（矿业工程专业论文）梁宝寺矿复杂煤层开采技术研究.pdf

山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文针对梁宝寺矿的地质条件，重点研究了复杂煤层条件下的建下开采方 法，并对复杂煤层的合理开采进行了研究。根据大采深、煤层厚度变化大及村庄 压煤等特征，采用类比、概论积分法和数值模拟计算方法，综合研究了不同开采 宽度与地表沉陷程度的关系，计算了首采面的宽度，确定了建下采用大条带开采 的方法：针对煤层复合结构特征，研究合理的开采技术，并根据煤层的变化，建 立了复杂煤层支架一围岩模型，计算了不同开采方法的支架阻力，结合煤岩层结 构特点，对支架进行了选型。实践证明研究结果符合实际。 关键词：建下开采复杂煤层支架阻力 坐查型垫查堂堡圭堂竺堡苎塑兰 a b s t r a c t ot h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o no fl i a n gb a ns ic o l l i e r y ，t h i sp a p e rh a sc h i e f l y r e s e a r c h e dt h em i n i n gm e t h o du n d e rb u i l d i n gu n d e rt h ec o m p l e xc o a ls e a mc o n d i t i o n a n d h a sc a r r i e do nr e s e a r c ht ot h er a t i o n a lm i n i n gw i t hc o m p l e xc o a ls e a r f l a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eh e a v ym i n i n gd e p t h ，t h ec o a ls e a mt h i c k n e s sc h a n g eh e a v y a n dv i l l a g ep i g e o n h o l ec t c ，t h i st e x tc o m p r e h e n s i v eh a sr e s e a r c k e dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ed i f f e r e n tm i m n gw i d t ha n dt h ed e g r e eo fs u r f a c es u b s i d e n c ea d o p t i n gt h e a n a l o g y ，l a wo f t o t a lm a r ko f o u t l i n ea n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c a l c u l a t et h ew i d t ho f 缶s tw o r k f a c e 。c o n f i r m e da d o p t i n gt h eb i gp a r t i a le x t r a c t i o nm e t h o du n d e rb u i l d i n g t ot h ec o m p o u n ds t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co fc o a ls e a n l ，i th a ss t u d i e dt h er a t i o n a l m i n i n gt e c h n o l o g y ，a c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo ft h ec o a ls e a m ，h a v es e tu pt h e s u p p o r t - s u r r o u n d i n gr o c km o d e lo fc o m p l i c a t e dc o a ls e a m ，h a sc a l c u l a t e dt h es u p p o r t r e s i s t a n c eo fd i f f e r e n tm i n i n gm e t h o d ，c o m b i n et h ec o a lr o c ks t r a t u ms t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c ，h a sc a r r i e do nt h es e l e c t i n gt y p et ot h es u p p o r t ，p r a c t i c eh a sp r o v e d t h er e s u l to f s t u d yc o r r e s p o n d st or e a l i t y k e y w o r d s ：m i n i n gu n d e rb u i l d i n g c o m p l e xc o a ls e a ms u p p o r tr e s i s t a n c e 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士论文，除了所列参考文献和世所公认 的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文尚没有呈交于其他任 何学术机关作鉴定。 