山区地面建筑物保护煤柱设计的研究（可编辑）

太原理工大学硕士学位论文山区地面建筑物保护煤柱设计的研究2001.4.1太原理工大学硕士学位论文分析，提出没有考虑山区地形与采动滑移的影响，照搬平地设计方法和设计参数是造成山区地面受护建筑物破坏的主要原因。滥于目前山区煤柱设计仍采用垂线法与垂直断面法，采用这两种方法的关键在于正确选择设计参数，其中最主要的参数是移动角。文中首先从对移动角的分析入手，指出对于近水平煤层、中硬覆岩长壁大冒顶开采条山区移动角的选取应结合上下坡方向采动、开采深厚比/、采动次数、地表倾角、地形坡度变化、采动程度；此外还对山区煤柱设计其它参数诸如围护带的选取、表土层移动角及表土层厚度的确定、以及山区地面受护建筑的有利、不利地形作了分析。文中用一个山区煤柱设计实例，指出采用山区地表移动预计是山区煤柱设计好后必要的补缓冲沟来减弱采动坡体滑移的影响。通过相似材料模拟试验和有限元数值模拟对山区采动覆岩与地表移动规律及破坏过程作了研究，指成山区地面受护建筑物破坏的主要原因并不是煤柱破坏向地表的传递，而是采动地表滑移所致，并对现行规程有关山区煤柱留设部分存矿的安全生产以及环境保护有重要参考价值。【关键词】开采沉陷保护煤柱设许、山区地面建筑物山区地表移动太原大学硕士学位论文?.,....,也.’&囊幽；太原理工大学硕士学位论文第一章绪论随着采矿事业的发展，开采沉陷损害及其防护的研究愈来愈受到是平地，而涉及山区保护对象问题的研究很少，特别是山区煤柱设计问作为我国煤炭生产基地的山西，几乎所有矿区都在山区。山区不仅有大量的工业、交通和民用建筑物，如工业广场、居民住宅、风井与风地开采煤炭资源，我国从五十年代中期起就在山区煤矿开展了地表移动观测和研究工作，六十年代进行了山区煤柱设计的研究，七十年代进行了压煤开采的试验，这些方面都取得了一定成绩，但也存在不少亟待解决的问题。如一些保护煤柱未能起到应有的保护作用，使受护对象遭到不同程度的损害。另外一些矿区的"三下"压煤量很大，影.研究的目的与意义数煤矿的工业场地、住宅区和村镇居民点等工业与民用建筑物，仍然主要采用留设煤柱的方法来加以保护。在山区，由于地形条件复采动地表存在附加滑移变形等诸原因，更是限制了建筑物下采煤。山区移动范围及移动角与平地有明显区别，照搬平地的参数和方法设计等“在方向移动角应减小~,';新规程嘲在原规程基础上作了修正：“当保护煤柱受护边界至煤柱边界范围内地表倾角大于。时，应采用本矿区求得的山区移动角留设保护煤柱，如无本矿区实测资料而采用平地倾角大于~。,采动地表滑移都有可能发生。对一些中硬覆岩近水平煤层开采的山区观测资料分析表明，由于山区采动滑移影响，山区基岩移动角不仅与上、下坡方向采动有关，而且也与开采深厚比有一定关系。为了合理地留设保护煤柱，需要有一套合适的方法和理目前煤柱设计的方法有垂直断面法、垂线法、数字标高投影法、椭圆锥法、四次曲线法、临界面标高投影法等，其中后三种方法离实践应用还有差距，所以并没得到应用。目前山区煤柱设计多采用垂直断面法和垂线法，采用这两种方法时移动角是一个最重要的参数，而现在山区煤柱设计所选用的移动角仅考虑了与上、下坡采动的关系，并未考虑它与深厚比、采动次数以及地表倾角等的关系，另外山区所有受护建筑物采用同一组临界变形值是否妥当，以及目前围护带的选用参数是否准确都是值得研究的问题。鉴于山区地面受护建筑物时有破坏，为此需要对山区地面建筑物保护煤柱设计方法和理论作进一步的研究和探讨。