（地质工程专业论文）煤矿采空区地基变形及对铁路工程影响评价研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着铁路交通事业的发展，煤矿采空区问题作为铁路工程建设中的不 良地质问题已越来越突出，特别是在华东、华北等一些新建矿区的待采区 范围内，近几年至十几年内将有相当数量的铁路建设项目。在铁路勘察设 计中，对于采空区边界及影响范围的确定、采空区顶板变形及地基稳定性 的评估、采空区处理技术方案的制定等都会影响到整个方案的选择、优化 和工程投资的估算。铁路工程对于采空区的处理主要以绕避为主，通过未 开采区域也要保留一定宽度的安全矿柱，这样确能保证铁路的运营安全， 也是铁路勘察设计中的首要选择。但在矿产资源开发十分广泛的省份在铁 路的勘察选线中经常无法回避采空区的影响。因此，正确评价采空区对铁 路稳定性的影响，根据采空区特点选择处理方式，对我国铁路交通事业的 发展具有深远的意义， 本文详细介绍了采空区的类型及特征，讨论了采空区引起的地表变 形、破坏及其影响地基稳定性的主要因素，并对某大型煤矿采空区地基稳 定性进行了预测评价。其研究内容主要包括以下五个部分： 1 根据多年国内铁路项目勘察设计中收集、调查的大量资料和文献，系 统总结了采空区的类型及特征，如小煤窑的“树枝式”采煤法、“挂牌 式”采煤法、壁式采煤法、巷柱式采煤法、房柱式采煤法、残柱式采煤法 等采空区；现代煤矿采空区主要包括壁式采煤法和柱式采煤法两大类，壁 式采煤法按煤层厚薄不同，可分为整体( 单一) 开采和分层开采，按工作 面推进方向不同，可分为走向长壁采煤法和倾斜长壁采煤法：柱式采煤法 主要有房式采煤法、房柱式采煤法、巷柱式采煤法、条带开采法等。 2 系统剖析煤矿采空区的沉降变形，确定了影响采空区地表变形、地 基稳定性的主要因素：包括覆岩力学性质、岩层组成及层位、煤系地层倾 角、采煤方法及顶板管理方法、煤层条件、采空区尺寸大小、重复采动、 水文地质条件、地质构造及地势影响；论述了新老采空区的破坏特征、采 空区地表变形特征及形式、以及铁路对采空区地基稳定性的影响分析，介 绍了采空区地面变形数值计算的概率积分计算法，并进行了数值模拟分 析。 3 讨论采空区地基稳定性评价内容及方法，介绍了小型采空区稳定性评 价的松散体应力传递法、普氏塌落拱法和洞项坍塌堵塞法，以及大型采空 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 区地基稳定性评价；从荷载、振动等方面分析了铁路对采空区地基稳定性 的影响。 4 依据前一部分的理论对某大型煤矿采空区地基变形及其稳定性进行了 预测评价。系统论述了井田地质条件、煤系地层及主要开采煤层、顶底板 岩性特征、采煤方法、顶底板管理、开采现状和采空区分布；根据井田特 点通过对比分析的方法确定了岩移参数，通过计算对采空区的变形进行了 预测，并得出评价结论。作为工程实践，已应用到实际的工程，取得了良 好的效果。 5 。介绍铁路安全煤柱的计算方法、步骤进行了安全煤柱可靠性计算分 析，并以实例设计计算了铁路安全煤柱：对铁路通过煤矿采空区的对策进 行了探讨，论述了采空区处理的一般原则、措施和注浆加固技术，并对采 空区处理效果检验进行了讨论。 关键词：采空区；地基变形；稳定评价 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 a b s t r a c t w 岫t h ed e v e l o p m e n to fr a i l w a yi n d u s t r y a sa l la d v e r s eg e o l o g i cp r o b l e m i nt h er a i l w a yc o n s t r u c t i o n , g o a fi sb e c o m i n gam o r ea n dm o r ep r o m i n e n t p r o b l e m ，e s p e c i a l l y ，i ns o m en e wb e i n gb u i l tm i n i n ga r e a si ne a s t c h i n aa n d n o r t hc h i n aw h o r lt h e r ew i l lb eq u i t eal o to fr a i l w a y st ob eb u i l ti nt h ef o l l o w i n g y e a r s i nt h es u r v e yo fr a i l w a y , t h ed e f i n i t i o no ft h eb o u n d a r ya n di n f l u e n c er a n g e o fg o a lt h ee v a l u a t i o no ft o pp l a t ed e f o r m a t i o na n df o u n d a t i o ns t a b i l i t ya n dt h e a d o p t i o no ft r e a t i n gm e a s u r e sw i l lh a v e ab i gi n f l u e n c eo i lt h er a i l w a ya l i g n m