（水利工程专业论文）河道下采煤沉陷治理模式研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：k 雌 日期：越 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名望垒釜导师签名：日期：量竺壁：篁! f 护 摘要 本文研究和探讨了河下采煤沉陷机理、危害分析和沉陷治理模式。围绕河 下采煤沉陷危害分析及防治措施，展开了深入的调研和理论探讨。在指导思想、 技术创新、方案论证、综合治理等方面做了大量的研究工作。本文在系统总结 河下采煤沉陷机理的基础上，分析了采煤沉陷对河道造成下沉、破损等损坏的 危害性，依据水利行业规范，提出了开展河下采煤防洪评价的内容和方法；通 过现场调研，运用理论分析和实践相结合的方法，系统总结了济宁辖区内河下 采煤沉陷的损毁特征，河下采煤沉陷治理发展的过程和治理模式，运用技术经 济分析方法，从河下采煤对河道功能的损毁恢复、河下采煤安全及经济上等方 面对河下采煤的可行性进行了研究，得出了河下采煤可行的结论。 本文在调查研究的基础上，系统分析了现有沉陷后治理模式中存在的问题， 针对采煤企业的生产特点和河道水文特性，提出了以做好治理规划为前提，采 取预加固及沉陷后综合治理相结合的河下采煤沉陷治理模式，并对治理中有关 的技术问题进行了初步的研究，对河槽整治、堤防选型、煤矸石利用等方面提 出了具体的解决方案，具有较强的针对性和指导性，为开展河下采煤沉陷治理 提供了依据，为实现河下连续开采提供了技术支持，具有较好的推广和实用价 值。 关键词：河道采煤沉陷治理模式研究 a b s t r a c t i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fe x c a v a t i n gc o a lu n d e rt h er i v e r ，t h e p a p e rs t a r t so ns t u d y i n gt h er u l eo fr o c kb ed a m a g e db ye x c a v a t i n gc o a l a n da n a l y s e st h ec h a r a c t e ro ft h er i v e rd a m a g e db ye x c a v a t i n gc o a l s u c h a sc a v ei na n dc r a z e i tp r o v i d et h ec o n t e n ta n dm e t h o df o rf l o o dc o n t r o l i m p a c te s t i m a t i o n t h ep a p e rs t u d i e st h ef e a s i b i l i t yt oe x c a v a t ec o a l u n d e rt h er i v e rf r o mr e n e w i n gt h ef u n c t i o nt od a m a g e dr i v e ra n ds e c u r i t y a n de c o n o m i ca n dd r a wac o n c l u s i o nt h a te x c a v a t ec o a lu n d e rt h er i v e r i sf e a s i b l e t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ed e v e l o p i n gc o u r s eo ft r e a t i n gw i t h t h ef u n c t i o no ft h er i v e rw h i c hh a v eb e e nd a m a g e db ye x c a v a t i n gc o a l u n d e rt h er i v e rb er e n e w e da n dd i s c u s st h es h o r t a g eo ft h em o d eo ft r e a t i n g w i t ht h er i v e r sf u n c t i o nb er e n e w e da f t e rt h er i v e rb ed e s t r