煤矿特殊开采方法考研复习纲要.doc

煤矿特殊开采方法采矿074内部资料曹明、王晓卿复习题纲序论绿色开采的理念与技术框架煤矿绿色开采以及相应的绿色开采技术,在基本概念上是从广义资源的角度上来认识和对待煤、瓦斯、水、土地等一切可以利用的各种资源；基本出发点是从开采的角度防止或尽可能减轻开采煤炭引起的安全问题及对环境和其他资源的不良影响；目标是取得最佳的经济效益、环境效益和社会效益。煤矿绿色开采的特点之一 从广义资源的角度论，在矿区范围内的煤炭；地下水；煤层内所涵的瓦斯；土地以至于煤矸石以及在煤层附近的其他矿床都应该是经营这个矿区的开发对象而加以利用。煤矿绿色开采的特点之二从开采的角度采取措施，从源头消除或减少采矿对环境的破坏；而不是先破坏后治理。煤矿绿色开采的特点之三开采引起环境与主要安全问题的发生都与开采后造成的岩层运动有关第一章 开采引起的岩层与地表移动1、四区、三带的规律和特点，影响三带高度的主要因素。四区是指充分采动区、岩石压缩区、最大弯曲区和底板隆起区。在顶板岩层内，可以划分为充分采动区、最大弯曲区和顶板压缩区；在底板岩层内，可以划分为底板压缩区、底板不均匀隆起区和底板均匀隆起区。（1）充分采动区：位于采空区中部上方，该区内的岩层垮落与沉降已趋于停止，但范围仍随开采范围扩大而不断扩大；岩层平行于其原始层位；移动向量达到最大程度。（2）顶底板压缩区：受支撑压力作用而形成的；该区中顶板岩层距地表越近，下沉值越大。（3）最大弯曲区：此范围岩层向下弯曲的程度最大；岩层层面上将出现较多的拉伸裂隙，甚至使整层岩层断裂。（4）底板隆起区：由于卸压及水平方向的压缩，底板出现均匀隆起区和不均匀隆起区。三带有垮落带、断裂带和弯曲带。（1）垮落带：由采矿引起的上覆岩层破坏并向采空区垮落的岩层带称为垮落带。特点；分为规则垮落带和不规则垮落带；岩石的碎胀性使垮落带岩石的体积明显增大；高度取决于采出厚度、上覆岩层的岩性、碎胀系数和煤层倾角。（2）断裂带：垮落带上方的岩层产生断裂和裂缝，但仍保持其原有层状的岩层带称之为断裂带。特点：岩层层面上出现垂直于层面的拉伸裂隙；各岩层之间产生平行于层面的离层；岩层一般都能导水；断裂带随开采空间扩大而向上发展，达到最大，继续扩大时，高度又随之降低；重复开采时，高度上升幅度减小。（3）弯曲带：断裂带上界至地表的岩层称为弯曲带。特点：具有隔水性；保持整体性和层状结构，很少存在离层裂隙；采深较大时，弯曲带高度可能远大于垮落带和断裂带高度之和；地表下沉盆地边缘往往要出现张裂隙。影响三带高度的因素：（1）顶板岩性；顶板比较坚硬，高度较大。（2）煤层倾角；倾角较小时，采空区各个部位，高度基本相等；倾角较大时，采空区上端高度较大。（3）采高及厚煤层分层次数；（4）采空区范围大小；决定开采充分程度，开采范围越大，高度相应增大。（5）采空区处理方法；全部垮落法，高度最大；充填法，高度最小；煤柱支撑法，高度居中。2、地表移动和破坏的形式，地表移动的各种角量参数的定义、确定方法要清楚地表移动和破坏的形式有以下几种：（1）地表移动盆地；（2）裂缝；（3）塌陷坑地表移动盆地的充分采动角，边界角，移动角，裂隙角和最大下沉角（看书上定义和图示）3、已知近水平煤层或缓倾斜煤层沿走向有限开采，且充分采动后，地表为连续型下沉，其下沉曲线为W（x）。1）用文字说明反映地表移动和变形的五项指标及它们的单位；2）用文字说明五项指标之间的数学关系；3）用文字说明五项指标正负号的实际意义；4）用文字说明五项指标对地表建筑物的影响；5）画图说明五项指标的变化规律，要注意极值点的位置；这一部分把作业好好看看，要注意充分采动、非充分采动和超充分采动的区别和特点，要学会灵活运用规律，如建筑物下留设的煤柱如下图所示，r为主要影响半径，建筑物受双倍拉伸变形。