e n t , o p t i m i z a t i o na n dc o s te s t i m a t i o n b y - p a s si st h ep r e d o m i n a n tp r i n c i p l ea d o p t e d f o rg o a f ；i nt h eu n m i n e da r e a s s o m es a f ec o a lc o l u m n sw i l lb er e s e r v e dt om a k e s u r et h eo p e r a t i n gs a f e t yo fr a i l w a y h o w e v e r , i ns o m e & r e a l sw h e r em a n ym i n e s h a v eb e e ne x p l o i t e d ，t h ep r o p o s e dr a i l w a ya l i g n m e n th a st oe l o s st h eg o a f i n e v i t a b l y ，t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n to nt h er a i l w a yi n d u s t r yt oe v a l u a t et h e a f f e c t i o no fm i n e d - o u ta r e a st ot h es t a b i l i t yo fr a i l w a ya n da d o p tt h ec o r r e c t m e a s u r e sa c c o r d i n gt ot h e i rp r o p e r t y t 1 l em a i nt y p e sa n dp r o p e r t yo fg o a fa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ；g r o u n d d e f o r m a t i o na n dd a m a g ec a u s e db ym i n i n ga n dt h em a i nf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h e f o u n d a t i o ns t a b i l i t va r ed i s c u s s e di n t h i sp a p e r ap r e d i c t i o na n de v a l u a t i o no f f o u n d a t i o ns t a b i l i t yf o rg o a li sm a d eo ns o m el a r g ec o a lm i n e t h ea s p e c t sf o rt h e s t u d ya r ea sf o l l o w i n g ： 1 b a s e do nt h ed a t ac o l l e c t e da n di n v e s t i g a t e di nt h eg r e a td e a lo fr a i l w a y p r o j e c t s i nc h i n ao v e ry e a r s ，t h et y p e sa n dp r o p e r t yo fg o a la r es u m m a r i z e d s y s t e m a t i c a l l y f o r t h ep r i v a t es m a l ls i z em i n e s ，t h e r ea r eg o a l sc a u s e db y d i f f t ；r e n te x c a v a t i n gm e t h o d ss u c ha sb r a n c hm e t h o d ，h a n g i n g - p l a t em e t h o d ，w a l l m e t h o d ，1 a n ec o l u m nm e t h o d ，r o o mc o l u m nm e t h o da n di n c o m p l e t ec o l u m n m e t h o da n ds oo n f o rt h ep u b l i cm i n e s ，t h e r ea r et w om a i nt y p e s ：w a l lm e t h o d a n dc o l u m nm e t h o d a c c o r d i n gt 0t h et h i c k n e s so fc o a ll a y e r ，w a l lm e t h o dc a nb e d i v i d e di n t oi n t e g e r - m i n e dm e t h o da n dl a y e r - b y - l a y e r - m i n e dm e t h o d ；a c c o r d i n g t ot h ea