o y e di n p r a c t i c ea n dp u tf o r w a r dt h em o d eo fr e n e w i n gt h er i v e r sf u n c t i o n b ed e s t r o y e d b ye x c a v a t ec o a lu n d e rt h er i v e rb yi n t e g r a t i n gt h e p r e t r e a t m e n tm e t h o dw i t ht r e a t m e n tm e t h o da f t e rt h er i v e rd e s t r o y e d i t d i s c u s s e st h et e c h n i q u eo ft h em o d es i m p l y t h ep a p e rp r o v i d e st h e g u i d a n c ef o re x c a v a t i n gc o a lu n d e rt h er i v e ra n d f o rr i v e rc a v e c o n t r o lli n g t h ep a p e ra l s op r o v i d e st h es u p p o r tf o rp e r s i s t e n te x c a v a t e c o a lu n d e rt h er i v e ri nt e c h n i q u e k e y w o r d s ：r i v e r e x c a v a t ec o a l c a v ei nc o n t r o lm o d ed i s c u s s 2 m 东大学t 程碗十学位论文 一、综述 ( 一) 问题的提出 山东省济宁市煤炭资源丰富，全市预测煤炭储量2 6 2 1 5 亿吨，居全省第一 位，为全国八大煤炭基地之一，含煤面积4 6 1 4 平方公里，占全市面积的4 3 2 ，拥有济宁、兖州、滕南、滕北、梁山、巨野、金乡、汶上等煤田和泗水、 新嘉驿、鱼台等含煤预测区等煤炭资源基地，共查明煤矿、预测区等6 3 处，见 表1 - 1 1 。丰富的资源，良好的煤质，加之近几年煤炭价格的不断攀升，吸引了 众多煤炭企业的拥入，济宁市原煤产量2 0 0 3 、2 0 0 4 年稳定在8 0 0 0 万吨左右， 预计2 0 1 0 年将突破l 亿吨。煤矿的开采在为国民经济发展提供能源保障、为企 业带来利润、为政府增加财政收入的同时，采空区引起的塌陷也带来严重的负 面效应，截至2 0 0 3 年末，全市共累计塌陷土地1 8 万亩，且每年以2 0 万亩的 速度发展。特别是“三下”( 建筑物下、水体下、铁路下y 采煤开禁后，采空塌 陷造成村庄搬迁、道路损坏、河道损毁，带来严重的资源环境问题和社会问题。 其中水下采煤造成河床、滩地，堤防下沉，开裂，使河势改变、河道功能丧失， 带来严重的防汛安全问题。 表1 - 1 1济宁市辖区内煤田、预测区一览表 市域内面积预测储量煤矿井田 预测区、 煤田、预测区名称普查区等 ( 1 m 2 )( 亿吨)( 处) ( 处) 媵南煤田3 6 03 5 81 7 0 兖州煤田 4 4 03 8 7 4 1 7 1 济宁煤田9 2 2 ，85 0 8 8 “l 滕北煤田 3 4 01 5 3 750 金乡煤田4 3 62 7 5 2 03 粱山煤田2 9 7 61 5 9 31 1 巨野煤母 4 。o2 4 8 111 汶上煤田 3 6 01 2 5 21l 新嘉驿预测区 2 7 35 9 401 = ；四水预测区1 6 4 4 3 ，6 90l 鱼台预测区 6 0 03 1 1 5ol 合计4 6 1 3 8 2 6 2 1 5 5 3 1 1 ( 二) 课题研究的目的和意义 济宁市属淮河流域，居南四湖水系的下游，境内河流众多，交叉密布全境， 仅流域面积5 0 k m 2 以上的河流就有9 l 条，总长度达1 5 1 6 k m 。河流下压煤众多， 为充分利用地下煤炭资源，为国民经济的发展提供能源保障，为煤矿企业生存 3 山东大学t 毳砸十学位论文 和区域经济发展，济宁市已先后在白马河、蓼沟河、幸福河、泗河下开采了煤 炭资源，今后，河下采煤状况将更加严峻。