（矿业工程专业论文）蒋庄煤矿南一采区村庄下条带开采优化研究.pdf

东北人学t 程硕 学位论文摘要 摘要 山东枣庄矿业集团有限责任公司蒋庄矿矿区地形平坦，地面村庄集密， 村庄压煤一直是制约该矿工作面布置、采掘接替的重要因素。随着该矿开采 年限的增加与丌采强度的加大，以及近几年村庄搬迁费用的大幅度提高，再 加上村庄搬迂时间长、工作量大，造成了目前采区接缱紧：i 的局面。可以说， 村庄下采煤问题已逐步成为制约该矿可持续发展的主要问题。 本文在大量的调研工作基础上，决定采用条带开采方法解决蒋庄矿村下 压煤问题。条带开采是以条带煤柱形式支撑上覆岩层，合理的条带采力。 可以减少覆岩沉陷，达到控制地表沉陷和变形，实现列地面建筑物、地形、 地貌及地下结构保护的目的。尽管条带法开采有资源采出率低的缺点，但条 带开采法仍是解决村庄及重要建筑物下压煤丌采的切实可行的途径之一。 本文研究了条带煤柱的稳定性和条带开采尺寸的确定，对条带尺寸变化 对地表的影响、条带开采中覆岩性质对地表沉陷的影响还进行了研究。 本文首先对蒋庄煤矿南一采区条带丌采前的民房开裂破坏情况进行了 实地考察；然后根据蒋庄煤矿南一采区地质和开采技术条件，拟定了西刘仙 庄村庄下煤层条带开采方案；并且建立了二维平面岩石力学计算模型，应用 f l a c 数值软件对各个开采方案的岩层移动变形过程和地表形态特征、岩层 应力分布和岩层破坏形成与发展过程等进行了全面系统的计算和分析。采用 j c d 一2 型钻孔彩色电视系统对条带开采工作面上方的垮落带、裂缝带进行观 测，并对观测结果进行必要的分析；在条带开采工作面上方设计地表移动观 测站，建站及观测，并进行资料分析总结。最后，综合实地调查、理论预测 研究、岩石力学计算分析结果以及技术经济分析，提出蒋庄煤矿南一采区村 庄下煤层开采的合理技术方案。认为在目前难以增大采高的情况下，采用采 宽8 0 m 留宽8 0 m ，采高2 3 m 的条带开采方案，具有地表变形较小、巷道掘 进量小和有利于提高生产效率的优点，为所推荐的优选方案。 关键词：条带开采，优化，覆岩破坏，地表沉陷 东北大学_ t 程硕士学位论文a b s r r a c r a b s t r a c t t h el a n d f o r mo fj i a n g z h u a n gc o a lm i n ea r e az a o z h u a n gm i n eg r o u pi s f l a t ，a n d v i l l a g e si sv e r y “c n s eo nt h eg r o u n d c o a lu n d e rt h eg r o u n do fv i l l a g e si sa ni m p o r t a n t r e s t r i c t i n gf a c t o ro fw o r k i n gf a c ed i s p o s a la n dm i n i n g d r i v i n gr e l a y t h ep r o b l e mo f c o a lu n d e rt h eg r o u n do f v i l l a g e sg r a d u a l l yb e c o m e s t h em a i n p r o b l e mo fr e s t r i c t i n gt h e m i n ep e r s i s t e n t d e v e l o p m e n tw i t h t h ei n c r e a s eo fm i n i n gf i x e d y e a r s a n dm i n i n g i n t e n s i t y ，t h e c o s to fm o v i n gv i l l a g ei si n c r e a s e d g r e a t l ya n dt h ep e r i o do fm o v i n g v i l l a g ei sl o n g ，t h ew o r k l o a di sh a r d s t r i pm i n i n gm e t h o di sa d o p t e dt os o l v et h ep r o b l e mo fc o a lu n d e rt h eg r o u n do f v i l l a g eb a s e do nm u c hi n q u i r ya n dr e s e a r c h s t r i pp i l l a ri su s e dt os u p p o r tu ps t r a t ai n t h es t r i pm i n i n gm e t h o d r a t i o n a ls t r i pm i n i n gm e t h o dc a nr e d u c eu ps t r a t as i n k a g ea n d a c h i e v et h ea i mo f c o n t r o l l i n go fg r