d v a n c i n gd i r e c t i o no fw o r k i n gs u r f a c e i tc a nb ed i v i d e di n t o 缸e n dl o n g w a l lm e t h o da n di n c l i n i n gl o n gw a l lm e t h o d i nc o l u m nm e t h o d ，t h e r ea r el o o m m e t h o d r o o mc o l u m nm e t h o d ，l a n ec o l u m nm e t h o da n ds t r i pm e 血o de t c 西南交通大学硕士研究生学位论文第l v 页 2 t h es u b s i d e n c ea n dd e f o r m a t i o ni n9 0 a fa r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y m a i n f a c t o r s ，w h i c ha f f e c tt h eg r o u n dd e f o r m a t i o na n df o u n d a t i o ns t a b i l i t y ，a r e d e t e r m i n e d ，t h o s ea r e ：m e c h a n i cp r o p e r t yo fo v e r l a y i n gr o c k s , s t r a t af o r m a t i o n a n di t s l o c a t i o n ，i n c l i n i n ga n e j e o fc o a ll a y e r ，m i n i n gm e t h o d s ，t o p p l a t e m a n a g i n gm e t h o d ，n a t u r a lc o n d i t i o no f c o a ll a y e r ，s i z eo fg o a f , r e p e a t e d l ym i n i n g , h y d r o g e o l o g i cc o n d i t i o n g e o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dt o p o g r a p h y n cd a m a g i n g p r o p e r t yo fn e wa n do l dg o a f s ，f o r m sa n dp r o l 枷yo fg r o u n dd e f o r m a t i o na n d a n a l y s i so ft h er a i l w a yt ot h ef o u n d a t i o ns t a b i l i t ya r ed i s s e r t a t e d t h ep r o b a b i l 时 i n t e g r a lm e t h o df o rt h ec a l c u l a t i o no fg r o u n dd e f o r m a t i o ni ng o a li si n u o d u c c d a n dn u m b e rs i m u l a t i n ga n a l y s i si sc a r r i e do u t 3 t h em e t h o d sa n dc o n t e n tf o rt h ee v a l u a t i o no ff o u n d a t i o ns t a b i l i t ya r e d i s c u s s e da n ds o m ee v a l u a t i n gm e t h o d sa r ei n t r o d u c e ds u c ha ss t r e s st r a n s f e r r i n g m e t h o do fs m a l lr e l a x i n gb o d y ，c o l l a p s i n ga r c hm e t h o da n da r c ht o pc o l l a p s i n g a n dj a m m i n gm e t h o df o rs m a l ls i z eg o a la n ds o m eo t h e r sf o rt h el a r g es i z eg o a l t 1 l ei n f l u e n c eo fr a i l w a yt ot h ef o u n d a t i o ns t a b i l i t yi sa n a l y z e di nt h ea s p e c t so f l o a da n dv i b r a t i o n 4 a c c o r d i n ga st h ea b o v e m e n t i o n e dt h e o r y ，t h ep r e d i c t i o na n de v a l u a t i o n