本课题就是根据目前山区煤矿煤柱留设方法、保护建筑物存在问地面建筑物保护煤柱合理设计方案和正确设计参数，从而避免受护建筑物的损害。本课题的研究对于煤矿的安全生产、环境保护有重要对于改善山区煤柱留设和压煤开采都有重要参考价值。.国内外研究动态..采动损害与防护开采沉陷对人类的生产和生活的影响早已被人们所认识，早在世纪，比利时曾经发布过一项法令，对因进行开采而使烈日城的水源受到破坏的责任者处以死刑吲。但由于当时开采沉陷研究不够，直到二十世纪初，因地下开采使铁路、房屋遭到破坏、井下透水造成人员英国、加拿大、日本和美国等国家对开采沉陷理论和控制技术都进行了太原理工大学硕士学位论文我国对开采沉陷的研究是从二十世纪五十年代开始的，经过多年的发展，不仅积累了丰富的实测资料，而且不断改进和完善了理论，并在开采沉陷理论中渗透了其它相关理论，使开采沉陷的研究些矿区建筑物下采用条带开采、充填开采、协调开采来解放压煤这些方法使村庄建筑物下采煤取得了很大的成功。在山区，也曾在抗变形房下面做过采煤试验，虽然有一定的破坏，但实验证明经修补后可照常使用。由于目前多数山区建筑物未进行抗变形设计，再加区地形条件复杂、采动地表存在附加滑移变形等诸原因，限制了山区建筑物下采煤，因此，对于山区地面建筑物的保护，还主要是留设煤柱来加以保护，但一些煤柱并未起到预定的保护作用。在我国，几乎每年均有由采动引起地面建筑物的损害；波兰受采动直接影范围有%是建筑物地区【】:美国每年由于井下采煤对建筑物所造成的损失达万美元【。另外，矿区井筒的保护也是一个极其重要的环节，井筒的破坏多发生在井筒穿过岩体的断裂面和软弱面处，开采会引起岩体沿软弱面产生剪切破坏。文献把立井井筒破坏的类型分为两种：一是由岩层与地表采动非正规移动??沿弱面产生的滑动；二是由岩层与地表采动正规移动??下沉与水平移动所引起。此外文献”“”分别论述了黄淮、淮北、徐淮矿区井筒破裂原因，主要从水文地质、采动影生产因素、施工因素作了分析。文献【给出了山区井筒破坏的几指出山区井筒破坏部位发生在表土层与基岩接触部位。保护带来不少麻烦。还有煤柱设计不合理、小窑越界开采，保护范围边界处有断层以及采动滑坡等因素常常影响到建筑物的安全使用Ⅲ当表土层厚度大于米，地表倾角在以上，采动很可能会诱发滑太原理工大学硕士学位论文坡，在阳泉矿区、西山矿区以及川、陕等部分矿区都有此类现象发生施保护措施，而且设计开采及开采过程中也相应实施保护措施指出工作面开采线应和保护建筑物长轴平行，在建筑物附近采煤时，应放慢速度；斯威士兰..等曾对斯威士兰煤矿煤柱破坏用有限元法分析，但该地区采用房柱式采煤，与我国山区现今多数采用全陷大冒顶法开采又有所区别；文献【”中也提到，尽管各地区地形、地质、采深、及建筑物结构等不同，但对于受护物事先应确定其允许变形值，这一点在许多国家已达成共识，然而在易受采动影响的建筑物下方，德国和英国的工程师认为应慢速推进工作面，而美国一些研究者认为工作面应快速推进受护物下方；另外设置补偿沟，用纠偏装置及时调整建筑物四也可有效地防止采动带来的损文献IⅢ】从土力学的角度分析了建筑物基础与表土层之间力的传递过..保护煤柱设计理论研究现状国外在保护煤柱设计方面的理论有：波兰对圈定建筑物煤柱形成自己独特的方法，在设计围护带宽度和保护煤柱半径时都需用到上覆岩层的抗拉强度口：西德采用两种方法留设】:一是采用影响半径法计算移动变形值，再联合临界移动变形值来计算临界距离和临界于岩层复杂性是不够精确的，二是采用“保护角”,相当于移动角来设计。