1.下沉：主断面内地表移动向量的铅直分量 ；规律：下沉是位置的函数W=W（x）、最大下沉值在盆地中央、下沉曲线凹凸分界的拐点处，下沉值约为最大值的一半2、倾斜地表单位长度内下沉的变化.规律：有两组方向不同的倾斜，边界点和最大下沉点之间的倾斜必然有正极值和负极值存在。 垂直于地表下沉曲线的杆状物倾倒的趋向与x轴正向相同时，倾斜为正；杆状物倾倒的趋向与x轴负向相同时倾斜为负。3.水平移动：地表移动向量的水平分量 ；规律：U=U（x）,有两组方向不同的水平移动。边界点和采空区中点的水平移动为零；边界点和采空区中点之间有极值。 规定:正值的水平移动与x轴的正方向一致，负值的水平移动与x轴的负方向一致 4.曲率：地表单位长度内倾斜的变化；正负号意义：正曲率的物理意义是地表下沉曲线在地面方向凸起或在煤层方向下凹；负曲率的物理意义是地表下沉曲线在地面方向下凹或在煤层方向凸起 5.水平变形：单位长度上水平移动的变化；正负：水平变形正值的物理意义为地表受拉伸变形；负值的物理意义为地表受压缩变形。4、要注意充分采动、非充分采动和超充分采动的区别和特点充分采动：地表最大下沉值不再随开采区域尺寸增大而增加的开采状态称为充分采动。也成为临界开采。非充分采动：地表最大下沉值随开采区域尺寸增大而增加的开采状态称为非充分采矿。超充分采动：把地表下沉盆地出现平底或有多个点的下沉值达到最大下沉值的开采状态称为超充分采动。5、地表移动变形的预计方法，要求掌握概率积分法，对该方法的原理、基本参数、基本方法要清楚，如概率积分法预计地表沉陷时需要用到的参数有哪些？基本原理：（1）将矿山岩体看成为一种松散介质，开采引起的岩层与地表移动过程类似于松散介质的移动过程，该过程是一个服从统计规律的随机过程，可用概率论的方法揭示；（2）可将整个开采范围分解成无穷多个无限小的开采单元，单元开采下沉盆地的下沉曲线为正态分布密度函数；（3）整个开采范围对地表的影响相当于无穷多个单元开采对地表造成的影响之和，可以用概率分布密度函数曲线的积分来完成。基本参数：任意点的位置x；主要影响半径r；地表下沉系数；水平移动系数b。预计地表移动和变形时，只需计算出最大值，再以预计点的为印数查表，求得分布函数的值，再把相应的最大值与分布函数值相乘即得。第二章 建筑物下采煤1、地表移动变形对建筑物的影响地下开采对地表的影响分为两类：一类是移动，包括下沉和水平移动；另一类是变形，包括倾斜、曲率、水平变形、剪应变和扭曲。(1)下沉。均匀下沉不会对建筑物带来损害；下沉会使连通建筑物的各种管线的坡度发生变化；下沉较大而水位又很浅时，会是建筑物内积水和潮湿。(2)倾斜。倾斜造成建筑物重心偏移。对底面积小而高度又大的杆状建筑物影响较大。（3）曲率。有正曲率和负曲率之分。正曲率使建筑物出现上宽下窄的竖向裂缝和倒八字裂缝。负曲率使建筑物出现正八字裂缝和水平裂缝。曲率对底面积小的建筑物影响较小，对长度大的建筑物影响较大。（4）水平变形。水平变形对建筑物的破坏作用很大，尤其是拉伸变形的影响。一般来说，地表拉伸变形与正曲率、地表压缩变形和负曲率同时出现。由以上分析可知，使建筑物产生变形和破坏的主要原因是曲率和水平变形。2保护煤柱的留设方法，掌握垂直剖面法留设保护煤柱的方法(作业)3、建筑物下采煤的井下开采技术措施，如建筑物下采煤时，两层煤之间采用协调开采的原理，再如减少开采引起的地表建筑物所受变形的主要技术途径：采深较小时，地表可能出现突然下沉和塌陷；采深和采厚之比达到一定值后，地表将出现连续型下沉。