o nf o u n d a t i o nd e f o r m a t i o na n ds t a b i l i t yi ng o a fa r em a d ei ns o m el a r g ec o a lm i n e n eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n ，c o a ll a y e r s ，m a i nm i n i n gl a y e r s ，t o pa n db o t t o mp l a t e m a n a g e m e n t ，m i n i n g m e t h o da n dd i s t r i b u t i o no f g o a fa r ed i s s e r t a t e d s y s t e m a t i c a l l y ；b yt h em e t h o do fc o m p a r i s o na n da n a l y s i s ，t h er o c ks h i f t i n g p a r a m e t e ri s f i x e di na c c o r d a n c ew i t ht h ep r o p e r t yo ft h em i n e t h e nt h e e s t i m a t i o no fd e f o r m a t i o ni sm a d eb yc a l c u l a t i o na n dac o n c l u s i o ni sd r a w n 强e r e s u l th a sb e e nu s e di np r a c t i c e a n dg o tag o o de f f e c t 5 t h ec a l c u l a t i n gm e t h o da n dp r o c e d u r ef o rt h ep r o t e c t i n gc o a lc o l u m ni n r a i l w a yp r o j e c t sa r ei n t r o d u c e d ；t h er e l i a b i l i t yo fp r o t e c t i n gc o a lc o l u m ni s a n a l y z e d ，a n dac o l u m ni sd e s i g n e da n dc a l c u l a t e db a s e do na na c t u a le x a m p l e t 1 l ec o u n t e r m e a s u r ei sd i s c u s s e dw h e nr a i l w a yp a s s e st h eg o a lt 1 l eg e n e r a l t r e a t m e n tp r i n c i p l e sa n dm e a s u r e ss u c ha sg r o u t i n ga r ed i s s e t t a t e d a n dt h et e s t o ft r e a t i n ge f f e c tf o r g o a fi sd i s c u s s e d k e y w o r d s ：g o a f ：f o u n d a t i o nd e f o r m a t i o n ：s t a b i l i t ye v a l u a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 选题的目的及意义 近年来，随着铁路工程建设的飞速发展和煤炭资源的大量开采，很多 铁路项目都穿越煤矿及其采空区，采空区对铁路建设的影嘀越来越大。在 铁路勘察设计中，对于采空区边界及影响范围的确定、采空区项板变形及 地基稳定性的评估、采空区处理技术方案的制定等，都会影响到整个方案 的选择、优化和工程投资的估算。 铁路工程在采空区的选线原则主要以绕避为主，通过矿区未开采区域 也要保留一定宽度的安全矿柱，以确保铁路的运营安全。但在矿产资源开 发十分广泛的省份，铁路勘察选线中会经常无法回避采空区的影响。因 此，在矿区哪些位置、以何种方式穿越采空区、采取何种方法进行采空区 处理等诸多问题就摆在了铁路勘察设计者的面前。 随着新建铁路的不断增加和煤矿的不断开采，采空区问题愈加突出， 原有的勘察设计规范和相关手册对于采空区的评价和处理已不能满足设计 标准提高的要求，需增添更加明确而具体的内容，如采空区勘察手段和方 法的综合运用、大型采空区与小型采空区的界定、顶板稳定性评价与安全 深度的确定、以及采空区处理技术方案的合理选择等。因此，采空区勘 察、地基稳定性评价及处理技术的综合研究无疑对今后过矿区铁路勘察、 设计具有重要的指导作用。 对于压矿地段，如何选取台理的岩移参数既能保证铁路的安全性，又 使压矿总量降至最低，也是铁路勘察设计中必须重视的一个问题。在以往 计划经济体制下，铁路勘测设计中经常采取保守的岩移参数，预留很宽的 安全矿柱，这样虽然可保证铁路的绝对安全，但压覆大量的矿产资源，在 现如今市场经济体制下就意味着高额的资源补偿，使铁路建设成本大大增 加，同时也是对不可再生资源的巨大浪费。