国内煤柱留设的方法有垂直断面法、垂线法、数字标高投影法【,这三种方法已列入规程”,此外还有四次曲线法”、椭圆锥法、临界面标高投影法口。其中垂直断面法和垂线法简单易行，主要根据移动角来确定保护煤柱的边界，对于同一受护对象，垂直断面法比垂线法在受护建筑物角点处多留一部分煤柱，所以目前大多采用垂线法留设煤柱。四次曲线法、椭圆锥法、临界面标高投影法都是避免在建筑物角点处留设过多的煤柱，保护煤柱的范围是一曲面，这三种方法在理因此并没有在实践中用到。此外，还有有关多煤层丌采煤柱合理尺寸的研究Ⅲ?,其原理就是将多煤层丌采的移动变形值叠加，根据建筑物的允许变形值，反求煤柱的合理尺寸。但是这些方法是基于地表近水平的情况，有关山区多煤层开采的保护问题的研究，目前还不..山区地表移动规律及煤柱设计现状有进行深入系统的研究才能逐步解决。在这方面国外研究很少，英国曾经进行过山区地表移动相似材料模拟实验，美国设置了山区地表移动观测站【?,取得了一些观测成果，但至今未见到有关山区地表移动预计、煤柱设计及煤柱留设效果方面的资料。我国何万龙教授在~年首次运用叠加原理提出山区地表移动规律及预计模型，该成果现已被列入规程?,何教授还导出了基于叠加原理和滑移向量分析原理的滑移向量函数模型【;还有颜荣贵教授基于随机介质理论的山区概率积分法模型【,该模型只能反映采深变化引起的移动、变形分布的非对称形态，而不能反映采动滑移引起的沟谷上升、移动范围增大以及山区其它应力、应变特征；刘广荣教授的基于叠加原理的滑动应力~应变函数模型”,该模型以实测资料拟合水平变形，然后反该模型虽然从滑移力分析入手，但实际预计公式中没有涉及力学参对作用力之间的相互关系以及力与位移、应力与应变关系未作进一步分析，同时坡体表土层等厚和倾角相同的假定也使其实际应用受到限制。此外关于山区地表移动规律，戴华阳、胡友健等【认为山区采并应用负指数函数法导出了山区地表移动预计公式。由于所需参数需区地面保护对象破坏的主要原因是煤柱以外的上坡和下坡开采所致，并对山区地表移动规律、山区地表采动滑移机理、滑移的应力，应变模型憋盏≤磷女太原理大学硕士学龟作了深入研究时，应按平行或垂直地表倾斜方向设置保护煤柱边界和围护带，然后按上下坡采动滑移影响角确定煤柱边界。划定山区倾斜煤层保护煤柱时，也应先划出平行或垂直地表倾斜方向的煤柱边界，然后再过煤柱的角点作平行和垂直煤层走向的煤柱边界。另外对于山区利用同一组移动变形值确定移动角来留设各种建筑物保护煤柱是否合理也是值得研究的问题。由平项山矿务局年农房下采煤实验”证明对于非充分采动地表水平变形/,倾斜/,房屋墙上料石或土坯墙不出现或仅出现几条轻微裂缝，对于地表拉伸变形值超过./,压缩变形超过./,房屋会出现难以修复的损害。室内模拟实验也曾做过，采动对地面建筑物基在地表下沉盆地上山边缘地表下沉与基岩下沉值相等；地表下沉对深基础建筑物影响不大，其中一部分是采动引起的地表下沉，另一部分是地基受采动影响而产生的次固结下沉。筑物的保护带来了不少麻烦。目前多采用垂直断面法与垂线法设其中移动角是最重要的参数，许多矿区以前曾在该地区使用同一移动对阳泉矿区岩层移动角作分析，先后推导出走向移动角与深厚比成线性适用“。然而所有这些资料并没有考虑山区地表滑移的影响，对地表倾角、采动程度未作分析。在目前山区地面建筑物保护煤柱设计也仅仅考虑了移动角与上、下坡方向采动的关系，而对于开采深地表倾角、采动程度等因素未作考虑。