a f f i r m 匕柚r i o n 研究生签名：多争乏 日 期：嘎f 、f f id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h e r e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fm a s t e ro fe n g i n e e r , i ns h a n d o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e t h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na t a n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e 些查型茎查兰塑圭兰笙堡塞一二! i 笙 1绪论 。1 课题研究的意义 梁宝寺矿位于山东省西南部，行政区划归嘉祥县，东南距嘉祥县城约2 0 k i n ，井田东 西宽约4 l l k m ，南北长约1 5 k m ，面积约1 3 5 k m 2 ，本区交通便利，兖( 州) 新( 乡) 铁路经由井田南部从嘉祥县城通过，京九铁路从井田西南部的荷泽经过。区内有公路直 达梁山、郓城、巨野、嘉祥、济宁等城市，另有京杭大运河从井田东侧通过。 并田地层属华j e 型沉积，含煤地层为石炭二迭系。井爵位于巨野囱斜东翼，为一东 界f l 断层，西界f 1 3 断层组成的地堑构造。区内地层呈南浅北深的趋势，因受区域断层 的控制，形成以梁宝寺向斜为骨干向j e 倾伏收敛的“裙边状”褶益构造，并伴生j e 东向 及北西向断层组，构造复杂程度中等。 井田主要含煤地层是下二迭统山西组和上石炭统太原组，平均地层总厚度2 6 4 4 m ， 共含煤2 7 层，其中山茵组含煤3 层，太原组含煤2 4 层，平均总厚8 7 0 m ，大部可采或 局部可采的有山西组的3 ( 3 ) 煤，太原组的1 6 、1 7 煤，稳定性较好，平均总厚4 7 4 m ， 占煤屡总厚的5 4 ，其中3 上、3f 煤层平均厚度3 3 6 m ，占可采媒瀑总厚的2 1 ，是本 井田的首采及主采煤层。 预进行条带开采设计的首采区域位于井田东翼，上部以f 3 2 断层为界。下部以f 8 断 层为界，东面为落差大于1 8 0 m 的f i o 断层。采深为7 3 0 8 4 0 m ，平均采深约7 7 5 m ，主 采煤层为3t 和3t 煤，其中3t 煤平均4 0 4 m ，3t 煤平均2 6 4 m ，中间夹1 1 6 m 泥岩。 3 煤层顶板多为泥岩、粉砂岩岩组，部分块段为中纽砂老组，其抗压强度僮，测并 计算为2 5 8 5 8 2 m p a ，岩样测试为1 7 6 6 7 4 m p a ，变化较大，岩石的完整程度差，为 较稳定移不稳定项板，3 煤底板岩性主要为泥岩、粉砂岩岩组，局部块段为中细砂岩岩 组，其抗压强度值大，测井计算为1 3 3 4 2 ，9 m p a ，岩样测试结果为3 7 7 9 7 5 4 m p a ， 岩石的完整程度较差，属较稳定不稳定底扳。 首采区地面多为村庄建筑物，其中，直接位于开采区芷上方的有张庄，在开采区周 围，但可能受到开采影响的有南宋庄、王庄、于庙、郝庄小学、方道沟和赵庙等，受影 响的村庄建筑物较多，面积较大。 堂查整茎查兰堡主竺垒堡茎 堕笙 由上述情况可知，该矿属于深部开采、具有复杂的地质条件及地面建筑物特点同 时第4 系裹土层厚度达到3 2 0 米，因此开采难度较大，对该矿复杂条件下的关键技术进 行研究具有重大意义。 1 2 课题研究现状及存在问题 建下压煤开采问题是很多矿井共同面临韵技术难题，特剐是对于一些进入后期和深部 开采的矿井，这个问题更加突出。当地面有村庄建筑物时，如果单纯用留煤柱的方法保护 地面建筑物必须造成煤炭资源的大量损失，对于矿井自身发展来讲，其工作面布置，生产 安排、矿井产量和经济效益必将受到严重影响。因此研究建下压煤开采技术具有重要意义。 建下开采的方法有很多，如充填开采、协调开采，每种方法都有其适用的条件和自身 的点，充填开采往往受资金投入、生产成本和充填材料等园素的昔赳约，协调开采、连续 开采往往受煤层赋存条件和地质条件的限制。