o u n ds i n k a g ea n dd i s t o r t i o n ，p r o t e c t i n gb u i l d i n go n t h eg r o u n d ，l a ! a d f o r m ，p h y s i o g n o m ya n df r a m e w o r ku n d e rt h e g r o u n d t h o u g ht h e m e t h o dh a st h ed i s a d v a n t a g eo f m i n i n gr a t i ol o w , i ta l s oi so n eo ff e a s i b l ew a y st os o l v e t h e p r o b l e m o fc o a lu n d e rt h eg r o u n do f v i l l a g ea n db u i l d i n g i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，d a m a g ec o n d i t i o no fv i l l a g eb u i l d i n gi sc h e c k e db e f o r es t r i p m i n i n gi ns o u t h 1 m i n i n ga r e ao f j i n g z h u a n gc o a lm i n e ；t h e nc o a ls e a ms t r i pm i n i n g p r o j e c to fc o a l u n d e rt h e g r o u n do fl i u x i a nv i l l a g ei s s t u d i e do u ta c c o r d i n gt ot h e c o n d i t i o no fg e o l o g ya n dm i n i n g t e c h n o l o g y ；2 d i m e n s i o np l a n er o c km e c h a n i c s c o m p u t i n gm o d e li s s e tu p s t r a t am o t i o nd i s t o r t i o np r o c e s sa n dg r o u n dc o n f i g u r a t i o n c h a r a c t e r , s t r a t as t r e s sd i s t r i b u t i o n ，s t r a t ad a m a g ef o r m i n ga n dd e v e l o p i n gp r o c e s s ，e t c o fe a c hm i n i n g p r o j e c t a r e c o m p u t e da n da n a l y z e db y f l a cn u m e r i c a ls o f t w a r e c o l l a p s ea r e a ，c r a c ka r e ao n t h es t r i pm i n i n gw o r k i n gf a c ea r eo b s e r v e db yj c d - 2b o r e c o l o rt vs y s t e ma n dt h eo b s e r v e dr e s u l t sa r ea n a l y ；e d g r o u n dm o t i o no b s e r v i n gs t a t i o n i ss e tu pa b o v et h es t r i pm i n i n gw o r k i n gf a c e ，a n dt h eo b s e r v e dr e s u l t sa r ea n a l y z e da n d s u m m a r i z e d a tl a s t ，r a t i o n a lm i n i n gp r o j e c to fc o a ls e a mu n d e rt h eg r o u n do f v i l l a g e i nt h es o u t h1 m i n i n ga r e ai ss e tu pb a s e do nt h es c e n ec h e c k ，t h e o r yf o r c a s tr e s e a r c h ， t h ea n a l y s i sr e s u l to fr o c km e c h a n i c s c o m p u t i n g a n dt e c h n o l o g ye c o n o m y a n a l y s i s t h e p r o j e c t i sm i n i n gw i d t h8 0 ml e a