为统筹解决好河下采煤与确保河道 功能的闯题，开展河下采煤塌陷治理研究，探索在确保河道防洪安全的前提下， 安全开采河道下煤炭资源的河道塌陷治理模式，具有较大现实意义与较高的经 济效益和社会效益 ( 三) 本文的研究方法和研究内容 1 、采用理论研究的方法，对河下采煤沉陷机理进行研究，对河下采煤造成 的河道损毁的危害性进行分析，对河下采煤进行防洪评价，对河下采煤的可行 性进行分析； 2 、采用现场调研的方法，对济宁辖区内煤炭分布，河下采煤现状、损毁特 征、沉陷治理发展过程和治理模式进行系统总结； 3 、系统分析，理论与实践相结合的方法。分析现行河下采煤沉陷治理模式 中存在的问题，根据河下采煤沉陷机理和河道的行洪特点，提出更具有实用性 的治理模式。 4 也末大学t 程礤十学位论交 二、采媒沉陷机理研究 国i 为# 1 - 对采煤沉陷机理研究的比较充分。本文对采煤沉陷不作重点研究， 只通过查阅有关文献及资料，摸清采煤沉陷的规律及特点，以使河下采煤沉陷 治理更有针对性。 ( 一) 开采引起鲍覆岩破坏规德 1 、井下开采引起的覆岩破坏一般规律 ( 1 ) 岩体内的应力状态 未经采动的岩体，在地壳内受到各个方向力的约束，处于自然应力平衡状 态。岩体内的应力状态主要取决于上覆岩层的重量和性质。假设在深度为h 的 岩体内。有一个小的单元立方体，在开采前处于原始的应力平衡状态，它的各 面上应力主要为铅直应力或水平应力，剪力可以认为为零。铅直应力为自重力， 水平应力为侧向压应力，。在应力作用下，单元立方体的变形符合广义胡克定律。 处于地下深处的小立方岩体，在采动前，其应力处于平衡状态，在各个方向产 生大小相等、方向相反的变形，其总变形量为零。 ( 2 ) 地下开采下的上覆岩层移动 局部矿体被采出后，在岩体形成一个空洞，其周围原有的应力平衡状态受 到破坏，引起应力的重新分布和岩层移动现象，直到达到新的平衡状态。这是 一个复杂的物理、力学变化过程中，也是岩层产生移动和破坏的过程，这一过 程和现象称为岩层移动。 由于济宁辖区内煤层主要为水平煤层及缓倾角煤层( 口= o 。一3 5 。) ，本文 主要研究近水平煤层及缓倾角煤层开采下的覆岩移动及地表变形规律。现以近 水平煤层开采为例，说明覆岩移动和破坏过程及其应力状态的变化。 当地下煤层被采出后，采空区直接顶板岩层在自重力及其上覆岩层的作用 下，产生向下的移动和弯曲。当其内部拉应力超过岩层的极限抗拉强度时，直 接顶板首先断裂、破碎相继冒落，而基本顶岩层则以梁或悬臂梁弯曲的形式沿 层理面法线方向移动、弯曲，进而产生断裂、离层。随着工作面的向前推进， 受采动影响的岩层范围不断扩大。当开采范围足够大时，岩层移动发展到地表， 在地表形成一个比采空区大得多的下沉盆地。 ( 3 ) 上覆岩层破坏分带 根据以上分析，煤层采出后，在采空区周围的岩层中发生了较为复杂的移 5 i i 、一一。一一 一一， 一 - j - 一一 - - - _ _ - - _ e = j ；- - - - - - - 一 一 工作面推进方向 图2 - i 1上覆岩层破坏分带示意图 冒落带是指用全部垮落法管理项板时，回采工作面放顶后引起的煤层直 接顶板岩层产生破坏的范围。冒落带的高度取决于采出厚度和上覆岩石的碎胀 系数，通常为采出厚度的3 5 倍。薄煤层开采时冒高较小，一般为采出厚度的 i 7 倍左右。项板岩石坚硬时，冒落肇高度为采出厚度的5 6 倍，顶板为软岩 时，冒落带高度为采出厚度的2 - - 4 倍。 裂缝带( 又称断裂带) 在采空区上覆岩层中产生裂缝、离层及断裂，但仍保持层状结构的那部分 岩层，称为裂缝带。位于冒落带与弯曲带之间。裂缝带内岩层产生较大的弯曲、 变形及破坏，其破坏特征是：裂缝带内岩层不仅发生垂直于层理面的裂缝或断 裂，而且产生顺层理面的离层裂缝。根据垂直层理面的裂缝大小及其连通性好 坏，裂缝带内的断裂又分为严重断裂、一般断裂和微小断裂三部分。严重断裂 部分漏水严重，一般断裂部分漏水一般，较小断裂部分的裂缝小且不连续，连 通性较差。 冒落带和裂缝带合称为两带，又称为冒落裂缝带，在解决水体下采煤时， 称两带为导水裂缝带。两带之间没有明显的界限，均属于破坏影响区。一般上 覆岩层离采空区距离越远，破坏程度越小。当采深较小、采厚较大，用全部垮 落法管理顶板时，裂缝带可发展到地表，甚至冒落带达到地表。这时地表和采 6 山衷大学t 程预+ 学位论文 空区连通，地表呈现塌陷或崩落。 两带高度与岩性有关。一般情况下，软弱岩石形成的两带高度为采厚的9 一1 2 倍，中硬岩石为采厚的1 2 一1 8 倍，坚硬岩石为采厚的1 8 2 8 倍。 弯曲带( 又称整体移动带) 弯曲带位于裂缝带以上直至地表。