而条带开采方法因简单易行对各种地质条 件的区域适应性较强等特点，目前已被一些矿井应用，取得了较好的效果。条带开采与其 它开采方法相比，其经济效益是晟好的，因为它比充填开采生产成本低很多，它比协调开 采生产组织简单，地面下沉与变形量小，地面建筑物扰动破坏小，无需赔偿，这也体现了 条采方案的优越性和选用该方法的必要陛。国内外条带开采实践证明，条带开采只要设计 合理，组织得当，是完全可以做到既保证地面建筑物安全又能取得好的经济效益的。 村庄、城镇等建筑物下压煤的开采技术，在世界各国采矿界得到了较为深入的研究， 就目前的情况而言，尽管有多种开采方法可用于建下开采，如充填开采、协调开采等， 但由于它们受地质条件、充填材料、生产成本等因素的限制，实际应用并不多见，而条 带开采作为一种简单易行的开采方法，应用十分广泛，目前已成为密集建筑群下安全开 采最常用的主要措施之一。 国内外采用条带开采进行建下采煤的例子很多，条带开采的地表下沉系数一般为： 充填条采o 0 1 0 0 5 ，冒落条采0 0 6 o 2 8 。条带开采作为种部分开采方法，其实质是 在开采范围内沿定的方向划分条带，采出一条，保留一条，用保留的条带煤柱支撑上 覆岩层的载荷，以控制岩层的移动，减少地表移动和变形，为保护地面建筑物提供可能， 条带开采法是保护地面建筑物的一种有效开采措施。 条带开采的主要特点表现在如下几个方面： 条采时，上覆岩层的冒落带，导水裂隙带发育高度一般较小，地表的下沉与变形 条采时，上覆岩层的冒落带，导水裂隙带发育高度一般较小，地表的下沉与变形 2 坐奎型茎盔兰堡主兰垡笙苎一一! ! 鱼 量小，可实现建下安全开采。采煤活动对围岩的破坏大大削弱，条采的回采工作面相 当于跳采，也有利于顺槽等巷道的维护。回采率较低，条采时一般把回采率限制在7 0 以下。条采时掘进率高，工作面较窄，搬家次数较多。正规的条带开采，每一个开 采条带上方，地表不会发生不均匀的波浪形下沉盆地，而只在整个采区上方出现统一的、 均匀的下沉盆地。 1 3 论文研究方法及技术路线 1 3 1 研究方法 本文主要通过类比研究、理论分析的手段来研究深部、复杂条件下建筑物下开采的 关键技术，并应用概率论积分法对地面下沉进行预计。 1 3 2 技术路线 ( 1 ) 矿区地质条件、地面建筑物情况调研； ( 2 ) 开采沉陷的类比计算； ( 3 ) 概率论积分法的预测研究： ( 4 ) 数值模拟计算研究； ( 5 ) 合理开采方法的确定。 1 4 论文主要研究内容 1 、我国建下开采的分析 2 、地面变形破坏的预计 ( 1 ) 类比方法预计；( 2 ) 概率论积分方法计算；( 3 ) 数值模拟计算。 3 、采区合理开采方法的确定 ( 1 ) 工作面宽度的确定；( 2 ) 工作面支架的选型；( 3 ) 巷道的支护技术。 4 、煤柱安全性评价研究 3 山东科技大学硕士学位论文 矿井概况 2 矿井概况 2 1 交通位置 粱宝寺矿位于山东省西南部，行政区划归嘉祥县，东南距嘉祥县城约2 0 k i n ，井田东 西宽约4 1 i k m ，南北长约1 5 k m ，面积约1 3 5 k i n 2 ，本区交通方便，兖( 州) 新( 乡) 铁路经由井田南部从嘉祥县城通过，京九铁路从井田西南部的荷泽经过。区内有公路直 达梁山、郓城、巨野、嘉祥、济宁等城市，另有京杭大运河从井田东侧通过。 2 2 地质特征 本井田地层属华北型沉积，含煤地层为石炭二迭系。井田位于巨野向斜东翼，为一 东界f i 断层，西界f 1 3 断层组成的地堑构造。区内地层呈南浅北深的趋势，因受区域断 层的控制，形成以梁宝寺向斜为骨干向北倾伏收敛的“裙边状”褶曲构造，并伴生北东 向及北西向断层组，构造复杂程度中等。 2 3 煤层及开采概况 本井田主要含煤地层是下二迭统山西组和上石炭统太原组，平均地层总厚度 2 6 4 4 m ，共含煤2 7 层，其中山西组含煤3 层，太原组含煤2 4 层，平均总厚8 7 0 m ，大 部可采或局部可采的有山西组的3 ( 3 ) 煤，太原组的1 6 、1 7 煤，稳定性较好，平均总 厚4 7 4 m ，占煤层总厚的5 4 。, ，其中3t 、3t 煤层平均厚度3 3 6 m ，占可采煤层总厚的 2 1 ，是本井田的首采及主采煤层。 2 4 研究区地质开采概况 预进行条带开采设计的首采区域位于井田东翼，上部以f 3 2 断层为界，下部以f g 断 层为界，东面为落差大于1 8 0 m 的f 1 0 断层。采深为7 3 0 8 4 0 m ，平均采深约7 7 5 m ，主 采煤层为3 和3t 煤，其中3 煤平均4 0 4 m ，3t 煤平均2 6 4 m ，中间夹1 1 6 m 泥岩。 3 煤层顶板多为泥岩、粉砂岩岩组，部分块段为中细砂岩组，其抗压强度值，测井 计算为2 5 8 5 8 2 m p a ，岩样测试为1 7 6 6 7 4 m p a ，变化较大，岩石的完整程度差，为 较稳定和不稳定顶板，3 煤底板岩性主要为泥岩、粉砂岩岩组，局部块段为中细砂岩岩 组，其抗压强度值大，测井计算为1 3 3 4 2 9 m p a ，岩样测试结果为3 7 7 9 7 5 4 m p a ， 4 些查型垫奎兰堡圭兰垒鲨兰 ! 