对于连续型下沉，井下采取的开采技术措施大致上分为两类，一类是既能减少地表下沉又能减少地表变形的井下开采技术措施；一类是减少地表变形的井下开采技术措施。一、 防止地表突然下沉和塌陷的开采技术措施1、缓倾斜和倾斜厚煤层浅部开采时，采用倾斜分层采煤法；2、开采急倾斜煤层时，采用分层间歇式采煤法；在煤层露头处应保留足够高度的煤柱；3、查明建筑物下方是否有老窖、废巷、岩溶、老井以及它们被充填的程度并采取措施。二、既能减少地表下沉又能减少地表变形的井下开采技术措施1、充填法处理采空区；2、条带采煤法；3、采空区离层带中高压注浆法三、减少地表变形的井下开采技术措施1、限厚开采2、消除或减少开采引起的地表变形不利叠加，利用地表变形有利叠加（1）分层间间歇开采；（2）尽量采用无煤柱开采技术，避免残留尺寸不当的煤柱；（3）布置较长的工作面，使建筑物仅承受动态变形；（4）协调开采；（5）合理布置各煤层或上下分层的开采边界（看书）；（6）合理部署工作面推进方向。3、合理确定建筑物与开采区域的相对位置4、对称背向开采4、条带采煤法开采的理想地质条件、移动变形特点及保留煤柱宽度的确定方法理想地质条件：煤层埋深小于400-500m，单一煤层，厚度比较稳定，顶板岩层和煤层较硬。地表移动和变形特点：（1）地表下沉系数小；（2）主要影响角正切小；（3）水平移动系数随采深增加变小；（4）地表移动期短；（5）地表多次下沉。保留条带宽度a的确定：（1） 稳定性要求。宽高比。（2） 强度要求。1、单向应力状态下的强度要求。2、三向应力状态下的强度要求。保留条带能承受的极限载荷要大于实际承受的载荷。5、不迁村采煤的理论依据（1）不迁村全采，采后维修和补偿。房屋损坏主要是受水平变形的影响，随着采深加大，水平变形逐渐减小，到一定开采深度后，可以不迁村开采村庄下的压煤，它的理论基础是临界安全开采深厚比和临界安全开采深度H。（2）不迁村条带开采。适用于开采深厚比在100-200左右时。（3）不迁村就地重建抗采动变形建筑。开采深厚比小于90时，可考虑拆旧房，就地重建抗变形建筑，然后再开采。第三章 铁路下采煤1、铁路下采煤的特点特点：（1）在安全上比一般建筑物要求要高；（2）因受到列车动载荷的作用，铁路线路的移动和变形较为复杂；（3）线路在开采影响过程中可以通过日常的维修，及时消除自身的移动和变形。2、地表移动变形对建筑物的影响（1）倾斜。倾斜将使线路增减相应的坡度。沿线路方向的倾斜会使线路原有的坡度发生变化；垂直线路方向的横向倾斜将使两股钢轨下沉不等；（2）曲率。线路相邻段不均匀倾斜将导致竖直方向上原有竖曲线的曲率半径变化，地表下沉曲线的正负曲率可使线路原有的曲率半径增大或减小。（3）横向水平移动。使线路直线段弯曲，使弯曲段的半径增大或减小。（4）纵向水平移动和变形。拉伸变形使轨缝增大，可能拉断鱼尾板或切断联接螺栓；压缩变形使轨缝缩小或闭合，使钢轨接头处或钢轨产生附加应力。3、铁路下采煤的技术措施（1）满足一定的采深与采厚比；满足规定要求。（2）防止地表突然下沉或塌陷；缓倾斜和倾斜厚煤层浅部开采时，采用倾斜分层采煤法；开采急倾斜煤层时，采用分层间歇式采煤法；在煤层露头处应保留足够高度的煤柱；查明建筑物下方是否有老窖、废巷、岩溶、老井以及它们被充填的程度并采取措施。（3）减少地表下沉；最有效的方法是采用全部充填法，其次是采用条带采煤法。（4）消除和减轻地表变形的叠加影响；采用无煤柱开采、顺序开采及协调开采等方法。（5）合理布置工作面；应尽量将开采区域布置在铁路的正下方，使线路处于移动盆地的主断面上，且工作面推进方向与铁路线路平行。