《开采损害与环境保护》课程实验指导书

《开采损害与环境保护》课堂实验/实践指导书课程中文名称：开采损害与环境保护课程英文名称：MininginducedEnvironmentalDamageandProtection课程编号：021010260适用专业：采矿工程、智能采矿工程学时数：4学分数：0课程类别：专业课程应开课学期：第6学期 /实验/实践一：覆岩运动规律的模拟方法及应用实验/实践类型：综合型实验/实践学时：2实验/实践要求：完成实践内容并撰写报告一、实验/实践目的覆岩运动规律的模拟方法及应用二、实验/实践内容1．相似模拟试验原理、制作及注意事项；2．相似模拟试验下覆岩运动规律及分析。三、仪器设备依托河南理工大学能源学院相似模拟大厅二维及三维相似模拟试验平台。四、实验/实践原理、方法、手段和步骤1.采用相似模拟的方法，结合相似模拟试验实验的方法，为了便于理解，以近水平煤层开采为例，分析岩层移动和破坏过程和应力状态的变化。2.以水平煤层工作面向前推进为例，受到采动影响的岩层范围不断扩大。当开采范围足够大时，岩层移动发展到地表，在地表形成一个比采空区范围大得多的下沉盆地，如下图所示。图1图1采空区上覆岩层移动和破坏由于岩层移动和破坏的结果，使采空区周围应力重新分布，形成增压区（支承压力区）和减压区（卸载压力区）。在采空区边界煤柱及其边界上、下方的岩层内形成支承压力区，其最大压力为原岩应力场的3～4倍。由于支承压力的作用，使该区煤柱和岩层被压缩，有时被压碎，煤层被挤向采空区，如图1-2所示。由于增压的结果，使煤柱部分被压碎，支承载荷的能力减弱，于是支承压力峰值区向煤壁深处转移。在回采工作面的顶、底板岩层内形成减压区，其应力小于采前的正常压力。由于减压的结果，使下部岩层发生弹性恢复变形。上部岩体由于受下部岩体移向采空区的结果，可能在顶板岩层内形成离层，而底板岩层在采空区范围内卸压，在煤柱范围内增压，两种压力作用的结果，可能出现采空区地板向采空区隆起的现象。开展覆岩破坏分析，如三带分析：煤层采出后，周围岩体产生移动，当移动和变形超过岩体的极限变形时，岩体破坏。根据工程的需要，岩层移动和破坏稳定后按其破坏的程度，大致分为三个不同的开采影响带，即冒落带（CavedZone）、裂缝带（FracturedZone）和弯曲带（ContinuousDeformationZone），如图1-7所示。1、冒落带冒落带（又称垮落带）是指由采煤引起的上覆岩层破裂并向采空区垮落的岩层范围。随着煤层的开采，其直接顶板在自重力的作用下，发生法向弯曲，当岩层内部的拉应力超过岩石的抗拉强度时，便产生断裂、破碎成块而垮落，冒落岩块大小不一，无规则地堆积在采空区内。根据冒落岩块的破坏和堆积状况，冒落带可分为不规则冒落和规则冒落两部分。在不规则冒落部分内，岩层完全失去了原有的层位，在靠近煤层附近，岩石破碎、堆积紊乱。在规则的冒落带内，岩层基本保持原有层次，位于不规则冒落带之上。冒落带内岩层破坏特征：（1）在冒落带内，从煤层往上岩层破碎程度逐步减小。（2）冒落岩块间空隙较大，连通性好，有利于水、砂、泥土通过。（3）冒落岩石具有的碎胀性能使冒落自行停止。冒落岩石的碎胀性是指冒落岩石体积大于冒落前的原岩体积，常用岩石碎胀系数来表示。岩石碎胀系数是指从岩体中采掘或崩落下来的岩石，其整个体积与它在原岩体内的体积之比。岩石的碎胀系数取决于岩石性质，坚硬岩石碎胀系数较大，软岩碎胀系数较小。碎胀系数值恒大于1，一般在1.5～1.8之间。（4）冒落带高度主要取决于采出厚度和上覆岩层的碎胀系数，通常为采出厚度的3～5倍。薄煤层开采时冒落高度较小，一般为采出厚度的1.7倍左右。顶板岩石坚硬时，冒落带高度为采出厚度的5～6倍；顶板软弱时，冒落带高度为采出厚度的2～4倍。实践中可用下式近似估算冒落带高度：式中，h—冒落带高度；m—采出煤层厚度；α—煤层倾角；k—岩石碎胀系数。