苎塑塾 岩石的完整程度较差，属较稳定不稳定底板。 2 5 地面建筑物概况 酋采区地面多为村庄建筑物，其中，直接位于开采区正上方的有张庄，在开采区周 围，但可能受到开采影响的有南宋庄、王庄、于庙、郝庄小学、方道沟和赵庙等，受影 响的村庄建筑物较多，面积较大。 从调查情况看，地表建筑大致有三种类型，一为年久失修的土坯房，这种房子一般 经受不住任何地表的变形扰动：二为一般砖石结构的单层房屋，具有一定的抗变形能力； 三为刚刚建起的二层楼房，多为砖混结构，基础较浅。从数量上看，单层砖石结构的房 屋较多，其次为破旧的土坯房，二层楼房多为近年建起，数量相对较少。 5 生查型苎盔兰堡主兰垡篓苎 堕墨三堡耍望堕丝型堡生! 堕墨三笪亘茎垦! ! ! 旦 3 首采工作面沉陷控制设计( 首采工作面长度选择) 3 1类比计算 3 1 1 开采煤层条件 ( 1 ) 开采煤层厚度6 8 m 检1 钻孔：3 _ 2 5 m ：夹石= 0 7 m ；3t - 2 5 m ；合计= 5 7 m 。 检2 钻孑l ：3i - - # m ；夹石= 1 i m ；3f = 2 5 m ：合计= 7 6 m 。 ( 2 ) 开采深度：7 4 0 m ，其中： 表土厚：3 6 0 m ，基岩厚：3 8 0 m ，煤层倾角：8 0 左右。 3 1 2 类比计算 1 计算模型( 图3 - 1 示) 一1ji n 乙。 j 6 。 、 b 、太么一 l e 4 、! 弋一玛一? j ? a | “一 g 九戡 适移 、， f 淖i 卜 粼 l 1 l 汹k 杉钐彩形形钐杉钐形钐钐彰勿獭蕊据纷勿彩形形形钐钐钐形形no 哆钐 肾 一 1 削 sliio 图3 - 1 计算模型图 2 对比计算实践基础 ( 1 ) 采用兖州济三煤矿，1 3 0 1 ，4 3 0 1 和6 3 0 1 三个工作面实测结果。 6 生查型垫查兰堡主兰竺兰茎 蔓墨三堡重望堕矍型兰茎! 堇墨三笪亘兰! ! i 量堡! 1 3 0 1 工作面 工作面长度l o = 1 7 0 m 采高( 煤层厚度) m - - 6 6 5 m 煤层倾角a = 6 。 开采深度h - - 4 8 0 m 表土厚度h b = 1 6 0 m 最大下沉值w m a x - - - 7 0 0 m m 沉陷范围s b = 7 5 ( d 4 3 0 1 工作面 工作面长度l o = 18 0 r n 采高( 煤层厚度) m = 6 6 5 m 煤层倾角a = 6 0 8 。 开采深度h = 5 7 0 m 表土厚度h b = 1 6 0 m 最大沉陷值w m 。, = 7 0 0 m m 最大沉陷范围s b = 8 5 0 m m ( 要) 6 3 0 1 工作面 工作面长度l o = 2 10 m 采高( 煤层厚度) m = 6 6 5 m 煤层倾角a = 铲酽 开采深度h = 6 7 8 m 岩土厚度岛= 1 6 0 m 最大沉陷值w r 。= 5 5 0 6 2 0 m m 最大沉陷范围s b = 9 2 6 m m 3 对比计算理论基础 基本计算公式： 最大沉陷值：。= y o + 氐 ，。 p l 上曲一唧 表土目 j l ，镪j e j 图3 - 21 3 0 1 工作面示意图 jl 了7 11 表土 、 j j j ； ，么。j ： 6 b 图3 - 34 3 0 1 - r 作面示意图 移动角6 9 一 i i n 高6 表土刍 1 = _ 了 。 目 7 f ，奄 l “q i 1 7 图3 46 3 0 1 工作面示意图 ( 1 ) 山东科技大学硕士学位论文 首采工作面沉陷控制设计( 首采工作面长度选择) 非y 。= 鼍 民= 鲁 h ir i + hh 岛e 1 4 警( 1 + 静2 百c o a p ( 1 + 聋h l 。鲁( 1 十j 甄2 h p ) ：三堕r 1 + 三生 1 3 2 、 2 ( h + 爿j ) 一三o 7 其中：c i p2 兹 式中：一岩土厚度； h 一岩土容重； o 一拱部岩梁第一次裂断来压步距( 即拱上支托梁的自由悬跨度) 。 g d _ 一煤层压缩的刚度。 ，r 一基岩岩梁数： 埋广基岩厚度； 月卜拱顶覆岩厚度。 岛，厂f ，日分别为破坏拱上基岩各岩层的厚度，容重和压缩弹性模量。 s 、b 实测支承压力分布范围，相对兖州济三煤矿3 号煤矿s o = o 2 5 h 。 q r 为上覆岩层压力，可近似由下式表示。 绋：( 2 s + l _ + s b ) h r o 一2 c h l 。 ：竺：三垡! ：! 鱼! 童里与望日 2一警其峨= 每 一hrp05h+05h+2ctgoh三兰d二型ocoo 2 8 其中c = ：1c 。 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 山东科技大学硕士学位论文 首采工作面沉陷控制设计( 首采工作面长度选择) ：h r p h ( i + 2 c t g # ) + 2 l o - 2 r p l o 2 最大沉限范围s 。 