因此，对岩移参数的合理确定 也具有重要的理论意义和现实意义。 1 2 研究背景及现状 在国内外，废弃老采空区的地面沉降问题早就引起了人们的重视，有 许多文献和报道介绍和讨论了废弃采煤场之上的沉陷问题、地基处理和建 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 筑物保护问题。美国的r e 格雷和r w 普鲁恩通过对匹兹堡煤层下沉的 研究，指出报废矿的地表下沉发生时间无疑受岩层和煤柱破坏速度及其他 因素的影响，地表变形预期会随着覆岩厚度的增加而减少，但统计结果表 明房屋的破坏程度实际上与覆岩厚度没有明显关系，覆岩的厚度再大也未 必能保证地面不会发生下沉( 5 1 3 2 1 。为保证部分开采时地表的长期稳定性， 许多现代采矿专家对矿柱、矿场设计方法进行了深入研究和改进，使得部 分开采控制覆岩移动技术更加可靠；但许多技术落后地区和地方小矿没有 严格的采矿设计，仍在大量采用老式的或不可靠采矿方法，形成了新的塌 陷隐患，并在许多地区造成了严重的采空区塌陷灾害事件。 随着我国煤炭工业生产和矿区建设的发展，矿区土地资源破坏、建设 用地紧张的问题日益突出。而开发利用废弃老采空区土地，对于提高矿区 土地利用率、缓解矿区土地资源 紧张局面是一种有效的途径。在 这种情况下，许多矿区开始了塌 陷区土地资源的开发利用工作， 在废弃采空区上方地表兴建建筑 物的事例也日趋增多。有般性 工业厂房和民用建筑群，也有兴 建或扩建大型电厂、选煤厂、储 煤建筑物等。但是，由于没有或 缺少对老采空区的研究和采取一 些必要的 技术措施，老采空区上方土地开 发也产生了一系列严重的问题， 如新建建( 构) 筑物出现开裂、 图1 - 1 因采空区导致的地袭建筑拉裂 沉陷、变形、地表塌陷、设备因基础变形而无法正常使用等( 如图1 - 1 ) ， 或由于大大增加的地基处理费用和复杂的技术措旄造成建设项目财政困难 和难于实施。 实践表明，一老采空区上方土地通过地基稳定性技术论证并采取一定 措施后可作为一般建筑用地使用，甚至可以作为大型建筑物用地。例如： 开滦矿区在己开采5 0 年以上的采空区地面建设了大型工业厂房，在已开采 3 0 年左右的采空区地面建设了2 3 层楼房。平顶山、阳泉、焦作、晋城等 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 矿区，也在采空区上方地表薪建了住宅楼、办公楼、大型工业厂房，还有 高速公路等，充分合理地利用了采煤塌陷地【4 2 l 。 铁路穿越采空区的实例也有，一些低等级的地方铁路，如山西省的阳 涉线、武墨线、山东省的德龙烟线等采空区也十分突出。国铁太焦线、朔 黄线、胶新线等也遇到了不同程度的采空区问题，对于大面积的采空区均 已绕避，局部小型采空也进行了严格的处理【9 l 。 在采空区处理方面，国外尤其是美国，各主要采煤的州都成立了处理 采空区沉降问题的专门机构，并有专门处理老采空区地基的岩土公司。在 调查研究房柱式开采形成的老采空区以及地基处理等方面有比较丰富的经 验。澳大利亚有在1 0 0 年和1 5 0 年历史的房柱式老采空区上建设大型医院 和楼房的实例报道。在抗变形建筑设计方面，美国和英国采取的措施是将 建筑物设计成柔性结构或刚性结构。英国c l a s p ( 地方专用方案协会) 曾 提出了一套柔性结构建筑物系统，效果较好m 1 5 3 1 ；刚性建筑是其基础通常 由厚板或由厚抗剪切墙强化的混凝土排基组成，但采用刚性设计保护建筑 物可能使它的造价大大增加。 国外的老采空区研究大多为针对局部开采的房柱法废弃矿区问题，研 究的方法主要以调查统计为主，缺乏较深入的理论研究；采取的处理措旌 主要包括全部充填采空区支承覆岩、采用灌注柱法或深桩基局部支承覆 岩、水诱导沉陷法等；处 理后的地面主要用于开发 建设居民区等。对应用长 壁开采法形成的老采空区 的地基稳定性问题和地基 处理等方面基本没有进行 系统研究和工程实例f 4 7 】 5 3 1 。 国内有一些文献讨论 了老采空区的探测、地基 稳定性评价和处理问题， 如采用高分辨率地震技术 探测老采空区位置；以建 圈1 - 2 园采空区而产生的地面滑塌 筑物荷载影响深度和采空区垮落断裂带发育高度不相互重叠来分析地基稳 定性和确定建筑物的层数，在老采空区上方应设计和研究特种结构住宅 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 等。国内也有采用注浆充填采空区建设工业建筑的实例，如阳泉固庄煤矿 装车站、本钢电焊厂等。在老采空区上建设大型厂房的实例有本钢特钢厂 厂房( 四跨单层厂房，老采区采厚2 3 m 、采深7 5 9 7 9 9 m ) 、本溪热电厂 主厂房( 框架结构，老采空区采深3 2 0 4 4 0 m ) ，由于采深较大，不存在 老采空区“活化”的影响，均按常规进行了设计【3 2 】。当矿体被采空以后， 小型采空区多可保持长期的稳定，而大型采空区则会出现较强烈的地表沉 降和塌陷( 右图塌陷坑) ，地表沉降量的大小一般随时问的攉移而逐渐减 小，并最终稳定1 1 7 1q 2 3 1 。在煤炭系统，大型的煤矿往往在开采初期几个月至 两年的变形监测资料，多为较准确的数据，可作为研究的依据。但煤炭系 统对剩余变形量的研究进行较少，主要引用波兰、俄罗斯、德国等国的相 关资料。