岩层在自重力的作用下产生层面法向弯 曲，在水平方向处于双向受压状态，其压实度较好，一般具有隔水性，特别是 当岩性较软时，隔水性能更好，成为水下开采时的良好保护层。但在透水的松 散层，弯曲带不能起到隔水作用。 弯曲带内岩层移动过程是连续而有规律的，并保持其整体性和层状结构， 不存在或极少存在离层裂缝。在竖直面内，各层的移动值相差很小。 弯曲带高度主要受开采深度的影响。当采深很大时，其高度可大大超过导 水裂缝带的高度，开采形成的裂缝带不会达到地表，地表的移动和变形相对比 较平缓。有时在地表可能产生一些裂缝，但这些裂缝是有地表拉伸变形引起的， 上大下小，到一定深度自行闭合而消失，一般不和并下裂缝相沟通。 上述划分的三个移动带，在水平或缓倾角煤层开采时表现比较明显。根据 顶板管理方法、采空区大小、开采厚度、岩石性质及开采深度的不同，上述三 带不一定同时存在。 2 、影响覆岩破坏的因素 影响覆岩破坏的因素主要有覆岩力学性质和结构特征、采煤方法和顶板管 理方法、煤层倾角、开采强度、时间因素、重复采动等方面。 ( i ) 覆岩性质 一般而言，上覆岩性越坚硬，脆性越大，受开采后越易断裂，覆岩破坏高 度越大，若覆岩为塑性岩层，开采后不易断裂但易下沉，最终表现为覆岩破坏 高度降低。对水下采煤来讲，软弱的岩层较比坚硬的岩层有利。 ( 2 ) 采煤方法和项板管理方法 采煤方法对覆岩破坏的影响，主要表现在开采空间的大小和采空区内冒落 岩块的不同运动形式。顶板管理方法对覆岩破坏的影响，主要表现在它决定了 煤层顶板的暴露形式、空间和时间，控制了覆岩冒落的空间条件，从而决定了 覆岩破坏的基本特征。 本地区常用的采煤方法为开采缓倾角煤层常用单一走向长臂采煤法和倾斜 7 山东大学t 程硕十学位论文 分层走向长臂下行采煤法和综合机械化放顶采煤法。前两种方法一次采高不大， 冒落岩块不易再次运动，覆岩破坏规律性明显，这对水体下采煤是有利的。综 合机械化放顶煤开采为不利的水下开采方法。 顶板管理方法主要有全陷法、充填法和煤柱法。全陷法是我国普遍采用的 顶板管理方法。这种方法使覆岩破坏最为充分，对水体下采煤不利。充填法管 理顶板也是一种常见的管理方法。在充填质量好时，煤层的直接项可以不发生 冒落，这是理想的情况，但实际情况往往充填不密实，加之充填材料本身受压 后收缩，覆岩仍产生下沉和断裂。但与全陷法比较，导水裂缝带高度要小得多。 采用煤柱法管理顶板时，若所留煤柱能够支撑住顶板，尽管开采部分的顶板局 部冒落，导水裂缝带还能孤立存在且高度很小。若所留煤柱太窄，煤柱会被压 垮，与全陷法无异。 ( 3 ) 煤层倾角 煤层倾角对覆岩破坏的影响主要表现为使覆岩破坏产生不同的形态。开采 水平煤层及缓倾角煤层( d = 0 。一3 5 4 ) 时，导水裂缝带呈中间低两端高的马 鞍型，且走向方向和倾斜方向的导水裂缝带形态基本相同。开采倾斜煤层( o = 3 6 。- 5 6 。) 时，由于自重力在平行于底板方向分力的作用，岩块相采空区下 边界滑动，抑制了下边界顶板的继续冒落。而上边界空间由于岩块的流失而变 大，促进了顶板的继续冒落。导水裂缝带在倾向方向上呈抛物线拱型，而在走 向方向上仍呈中间低两端高的马鞍型。开采急倾斜煤层( n - - - - 5 5 。一9 0 。) 时， 倾斜煤层开采条件下的覆岩破坏形态得到更加充分的发展，上边界处破坏高度 更高，下边界处破坏高度更低，破坏范围由抛物线拱形渐变为拱形。 ( 4 ) 开采强度 开采强度指单位时问内采出煤量的多少，主要包括开采面积和开采厚度两 个方面。煤层开切后，冒落带高度随着工作面的推进而增高，当工作面推进到 一定距离后，冒落带高度达到该条件下的最大值，以后随着开采面积的扩大， 冒落带高度不再增加。 开采厚度对覆岩破坏的影响是直观的，导水裂缝带与初次采厚之间表现为 近似直线相关关系，煤层厚度增大，导水裂缝带高度也增大。一 - 一一 ( 5 ) 时间因素 在发展到最大高度以前，破坏高度随工作面的推进而增大，对于中硬岩层， 8 山东大学t 程碗t 学位论文 在工作面放顶后1 - 2 个月内裂缝带发展到最大值，对坚硬岩层，时间要更长一 些，在达到最大值以后，导水裂缝带随着冒落带的压实而逐渐降低，降低的幅 度与覆岩的性质有关。覆岩坚硬，降低幅度小；覆岩软弱，降低幅度大。 时间因素还表现在随着时间的增加，导水裂缝带内的裂缝有可能闭合一部 分而减小渗透性或恢复其原有的隔水性能。在软弱岩层条件下，这种恢复尤为 显著。 ( 6 ) 重复采动 不论是煤层群开采第一层还是厚煤层开采第一分层，初次开采总是改变了 覆岩的力学性质，特别是强度性质，即岩层发生了软化，使得以后的回采相当 于在变软了的岩层内进行。因此，从第一次重复采动开始，覆岩破坏规律与初 次采动的规律有所不同，并且逐次的重复采动又各不相同。覆岩破坏高度与i ： 累计开采厚度呈抛物线关系。 3 、覆岩破坏高度的计算 覆岩破坏高度计算，包括冒落带高度和导水裂缝带高度计算。目前，大都 是采用经验公式计算。这些公式都是根据大量的钻孔和巷道观测资料用数理统 计方法获得的。现列出部分有关公式，再运用时务必注意其适用条件，并采用 具体矿区的有关数据和参数。 ( 1 ) 冒落带高度计算( 适用于倾角0 。一5 4 。煤层) 煤层顶板覆岩内有极坚硬岩层，采后能形成悬顶时，采用式( 2 一卜1 ) 计 算：h 。一 丝 ( 2 1 1 ) ( 七一1 ) c o sa 式中h m 一冒落带高度 m 一煤层开采厚度 k 一冒落岩石碎胀系数。根据实测求得，一般为i 1 0 1 4 0 口煤层倾角。 煤层顶板覆岩内为坚硬、中硬、软弱、极软弱岩层其互层时，开采单一 煤层的冒落带高度计算采用式( 2 1 2 ) 。 日- i i 杀 c z 一- 一2 ) 式中和冒落过程中顶板下沉值，由实测得到 9 山东大学t 程硕 学位论文 厚煤层分层开采时冒落带最大高度采用表2 - 1 - 1 中给出的经验公式计算 覆岩岩性( 单向抗压强度加a ，主要岩石组成) 经验公式 坚硬( 4 0 - 8 0 ，石英砂岩、石灰岩，砂质页岩、砾岩) 砌! 竺丝2 5 2 1 ：m4 - 1 6 中硬( 2 0 - 4 0 ，砂岩、泥质灰岩，砂质页岩、页岩) 砌! 堕丝2 2 4 7 2 m4 - 1 9 软弱( 1 0 - 2 0 ，泥岩、泥砂质岩) 砌! 塑丝。1 5 6 2 z j ! i f + 3 2 极软弱( 1 0 ，铝土岩，风化泥岩、粘土、砂质粘土) 砌! 堕丝1 2 7 0 z i l f + 6 3 注：公式中后面的数字为中误差；m 累计开采厚度。 ( 2 ) 导水裂缝带高度计算( 适用于倾角0 。- 5 4 4 煤层) 煤层覆岩内为坚硬、中硬、软弱、极软弱岩层或其互层及厚煤层分层开采 时，导水裂缝带最大高度均可选择表2 一卜2 中给出的两种经验公式计算。 表2 - 1 2缓倾角和倾斜煤层开采时导水裂缝带高度计算公式 覆岩岩性 经验公式一 经验公式二 坚硬 曰! 塑；丝。8 9 皿- 3 0 , 2 m4 - 1 0 1 2 z j i f4 - 2 0 中硬 h ! 塑l 丝5 6 只- 2 0 x 盯+ 1 0 1 6 e m + 3 6 软弱 h ! 堕丝5 6 h - 1 0 2 m4 - 1 0 。3 1 4 - 3 6 极软弱 h ! 竺l 丝3 0 5 0 2 m4 - 8 0 注：表中经验公式的适用范围：单层采厚1 3 m ，累计采厚小于1 5 m 。 ( 3 ) 开采急倾斜煤层( 倾角为5 5 。一9 0 。) 时冒落带和导水裂缝带高度计 算 煤层顶底板岩层内为坚硬、中硬、软弱岩层，用全陷法开采时的冒落带高 度和导水裂缝带高度可用表2 - 1 - 3 中给出的经验公式计算。 1 0 表2 - 1 - 3急倾斜煤层冒落带和导水裂缝带高度计算公式 岩性 导水裂缝带高度 冒落带高度 坚硬 圩! 业丝。8 4 h - ( o 4 0 5 ) 日 4 1 j 1 4 - 1 3 3 中硬、软弱 日! 塑7 3 h 一( 0 4 0 5 ) 日。 。7 舶4 - 2 9 3 注：表中的h 为回采阶段垂高，m 为煤层的法线厚度。 山东大学t 程硕十学位论文 ( 4 ) 开采近距离煤层群时冒落带和导水裂缝带高度计算 开采近距离煤层群时冒落带和导水裂缝带高度的计算，分以下几种情况。 上、下两层煤的垂距h 大于回采下层煤时所产生的冒落带高度时，下层 冒落带对上层开采影响很小，可按上、下煤层的厚度分别计算各自的导水裂缝 带高度和冒落带高度，取其中标高值大者作为两层煤的导水裂缝带高度，冒落 带高度则取上层煤的冒落带高度。 下层煤的冒落带接触到或完全进入上层煤时，上层煤的导水裂缝带最大 高度按本层煤的厚度计算，下层煤的导水裂缝带最大高度则采用上、下层煤的 综合开采厚度计算，取其中标高值大者作为两层煤的导水裂缝带高度。 上、下层煤的综合开采厚度可按下式计算： l m n 2 - f 2 + ( m l 一竺至= q ( 2 一l 一3 ) y 2 式中m 一上层煤开采厚度； m 2 一下层煤开采厚度 h 。