或s b = 2 s + 厶+ 2 h c t 9 8 对应济三矿煤层的开采条件，( r n = 6 6 5 m ， f = - i 5 2 0 放顶煤全厚开采) s = 0 2 5 h 口= 6 0 。7 0 。 二岛三a + 0 5 h + 2 h c t 9 7 0 。 2 域o 5 + 2 c t 9 7 0 。) 十幻 = 1 2 2 砒0 平均水平变形占( m m m ) 1 sh 一”詈g = ，占 ；1 旦 2 ，占 厶=2 + 吃 、，乒二一 沁7 j 平均斜率k 搀妒等 图3 - 5 最大下沉量计算模型图 9 ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) ( 8 ) 山东科技大学硕士学位论文 酋采工作面沉陷控制设计( 首采工作面长度选择) 对比计算关系方程及其求解基础 w m a x l5 y o j + 民 舯= 格 其中： 其中： 耻鲁0 + 而2 妙h b , ) m a x 2 = y 0 2 + 占0 2 3 q r ： y 0 2 。s 。0 1 。2 。g 。o 瓯：= 百c o t 2 p 1 + y o ：2 a y o 2 h 2 2 ( h 2 h 6 2 ) 一上0 2 2 绋2 ：h 2 r p h a ( 1 + 2 c t g o _ 2 ) + l 0 2 - c o r p l 0 2 s o i = o 2 5 h s 0 2 = o 2 5 h 2 占0 2 = 6 6 0 其中：b =型h 2 - l 0 2 ) 2 ( h 1 一h b l ) 一l 0 1 2 ( h l l 0 1 ) 2 ( 。一风：) 一上。2 】 ( 9 ) ( 1 0 ) ( 1 1 ) ( 1 2 ) 联系求解( 8 ) 、( 9 ) 、( 1 0 ) 、( 1 1 ) 方程，得，o l 、j ，。：、4 、也由下式计算出煤层压 缩刚度g 。值。 1 0 逝& g 岛 = 盯 山东科技大学硕士学位论文 首采工作面沉陷控制设计( 首采工作面长度选择) g 。：塑：垫l ( 1 3 ) 。y o i s o ld o z s 0 2 。 关于采高( 煤层厚度) 的影响 不同开采煤层厚度及厚煤层不同采高，对地表沉陷有主要影响。其影响通过不同采 高条件下，煤层的压缩包括压缩量及压缩范围的移动岩层范围差量实现的。其关系如图 3 - 6 所示。 e6 2 e 4 2 0 图3 - 6 采高对煤层压缩参数的影响图 兖州三号煤层实测研究证明 s 稍彬 当m = 6 6 5 m 时 s = o 2 5 h s d = o 2 5 s 不同采高条件下支承压力分布范围s 及塑性破坏区间昂的关系如图3 - 7f i f i t 示, ，其近 似关系方程为： s 。= h c t g 占= 5 山东科技大学硕士学位论文 首采工作面沉陷控制设计( 首采工作面长度选择) 归志5 一= 4 a p = 2 0 h | 口| 、i | | 。j 。严 s os 1 一 s 2 s 口s t 一 s 一 即瓯：拿岛 ，l 又h l = 6 m 时 s m = o 2 5 h 图3 7 塑性破坏区受力示意图 故得该煤层条件下，支承压力的分布范围与采高的关系表达式为： 瓯= 鲁( o 2 5 h ) 观0 4 矗啊 ( 1 4 ) 或s 。；罢( o 2 5 h ) ：0 0 4 m h ( - - 次全厚开采) o 相应条件下的地表沉陷范围s b 为： 1 2 ( 1 5 ) 一啊 j | i 山东科技大学硕士学位论文 首采工作面沉陷控制设计( 苜采工作而长度选择) s 6 = l 。+ 2 s ，+ 2 h c o 留o = l o + 2 柚0 4 耠肌2 唧p ( 1 6 ) = z o + o 0 8 m h + 2 h c o 留7 0 0 = l 。+ o 。o g m h + o 7 2 h 对比计算步骤： 根据同一煤层不同开采深度( h ) 和工作面长度l o 条件对比计算求出煤层压缩刚度 g o 值，即由下列方程联系求解 虬l + 6 0 l = m a x l y 0 2 + = w m a x 2 y 镗= q y 0 1 8 0 2 = b 6 0 l 得y y 。：，民，及按下式计算得g o g 0 ：丽3 q j _ l 。，= 面3 q r 2 计算既定开采条件h m l ，凰等下的煤层最大比压缩值y o l = 器 其中：s = o 0 4 h h q ，=( s 6 + 2 s + 三。) 月一c 0 0 三。 2 s 6 = l o + h ( 0 7 2 + o 0 8 m ) 计算既定开采条件( h h b 肌l o ) 下的覆岩挠度瓦值： 6 a = b 6 t 其中：6 。为实测对比挠度值。b 为挠度对比系数 1 3 坐查登茎奎兰蟹主兰垡丝兰 计算地表最大沉陷值w 。 