到目前为止，7 0 一8 0 的煤矿采空区没有观测资料，且大多数煤 矿开采系统不规范。因此，寻求合理的采空区工程地质勘察、变形评价、 采空区处理技术方法就十分重要了。 1 3 主要研究内容及方法 主要研究内容： 1 采空区的类型及特征； 2 不同开采方法及顶板管理方式下的采空区分布及变形特征； 3 采空区地表沉降变形的基础条件及相关因素； 4 采空区稳定性评价的数值方法及评价指标与优选； 5 不同类型采空区的处理措施及原则； 6 铁路安全煤柱的设计计算过程和方法。 主要研究方法： 1 采空区调查资料收集、分类整理与综合分析； 2 利用类比、解析及统计分析方法求取采空区移动参数及变形值； 3 采空区地基稳定性评价的应力传递法、普氏塌落拱法、洞顶坍塌堵 塞法等； 4 大型采空区地表移动及变形的数值模拟及预测： 5 采空区与路基加固方案的系统分析方法。 研究过程和思路：见流程图1 3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 铁路采空区勘察与地基稳定性评价 i 0士 铁路前期勘测设计资区域地质资料及采矿资现场调查测绘与综合勘 l l - ll上 工l 区 地地采采岩 程程 域下袁 空空土 布地试 地采 聱区区物 钻 理 探 力 及学 置质验 质掘 有 5物参 及勘资 及及 荷察料 水顶 载 工 文 板 分点 地垮 布 资 质落关 探 数 资情参 测 丁111_ 1 丁r1 0l 地面荷载对采空区l 。一采空区的分布状态i + 一覆岩结构分析及地 的影响分析 lf 及塌陷特征 fi 质模型的建立 - ji - 地基承载力分k - j 上部结构与采空区1 - 一相似材料物理 析 ji 地基相互作用分析ji 模拟与数值模 jjl 采空区地基稳定性综合分析及评价 0 1 线位优化、工程布局及结构调整 i i 采空区地基处理及工程结构抗变形 0 动态施工与施工检测 图1 3 采空区勘察及地基稳定性评价工作流程 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章采空区的类型及特征 2 1 小煤窑采空区 小煤窑在我国普遍存在，由于采用古老落后的、低效率的采煤方法， 其造成的老采空区地基失稳隐患十分严重。其基本特征是：大多位于煤田 的浅部边缘地带，无完整的地质、采矿资料，开采随意性较大，矿井采深 较小，一般在2 0 0 m 以内，开采后形成的采空区形态不规则。小煤窑常见的 采煤方法和残存采空区形态可概括为以下几种【”。 1 “树枝式”采煤 遇见煤层后，就开掘一些沿煤层巷道，不分走向、倾向，见煤就挖， 无煤就停，以掘进代替采煤，采煤巷道形成放射的树枝形。采煤空洞多为 任意折线状弯曲的坑道；局部顶板好时的采空区较大，为似圆形。由于采 空巷道宽度小，顶板有的残留数十年至数百年时间而不垮落。 2 “挂牌式”采煤 沿煤层走向掘进主巷，每隔一定距离沿倾向开上、下山，在上、下山 两侧回采，采空区形状多呈近圆形，其面积视顶板情况而定，从几十平方 米到上百平方米不等，就像在主巷上挂的牌子一样。 3 残柱式采煤法 井筒穿到煤层后，沿着煤层的走向开掘主要运输平巷，再在已经控制 的煤层里，开掘许多纵横交错的巷道，把煤层分割成许多方形或长方形的 煤柱。然后从边界往后退，顺次采各个煤柱。煤柱的大小，要根据煤层厚 度及倾角大小来确定，一般是l o r e l o m 或l o m 1 5 r a 。每采一块煤柱时， 就在这一块煤柱里再做些纵横交错的巷道，把煤柱又分成几个小块煤柱。 这样把巷道中的煤采了出来，那些小煤炉残留在采空区支承顶板。残柱式 采煤回采率约2 0 一5 0 。 4 房柱式采煤法 沿着煤层走向开掘主要运输巷道的同时，把与主巷平行前进的配风巷 做出来。在这些配风巷的上部，开掘一些煤房，利用短工作面进行采煤。 煤房的宽度一般为3 - 5 m 。煤房和煤房间要留2 - 3 m 的煤柱，以代替支柱来 支撑顶板的压力。煤房的长度一般在3 0 m 左右。 5 巷柱式采煤法 沿煤层走向开掘主巷，然后每隔一定距离沿倾向掘上下山形成采区， 在上下山中每隔一定距离沿煤层走向掘平层形成采煤面，掘至一定深度后 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 停止，然后边后退边开采巷道两侧的煤层，开采宽度视项板条件而定，一 般为3 5 m 。相邻采煤巷( 面) 之间留下一定宽度( 约2 3 r a 的煤柱。 6 壁式采煤注 根据工作面长度又可分成长壁及短壁采煤法。其中短壁式采煤法为我 国许多地方小煤窑所广泛采用。 小煤窑在开采过程中，支护系统比较简单，虽然留下了许多残留煤柱 来支撑上覆岩体，但残留矿柱尺寸小、强度差，难于保持长期的稳定性。 开采后形成的采空区大多不采取任何处理措施而任其自行垮落。由于残留 煤柱大小不一，采空区范围小且无规则，导致上覆岩层破坏的规律性差， 开采空洞常常欠充填或垮落岩块压密程度差。由于采深较小，由各种原因 导致的残留煤柱破坏和欠充填空洞垮塌，通常会造成地表的突然塌陷。塌 陷发生时间和持续时间难于估计，对地面安全影响极大。 2 2 现代大型煤矿采空区 绝大多数现代大型正规矿井均采用高教率的正规采矿方法，主要包括 壁式采煤法和柱式采煤法两大类1 1 l 。 1 壁式采煤法 壁式采媒法的特点是：回采工作面长度较长；工作面两端有可供运 输、通风和行人的巷道：回采工作面向前推进时，必须不断支护；采空区 要随工作面推进按一定方法及时处理；回采工作面内煤的运输方向与工作 面煤壁平行。 