另外对于建筑物采用同一组临界变形值是否合理以及现今山区受护建筑物围护带的选取都是值得考虑的问题。鉴于山区受护建筑物的破坏时有发生，所以很有必要对目前建筑物保护煤柱的理论与方法进行进一步研究。本课题就是应用山区地表移动规律、山区地表移动预计系统对目前山区煤矿煤柱留设方法以及参数的选择进行深入研究，根据受护.太原理工大学硕士学位论文建筑物存在的问题，找出损害原因，并结合山区相似材料模拟实有限元数值模拟对山区采动坡体及覆岩变形规律加以分析，从而提出山区地面建筑物保护煤柱合理的留设方案和正确参数的选择。.研究主要内容与手段针对目前山区有些地面建筑物有时并不能达到预期结果，本文主要研究以下几方面的内容：分析设计山区煤柱所用的参数主要考虑移动角、围护带的选取、建筑物临界变形值是否合理；目前规程山区地面建筑物煤柱留设方法、采用山区地表移动预计法鉴于目前地面建筑物的破坏多受来自煤柱外上坡方向煤层的开采所引起，本论文拟选取山区某一面坡地表移动观测站资料作为实验模型，通过做相似材料模拟实验，观测岩层位与地表测点的位移来研究山区采动地表与覆岩变形规律，从而为煤柱设计提供一定的借一步说明山区采动地表与覆岩移动变形规律：案。太原理工大学硕士学位论文第二章山区煤柱设计参数的分析为了提高煤炭资源回收率和矿井建设的投资效益并保护建筑物的安全，必须科学合理地进行建筑物保护煤柱的设计。从搜集的资料来看，山区煤柱设计还是采用平地保护煤柱留设方法，多采用垂直断面法与垂线法，而用这两种方法设计保护煤柱的关键在于选择正确参.现场资料的分析均采用垂线法或垂直断面法设计。..表土层移动角与围护带取值,对于民房按表.取值。表.阳泉矿区民房煤柱围护带宽度0年前年后地面建筑物保护等级围护带宽度从表.看，该矿区设计山区煤柱选用围护带时，按建筑物保护等级确定，而忽略了山区地形的影响。..移动角的选用该矿区在年以前采用类比法确定移动角为：实践证明，上述移动角偏大，所设计的保护煤柱往往不能起到应有的保护作用，有的破坏甚至相当严重，如四矿的风井与风机房曾按一级保护对象设计煤柱，由于下坡方向柱外工作面的开采，导致风机房和井简报废。之后该矿区在分析地表移动观测站的基础上，求得本矿区的移动角，在后来设计煤柱中用下面参数：.太原理工大学硕士学位论文当≥。吲，。,日。一.上述移动角虽然比类比法减小。,但从保护效果来看，大部分受护对象仍遭到不同程度的损害，破坏严重的有二矿的大、小南沟村。都是受来自远离煤柱边界外的上坡方向工作面开采影响。阳泉矿务局于年底"?,对该矿区的地表移动观测资料进行当≥。时，。,?.Ⅱ。并求得了采动滑移影响角，其平均值如下：上坡方向滑移影响角度下坡方向采动.。;由于考虑到按滑移影响角留设煤柱损失煤量过多，从实际煤柱设计资料~可以发现，极少采用滑移影响角设计煤柱。以走向移动角为例，几乎所有的煤柱采用。留设。然而地面建筑物的破坏时有发生，破坏典型的有一矿的吴家掌村，地形全倾于村庄，采动引起坡体附加滑移给受护民房施加了推力。还有工作面位于受护房屋的两帮上坡方向，采动后引起坡体滑移，给大量房屋造成损害。从以上阳泉矿区一些受护建筑物的破坏说明：目前留设山区煤柱所选用移动角有些偏大。该矿区目前煤柱设计所选用的。是山区规则沉陷区得到的平均移动角。而实践证明，由于山区采动地表存在附加滑移变形，使得山区规则下沉盆地边缘往往出现不规则的移动变小之，上坡方向约减小”。地形对受护建筑物的影响...