首采工作面沉陷控制设计( 首采工作面长度选择) o = y o + 氏 计算地表水平变形及倾斜变形值等 列出沉陷控制方案计算选择表( 不同开采工作面和不同厚度条件) 4 梁宝寺煤矿开采沉陷对比计算 对比计算3 4 煤层压缩刚度g 。 对比工作面条件 3 1 0 1 工作面条件及实测结果 仁? 民。= 7 0 0 m h o 】= 1 6 0 m h s = 3 2 0 m h i = 4 8 0 m s b i = 7 5 0 m l 1 = 1 7 0 m 6 3 0 1 工作面条件及实测结果 m = 6 r l l a = 6 w m a x l = 6 2 0 m h b = 1 6 0 m h 9 2 5 1 8 m h = 6 7 8 m m l = 2 1 0 m s b = 9 2 6 m 对比计算方程及相关参数确定 w m a x l = y l + 4 = 7 0 0 m 山东科技大学硕士学位论文苜采工作面沉陷控制设计( 首采工作面长度选择) w m a x l = _ y + 艿= 6 2 0 y 硼= 嚣y 其中：墨= 0 2 5 h i = o 2 5 x 4 8 0 = 1 2 0 m s = 0 2 5 。阿= 0 2 5 x 6 7 8 = 1 7 0 所 q l = ( s 1 + 2 s _ 1 _ + l 1 ) h r p c 。三】o 2 ：( 7 5 0 + 2 x 1 2 0 + 1 7 0 ) 4 8 0 - 2 5 2 = 6 9 6 0 0 0 2 1 2 5 c d 取c o = 4 0 q t l = 6 9 6 0 0 0 8 5 0 0 = 6 8 7 5 0 0 g = ( 墨+ 2 s + l ) h r pl o o 22 ：( 9 2 6 ，+ 2 x 1 7 0 + 2 1 、0 ) 6 7 8 x 2 5 2 = 1 2 6 7 5 1 5 2 6 2 5 c o 使c o - - - 4 0 m q r = 1 2 6 7 5 1 5 1 0 5 0 0 = 1 2 5 7 0 1 5 代入得 又 1 7 0 2 5 c o 2 2 1 0 2 5 c o 2 口：墼：堕! ! ! ! ：! ! 竺：1 2 9 乩3 q l s 6 8 7 5 0 0 1 9 0 。 y = 1 3 y i 占= b 8 1 其中：6 2 2 ( ( h 瓯- 雨l ) 2 陬( h , - 丽h o , 两) - l , 1 5 山东科技大学硕士学位论文首采工作面沉陷控制设计( 首采工作面长度选择) ：2 ( 。6 7 8 - 2 1 0 ) ， 2 ( 4 8 0 - 1 6 0 ) - 1 7 0 2 ( 4 8 0 1 7 0 ) 2 ( 6 7 8 1 6 0 ) 2 1 0 9 3 6 - 4 7 0 6 2 0 8 2 6 = 0 8 。 占= o 8 占l 联合解 y i4 - 4 = 7 0 0 1 3 y l + o 8 4 = 6 2 0 i 3 ( 7 0 0 一点) + 0 8 6 1 = 6 2 0 9 1 0 1 3 8 1 + 0 8 8 1 = 6 2 0 o 5 正= 9 1 0 6 2 0 = 2 9 0 a ：堡：5 8 0 0 5 占 y = 7 0 0 5 8 0 = 1 2 0 r a m f y 2 = 1 3 y l = 1 3 1 2 0 = 1 5 6 r a m 峨= 0 8 点= 0 8 5 8 0 = 4 6 4 m m 煤层压缩刚度g o 由下式算出 其中 又 y l = 1 2 0 s 1 = 1 2 0 g 】= 6 8 7 5 0 0 g一7o 3x 6 8 7 5 0 0 1 4 3 2 面而2 厶m g o ；垫 y s g ：旦 。y o s i 1 6 山东科技大学硕士学位论文 首采工作面沉陷控制设计( 首采工作面长度选择) y = 1 5 6 s = 1 7 0 q t = 1 2 5 7 0 1 5 g 3 x 1 2 5 7 0 1 5 1 4 2 7 o 1 5 6 1 7 0 m m 二采区全厚放顶煤开采条件下地表沉陷计算 ( a ) 开采煤层条件如下： 煤层厚度6 5 米； 平均采深h = 7 8 0 m , 平均表土厚h b = 3 8 0 m , 平均基岩厚h f 7 8 0 3 8 0 = 4 0 0 m ； 煤层压缩刚度g o = 1 4 2 t m m 。 ( b ) 对比参数确定： 3 1 0 1 工作面： g ：塾3 x 6 8 7 5 0 01 4 3 7 坍m 。 s i q 1 2 0 1 2 0 = = ( 7 8 0 - l o ) 2 ( 4 8 0 - 1 6 0 ) - t 7 0 z ( 4 8 0 一1 7 0 ) ( 8 0 0 一。) ：0 7 6 x ( 7 8 0 - l o ) ( 8 0 0 一三。) 三。= 1 0 0 ；b = o 7 3 三。= 1 2 0 ；b = o 7 4 三。= 1 5 0 ；b = 0 7 5 6 3 0 1 工作面： g 。：塾；3 x 1 2 5 7 0 1 5 ：1 4 2 7 m m 。 