v i n g8 0 m ，m i n i n gh e i 曲t2 3 ma tt h ec o n d i t i o no f d i f f i c u l tt oi n c r e a s em i n i n gh e i g h t t h i sp r o j e c th a st h em e r i t so fl o wg r o u n dd i s t o r t i o n i i i 东北大学工程硕 学位论业a b s t r a c t a n dr o a d w a yd r i v i n g ，i n c r e a s i n gp r o d u c i n ge f f i c i e n c y , i ti st h ef i r s ts e l e c t i v e p r o j e c t r e c o m m e n d e d k e yw o r d s ：s t r i pm i n i n g ，o p t i m i z a t i o n ，u ps t r a t ad a m a g e ，g r o u n ds i n k a g e v 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 本人签名 日期： f 彬 矿研7 舄 q 东北大学t 程顾l 学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1 课题的提出及研究意义 据有关资料的不完全统计，在我国煤炭企业，仅村庄下压煤达5 2 2 亿吨，特 别是河北、江苏、山东、安徽、河南等省份压煤量超过5 5 【2 0 1 。村庄下大量压煤， 严重制约着矿井的生产与发展。随着一些矿井可采储量的日益减少，村庄下压煤 的安全开采问题显得尤为重要。村庄下采煤将引起村庄建筑物不同程度的损坏及 诱发危岩崩塌等地质灾害，要想减轻甚至避免上述现象发生，确保村民的生命财 产安全，须在井上、井下实施适当有效的技术措施【7 1 。为了减少矿区村庄下采煤引 起的地表沉陷量、减缓地表沉陷速度，矿山工程技术人员及矿业科研工作者作出 了很大的努力，爰取了很多有益的工程技术措施，并取得了很大的成效。目j 7 解决村庄下采煤的技术途径主要有：( 1 ) 村庄异地搬迁全部冒落采煤；( 2 ) 村庄 就地重建抗变形房屋全部冒落采煤；( 3 ) 采空区充填法采煤；( 4 ) 地面注浆减沉 措施采煤；( 5 ) 限厚协调法采煤：( 6 ) 条带开采部分冒落采煤及跳采减沉措施采 煤口一1 。由于种种条件( 特别是经济条件) 的限制，村庄下压煤通常采用条带开采 方法。 条带开采是以条带煤柱形式支撑上覆岩层，从而减少覆岩沉陷，达到控制地 表沉陷和变形，实现对地面建筑物、地形、地貌及地下结构保护的目的【j 。这种 开采方法不仅能有效的保护地面建筑物，而且还可以保护地面环境，减少占用耕 地，有较好的环境效益和社会效益，有利于矿区可持续发展。尽管条带法开采有 资源采出率低的缺点，但条带开采法仍是解决村庄及重要建筑物下压煤丌采的切 实可行的途径之一23 1 。条带开采技术是我国在村庄下采煤中应用最为普遍的成 熟技术，有许多成功的例子与经验。我国自6 0 年代起在建筑物下进行条带法开采 试验研究，迄今已进行了近百个条带法开采的实践，取得了较好的效果【3 。 山东枣庄矿业集团有限责任公司蒋庄矿位于山东省滕县煤田的滕南矿区。地 形平坦，地面村庄集密，村庄压煤一直是制约该矿工作面布置、采掘接替的重要 因素。随着该矿开采年限的增加与开采强度的加大，村庄下采煤问题已逐步成为 制约该矿可持续发展的主要矛盾。近几年村庄搬迁费用的大幅度提高已给蒋庄煤 矿企业造成了巨大的经济负担，再加上村庄搬迁难、搬迁时间长、工作量大，并 且工农关系十分复杂等原因。经过综合分析后蒋庄矿决定采用井下条带开采方 法解决村下压煤问题。合理的条带开采方法可以减少地表沉降变形，使民房不出 东北大学t 程硕卜学位论文 第一章绪论 现明显的采动损坏，达到不迁村采煤的目的。为此，本课题拟采用宽条带方法在 蒋庄矿南一采区村庄下进行开采优化研究。 1 2 条带开采方法的研究现状 1 2 1 条带开采研究概况 条带开采法属局部开采，是在开采范围内，沿一定方向划分成若干条带，采 出一条，保留一条，相间排列，依靠保留条带煤柱支撑上覆岩层的载荷，以控制 岩层移动，使地表变形盆地控制在允许范围内，从而达到保护建筑物的目的4 3 - 4 。条带采煤法分为长壁工作面小条带和短壁工作面长条带两种方法( 如图1 1 所 示) 【2 】。从条带的布置形式及开采方法上划分主要有：水砂充填条带开采方法、矸 石充填条带开采方法、冒落条带开采方法、分层冒落条带开采方法、近距离煤层 群条带开采方法、变采留比条带开采方法、不规则条带丌采方法及古小窑老空区 下冬带开采方法等。近些年来，对条带开采的理论研究已较深入，对正常地质条 件下的正规条带开采和复杂地质采矿条件下的非正规条带开采，以及不同采深条 件下的大中小条带开采，条带开采的采出宽度、留柱宽度、条带煤柱的应力分布 状态 等都做了相关的研究。我国部分条带开采实例见表i 1 。 