（5）冒落岩石间的空隙随着时间的延长和工作面推进距离的增加，在上覆岩层压力作用下，在一定程度上可得到压实。一般是稳定时间越长，压实性越好，但永远不会恢复到原岩体的体积。2、裂缝带裂缝带是指在采空区上覆岩层中产生裂缝、离层及断裂，但仍保持层状结构的那部分岩层。裂缝带位于冒落带和弯曲带之间。根据垂直层理面裂缝的大小及其连通性好坏，裂缝带内的岩层断裂又分为严重断裂、一般断裂和微小断裂三部分。严重断裂部分的岩层大多断开，但仍保持其原有层次，裂缝的漏水严重。一般断裂部分的岩层很少断开，漏水程度一般。较小断裂部分的岩层裂缝不断开，连通性较差。裂缝带内岩层产生较大的弯曲、变形和破坏，其破坏特征：（1）裂缝带内的岩层不仅发生垂直于层理面的裂缝或断裂，而且还产生顺层理面的离层裂缝。（2）根据连通性的好坏，裂缝带一般导水、但不利于砂、泥土通过。（3）冒落带和裂缝带合称为两带，又称为冒落裂缝带，在解决水体下采煤时，冒落带和裂缝带合称为导水裂缝带。两带之间没有明显的分界限，均属于破坏性影响区，一般是上覆岩层离采空区距离越大，破坏程度越小。当采深较小、采厚较大、用全部垮落法管理顶板时，裂缝带可发展到地表，甚至冒落带达到地表。这时地表和采空区连通，地表呈现出塌陷或崩落。（4）导水裂缝带高度与岩性有关。软弱岩石条件下，导水裂缝带高度为采厚的9～12倍；中硬岩石条件下为采厚的12～18倍；坚硬岩石条件下为采厚的18～28倍。准确地确定导水裂缝带高度，对水体下采煤至关重要。（5）裂缝带随着工作面推进距离的增加，当采空区扩大到一定范围时，裂缝带的高度达到最大。此时，采空区继续扩大，裂缝带高度基本上不再发展，并随着时间的推移，当岩层移动趋于稳定时，裂缝带上部裂缝逐渐闭合，裂缝带高度也随之降低。3、弯曲带弯曲带指的是裂缝带之上直至地表的整个岩系。其岩层移动和破坏特征：（1）弯曲带内岩层在自重的作用下产生层面法向弯曲，在水平方向上处于双向受压状态，其压实程度比较好。（2）弯曲带内岩层移动过程连续而有规律，并保持整体性和层状结构，不存在或极少存在离层裂缝。在竖直面内，各部分的移动值相差很小。（3）弯曲带一般情况下具有隔水性，特别是当岩性较软时，隔水性能更好，成为水下开采时的良好保护层。（4）弯曲带的高度主要受开采深度的影响。当采深较小时，导水裂缝带高度直达地表，不存在弯曲带；当采深较大时，弯曲带高度可大大超过垮落带和裂缝带的高度之和，开采形成的裂缝带不会达到地表。“三带”在水平或缓倾斜煤层开采时表现比较明显，由于地质采矿条件的不同，覆岩中的“三带”不一定同时存在。五、实验/实践结果处理实验/实践一或者实验/实践二总计提交1份实验/实践报告。六、实验/实践注意事项1．认真阅读实验指导书，预习与实验有关知识，了解实验内容和方法；2．熟悉所用实验设备的使用方法；3．按照实验要求进行实验操作；4．实验中观察、检测并记录有关数据，能分析和解决在实验过程中出现的各种现象和问题；5.．不盲目轻信实验数据和结果。不抄袭别人的数据和结果；6．每次实验后，每个学生均应按本次实验情况编写实验报告，并分析实验结果，结论要明确。要求格式规范，图表清晰工整。七、预习与思考题1．相似模拟试验材料配比、相似模拟尺寸是如何确定的？2．相似模拟试验结果如何分析，其与实际工程有何不同？实验/实践二：开采损害及环境治理技术及分析实验/实践类型：综合型实验/实践学时：2实验/实践要求：完成实践内容并撰写报告一、实验/实践目的开采损害及环境治理技术及分析二、实验/实践内容1．熟悉煤矿开采对地表沉陷的影响范围、分布特征等；2．煤矿开采对应的地表建构筑物损害程度、特征分析及环境治理技术及分析。三、仪器设备依托焦作附近典型采煤工作面回采后现场及采后环境治理典型案例现场（白鹭公园等）。四、实验/实践原理、方法、手段和步骤1．