s 1 q l 1 5 6 1 7 0 1 7 山东科技大学硕士学位论文 首采工作面沉陷控制设计( 酋采工作面长度选择) b =( 日一l 。) 2 ( q h t 。) 一l 】 面j 丽瓯f 调 ：( 7 8 0 - l o ) 2 ，( 6 7 8 - 1 6 0 ) - 2 1 0 2 ( 6 7 8 - 2 1 0 ) 2 ( 6 7 8 1 6 0 ) 2 1 0 ：0 8 8 ( 7 8 0 - l o ) ( 8 0 0 一l o ) 三。= 1 0 0 ；b = 0 8 5 即：l 。= 1 2 0 ；b = o 8 5 上。= 1 5 0 ；b = o 8 5 3 1 0 1 与6 3 0 1 两工作面平均得： g o = 1 4 2 1 4 3 取1 4 2 5 b = o 7 3 o 8 5 取0 7 9 ( c ) 推算梁宝寺全厚开采压缩沉降值y 。 3 q - t 扎2 赢 其中：s = o 0 4 h h = 0 0 4 6 5 7 8 0 = 2 0 2 只= l o + 2 s + 2 h c a t 7 0 = 三。+ 2 2 0 2 + 2 x 7 8 0 x 0 3 6 = 9 6 7 一l 。 岛= 坠譬等堕一半 = 1 3 3 9 6 5 0 + 1 8 8 5 厶 g o = 1 4 2 5 当“圳确2 卺= 巡篆学划s 删 8 坐查登苎查堂堡主兰垡兰苎 蔓墨三堡重堡堕丝苎! ! ! 垦兰! 堇墨三堡耍苎壅垄堂! l o = 1 2 0 m ；y o = 鼍= 型麓铲娟s m m 。= 1 5 0 m ；y o = $ 3 鼍o = 三兰蔓薹i 誓；! ；掣= s ，埘，” ( d ) 推算采场上覆梁( 拱顶) 沉降值皖 舯m = 器 s ，= 1 2 0 m s 6 = 7 5 0 m 绋= y l3 坑= b d l 一= 7 0 0 一y l ；( 阡，m 。l = y 1 + 4 = 7 0 0 r a m ) ( s 6 + 2 s l + 工1 ) h l ，。c 。 2 l i 2 ( 7 5 0 + 2 1 2 0 + 1 7 0 ) 4 8 0 2 5s o 2 5 1 7 0 22 = 6 9 6 0 0 0 1 0 6 2 5 = 6 8 5 3 7 5 3 6 8 5 3 7 5 1 2 0 1 4 3 = 1 2 0 r a m 磊= 7 0 0 一y l = 7 0 0 1 2 0 = 5 8 0 m m j 。= b 8 1 = ( 0 7 4 一o 8 5 ) x 5 8 1 = 4 2 9 4 9 3 = 4 6 1 m m ( e ) 推算地表最大沉陷值 国。“o = y o + 瓯 三。= l o o m ；蹄。o = 1 5 8 + 4 6 1 = 6 1 9 m m l o = 1 2 0 m ；矸，m 。o = 4 6 1 + 1 6 3 = 6 2 4 m m l 。= 1 5 0 m ；陟，m 。o = 4 6 1 + 1 6 9 = 6 3 0 m m 分层开采方案沉陷计算 3 tm - - - 4 0 3tm = 2 5 研究证明下列近似关系成立： 1 9 山东科技大学硕士学位论文 首采工作面沉陷控制设计( 酋采工作面长度选择) ( a ) 同一采深和工作面长度条件下，不同厚度煤层的煤层压缩范围s 与煤层厚度成 正比，在充州求得的关系为： s = 0 0 4 m h ( b ) 同一煤层不同采厚条件下的最大压缩沉降值的差量可以近似按以下比例计算。 s ， y o 2 嚣 y o 采厚r f l = i l l o 条件下的最大煤层压缩值： y 。采厚m = m 1 条件下的最大煤层压缩值； & 采厚m = i n o 时的压缩范围； s 采厚m 砌l 时的压缩范围。 已知：m - - i i l l = 6 m 时 s i = o 0 4 m l ；日= 0 0 4 6 5 x 7 8 0 = 1 8 7 m i 厶= 1 0 0 ；y l = 1 5 8 m m y i 。l o = 1 2 0 ；y l = 1 6 3 m m l k = 1 5 0 ；y l = 1 6 9 r a m 故：m = m o = 4 m 时 s l = 0 0 4 m 1 ；日= 0 0 4 x 4 x 7 8 0 = 1 2 4 m 虬= 要y ，= 罱y - o s s y y i 2 1 5 8 m m ；y 。21 0 4 r a m y i = fy l = 1 6 3 m m ；y o = 1 0 7 m m b = 1 6 9 m m ；y o = 11 2 r a m 为此可推断m = 4 m 条件下，最大地表沉陷最大值分别为： l o = 1 0 0 m ；阡，m 。= 瓦+ y o = 4 6 1 + 1 0 4 = 5 0 5 r a m 上。= 1 2 0 m ；阡，m 。= 磊+ y o = 4 6 1 + 1 0 7 = 5 6 8 m m o = 1 5 0 m ；阡，m 。