山区受护对象的有利地形根据现场资料及己有煤柱保护效果的调查，处于下列位置的建筑物保护效果最好：.位于地面较平坦的宽阔山顶，建筑物只受到两侧下坡方向的开太原理工大学硕士学位论文采影响，如图.所示。.四面或三面有沟谷切割的坡地，见图.。?旷可,,夕/采空区厶签煤柱盘采空区位于山顶受下坡采动的影响三面沟谷受下坡采动影响图.受护对象最有利的地形位置上述地形位置建筑物保护效果较好的主要原因是：根据采动滑移变形的研究，山顶部位除滑移下沉较大外，其他部位附加滑移变形较小。下坡方向开采对上坡的滑移影响范围较小，根据观测资料分析，下坡开采引起的上坡滑移影响角只比平地移动角减小~。,因而用类比移动角和按平地方法留设的保护煤柱加上围护带宽度，可以起到较好的保护作用。保护对象周围的沟谷在一定程度上阻止了采动滑移范围的扩展。..山区受护对象最不利的地形位置根据山区地表移动与变形规律的研究，及现有保护效果的调查，处于下列地形位置的受护建筑物最易受到破坏：.位于沟谷或沟谷两侧坡地上的建筑物，受上坡方向的开采影响，见图.。,位于山腰较平缓坡地上的建筑，受上坡方向的开采影响；见图上述受护对象地形位置不利的主要原因是：.上坡方向的开采对下坡滑移影响较大。根据观测资料分析，上太原理工大学硕士学位论文坡方向开采引起的下坡滑移影响角比平地小~。,因而按照平地移动角和一般方法设计的山区煤柱必然偏小，保护对象将受到山区采动滑移变形的破坏。沟谷和凹形地貌部位的采动滑移变形较大，尤其是滑移引起的压缩和正曲率对保护对象极为不利。大卸、,一、飞丑采空区煤柱采空区煤柱位于沟谷边缘受上坡采动影响位于山腰坡地受上坡采动影响图.受护对象最不利的地形位置.山区煤柱设计参数的分析..基岩移动角...平地基岩移动角国内外已有观测与研究成果表明，基岩移动角主要取决于覆岩性质和顶板管理方法，在长壁大冒顶开采条件下，移动角主决于覆岩性质，具体各矿区的取值，参照文献心】。从已有观测和研究表明，其它条件相同时，基岩走向移动角，还与开采深度和开采厚度有关系。何万龙教授等分析了在平地半无限开采条件下分别采用按移动变形预计方法、按移动预计变形公式，结合倾斜、曲率、水平拉伸临界变形值导出了求取移动角的公式，用实际计算结果证明了平原地区水平煤层中硬覆岩半无限开采条件岩移动角随开采深度的增加而增大，随开采厚度的增加而减小，指出~个矿区只用同一个移动角设计煤柱并不合理。上述研究成果在理论上可行，但尚未反映在现行规程之中，在实践中还未得到充分推广。...山区基岩移动角;。疆耋戳盼。△,太原理工大学硕士学位论文现行规程七在原规程Ⅲ的基础上作了修正，提出在山区设计煤柱时，为了防止山体采动滑移附加变形对受护建筑物的影响，当保护煤柱受护边界至煤柱边界范围内地表平均倾角大于。时，应采用本矿区求得的山区移动角留设保护煤柱，如无本矿区实测资料而采用平地方向移动角一般减小。一。。这只是原则性的规定，而事实上只要地表坡度大于。。,山区采动地表滑移就很可能发生【"。另外对一0些中硬覆岩近水平煤层开采的山区实测资料分析还得出：山区采动滑移影响角不仅与上、下坡采动有关，而且也与开采深厚比有一定关方向的移动角比平地约小~。,而下坡方向的移动角比平地约小力下坡大于上坡，因而下坡方向的滑移影响范围也比上坡方向的影响范围大。表.山区上、下坡移动角与开采深厚比的关系平地上坡下坡深厚比揶等高线方向下坡采动上坡采动0o。~。?缶。0另外从已有的山区资料四中发现山区地表移动角还与采动次数有角一般减小~。