琵叠雹覆弦( 采出) z 琵盈疆厄 1 r 煤柱b 磁 移麓织强经移麓彬彩彤妊麓够礁黝 冀 蓁 垦 冀 采 出煤 商柱 ah 图i i 长壁小条带和短壁氏条带 f i g 1 1s m a l ls t r i p o f l o n g w a l la n d l o n gs t r i po f s h o r t w a l 一2 一 东北大学工程硕l 学位论文第一章绪论 表1 1我国部分条带开采实例表 t a b l e lip a r te x a m p l e so fs t r i pm i n i n gi nc h i n a 趔 啦 e j s 尊 跫 p i_ 蚕 要赛 蓬 li 8 耋 重 量 d6 妄 耋 量 譬 苫 li 莲 蓉 。 。 祭 塞荟鸯 口 * 窨 量 dd百c j 堂避s qo 塞 _ 节 雩导 擘随oq 叶n鼠 m 垂饕 萋羹 棒蒜挺姥蒋蠛媳 癌：= 连 游 叮叮哑皿 e 叮口：日e 叮口a 皿 一 o 寸 一 藤点 卜o h 文n 一憾。 嚣。童 o 穹 品 萎 承r n昌 占 导 禹 ” 一 撰一套 赛 鲁 c j ：兮 。 n 一蒌 禹虽量 是8 型 冠 n 壹 藻毫亘 dd 寸 警拿。 吨 一一 n 诿每互 丧基 莩 萋 。 2 譬 足躅 量 萋萎。 吕 等 n 襞星- 2 e e 兰 汪量 宝 謦 篁 工 寸n 一 占 怅s 型 甜 r 、_ _ 叵魁廿 美薹 据 至量 至 裘囊量8 卜 - hp _ 一 _ l ，、 l lk k 蓬 登 璎 基 曩 霎 f 慧 茸 艇 二 蠢 鋈 ：霞 量冀 誊 羹 罄量 磕 参 鲁 千 二i ：1 蛊 吾 棼 娶 器 善 蔫 是 i 兰甚 主 羹 蓁 要 羹 悝 羹 - - 3 - - 东北人学r t 程碗l 一学位论文第一章绪论 1 2 2 条带开采的研究方法 条带开采的研究涉及岩石力学( 包括岩石及煤的强度，煤柱应力的变化及煤 柱的稳定等) 和开采沉陷学( 包括条带开采的沉陷机理、地表移动与变形的计算、 丌采方案的设计等) 两大领域。对条带开采的研究主要分3 个方面：现场试验与 观测、模型试验( 模型试验以相似材料试验为主) 和数值计算分析研究( 包括力 学的理论计算) i j j 。 目前对条带开采的研究较多，但大部分研究是针对条带煤柱的稳定性和条带 开采尺寸的确定。评价煤柱稳定性主要考虑：作用于煤柱的荷载；煤柱内部的应 力分布；煤柱的强度以及煤柱与顶底板的相互作用。在条带开采设计中仍采用传 统的极限强度理论分析方法。 近几年随着条带开采实际应用的扩大，学术界对条带开采也进行了多项研究， 包括相似材料的模拟试验，数值计算分析与现场的实际观测，在这些研究的基础 上提出了一些新的观点。如波浪下沉传播高度与条带丌采宽度6 和留设煤柱宽度口 有关：煤柱两侧应力集中程度随煤层倾角增大而发生变化，其塑性区也随倾角增 大而增加m3 0 。3 。1 ；侧限压力对煤柱有较大的作用，特别对较软弱和裂隙发育的煤 柱，部分充填可大幅度提高煤柱的稳定性或煤炭采出率：多煤层条带开采时，层 间距较大时相互影响轻微，层间距较小时两层煤相互影响较大；地表移动变形不 一定随采出率增加而增大，而与采宽有关等。 条带丌采地表与岩层移动的假说有口j ： ( 1 ) 煤柱的压缩、压入假晓。条带丌采后的地表下沉由煤柱的压缩、煤柱压 入顶板和煤柱压入底板3 部分组成。 ( 2 ) 岩梁及其托板假说。条带开采时，在裂隙带上方存在着一层或几层厚 度较大、强度较高的坚硬岩层，它对上部岩层和地表的移动起控制作用，地表的 下沉由煤柱的压缩、煤柱压入底板、岩柱压缩、承重岩层压缩及托板挠度5 部分 组成。 ( 3 ) 波浪消失说。条带开采后，采出条带顶板岩层类似于两端固定的约束岩 梁，靠近煤层的上覆岩层将出现波浪下沉，达到某一高度后，波浪消失，在此高 度之上为均匀下沉。 条带开采地表沉陷量的预测计算方法： 在矿区地表沉陷量的预测方面人们也采取了很多方法，如数理统计方法、模 糊数学方法、数值计算方法等，并建立了很多可供预测的数学模型f 4 8 1 。上个世纪 6 0 年代我国学者引入波兰学者提出的开采沉陷的随机介质理论，并加以改进和完 东北人学工程碳i 一学位论文第一章绪论 善，提出了地表移动预计的概率积分法，该方法直到目前仍被采矿界广泛应用 ”】， 在条带开采的实际预计计算中，计算参数上需要依据采出率按经验数据进行一定 的修正。数值计算法( 有限单元方法。8 1 、边界元方法等) 虽应用广泛，但在 条带设计中，仍只是一种定性的分析方法，这主要是因为计算参数的不确定性及 岩块参数与岩体参数的差异造成的。在实际条带应用中，由于要保证地面的安全， 往往要求具有一定的安全系数储备。 1 2 3 煤柱荷载的计算理论 煤柱荷载指煤柱实际承受的载荷，主要与地层厚度和丌采尺寸有关。提出的 计算方法有：有效面积理论、压力拱理论和a h w i l s o n 理论【2 6 】。 ( 1 ) 煤柱载荷有效面积理论 煤柱工作载荷是指煤柱承受的最大载荷，主要取决于地层层数、地层厚度等 地质因素以及每层的弹性模量、围岩硬度和煤柱硬度等物理力学参数。在广泛的 开采布局中，煤柱的尺寸一般比较规则。