广上、下煤层之间的法线距离， y 2 _ - 下层煤的冒落带高度与采厚之比。 如果上、下层煤的间距很小，则综合开采厚度取两层煤之和。 求出综合开采厚度后，即可按照单一煤层开采时的冒落带高度和导水裂缝 带高度的计算公式，计算出多煤层开采条件下冒落带和导水裂缝带高度。 ( 二) 开采引起的地表沉陷规律 1 、井下开采引起的地表沉陷和破坏 ( 1 ) 地表移动的形式 地表移动是指采空区面积扩大到一定范围后，岩层移动发展到地表，使地 表产生移动和变形的现象。开采引起的地表变形受开采深度、开采厚度、采煤 方法及煤层产状、上覆岩层构造等因素的影响。在采深和采厚的比值较大时， 地表的移动和变形在空间和时间上是连续的、渐变的，具有明显的规律性。当 采深和采厚的比值较小( 一般小于3 0 ) 时或具有较大的地质构造时，地表的移 动和变形在空间和时间上是不连续的，移动和变形的分布没有严格的规律性， 地表可能出现较大的裂缝或塌陷坑。地表移动和破坏的形式归纳起来有下列三 种。 1 1 出末大学工程硕+ 学位论文 地表移动盆地 在开采影响波及到地表以后，受采动影响的地表从原有地面高程向下沉降， 从而在采空区上方地表形成一个比采空区面积大的多的沉陷区域。这种地表沉 陷区域称为地表移动盆地或下沉盆地。 裂隙及台阶 在地表移动盆地的外边缘区，地表可能产生裂缝。裂缝的深度和宽度，与 有无第四纪松散层及其厚度、性质和变形值大小密切相关。若第四纪松散层为 塑性较大的粘性土，一般在地表拉伸变形值超过6 - - l o m m m 时，地表才发生裂隙。 塑性小的砂质粘土、粘土质砂等，地表拉伸变形值超过2 - 3 f 砌m 时，地表即可 发生裂隙。地表裂隙一般平行于采空区边界发展。当采深和采厚的比值较小时， 在推进工作中的工作面前方地表，可能发生平行于工作面的裂缝。但裂缝的宽 度和深度都比较小。这种裂缝是随着工作面的推进先张开而后逐渐闭合。其形 状为楔形，地面的开口大，随深度的增大而减小，到一定深度尖灭。当采深很 小、采厚较大时，地表裂缝有可能和采空区相连通。 在采深和采厚比值较小时，地表裂缝的宽度可达数十厘米，裂缝两侧地表 可能产生落差。落差的大小取决于地表移动的剧烈程度。在松散层很厚的条件 下，分层开采厚煤层时，开采第一分层时地表产生的主要裂缝，会在第二、三、 四分层开采时再次出现。这种裂缝在地表以下几米或十几米的深度上消失。 当煤系地层覆盖有含水砂层的厚松散层或地表下沉值较大时，地表移动盆 地的边缘区域可能会产生一系列类似地堑式的张口裂缝。相邻两条裂隙中间的 土层下陷而造成中间低、两侧高的地堑式裂缝。有时在采空区周围的地表形成 环行破坏堑沟。 在急倾斜煤层条件下，地表移动取决于基岩的移动特征，特别是松散层较 薄时，地表可能出现裂隙或台阶。 塌陷坑 当开采急倾斜煤层或采深很小，采厚较大时均可能出现塌陷坑。 ( 2 ) 地表盆地的形成 地表移动盆地是在工作面推进过程中逐渐形成的。一般是当回采工作面自 开切眼开始向前推进平均采深的l 4 一l 2 时，开采影响即波及到地表，引起地 表下沉。然后随着工作面继续向前推进，地表影响的范围不断扩大，下沉值不 山束大学t 程硕+ 学位论文 断增加，在地表就形成了一个比开采范围大的多的下沉盆地。 j j ! ? 名j i ! u 。i ”i l m 目 0 2 5 一l l5 h 0 图2 2 1 地表盆地移动过程 图2 - 2 - i 展示了地表移动盆地随工作面推进而形成的过程。当工作面由开 切眼推进到位置1 时，在地表形成一个小盆地w l 。工作面继续推进到位置2 时， 在移动盆地w l 的范围内，地表继续下沉，同时在工作面前方原来尚未移动的地 表点，先后进入移动，从而使移动盆地w l 扩大而形成移动盆地w 2 。随着工作面 的推进相继逐渐形成地表移动盆地w 3 、w 4 。这种移动盆地是在工作面推进过程 中形成的，故称为动态移动盆地。工作面回采结束后，地表移动不会立即停止， 还要持续一段时间。在这段时间内，移动盆地的边界还将继续向工作面推进方 向扩展。移动首先在开切眼一侧稳定，而后在停采线一侧逐渐形成最终的移动 盆地w 0 4 ，又称静态移动盆地。 2 、采动过程中的地表和变形的一般规律 地下煤层采出后引起的地表沉陷是一个时间和空间过程，随着工作面的推 进，不同时间的回采工作面与地表点的相对位置不同，开采对地表点的影响也 不同。地表点的移动经历一个由开始移动到剧烈移动，最后到停止移动的全过 程。在生产实践中，仅仅根据稳定后的沉陷规律不能很好的解决实际问题，必 须进一步研究移动变形的动态规律。 ( 1 ) 地表点的移动轨迹 地表点从开始移动到剧烈移动，再到移动逐渐停止，是一个较为复杂的时 间空间过程，现以移动盆地走向主断面充分采动区内的地表点移动为例进行说 明。如图2 - 2 - 2 。 山东大学t 程顿+ 学位论文 z t 一 工 、 日一 己 1 一i # i 镕女 自 图2 2 - 2 充分采动区地表点a 移动轨迹示意图 当工作面由远处向a 点推进、移动波及到a 点时，地表下沉速度由小逐 渐增大，a 点的移动方向与工作面推进方向相反，此为移动的第1 阶段： 当工作面通过a 点的正下方继续向前推进时，地表下沉速度迅速增大， 并逐渐达到最大下沉速度，a 点的移动方向近于铅垂方向，此为移动的第1 i 阶 段； 当工作面继续向前推进，逐渐远离地表a 点后，点a 的移动方向逐渐与 工作面推进方向相同，此为移动的第1 i i 阶段； 当工作面远离a 点达到一定距离后，回采工作面对a 点的影响逐渐消失， 点a 的移动停止，此为移动的第1 v 阶段。稳定后，点a 的位置并不在其原始位 置的正下方，一般略为偏向回采工作面停止位置一侧。 由于地表移动盆地内每一点与采空区相对位置不同，各点的移动轨迹并不 一致。位于充分采动区左侧的点，不受迎工作面推进的影响，只受工作面通过 该点后的影响；位于充分采动区右侧的点，只受迎工作面推进的影响，而不受 工作面通过该点后的影响，移动盆地内各地表点移动的共同特点是，开始时移 动方向都是指向回采工作面，移动稳定后，移动向量都是指向采空区中心。 ( 2 ) 工作面启动过程中的超前影响 起动距 在走向主断面上，工作面由开切眼推进一定距离到达a 点后( 如图2 2 3 ) ， 岩层移动开始波及到地表。把地表开始移动时工作面的推进距离称为起动距。 地表开始下沉是以观测地表点的下沉值达到1 0 m s 为标准。一般在初次采动时， 起动距约为平均采深的i 4 到l 2 。其大小主要和开采深度及岩石的物理力学性 质有关。 1 4 出东定学t 程礤 。学位论史 超前影响、超前影响角、超前影响距 在工作面推进过程中，工作面前方的地表受采动影响而下沉，这种现象称 为超前影响。将工作面前方地表开始移动的点与当时工作面的连线，此连线与 水平线在煤柱一侧的夹角称为超前影响角m 。开始移动的点到工作面的水平距 离称为超前影响距l 。超前影响角受采动程度、工作面推进速度和采动次数的影 响，当地表为非充分采动时，超采影响角随着开采面积的增大而减小，当达到 充分采动后，其值基本趋于稳定；超前影响角随着工作面推进速度增大而增大； 重复采动时的超采影响角比初次采动时小。 掌握了超前影响的规律，在工作面推进过程中，就可以确定工作面在任一位 置时的地表影响范围。 l2l o l i1 23 ，一乏；尹r 一 o ， ， i ， ，j j，t ， ， 起计距 一、) 1 j 、b，、( d 7 。以州。h ：4 h 亍 cd 图2 2 - 3工作面推进过程中的超前影响 3 、工作面推进过程中的下沉速度 一点前后两次高程之差除以两次测量的时间间隔，即得采动范围内地表各点 在此时间间隔内的平均下沉速度。非充分采动时，随着采空面积的增大，地表 各点的下沉速度，逐渐增大，最大下沉速度也增加；当达到充分采动后，地表 最大下沉速度达到该地质条件下的最大值，随着工作面的推进，地表最大下沉 速度和回采工作面之相对位置不变，最大下沉速度总是滞后于回采工作面一个 固定距离，此固定距离称为最大下沉速度滞后距，把最大下沉速度点与相应的 回采工作面连线，此连线和煤层( 水平线) 在采空区一侧的夹角，称为最大下 沉速度滞后角。 影响最大下沉速度滞后角的因素有覆岩性质、采深和工作面的推进速度等。 采深愈大，滞后角愈大，采深愈小滞后角愈小；地表出现最大下沉速度的地点 是该时刻地表移动最剧烈的地点。掌握了滞后角的变化规律便可在工作面推进 由末走学t 旋碗卜学位论文 过程中随时确定地表移动最剧烈的地区。 最大下沉速度与覆岩性质，推进速度、深厚比、采动程度有关。覆岩性质愈 软，推进速度愈大、深厚比愈小，则下沉速度愈大。重复采动对的最大下沉速 度比初次采动时大。 4 、- r 作面推进过程中的地表移动和变化规律 ( 1 ) 水平移动的变化规律 在非充分采动时，随着工作面的推进，采空区面积不断增大，水平移动值逐 渐增大，水平移动值等于。的点随着工作面的推进而向前移动：当达到充分采 动时，固定边界上方的水平移动渐趋稳定，水平移动值等于。的点不再向前移 动；当达到超充分采动时，水平移动值等于。