必要时，留设好铁路煤柱。（详看书P28图1-34）第四章 水体下采煤1、水体下采煤的理论依据“三带”理论(1)对于地面水体、松散层底部和基岩中的强、中含水层水体、要求保护的水源等水体，不允许导水断裂带波及； （2）对于松散层底部的弱含水层，允许导水断裂带波及；（3）对于厚松散层底部为极弱含水层或可以疏干的含水层，允许导水断裂带进入，同时允许垮落带波及隔水层理论（1）水体底面与煤层之间应有相应厚度的隔水层，才能实现水体下安全采煤。（2）一定厚度的泥岩和粘土层是水体下安全采煤的良好隔水层。2、水体下的采煤方式（1）顶水采煤：对水体基本不处理，直接在水体下方从事采煤作业，在水体与煤层之间保留一定厚度或垂高的安全煤岩柱。（2）疏水采煤：利用矿井排水系统，开掘疏水巷道或钻孔，疏降上部水体，再在水体下方从事采煤作业。（3）顶疏结合采煤：在受到多种水体或多层含水层水体威胁的条件下采煤时，对于远离煤层，其间距大于导水裂隙带高度的水体，采用顶水采煤；对于位于煤层直接顶之上或离煤层距离较近，其间距在垮落带和导水断裂带范围内的水体，则采用疏水采煤。（4）堵截水源与疏水结合采煤：采用水泥、粘土或其他粘结性材料注入含水层的孔洞中，形成地下挡水帷幕，以切断地下水的补给通道，然后进行疏水采煤。3、留设防水安全煤岩柱的目的，并要学会画图说明防水安全煤岩柱的留设方法目的：不允许导水断裂带波及到水体。(1)地表有松散覆盖层时的防水安全煤岩柱留设式中Hd 导水断裂带最大高度，m; Hb保护层厚度，m。 （2）地层上部无松散层覆盖，且采深较小时的防水安全煤岩柱，应计入地表裂缝深度Hbi（3）基岩风化带也含水时的防水安全煤岩柱，应考虑基岩风化带深度Hfe第五章 承压水上采煤1、影响底板突水的主要因素（1）水源条件：水量愈丰富，突水量愈大，危害也愈大。水压是突水的动力，处于封闭状态的岩溶水不断溶蚀、冲刷裂隙，形成通道，由含水层进入底板隔水层，水压愈大，破坏愈严重。（2）地质构造：断层：底板突水事故的80%以上发生在断裂构造附近，这些构造既可以充水，又可以导水 ，使隔水层的有效厚度和实际强度降低 ，断层改变了煤层与含水层之间的相对位置，使隔水层厚度变薄或消失。岩溶陷落柱: 少数岩溶陷落柱既充水，又导水，在与强含水层沟通的条件下，对安全生产威胁极大(3) 隔水层的阻水能力: 隔水层的阻水能力取决于隔水层的强度、分层厚度和裂隙发育程度 (4)矿山压力：初次来压或周期来压期间易突水 ；工作面后部采空区边缘附近易突水；开切眼附近底板易突水；工作面推进速度慢，工作面突然停止推进或在停采线处易突水；区段或分带煤柱附近易突水。2、“上三带”理论在上行顺序开采中的基本观点和应用方法（找不到弄个“下三带”算了，应用P105自己看看）底板突水的“下三带”理论底板采动导水破坏带煤层底板岩层受采动影响而产生的采动导水断裂范围 ,由沿层面和垂直于层面的裂缝形成底板阻水带位于煤层底板采动导水破坏带以下、底部含水体以上具有阻水能力的岩层范围承压水导升带煤层底板承压含水层的水在水压力和矿压作用下上升到其顶板岩层中的范围。3、水体上采煤防水安全煤岩柱设计方法对于图a，对于无导升带的正常底板，设计的底板防水安全煤岩柱高度ha应大于或等于导水破坏带深度h1与阻水带厚度h2之和。 对于图b，当底板含水层上部存在承压水导升带，则底板安全煤岩柱高度ha应大于或等于导水破坏带深度h1与阻水带厚度h2和承压水导升带h3之和。 对于图c，当底板含水层顶部存在被泥质物质充填的厚度稳定的隔水带时，则充填隔水带厚度h4可以作为底板防水安全煤岩柱厚度的组成部分。