有效面积理论认为，各煤桩强度相等并 承担相同的载荷。因此，煤柱的工作载荷是在煤柱影响区域内的固定载荷。大 多数条带开采中回采宽度较小，采空区内除直接顶冒落外，老顶一般不冒落。冒 落矸石不接顶，所以采空区矸石不承载。因此，可认为采出宽度上覆岩层的重量 全部转移到所留煤柱宽度上，条带煤柱上的载荷尸可由下式计算，即： p = r h ( 1 一p ) = ( w + a ) r h w ( 1 1 ) 式中：渺一留设煤柱宽度，m ； a 一采出宽度，m ； p 一煤柱平均载荷，m p a ： ，一覆岩平均容重，m n m 3 ； 日一平均开采深度，m ； p 一采出率，p = a ( w + 爿) 。 ( 2 ) 压力拱理论【2 2 l 压力拱理论是由北英格兰开采支护委员会提出的，主要用于沉陷控制。该理 论认为：由于采空区上方压力拱的形成，上覆岩层的负载只有很少一部分作用到 直接顶板上，其他部分的覆岩重量会向采面两侧的实体煤区( 拱脚) 转移。压力 拱的内宽l p a 主要受上覆岩层厚度即采深h 的影响，压力拱的外宽l p b 则受覆岩 内部组合结构的影响。浩兰德总结出公式： l p a = 3 ( h 2 0 + 6 1 ) ( 1 2 ) 如果采宽大于压力拱的内宽l p a ，则负载分布会变得复杂，即一个拱脚在边 一5 一 东北夫学t 程倾上学位论叟 第一章绪论 侧实体煤上，另一个拱脚在采空区上，此时压力不稳定，可能崩溃并伴随大量的 覆岩沉陷。 ( 3 ) a h w i l s o n 理论【5 2 8 】 a h w i l s o n 根据一定的假设，得出了留设煤柱( 有核区或无核区) 承载能力与分 担载荷的计算公式。当留设煤柱可看作为有核区的长煤柱，其承载能力为： 只= 4 r h ( a o 0 0 4 9 2 m h )f 1 3 ) 留设煤柱的实际载荷值为： b = r h a b 2 ( 2 h b o 6 ) f 1 4 ) 留设煤柱的安全系数： p k 2 子 ( 1 5 ) d 式中：m 为丌采厚度； d 为保留条带煤柱的宽度： b 为采出条带煤柱的宽度。 根据我国多年来采用a h w i l s o n 理论校核煤柱强度的经验，其安全系数k 应 在15 20 之间。 1 2 4 条带开采的特点及开采覆岩运动规律 1 2 4 1 条带开采的特点 实践证明，条带丌采具有以下特点： ( 1 ) 地表移动变形小【4 0 】 由于条带煤柱支撑上覆岩层的荷载，控制了上覆岩层的运动，因此地表的移 动变形较小，也就是下沉系数q 变小。比如一般冒落全采时，地表最大下沉值为 开采厚度的7 0 9 0 ( q = 0 7 o 9 ) 。充填全采时为5 2 2 ，甚至还大些，而 冒落条采地表最大下沉为采厚的5 1 5 ，一般为8 1 0 。充填条采时为l 5 。同时条采其它参数，如拐点平移距、主要影响角j 下切等均比全采时小。 ( 2 ) 采煤活动对围岩破坏大大削弱【3 6 】 条带开采留设的煤柱支撑上覆岩层，使其移动破坏减弱，因此上覆岩层的破 裂带高度可降低。另一方面矿山压力对底板岩层的破坏也会削弱，特别是在采宽 小于3 0 m 时，采面很少出现老顶来压现象，矿压较小。 ( 3 ) 回采率低嘲 为保证所留设煤柱能承受上覆岩层的荷载，根据经验，所留煤柱的总面积不 东北大学工程硕l j 学位论文第一章绪论 得小于开采范围总面积的3 0 ，即采出率不得超过7 0 。条带丌采的回收率比全 采约低2 0 左右，但是条采的煤炭属呆滞储量仍可采出6 5 7 0 所以从总体 上讲，条带开采是有利的。 1 2 4 2 条带开采覆岩运动规律 采用条带法开采时，由于开采条带尺寸比较小，在采空区上方形成的垮落和 断裂带范围和高度较小【2 9 ”1 。由于有条带煤柱的隔离和支撑作用，各开采条带上 方的垮落、断裂带互不连通，不能形成整体的垮落、断裂带，因而采空区上方绝 大部分岩体仍处于整体状态。但由于条带的采出，破坏了上覆岩层的原始应力状 态，条带采空区上方岩层的重力转移到两侧条带煤柱上方，达到新的应力平衡， 条带煤柱上方的应力相当于原始应力加上开采后的附加应力，因而使得条带煤柱 上方一定范围的岩层处于增压区。原始自然状态下的岩体内有节理、裂隙、层理 等空隙和弱面，当岩体受到附加应力作用后，可使裂隙减小和闭合f “24 1 。这种减 小和闭合就使整体岩层体积减小，表现为压缩变形。各岩层内节理、裂隙的减小 或闭合值累加起来，即各岩层的压缩变形累加，构成了覆岩的下沉。这种累积效 应使得覆岩沉降量由下往上逐渐增加，至地表最大”】。 1 3 本课题研究的内容和方法 本课题针对山东枣庄矿业集团有限责任公司蒋庄矿南一采区村庄下压煤的具 体情况，采取了条带开采法减小地表下沉的方案。论文借助于数值计算方法和条 带开采后覆岩破坏情况的观测、分析，并结合理论计算，最终确定了该条件下条 带开采的合理方案。 