壁式采煤法有多种分类。按煤层厚薄不同，可分为整体( 单一) 开 采和分层开采。按工作面推迸方向不同，可分为走向长壁采煤法和倾斜 长壁采煤法。在分层开采中由于分层的回采顺序和顶板管理方法不同， 可分为下行垮落法和上行充填法等。在我国，开采倾斜和缓倾斜煤层时常 用单一( 整层) 走向长壁采煤法、单一( 整层) 倾斜长壁采煤法、倾斜分 层走向长壁下行垮落采煤法、倾斜分层倾斜长壁下行垮落采煤法、倾斜分 层走向长壁上行充填采煤法、倾斜分层v 形倾斜长壁充填采煤法和开采坚 硬顶板煤层的刀柱采煤法等。开采急倾斜煤层时，有水平分层采煤法、倒 台阶采煤法、仓储采煤法和掩护支架采煤法，这些都属于壁式采煤法。 壁式采煤法的采空区处理方式主要有全部垮落法、充填法和刀柱法三 壁式采煤法的采空区处理方式主要有全部垮落法、充填法和刀柱法三 种。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 全部垮落法处理采空区，就是当工作面从开切眼推进一定距离后，主 动撤除采煤工作空间以外的支柱( 或支架) ，使煤层顶板自然垮落。以后 随着工作面推进，每隔一定距离就按预定计划回柱放顶。顶板垮落后的破 碎岩块体积膨胀而充填采空区，可限制覆岩破裂区发育高度。全部垮落法 处理采空区简单可靠、费用少、因此绝大多数煤层开采均用全部垮落法处 理采空区。 刀柱法管理顶板，就是在工作面每推进一定距离，留下一定宽度 ( 4 巧m ) 的煤柱( 即刀柱) 支撑上覆坚硬顶板。主要适用于当煤层顶板极 为坚硬而采用强制放顶垮落法有困难时的中厚煤层开采。其主要缺点是工 作面搬家频繁，不利于机械化生产。目前除大同矿区部分煤矿外，其他地 区极少采用。 2 柱式采煤法 柱式采煤法，就是采空区顶板利用回采工作面周边或两侧的煤柱支 撑，采后不随工作面推进及时处理采空区的采煤方法。其特点是工作面较 短；经常多工作面同时生产，生产时多采用串联通风：采煤工艺简单；运 煤方向多垂直于工作面。柱式采煤法主要有房式、房柱式和巷柱式三种， 在“三下”采煤中常用的条带开采方法也近似属于一种柱式开采方法。 房式采煤法 在区段内每隔3 6 m 开采个宽6 - t 5 m 的煤房，条件好时，宽度可达 3 0 - 4 0 m 。煤房和煤柱的尺寸取决于围岩性质、煤质硬度、开采深度、煤层 厚度和回采工艺。煤房的长度等于区段长度之半，一般为1 0 0 m 左右，用可 伸缩带式输送机运煤时，长度可达3 0 0 - - 4 0 0 m 。煤房的布置，因地质和技术 条件的不同而异。在近水平煤层，煤房可沿走向或倾斜布置在区段平巷两 侧；煤层倾角大于8 。时，煤房的纵轴一般沿倾斜布置在区段平巷上侧，煤 房与区段平巷的交线为9 0 。、6 0 。或4 5 。，以便采煤机械和自行矿车出入 煤房。煤房的形成过程有两种情况：前进采房；前进送道，后遁扩房，或 后退采房。 房柱式采煤法 回采工艺和煤房尺寸都与房式采煤法相同，仅煤柱尺寸稍大，一般为 数米到2 0 多米不等。采完煤房后，将煤房两侧的部分或全部煤柱回采出 来，顶板任其自行垮落。本法除具有房式采煤法的优、缺点外，回采煤柱 时，工艺复杂且不够安全。由于开切工作多，工作连续性差，劳动生产率 和机械使用率都偏低，成本偏高。在国外，由于连续采煤工艺系统及设备 的推广应用，房柱式采煤法的安全可靠性和劳动生产率均达到了较高的水 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 平。房柱式采煤法与房式采煤法的主要区别是先采煤房后采煤柱；而房式 采煤法是只采煤房不采煤柱。本法适用于围岩稳定、瓦斯含量不大、煤层 不易自燃、开采深度较浅、地压不大的近水平的中厚煤层。在国外一般将 房式和房柱式采煤法统称为房柱式采煤法，前者称为“部分开采”方式， 后者称为“全部开采”方式。 巷柱式采煤法 在区段范围内，每隔l o - 3 0 i n 的方形或矩形煤柱，然后按区段后退式开 采方式陆续回采。煤柱的回采线与区段平巷成4 5 。交角。采空区顶板任其 自行垮落。开掘巷道和回采煤柱多用爆破法进行。本法掘进率高，回采率 低，通风条件不好，劳动条件差，围岩不稳定时不安全，机械化程度、产 量和效率都低。该方法对地质变化情况的适应性强，可应用于不能采用壁 式采煤法的区域，如井田边缘的不规整部分、断层带边角和回收煤柱等。 条带开采法 本开采方法就是把要开采的煤层划分为比较正规的条带形状，采一 条、留一条，所留下的条带煤柱承受上覆岩层的全部荷载，使地表只发生 较轻微的、均匀的移动和变形。条带开采法是进行“三下”压煤开采常用 的特殊采煤方法之一。按其条带布黄方式不同可分为走向条带和倾向条 带；按煤层采出部分的顶板管理方法可分为垮落条带开采方法和充填条带 开采方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1o 页 第3 章采空区沉降变形研究 3 1 新采空区上方地表移动和破坏的形式与特征 岩石在地壳内处于自然应力状态，在地下资源开挖之前，岩体内岩石的应 力状态主要决定于覆盖岩层的重量及其物理、力学性质。开挖地下岩体工 程和采矿工作，都会改变岩体内原有的应力状态，从而造成巷道周围岩石 的破坏和移动。采矿引起的岩层移动和破坏是一种复杂的物理、力学现 象。