4、在承压含水层上带压开采时，有利于减少底板破坏深度，提高底板保护层厚度的技术措施1、缩短工作面长度缩小到跨度60m时效果明显，降低了最大应力，底臌量减少底板裂隙带深度减少2、缩小来压步距挑顶和软化顶板，强制放顶（降低了最大支承压力，改善了底板受力状态，变两向应力状态为三向应力状态）3）改变顶板管理方法和采煤方法充填采煤法可减少支承压力对底板的破坏、可防止底鼓和底板裂隙张开。条带采煤法可减轻对底板的破坏。分层采煤法以后各分层周期来压不明显。4、改革采区巷道布置巷道布置要少穿断层，特别要注意交岔点和工作面上下出口要避开断层。巷道应尽可能和断层正交，避免巷道与断层平行和长距离斜交。减少交岔点数目和交岔点的面积。采区间隔离开采，采区四周要留煤柱，之间要设置水闸门，以缩小底板突 水影响范围。5、处理断层和陷落柱 突水与断层有关 ，特别与多条断层交叉有密切关系6、注浆加固底板，提高保护层强度对于底板破碎带及薄层石灰岩含水层，通过钻孔注浆，堵塞石灰岩溶洞，加固破碎带和裂隙带，并封闭奥陶系石灰岩的补给通道。7、其它易突水地点要少掘巷，少钻孔，提高工作面推进速度，并保持匀速推进，避免工作面长期停采。第六章 上行式开采顺序采煤1、恒底式采煤法的优缺点，及其适用条件（或开采煤层的共同特点）优点：(1)巷道系统简单，分层巷道始终沿煤层底板开掘，与上山的联系简单可靠，采区掘进率低（2）采煤工艺简单，不需铺设人工假顶，节省原材料，有利于提高工效，降低成本（3）岩层活动对工作面影响小，顶板易于管理，巷道易于维护。(4)各分层工作面的底板始终是煤层的原生底板，支架直接支在底板上，有利于发挥支架的支撑能力（）工作面设备搬迁距离近，易于搬迁（）在煤层顶板含水大或复合顶板等特殊条件下，有利于消除水患及冒顶的威胁，利于安全生产。（）技术经济效益显著。缺点：（）对煤体的粘结性要求高，破碎煤体必须容易粘结、压实后易形成再生煤体。（）不利于防止煤层自燃，需要采取防煤层自燃措施，使开采技术变得复杂（）煤矸容易混杂（）对注水质量要求高，如果采前注水不及时或效果不好，将在落煤、装煤、运煤、放顶过程中，煤层易飞扬，空气中煤尘含量较高，威胁矿井安全生产。使用条件：（）缓倾斜及中倾斜厚煤层，顶板松软破碎，弯曲性能较好，或顶板含水，而煤层遇水容易胶结。采用倾斜分层下行垮落采煤法存在很大困难时，采用恒底式采煤法有很好适应性。（）煤层为中硬，粘结性强，易破碎，这样的煤体冒落后，在上覆岩层重压及水和泥浆作用下，容易形成再生煤体（）每次不易自燃（）煤层的瓦斯含量不宜太大（）若开采顶板含水不大的厚煤层，煤层及顶板岩层应有较好的再生能力，且有较好的隔水性能。2、煤层间垮落上行开采的条件、判别方法及要注意的问题可以采用上行式采煤的条件先决条件：先采下部的煤层不破坏上部煤层的完整性，且能带来较大经济效益。（）上部煤层为劣质煤或薄煤层或不稳定煤层，开采困难，下部煤层为厚煤层，上下煤层间距较大，开采设备利用率、经济效益和矿井达产期因开采顺序不同而差别很大；（）上部煤层开拓困难，需要巨额投资，下部煤层开拓容易，且上下煤层间距较大；（）下部煤层为国家急需的煤种需要采用上行式采煤的条件其先决条件：安全上和技术上是优越的（）上部煤层有冲击地压危险或有煤与瓦斯突出危险，下部煤层作为解放层开采。（）上部煤层含水丰富，先采下部煤层有利于疏水。（）上部煤层的顶板为坚硬顶板，需要降低上部煤层顶板的周期来压强度。（）采用条带采煤法开采有一定层间距的多层煤层，为使保留条带不受重复开采影响。（）深矿井开采中，先采下煤层有利于实现矿井高产高效，有利于改善上煤层的巷道维护条件及经济技术指标。（）复采采空区上部遗留