;而当/时，重复采动对规则沉陷区地表移动角影响一般很小，因为初次开采采动塌陷会形成一个弱面，重复采动会使覆岩沿原来的弱面继续破坏，故移动影响范围不再继续增此外山区采动滑移角与山区坡体倾角变化大小有关，当采区边界以外坡体坡度变化较大时一般在。以上，如移动盆地边界有沟谷时，采动滑移影响范围增大，采动滑移影响角偏小。从以上分析可知，对于中硬覆岩近水平煤层大冒顶开采的山区移太原理工大学硕士学位论文动角建议如下取值：对于地表倾角小于。,此时不考虑采动地表滑移，移动角按规程平地移动角结合开采深厚比来取值。应该采用本矿区滑移影响角，如无实测资料应结合/参照表.选取移动角；如果仍按规则移动盆地所得移动角如阳泉矿区。留设煤柱，应该在受护建筑物受护边界外挖一缓冲沟来减弱采动坡体滑移的影响。由于矿区考虑采用减小移动角来留设煤柱会增大压煤如果属于重复开采，移动角应按表.来取值。表.重复开采对移动角的影响厂×/减小~。取值为采动滑移影响角不变术注：'为地表倾角，/为开采深厚比，以司。..山区地面受护建筑物围护带目前山区煤柱围护带的圈定、仍然采用与平地完全相同的方法，围护带的宽度仍按建筑物保护等级参照规程来划定。由于山区地形条件复杂，地势变化多端，建议在山区设生不连续变形，即滑坡“,为图.位于山梁的受护建筑围护带加宽图地表变形预计的方法按保护对象的临界变形值确定。对于近水平煤。潭澎§《蜊太原理工大学硕士学位论文层，应按平行和垂直地表倾斜方向设置保护边界和围护带，然后坡采动滑移影响角及表土层移动角划定煤柱边界，因而煤柱边界平行或垂直地表倾斜方向。划定山区倾斜煤层保护煤柱边界时，也应先划出平行和垂直地表倾斜方向的煤柱边界，然后再过煤柱的角点作平行和垂直煤层走向的直线构成平行和垂直煤层走向的最终煤柱..山区煤柱设计相关的其它参数山区表土层移动角及表土层厚度的确定常见的风化坡积物或山麓堆积形成的风化表土层，其移动角取值可参呈表土层比坡体下部的表土层厚。这种情况往往由于雨水长时间冲基中一一图.表土层厚度不等图体下部为冲沟时的表土层会变薄，此时应该依照地面标高与地表坡角及钻孔资料确定受护建筑物边界角点处表土层厚度，表土层厚度确定后，表土层移动角可参照...山区地面建筑临界变形值目前移动角是根据我国一般砖木结构建筑使用的一组临界变形值确定的，而山区由于建筑物质量参差不齐，依照这个标准是否合是值得考虑的问题。这方面的实验也在年平顶山矿区在农房下采煤尝试过，试验房为料石基础、木屋架，墙体多为料石干砌墙，试验结果表明：当地表变形不超过水平变形、倾斜变形时，房屋不出现或仅出现几条轻微裂缝。当地表变形值超过拉伸变形./或压缩变形为./时，房屋出现难以修复的损害。由此说明，在山区对于普通砖木结构的民房，这组临界变形值还是适用的。.山区保护煤柱的适用条件根据以上分析可以看出，由于采动坡体滑移的影响，采用山区地女”,太原理工大学硕士学位论文表移动角来设计煤柱必然使保护范围增大，使得山区保护煤柱的压煤量比平地煤柱的压煤量大得多，且保护效果不一定好，因而当地面建筑物处于该地形与地质条件时，为了免受采动坡体变形的影响，最好还是搬迁。只有在下列条件下才可以考虑留设保护煤柱：无法搬迁或采用其它防护或开采措施难以保护的对象：单层开采深厚于，受护面积较大的保护对象；保护对象位于较平坦的山顶或被三面沟谷切割包围的平缓坡地中央部位。另外作者在调查阳泉矿区留设煤柱保护效果时，发现有些煤柱设计时并没有考虑到村庄房屋的扩建，致使一些房屋建在受护范围以外；还有矿区周围小窑的越界开采，而这些小煤窑的开采并没有实测图纸，这样常常使得处于该部位民房破坏的责任纠缠不清。