岩层移动和破坏的特性取决于地质采矿因素的综合影响，其中最主要 的是：岩石的结构和物理、力学性质、矿层的倾角、开采深度和矿层的厚 度、采区的大小、开采方法、地表松散层的厚度以及岩石的含水性等因 素。 当地下煤层被大面积采空后， 展，并引起地表下沉变形。地表 变形最初为小型凹地，随着采空 区的不断扩大，凹地逐渐扩展为 凹陷盆地，此盆地即为移动盆。 采空区上部岩层和地表变形区可 按常规分为“横三区”、“竖三 带”，即自煤层顶板向上根据岩 层变形特征划分为冒落带、裂隙 带和弯曲变形带( 图3 - i ) ，地表 横向上自移动盆地中心向盆地边 缘分为均匀下沉区、移动区和轻 微变形区【“。 顶板首先冒落，岩层变形逐渐向上部扩 卜不趣刖落2 一规捌落3 - 严重断裂4 - - - 般开裂5 _ 徽小开裂 6 一冒落带7 一裂橡带8 一弯曲变形带 9 - 破坏髟响区l o - 非破坏性影响区 圈3 - i 煤层覆岩破坏影响特征图 由于开采深度、开采厚度、采煤方法、顶板管理方法、岩性以及煤层 的产状不同，地表移动和破坏的形式也不一样。采深和采厚的比值较小 时，她表可能出现较大的裂缝或塌陷坑。这时，地表的移动和变形在空间 和时间上都是不连续的，即在渐变中有突变它们的分布没有严格的规律 性。当采深与采厚的比值较大时，地表将不出现大的裂缝或塌陷坑。这 时，地表的移动和变形在空间和时间上是连续的、渐变的，它们的分布有 明显的规律性。对于铁路或其它建筑物，连续的地表移动比较有利，不连 续的地表移动则不利。一般情况下，地表移动和破坏的形式主要有以下几 种1 6 1 一p 1 】： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 1 裂缝 开采近水平或缓倾斜煤层时，在移动盆地的外边缘区，地表可能出现 裂缝。裂缝的发生及其宽度、深度与表土的塑粘性大小及表士受到拉伸变 形大小密切相关，亦即与采深、采厚、项板管理方法、表土厚度和岩性有 关。 地表裂缝一般平行于采空区边界发展。在采深和采厚的比值较小时， 在推进中的工作面前方地表可能发生平行于工作面的裂缝。地表裂缝的形 态有张口裂缝和压密裂缝两种。张口裂缝一般发生在地表移动盆地边缘 ( 采空区边界上方外侧) 的拉伸变形区。压密裂缝是地表受到较大剪切变 形时产生的，主要发生在断层露头或软弱夹层露头上方，并常伴随出现地 表台阶。 地表张口裂缝的形状为楔形，地面开口大，随深度的增大而减小，到 一定深度尖灭。较大裂缝两侧的地表，往往有一定的落差。槽探表明，裂 缝的深度一般不超过5 1 1 ) m 。在基岩出露或深厚比较小时，地表裂缝深度 较大，有时可能与地下采空区相通。 地表移动盆地的形成有一个过程。用长壁式全部冒落法开采时，回采 工作面自开切眼推进达( i ，“1 2 ) 凰( 吼为平均开采深度) 的距离后，开 采引起的岩层移动波及地表，在地表出现一个相应的的盆地1 ( 图3 2 ) 。随着工作面继续推进，地表移动盆地的范围继续扩大，盆地各点的下 沉值也继续增大。当工作面推进到一定距离后，盆地的下沉值达到该地质 条件下的最大值，继续增大开采宽度，盆地的范围将不断扩大，但下沉值 不再继续增加。如果工作面停止推进，再经过一定时间后，移动盆地各部 分的移动和变形就逐渐稳定下来，形成最终地表移动盆地，或称静态移动 盆地。 j 了苞芗了。j- # 二= 与三二，了。 ， 工11 上二：= 。二二毛= 二未二j i 尘 ( 1 而刚。 2 地表移动盆地 图3 2 地衰移动盆地的形成过程 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 开采影响到达地表以后，受采动的地表从原有标高向下沉降，从而在 采空区上方的地表形成一个比采空区大的洼地，即地表移动盆地。 实测资料证明，最终的地表移动盆地的范围总是大于采空区的面积， 盆地的形状和位置取决于采空区的形状和煤层倾角的大小，煤层开采后形 成的采空区大多为长方形，盆地的形状大致呈椭圆形。开采近水平及缓倾 斜煤层条件下，假设地面是平坦的地表达到充分采动的最终移动盆地，具 有下列特征( 图3 3 ) ： 图3 - 3 近水平煤层充分采动时的最终地表移动盆地示意图 a ：因采空塌陷在地表形成的最大宽度b ：因采空塌陷在地袭形成的最大长度 6o 为煤层走向方甸上的移动角：v ，为煤层走向方向充分采动角；w o 为最大下沉值 整个移动盆地位于采空区的正上方，盆地的形状与采空区对称。 盆地的中间部分，即平底部分，地表下沉均匀一致，下沉值最大， 这部分地面一般不出现裂缝，其位置在采空区的正上方。 盆地的边缘部分，位于采空区边界上方。靠近盆底的内边缘区，位 于采空区上方，地面下沉不一致，呈凹陷弯曲，产生压缩变形，一般不出 现裂缝；靠近盆地边界的外边缘区，位于煤体上方，地表下沉不致，呈 凸突弯曲，产生变形，当变形超过一定数值后，地表产生裂缝。盆地内外 边缘区的分界点( 拐点) ，位于采空区边界上方，或者偏向一段距离。 3 地表台阶 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 在开采深厚比较小、或煤层倾角较大、或有地质构造时，地表可能出 现较大的地表裂缝，且两侧地表 可能产生落差，形成台阶。 4 塌陷坑 塌陷坑多出现在急倾斜煤层 开采条件下，或在浅部开采缓倾 斜或倾斜厚煤层，地表出现非连 续破坏时，也可能出现漏斗状塌 陷坑。在采用短壁开采方法时， 顶板可能产生