前影响角、最大下沉速度滞后角、边界角、移动角、裂缝角和充分采动角。2）确定下沉数据与岩性之间的关系。3）确定地表概率积分预计参数。4）确定地表移动变形规律。四、关键技术及创新点（一）关键技术1）应用沉陷理论、非线性理论等分析转龙湾矿井开采过程中地表移动变形特征、覆岩破坏及受力与形变之间的关系、地表移动变形中的突变。2）应用MTS伺服实验机等研究岩石高围压状态下的强度特性，构建覆岩体承载力学模型。3）采用相似材料模拟与机械物理模拟相结合的方式，研究采动岩层动态形变规律及支承压力演化规律，分析覆岩体内形变指标与地表移动各参数之间的关系。4）井下对覆岩受力破坏进行监测，对比地面沉陷监测数据，研究地表移动变形动态演化规律、沉陷盆地特征等。5）应用三维数值模拟软件，结合室内试验和现场测试结果，研究采动覆岩应力场转移及发展过程，地表沉陷与覆岩运动发展间相互联系的量化确定。（二）创新点1）首次采用不设置正规地表观测站（非直线或散点），实现获得转龙湾矿井可靠的地表移动规律与参数，大大减少原来地表移动观测的工作量及难度，提高了分析的可靠性。2）研发的浅埋深大采高合理的工作面布置尺寸、推进速度等优化技术，达到国内领先水平。五、项目技术路线本课题拟采用现场实测和理论分析相结合的研究方法进行研究。主要技术路线如图1所示。在对地表移动变形影响因素分析的基础上，进行23201及23302区域地表岩移观测：为保证设计方案的正确及指导转龙湾煤矿以后的建构筑物下采煤工作，应在23302和23201工作面开采时，建立地表移动观测站进行观测，以取得实际观测资料，并通过实际观测成果可对采动地表移动变形进行必要的评价，确保矿井开采的顺利实现。常规的地表移动观测站布置以走向和倾向主断面布置，以取得地表移动计算参数和动态地表移动观测成果，但由于观测受实际情况的影响，很难达到设计的观测要求，且由于时间周期较长，往往造成点位的破坏，难以取得完整的数据，达到理想的效果。现随着计算理论的完善和计算技术的发展，地表移动观测站设置可根据地形地物的变化，以取得主要参数进行相关的设计，既要便于观测点的保护，又要便于日常观测工作的进行。根据23302和23201工作面开采的地面特点，上方可设置二个相互独立的观测站（线），以取得可以相互对比的成果和资料。开采工作面地表岩移测点应该采用预制混凝土桩，特别控制点应预制混凝土桩（其它观测点也可根据情况采用其它方式设立）；地表岩移控制测点用预制桩，其余测点可用预制桩或木桩。埋设测点时，挖坑前先把点位引到1m外的四个临时十字桩上，坑底捣实，先铺一层0.1m厚的混凝土后放预制桩，同时由十字桩接线指示测点位置，控制测点的偏心不要大于1cm，工作测点偏心不要大于5cm。标志浇灌深度在本区域冬土线一下0.5m左右，标志周围填紧土石，和冻土隔离，以防测点受冻结影响。要定期进行从水准基点到观测站的水准测量，保证观测站控制点的稳定。地表移动观测站的观测工作可分为：观测站的连接测量，全面观测，单独进行的水准测量，地表破坏的测定和编录等。在埋好测点并待其稳定后（一般观测点埋好10～15天点位固结），要与本矿已知测点进行平面和高程连测以便测定各测点和测线位置。为了准确地确定工作测点在地表移动开始前的空间位置，在连测后地表开始移动之前，应独立进行两次全面观测，全面观测的内容，包括测定各测点的平面位置和高程，各测点间的距离等。边长测量要用钢尺，支距测量可用水平支距尺直接放在测点上进行，也可用经纬仪往返测角后计算支距，开采影响前的水准测量按三等水准要求进行，对采中和采后按四等水准的精度施测。在活跃期（月下沉值较大），每半月进行一次加密水准测量，同时要进行一次全面观测。在每次地表观测同时，在井下测定工作面位置、煤厚和采高等。工作面采完，地表移动稳定后，即半年内下沉不超过30mm时，作最后的全面观测。观测顺序、内容及时间汇总可参考表2程序进行。为了保证所获得观测资料的准确性，每次观测应在尽量短的时间内完成，特别是在移动活动阶段，水准测量必须在一天内完成，并力争做到高程测量和平面测量同时进行。观测线的最终观测成果和采动前的初次观测成果列于表2，每次观测之后均应及时的进行移动、变形计算。观测时间及内容汇总表1序号观测内容时间1预制测点并埋设受采动影响前2连接测量及采前全面观测采动影响前完成3巡视水准测量地表点下沉10mm开始，每月一次4加密水准测量活跃期（每月下沉大于25mm），每半月一次5活跃期全面观测活跃期内进行，6稳定后全面观测地表移动稳定后，地表移动、变形综合成果表表2测点编号标高m下沉mm下沉差mm倾斜mm/m倾斜变化mm/m曲率10-3/m线段线段长水平变形水平移动mm第一次观测第n次观测第一次观测第一次观测绝对值mm相对值mm/m在以上观测数据的基础上，进行数据分析，并建立地表预计模型，研究采动地表移动变形规律及地表沉陷特征。图1技术路线图六、现有基础及技术条件兖矿集团转龙湾煤炭有限公司在地测方面做了大量的前期工作，取得了一大批关于地表沉陷方面的科学数据。山东科技大学多年来一直从事地表沉陷的理论研究及塌陷治理工作。近五年，学校承担各级各类科研项目4300项，计划与合同经费11.47亿元。其中，纵向项目2391项、计划经费5.89亿元，横向项目2009项、合同经费5.58亿元；获上级科技奖励772项，其中国家级科技奖励3项、省部级科技奖励238项。拥有教育部矿山灾害预防与控制实验室和山东省"矿业安全工程与环境保护"重点实验室拥有先进的实验设备和实验场所，试验室设备、计算机齐全，为完成本课题提供了一定的人员和仪器保障。因此，无论从人员构成，还是技术水平及前期工作，为本课题的完成提供了必要的条件。课题组具备该课题研究的基础和技术条件。七、对安全、环境、健康的影响性分析通过本项目的研究成果的实施，能够提供岩移的相关参数及沉陷预计模型，为保护煤柱的留设提供依据，同时，可减少地面的塌陷与滑坡事故，保护地面建筑、道路等设施，另外，通过对地表裂缝的研究，可以减少地表水进入井下，减少对地表水的破坏，保护地表植被。总之，研究结果对于矿区煤炭资源的合理开发利用、矿区地表建筑物保护、生态环境保护以及矿区经济持续协调发展具有重要的作用。八、经济、社会效益分析通过该技术研究，可以掌握地表岩移规律，准确计算各类保护煤柱，可做到节约资源及安全回采，具有明显的经济效益。另外，采用该技术能够提前预测对地面建筑设施的破坏，保护地面设施，减少对地表水的破坏，保护环境，具有明显的社会效益。九、项目实施进度计划1）2017年4月，资料收集分析，对23302及23201工作面回采地表沉陷进行预计并做好观测站方案。2）2017年5月-2