论文研究的主要内容和方法如下： ( 1 ) 对蒋庄煤矿南一采区条带开采前的民房开裂破坏情况进行了实地考察； 并确定民房的损坏程度和等级： ( 2 ) 根据南一采区地质和开采技术条件，拟定了西刘仙庄村庄下煤层条带开 采方案； ( 3 ) 根据现场岩体结构和岩石力学性质，建立了二维平面岩石力学计算模型， 应用f l a c 数值软件对各个开采方案的岩层移动变形过程和地表形态特征、岩层 应力分布和岩层破坏形成与发展过程等进行了全面系统的计算和分析对比； ( 4 ) 采用钻孔冲洗液漏失量观测法和3 c d 2 型钻孔彩色电视系统对条带开采 工作面上方的垮落带、裂缝带进行观测，并对观测结果进行必要的分析； ( 5 ) 综合条带开采后覆岩破坏情况的探测和理论分析与数值模拟相结合的手 段，提出蒋庄煤矿南一采区村庄下煤层条带开采的优化方案开采方案。 苎韭查兰! 翌苎兰些垦兰 塑= 翌 童二：墨堕墅墨墨壁塑型 第二章南一采区开采条件概况 2 1 矿区地质概况 们目萎言井田位黧，区的中部，行政区划属藤县西岗公社和微山县驭城公社。 北距藤县2 5 k i n ，南至微山县1 6 k m 。 。“。 2 2 地层结构特点 幽2 i 井田位置示意幽 f i g - 2 1s k e t c ho fc o a lm i n e p o s i t i o ” 本区地层属华北型沉积，以石炭二迭系为煤系地层，地层系统自老向新有震 楼 ，条 ， ，弛程壤两m 低曜 以接拳南数 ，阳袁。西搪 一一一一一 煤与以m ，l 罨东 ，恼孤聃 柴；接粕曩黔 一一一一 雕嬲眺虢阳铲鼢躯晒弘獬毗冁摊东螂犄 疑劁釉熙鄯并壮繇黼醐黼虫噼聪嘶赫j塞i 界删肄粕崎_!萋|蝴粥骥舛锐酮 井井 ，为牛苜斟储豕助辫精祧酣解冁靛端 蒋惭鼢蝴蒋蝻 东北大学工程硕士学位论文第二币南一采区开采条件概况 旦、寒武、奥陶、石炭、二迭、侏罗、第四系等。除奥陶系以前地层在煤田外围 有零星出露外，余皆隐伏于第四系和侏罗系地层之下。下面对3 煤所在的二迭系 及其覆盖层叙述如下： 2 2 1 二迭系( p ) 二迭系地层自下而上有山西组和石盒子组。 ( 1 ) 山西组( p i ) 浚组厚度9 5 1 4 0 m ，一般为1 l o m 左右。本组与太原群为连续沉积，以第一 层获岩上部之海相泥岩顶面或其相当层位为界，其上过渡相的砂质沉积物则划归 山西组，本组下部为过渡相沉积，上部为纯陆相沉积，是本区重要的含煤地层。 本组底部以一层具浑浊层理和底栖动物通道的细砂岩与太原群分界，中下部 为浅灰、灰白色厚层状中粒砂岩为主，兴粉砂岩、泥岩、砂质泥岩、粘土岩共含 煤三层( 第2 、3 。、3 f ) ，其中3 。3 ，煤层为主要可采煤层。在泥岩、粉砂岩内 富含楔叶羊齿、可达木、带羊齿等植物化石。上部为杂色泥岩、粉砂质粘土岩以 及粉砂岩夹灰色、灰绿色中粒砂岩。 ( 2 ) 石盒子组( p 1 2 + p 2 ) 本组最大残厚2 2 9 m 。岩性以杂色砂岩、粉砂质粘土岩、粉砂岩为主，间夹灰 绿、灰色中粒砂岩及紫灰色中细粒砂岩，属纯陆相沉积。由于受上侏罗统红色砂 岩、砾岩的剥蚀，地层保留极不完整。 底部以一层分选差、矽质胶结的、浅灰至灰绿色中粗粒砂岩或含砾砂岩与山 西组分界。距底部含砾砂岩2 6 7 2 m ，一般是6 0 m 左右处含薄煤l 4 层( 柴煤) ， 煤厚一般为0 2 m 左右，位居柴煤附近的粉砂岩和粘土岩颜色常变深，在粉砂岩内 含大羽羊齿。翼羽木等植物化石，柴煤层位较稳定，可作为煤系地层上部的对比 标志层。 2 2 2 上侏罗统( j 3 ) 本区最大残厚为3 5 3 m ，根据岩性可分为上下两部。上部由灰、灰绿色细砂岩、 粉砂岩互层、灰绿色细砂岩、青灰色细砂岩与灰色粉砂岩互层、杂色粘土岩、红 及紫灰色粉砂岩夹紫红色细砂岩组成。下部一般为厚8 0 m 1 9 0 m 的砾岩，间夹数 层紫红、紫灰色细砂岩、粉砂岩组成。砾岩为紫红、紫灰、灰绿色，砾岩成分以 石英砾、灰岩砾为主，砾石滚园度较好，分选较差，砾径一般1 5 2 0 m m ，胶结物 一般为钙质，部分为铁质和泥质胶结，一般是以砾岩覆盖于石盒子组之上，但在 _ 9 东北大学工程硕t 学位论文第二晕南一采区开采条件概况 部分块段亦有以砂岩与石盒子组地层相接触的。 2 2 3 第四系( q ) 本区第四系厚2 1 5 5 7 3 4 0 m ，平均5 0 5 4 m ，区内分布东北薄、西南厚分上 下两组。 上组：顶部o 6 0 2 8 5 m 为覆盖土层，其下为黄色、黄褐色粘土、砂质粘土、 砂姜结核砂质粘土及3 4 层砂砾层组成。 下组：由粘土、含砂姜结构粘土、粘土质砂及砂砾层组成。 2 3 南一采区地面村庄概况 蒋庄煤矿南一采区地面有张庄和西刘仙庄和东刘仙庄3 个村庄。其中，张庄 约有4 0 0 户居民，1 2 0 0 人，为第一阶段条带_ 丌采试采的村庄；西刘仙庄约有3 0 0 户，1 0 0 0 人，为本次进行条采方案优化的村庄；由于有杜庙大断层的阻碍，决定 不开采东刘仙庄下的煤层。西刘仙庄位于南一采区东部，占地面积约5 0 6 0 0 m 2 ，由 于无法搬迁，因此3 个长壁开采工作面均缩短走向长度，留有村庄保护煤柱。井 下保护煤柱面积2 5 0 0 0 0m 2 ，压煤量约1 1 8 万t 。图2 2 为村庄位置与长壁开采下沉 预计等值线图。如果不进行特殊方法丌采，则村庄煤柱将长期压滞，资源损失巨 大。 西刘仙庄和张庄的民房情况类似，民房可分为砖混结构和砖石结构二种。