鉴于此很有必要建立和健全村庄下采煤的管理与协调机制。此外，随着农扩建，矿区破坏耕地的复垦、采空区上方建房日益成为亟待解决的问.本章小结本章通过对现场资料的分析，指出当前山区地面受护建筑物围护带的选取并未考虑山区地形的影响，设计煤柱所用移动角的选取没有考虑山区地表滑移的影响。并应用已有的山区资料对目前山区煤柱设层厚度及表土层移动角的选取原则与山区煤柱留设的适用条件。。;;建.扭：太原理大学硕士学位论文山区煤柱设计实例第三章鉴于目前山区受护建筑时有破坏，本文就以阳泉矿区三矿马家坡新村保护煤柱设计为例，采用三种方法，即分别采用按平地设计目前规程规定方法、山区地表移动预计法来设计该村庄房屋保护煤.平地煤柱设计法从搜集资料发现该村庄煤柱就是照搬平地设计方法留设的，而实际上并未取得预期的保护效果。..地形、地质、采矿条件与煤柱设计参数马家坡新村位于阳泉矿区三矿井田马家坡河沟中游西岸，整个地可采煤层。群与煤层均未采过，现、、撑煤层均已采过。开采工作面位于村庄东、西两帮，两帮坡度都在。以上。这三层煤煤煤表表土基岩移动角煤煤柱土层移下山上山层动角标深移动移动移动号厚角法法坡法高、煤层平均深度.之上原理工大学硕士学位论文年月推过以后，位于工作面下坡方向的学校楼房及位于学校后方的几户民房便遭到严重破坏。..破坏原因初步分析程度上阻止了采动滑移范围的扩展。所以其破坏主要是由村西受护房屋煤柱外上坡方向工作面采动损害所致，事实也正如此，当位于学校房就发生了严重破坏。造成学校破坏的原因是照搬平地参数与方法留设山区煤柱。从已有的山区地表移动观测资料表明，山区开采沉陷区边界段外侧的移动变形分布与平地移动盆地边缘的移动变形分布有明负因此山区的地表移动角必然小于平地的地表移动角，如图.所示。.山区地表移动变形预计法..预计方法的选取本次预计是采用任意形状、任意方向，多线段、多工作面开采的预计系统，其计算原理如下：,,,妒妒/水平移动：。,,庐【,。,,们.,中妒矽,,式中形'工，和，分别为山区和相同地质采矿条件下平地任意点，的下沉；',,妒和，,庐分别为山区和相同地质采矿条件下平地任意点，沿中方向的的水平移动；,。为点，的地表特性系数，';.,为地表趋势面修匀以后倾斜方向剖面，点的倾角；妒和妒分别是，点的倾斜方向角和计算方向角，均由局部坐标系轴正向按逆时针方向算起。和分别是走向和倾.鞋。携』太原理工大学硕士学位论文向主断面的滑移影响函数，可用下式计算：式中为工作面走向方向的计算长度，可按下式计算：其中为主要影响半径，/,为主要影响角，为采深；、,,。计算时，、为滑移影响参数，其参考值为只要把上公式中的，换成相应的，。帅川：I|VI矽矿：%庙“半掣础出?丁肌中。Ⅱ唑掣灿:一了俅口一印一彩?丁,,中，,妒,,矿，,中倾斜：淝由：坠型掣/.“Ⅱ其中为该地质采矿条件下的地表最大下沉值，口，为下沉在开采平面上一般为多边形。.预计线的设置及预计参数选用.;,徽塞；黼日太原理工大学硕士学位论文由于学校及其后面受护房屋主要受上坡方向煤层相邻两工作面个方向、个点。见图.所示。作者在调查该村建筑破坏情况时，图.预计线设置图发现学校附近建筑平行于学校楼房长轴方向与工作面上方地形主倾斜方向一致破坏十分严重，而平行于学校楼房短轴方向垂直于工作面上方地形主倾斜方向的建筑变形不大。所以选取一、??、?分别平行、垂直学校楼房长轴方向，以及民房西侧受护边界；第四方向IV一IV?