、= 瓯+ y o = 4 6 1 + 1 1 2 = 5 7 3 m m 同理求得：m = 2 5 m 时， 山东科技大学硕士学位论文酋采工作面沉陷控制设计( 首采工作面长度选挥) s o = 0 0 4 2 5 7 8 0 = 7 8 m ：丽7 8y 1 ；0 4 2 ) 。面y 12 ”4 印 l o = l o o m ；y o = o 4 2 1 5 8 = 6 6 4 m m l o = 1 2 0 m ；y o = 0 4 2 1 6 3 = 6 8 5 r a m l o = 1 5 0 m ；y o = o 4 2 1 6 9 = 7 1 9 m m 地表最大沉陷值 l o = l o o m ；阡r m 。= 磊+ y o = 4 6 1 + 6 7 = 4 8 3 m m l o = 1 2 0 m ；陟二。= 民十y o = 4 6 1 + 6 9 = 4 8 5 m m l o ；1 5 0 m ；陟r m 。= 氏+ y o = 4 6 1 + 7 2 = 4 8 8 m m 3 2 本节结论 ( 1 ) 全厚开采条件下，首采工作面长度不超过1 2 0 m 。 ( 2 ) 分层开采条件下，首采工作面长度可以达到1 5 0 m 。 2 1 y & 一s 一一 0y 山东科技大学硕士学位论文 首采区概率积分法地表移动变形预测 4 首采区概率积分法地表移动变形预测 4 1济三煤矿6 3 0 1 工作面沉陷预计验证 利用济三矿实测得到的概率积分法参数进行预计，结果如下： 图4 - 1 济三矿6 3 0 1 面地表下沉等值线图 图4 - 2 济三矿6 3 0 1 面地表下沉三维图 生查整茎查兰堡主堂垒笙苎 堕墨垦堡至篓坌堡垫塞箜垫壅丝塑型 从预计结果可以看出，预计最大下沉值为7 1 7 r a m ，而实测下沉值为6 2 9 m m ，预计值大 于实测值约1 4 ，满足工程精度要求。可以应用概率积分法对梁宝寺首采面的沉陷进行预计。 4 2 梁宝寺矿首采面开采地表沉陷预计成果 根据矿井的生产计划，首采工作面只采第一分层，煤层采厚为3 8 m ，现应用概率积分 法对首采面宽度分别为8 0 m 、9 0 m 、l o o m 、l l o m 、1 2 0 m 时地表沉陷进行预计，预计结果 如下，图4 - 3图4 7 分别为不同开采宽度的地表下沉等值线，表4 - 1 为地表移动变形最大 值。 图4 - 3 采宽8 0 米时地表下沉等值线图 图4 - 4 采宽9 0 米时地表下沉等值线圈 2 3 山东科技大学硕士学位论文首采区概率积分法地表移动变璐预测 图4 5 采宽1 0 0 米时地表下沉等值线图 图4 - 6 采宽1 1 0 米时地表下沉等值线图 2 4 坐查型茎奎兰堡主堂竺堡兰 董墨垦坚皇型丝墨翌塾奎垩i ! 盟 国4 - 7 采宽1 2 0 米时地表下沉等值线图 表4 - 1 首采面不同采宽地表移动变形最大值 变形 倾斜i ( m m m ) 曲率水平移动水平变形 下沉 k ( m m m m )u ( m m )占( r a m m ) 最大值 w ( r a m ) 方案 走向倾向走向倾向走向倾向走向倾向 o 7o 9 0 0 0 20 0 0 3 1 0 1 61 6 1 10 2 0 4 方案i 4 2 1 3 采宽8 0 m 0 7o 90 0 0 20 0 0 5，1 0 1 69 9 8一o 2o 6 方案n o g1 1o 0 0 20 0 0 41 1 8 31 9 7 4o 3o 5 采宽9 0 m 4 8 5 6 0 81 10 0 0 2 - 0 0 0 6 1 1 8 31 0 2 4o 3o 7 方案i o 91 2 0 0 0 30 0 0 51 2 8 6 2 2 1 8 0 3o 6 采宽l o o m 5 2 1 1 - 0 91 20 0 0 3o 0 11 2 8 6 1 3 2 ，4 0 + 31 2 方案 1 11 30 0 0 30 ，0 0 91 4 5 52 5 3 40 4o 7 采宽1 l o r e 5 7 8 ，2 - 1 11 3 0 0 0 30 0 1 21 4 5 5 1 6 2 30 4 。1 8 方案v 1 t 3 1 80 0 0 30 0 0 91 6 8 5 2 8 7 6o 5 o 8 采宽1 2 0 m 6 5 8 5 1 31 80 0 0 30 0 1 51 6 8 5一1 9 1 7- o 5 2 0 从计算结果可以看出，当首采面只开采第一分层时，随着采宽的增加，地表下沉及 变形值逐渐增加，如果以砖石结构建筑物的破坏等级为衡量标准，当开采宽度为8 0 米时， 地表变形在i 级破坏范围内；当采宽为1 2 0 米时，地表的水平变形达到i 级破坏的最大 坐查型垫查兰堡主兰垡堡苎 堇墨里塑奎望坌鲨些塞墅塾壅型曼型 值。考虑如下两个因素：( 1 ) 首采工作面上方有相当数量年久失修的坯房，这些房屋 抵抗变形的能力极差，当其它砖石结构房屋尚在i 级破坏范围内时，这些房屋就可能已 经发生破坏；( 2 ) 上面预计的只是单个首采工作面的地表沉陷