砖 混结构，一般为过去1 0 年内建成的，以砖为墙体，以混凝土为圈梁和立柱，房屋 质量好强度高。砖石结构一般为旧房，下部为砌石地基，上部以砖为墙体。根据 2 0 0 2 年3 月1 4 目调查结果发现，在没受开采影响的情况下，砖石结构房屋建造时 间较长以及结构和地基等问题，多数旧房已经出现了程度不等的开裂情况，个别 房子的裂缝宽度已经超过15 m m ，达n i i i 级损坏等级；部分房子裂缝宽度5m m 1 5 m m ，为i i 级损坏等级。砖混结构的民房质量较好一般只有细小的裂缝，如图2 3 图2 8 所示。图2 8 为张庄民房损坏情况。鉴于部分民房强度较低，并且已经有了 一定程度的损坏，因此在进行村庄下采煤时，要采取相对谨慎的态度确定开采方 案。 查! ! 查兰r 三堡堡主兰垡堡兰 兰三垦堕二墨垦茎墨墨堡坚堡 了二一1 _ j 趟了丢；r 一一卜j 移羔一一 i|l卜、卜卜 v 图2 2 村庄位置与长壁开采下沉预计等值线图 f i g 2 2a n t i c i p a t i v ei s o l i n es i n k a g eo f v i l l a g ep o s i t i o na n dl o n gw a l lm i n i n g 8 g o o 寸 o o 寸n o o o p o o n 曲 东北大学工程硕士学位论文 第二章南一采区开采条件概况 图2 3 西刘仙庄地面房屋破坏情况之一 f i g 23b r e a k a g ei n s t a n c eo n eo fb u i l d i n g o nt h eg r o u n d i n gi nx i l i u x i a nv i l l a g e 图2 5 西刘仙庄地面房屋破坏情况之三 f i g 2 5b r e a k a g ei n s t a n c et h r e eo fb u i l d i n g o nt h eo nt h eg r o u n d i n gi nx i l i u x i a nv i l l a g e 图2 7 西刘仙庄地面房屋破坏情况之五 f i g2 7b r e a k a g ei n s t a n c ef i v eo f b u i l d i n g o nt h eg r o u n d i n gi nx i l i u x i a nv i l l a g e 图2 4 两刘仙庄地面房屋破坏情况之二 f i g 24b r e a k a g ei n s t a n c et w oo fb u i l d i n g o nt h eg r o u n d i n g ；nx i l i u x i a nv i l l a g e 图2 6 西刘仙庄地面房屋破坏情况之四 f i g 2 6b r e a k a g ei n s t a n c ef o u ro fb u i l d i n g g r o u n d i n gi nx i l i u x i a nv i l l a g e 图2 8 张庄地面房屋破坏情况之一 f i g 2 8b r e a k a g ei n s t a n c eo n eo f b u i l d i n g o nt h eg r o u n d i n gi nz h a n g z h u a n gv i l l a g e 东北大学工程硕= 匕学位论文 第一章南一采区开采条件概况 2 4 南一采区西刘仙庄地层概况 南一采区西刘仙庄附近地层的典型结构，见表2 1 。由表2 1 可见： ( 1 ) 南一采区3 。煤为变薄区不可开采，因此仅可开采3r 煤，在1 0 一l 孔中3r 煤 厚为8 9 3 m 。然而通过附近工作面开采揭露在西刘仙庄下3 。煤平均为3 8 m 。煤层 倾角o 1 5 。，为近水平煤层。目前在村庄下采用高挡普采，采高2 3 m 。 ( 2 ) 西刘仙庄3 ，煤埋深4 2 0 m 左右地层分为二种岩性。第四系松散层厚约为 5 0 m 左右，基岩厚3 7 0 m 。 ( 3 ) 以1 0 1 孔为例，在基岩中，砂、砾岩厚度为3 1 6 5 6 m ，占8 6 8 。其中，在 埋深1 0 6 2 0m 、3 7 2 6 5m 和3 9 3 6 0m ，均有厚度大于1 0m 比较坚硬的砂岩和砾岩。 由此可见，南一采区覆岩为中等偏硬类型，松散层厚度较薄，基岩内有厚层砂岩， 属比较适合进行条带丌采的覆岩结构。 表2 1南l 采区西刘仙村附近地层柱状( 1 0 1 钻孔) t a b l e 2 1s t r a t ah i s t o g r a mo f s o u t h1 m i n i n g a r e an e a rl i u x i a nv i l l a g e 1 3 一 东北大学工程硕士学位论文 第三章南一采区条带开采覆岩破坏数值分析 第三章南一采区条带开采覆岩破坏 数值分析 正确地预测覆岩破坏高度( 跨落带和裂隙带，简称“两带”) 是村庄下压煤开 采的关键【i 。而影响“两带”发育高度的因素很多，既有定量因素又有定性因素， 很难用传统数学方法建立的经验公式对覆岩破坏高度进行有效的计算。