与工作面倾向平行，且与工作面的推进方向一致，由此可以了解由采动引起的坡体变形向受护建筑物煤柱方向的传递过程。其中一、?号点柱设计来选取预计参数见表.:..预计结果分析..预计结果对预计线?作一剖面，并绘制了移动变形曲线见图.。可以看到：下沉与水平移动的最大值都集中在地表坡度最大处。位于采空,,一水平移动曲线,·,一’三三’二?主●二一??????一一、.曲率曲线水平变形曲线Ⅲ下沉曲线『」倾斜曲线；图.?预计线移动变形曲线图区边界以外、保护煤柱上方的地表的移动变形值远远超过了位于采空区内边界点移动变形值。从工作面边界上方至受护建筑物边界处，下沉与水平移动值与地表坡度变化一致，都是先增大后减小，在地表坡度较缓处地表坡度小于.,水平移动值超过了下沉值。倾斜、曲率与水平变形的峰值都集中在变坡点部位。我们可以看到：在建筑物右边界变坡点地表部位水平移动迅速减小，引起了水平压缩变形最大值为一./,且有正的曲率。这样造成了建筑物地板鼓起。从其它三条线的预计结果会发现：在平行于地表趋势面主倾斜方向的预计线?上号点位于学校附近地表倾斜值为一./,曲率为.×。/,水平变形值为../,远远超过了砖木结构建裂缝多处。而垂直于地表主倾斜方向上?的预计点号点位于学校后方的地表移动变形值并没有达到临界变形值，而在变坡点部位的号点及~号点其移动变形值刚超过临界变形值，其中的最大值分别是号点倾斜值为../,水平变形值为太原理工大学硕士学位论文×/。从结果可以了解到，该方向./,号点曲率为一上变形值并不很大，这与实地调查结果相符。可以说明在山区建筑物氏轴方向应尽量避免与坡体倾向、.作面刀：采方向一致。位于民房边界的预计线?上，仅有在两工作面下方的~点其水平变形值超过临界变形值，最大值为../。这是由于两工作面开采叠加影响而引起。.结果分析当受护建筑物位于坡体平缓地段，而开采工作面位于建筑物上坡方向时，从上坡方向传递过来的水平滑移对建筑物的影响要大于下沉对建筑的影响，从现场观察也证明了这一点，处于较平缓部位的受护建筑的破坏主要是受负水平变形和正曲率的影响，尤其是对于建座落在黄土、回填士等不实的地基上时，破坏更为严重，马家坡村学校的破坏证实了这一点。另外，当山区建筑物筑物处于或者紧靠变坡点部位时，其变形值往往会超过临界变形值。...建议以预计结果结合临界变形值确定山区煤柱的合理尺寸，理论上可临界变形值分别是倾斜为。/,曲率为.ב,,水平变形占为./,用这些值所在地表位置，确定移动角，势必对预计参数精度要求很高；从上面看出：山区地表移动预计涉及参数多，且有些预计参数是在工作面面积确定后才确定的。若单独采用预计变形值结合临界变形值确定煤柱的合理尺寸，操作上比较复杂，且要求预计人员需有较为丰富的山区地表移动预计经验。地基上的或可能受采动引起陡崖峭壁崩塌危害的建构筑物应首先考虑防治保护本用平坡方向应减小~“’。从井上下对照图上求得煤柱边界至建筑物受护边界地表平均倾角为。,本次煤柱设计采用本矿区曾求得的采动平均滑移影响角，即次预计分别按移动角为，。、以及按现行规程将平地移动动角。,应用垂线法划定煤柱范围，转绘于井上下对照图上。表.移动角为预计结果点下沉水平移动倾斜曲率水平变形坡度表.移动角为预计结果点下沉坡度水平移动倾斜曲率水平变形...?.......太原理工大学硕士学位论文表.移动角为预计结果倾斜沉水平移动曲率水平变形点坡度/...,....~篇幅，只列出建筑物边界处超过临界变形