采用现场实践教学，结合课堂学习的不同采动条件下的地表沉陷特征，分析特定采动条件下的地表特殊点（拐点、边界点等）表现特征，分析不同区域的建构筑变形破坏特征，并针对性制定保护措施。2．地表移动的形式（1）地表移动盆地当地下工作面开采达到一定距离后（约为采深的1/4～1/2时），开采影响到地表，受采动影响的地表从原有的标高向下沉降，从而在采空区上方形成一个比采空区大得多的沉陷区域，称为地表移动盆地，或称下沉盆地（SubsidenceBasin），如图3所示。地表移动盆地的形成，改变了地表原有的形态，引起地表标高、水平位置发生了变化，对地表的建筑、道路、河流、铁路、生活环境等产生了影响。（2）裂缝及台阶在地表移动盆地的外边缘区，地表可能会产生裂缝，裂缝的深度和宽度与有无松散层及其厚度有关。松散层的塑性大，地表拉伸变形值超过6～10mm/m，才产生裂缝，松散层的塑性小，变形值超过2～3mm/m，即可产生裂缝。一般地表裂缝与地下采空区不连通，到一定深度可能尖灭。开采强度较大时，地表可能出现裂缝或台阶，如图4和图5所示。图图4开采引起地表裂缝图3开采引起的下沉盆地图图5开采引起地表台阶裂缝及建筑物损害（3）塌陷坑塌陷坑多出现在急倾斜煤层开采条件下，但是在某种特殊的地质采矿条件下也易产生塌陷坑。在采深很小、采厚很大时，由于采厚不一致，造成覆岩破坏高度不一致，地表也可能出现漏斗状塌陷坑，如图6所示。在有含水层的松散层下采煤时，不适当地提高回采上限也会引起地表产生漏斗状的塌陷坑。图6急倾斜开采形成的漏斗状塌陷坑示意图（1）-下沉；（2）-倾斜；（3）-曲率（4）-塌陷坑（4）地表移动盆地的形成地表移动盆地是在工作面的推进过程中逐渐形成的。一般是当回采工作面自开切眼开始向前推进的距离相当于采深的1/4～1/2时，开采影响波及到地表，引起地表下沉。然后，随着工作面继续向前推进，采空区面积增大，地表的影响范围不断扩大，下沉值不断增加，下沉盆地也逐渐扩大。如图7所示，当采空区达到一定程度时，最大下沉值将不再增加而形成一个平底的下沉盆地。当工作面停止推进以后，地表的移动不会马上停止，要延续一段时间，然后才能稳定，形成最终的地表移动盆地，此时的盆地又称静态移动盆地。工作面推进方工作面推进方向H0（1/4~1/2）H0w1w2w3w4w041234图7地表移动盆地形成过程1、2、3、4—工作面推进的位置；w1、w2、w3、w4—相应工作面上方的地表移动盆地；w04—最终的静态移动盆地水平煤层非充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律水平煤层充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律图1-30水平煤层充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律1图1-30水平煤层充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律1—下沉；2—倾斜；3—曲率；4—水平移动；5—水平变形xxδ0ψ3ψ3δ0ooAABBEEEE（5）（4）（2）（1）（3）图1-30水平煤层充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律1—下沉；2—倾斜；3—曲率；4—水平移动；5—水平变形xxδ0ψ3ψ3δ0ooAABBEEEE（5）（4）（2）（1）（3）图1-30水平煤层充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律1—下沉；2—倾斜；3—曲率；4—水平移动；5—水平变形xxδ0ψ3ψ3δ0ooAABBEEEE（5）（4）（2）（1）（3）五、实验/实践结果处理实验/实践一或者实验/实践二总计提交1份实验/