近几十年 来，随着数值模拟技术在岩土工程中有了很大的发展和广泛的应用，广大科技工 作者在预测矿区地表沉陷量的方面也采用了如有限元【3 4 1 、边界元、离散元等数值 分析及有限差分方法【3 73 8 j 等数值模拟方法【4 2 】。这些数值方法在解决实际问题中发 挥了较大作用【4 “，它可以解决理论研究方法的计算过于复杂( 有时复杂得实际无 法进行计算) 的问题。采用数值方法分析蒋庄煤矿南采区村庄下条带开采的覆 岩破坏情况，可了解覆岩变形破坏的范围与形态，有助于合理选择丌采方案。 3 1 条带开采的岩石力学模型 3 1 i f l a c 简介7 ” f l a c ( f a s t l a g r a n g i a n a n a l y s i so f c o n t i n u a ) 是由美国i t a s c a c o n s u l t i n g g r o u p ， i n c 为地质工程应用而开发的连续介质显式有限差分计算机程序，主要适用模拟计 算岩土类工程地质材料的力学行为，特别是材料达到屈服极限后产生的塑性流动。 材料通过单元和区域表示，根据计算对象的形状构成相应的网格。每个单元在外 载和边界约束条件下，按照约定的线性或非线性应力一应变关系产生力学响应。 f l a c 程序建立在拉格朗日算法基础上，特别适合模拟大变形和扭曲。f l a c 程序 设有多种本构模型，可计算地质类材料的高度非线性( 包括应变硬化软化) 、不可 逆剪切破坏和压密、粘弹( 蠕变) 、孑l 隙介质的固一流耦合、热一力耦合以及动力 学行为等。另外，程序设有界面单元，可以模拟断层、节理和摩擦边界的滑动、 张开和闭合行为。支护结构，如衬砌、锚杆、可缩性支架或板壳等与围岩地相互 作用也可以在f l a c 中进行模拟。同时，用户可根据需要在f l a c 中创建自己的 本构模型，进行各种特殊修正和补充。应该指出，由于f l a c 是时间渐进的，相 应的计算次数隐含了时间因素，和物理时间具有一定的对应关系。因而一般来讲， 计算步数越多，对应的时间越长，模型发生的变形也越大，这一特性有别于其他 种类的数值计算程序，在确定计算步数时应特别注意。 东北大学工程硕士学位论文 第三章南一采区条带开采覆岩破坏数值分析 3 1 2 岩石力学计算模型 用f l a c 数值模拟条带开采时，无需作任何假设和确定一些关键的参数，完 全是建立在客观反映原型( 煤岩层位、物理力学参数和断层等地质构造) 和模拟 开挖过程力学效应的基础上。因为模型越反映原型的客观条件，就越能准确地预 计开采引起的地表变形，所以在数值模拟方法中，对原型的考察、研究和合理的 简化是十分重要和必要的。 根据蒋庄煤矿南一采区地质条件，在开采区域内，在垂直工作面推进方向取地 层剖面，建立了二维平面碰曼岩石力学o r 算模型。剖面所取位最如图3 1 所示。剖 面计算模型长1 0 0 0 m ，高度5 0 0 m ，煤层平均埋藏深度4 2 0 m 。计算模型共划分1 2 3 0 0 个四边形平面单元。边界条件：模型两侧的边界条件为限定水平移动的滑动支撑， 模 图3 1 计算模型剖面 f i g 3 1 s e c t i o no f c a l c u l a t i o nm o d e 3 2 力学模型准则的选择和计算方案的设计 蒋庄煤矿南一采区从地表到5 0 0 m 深度的岩体共有4 7 层岩层，可划分为1 4 种 岩土类型( 见表3 1 所示) 。 3 2 1 表土层的屈服准则选取 表土层是塑性较强的弹塑性地质材料，在材料达到屈服极限后，可产生较大 的塑性流动。本次研究对表土层( 松散层) 采用莫尔一库仑( m o h r - - c o u l o m b ) 屈服准则： 互型生壁羔王堡竺兰兰堕堡! ：一 笙三翌堕= 墨垦墨堕互墨堡堂型堑塑堕坌堑 ，：口i 口，单+ 2 c 厚+ s i n ：p 2 口。3 面+ v l s l n 妒 ( 3 1 ) 式中： 口。，c r 3 分别是最大和最小主应力： c ，妒分别是材料粘结力和摩擦角。 当， o 时，材料将发生剪切破坏。材料在达到屈服极限后，在恒定的应力水 平下产生塑性流动。在拉应力状态下，如果拉应力超过材料的抗拉强度，材料发 生拉破坏。 3 2 2 岩石和煤强度准则的选取 岩石( 煤) 是一种脆性材料，当外荷载达到岩石的强度极限后，材料发生断裂 破坏，岩石的强度随围压的大小产生弱化现象。本文对岩石和煤采用虎克一布朗 ( h o c k - - b r o w n ) 强度准则： q ，= 毋+ 扛i 而_( 3 2 ) 式中： 盯，是在岩石峰值强度时的最大主应力： 盯、是最小主应力； m 、s 是材料常数，取决于岩石性质和原始破裂状况； d ，是岩石单轴抗压强度。 此外，当拉应力超过材料的抗压强度时，材料将发生拉破坏。 表3 1 计算模型的岩土材料力学参数 t a b l e 3 1m e c h a n i c sp a r a m e t e ro fr o c ka n ds o i lm a t e r i a lo f c a l c u l a t i o nm