的区域扩大，最大水平移动值基 本相等；当工作面停采后，最大水平移动值仍继续增加，直到地表移动稳定为 止，地表稳定后的最大水平移动值比工作面推进过程中的地表最大水平移动值 大。 ( 2 ) 曲率的变化规律 在固定边界上方地表的最大正曲率，在非充分采动时由小到大逐渐增加，至 地表移动稳定时达到最大值；最大负曲率先由小到大逐渐增加，然后又由大变 小至充分采动时达到固定值。 在推进过程中工作面上方地表的最大正曲率，在非充分采动时由小到大逐 渐增加到一固定值，当达到充分采动时，盆地内出现两个最大负曲率，盆地中 心点处曲率值等于o ，当达到超充分采动时，推进过程中工作面前后的曲率变形 值基本相同，曲率变形。值区域不断扩大，当工作面停止后，工作面上方的地 表曲率变形曲线仍继续向前移动一段距离，最大曲率值仍继续增大，直到地表 移动达到稳定。 需要指出的是，当采区尺寸足够大时，地表已达到充分采动时，工作面推 进过程中前方煤层上方的地表最大曲率变形值小于移动稳定后的地表最大曲率 变形值。但在开切眼附近，地表尚未达到充分采动时，工作面推进过程中的地 表最大负曲率变形值的绝对值大于其稳定后的地表最大负曲率变形值的绝对 值。 一一 回采工作面推进过程中的地表水平变形规律与曲率变形变化规律基本相 同。 m 衷走学t 褥硬- 学 翌论文 ( 3 ) 垂直于推进方向断面上地表移动与变形的变化规律 在垂直于工作面推进方向的断面上，在地表移动过程中，只是移动和变形值 由小到大逐渐发展，没有正负曲率变形互相交替变换及拉伸和压缩变形互相变 换的现象。 5 、地表裂缝的发育规律 地下煤炭的开采引起地表沉陷。随着地表沉陷的发展，地表土层内各点的受 力状态也发生相应的变化，原始平衡状态被破坏。由于各点不均匀的沉降和水 平移动，在沉陷盆地内的部分区域将产生裂缝。在农业生产上，裂缝是土地生 产力下降的主要原因之一，在堤防安全上，裂缝是堤防滑坡和水力劈裂造成堤 防危害的主要原因，研究裂缝的发育规律，对土地复垦、三下采煤工作具有十 分重要的意义。 ( 1 ) 地表裂缝的分布区域及动态特性 根据有关研究成果，地下采煤形成的地表裂缝主要分布在采区的四周。裂 缝不是地表沉陷一开始就产生的，而是工作面推进到一定面积，地表某一点的 主应力达到裂缝临界值后开始逐步形成的。地表有一点处于裂缝临界状态时， 已开采的面积称为裂缝临界开采面积，它的大小取决于开采深度、开采厚度、 上覆岩层的物理力学性质和结构等因素。产生裂缝的临界值主要取决于地表土 的物理力学性质。 开采工作面切眼、上山、下山边界和停采线边界上方的地表一旦产生裂缝 是永久性的。这些裂缝只有当相邻工作面的开采，或者人工回填，或者经历长 时间的自然作用才能闭合。 回采工作面上方的裂缝区是随着工作面的向前推进而前移的。当已开采面 积大于裂缝临界开采面积后，在采空区周边上方出现裂缝区域，当采空区面积 连续增大，切眼、上山、下山边界上方的裂缝区域扩大，而工作面上方地表裂 缝区向前移动。先前的裂缝区逐渐进入压缩变形区，产生的裂缝逐渐闭合，而 在裂缝区外侧则产生新的裂缝。工作面继续推进各边界上方裂缝区范围不再扩 大，工作面上方裂缝有规律地迁移，工作面停采后，只存在采空区周边上方的 裂缝区。 由于回采工作面上方地表的裂缝区是随着工作面的推进而同步前移，在该 区内的任意一条裂缝从产生到开始闭合要经历工作面推进一个裂缝区宽度所需 1 7 山枣大学t 程硕士学位论文 的时问，从开始闭合到完全闭合同样要经历工作面推进一个裂缝区宽度所需的 时间。因此，裂缝从产生到闭合所持续的时间可用式( 2 2 1 ) 计算： t=2lv(2-2-1) 式中t 一裂缝持续时间，d ； l 工作面上方裂缝区最大宽度，m ； v 一工作面推进速度，m d 。 工作面上方出现的动态裂缝是大致平行推进位置的直线形裂缝。在采空区 的拐角上方是圆滑的曲线形裂缝。裂缝区域的形态与地表移动盆地形态相似。 ( 2 ) 开采引起的地表裂缝发育深度的预计 1 ) 中国矿业大学通过模拟试验，得到以下定性结论： 竖向裂缝首先从地表开始，不会从某一深度处开始发育： 地表达到裂缝临界变形值后就产生裂缝，有几处达到裂缝临界变形值就 产生几条裂缝； 裂缝处变形明显集中； 产生裂缝后地表上变形分布是非连续的，两条裂缝之间或裂缝之外的地 表其变形值不会超过裂缝临界变形值； 裂缝沿竖直方向的发育是有限的，因此，存在裂缝发育的极限深度； 裂缝沿竖直方向的发育不是一条直线，其弯曲变化主要取决于土层的性 质和变形状态； 土层中裂缝的发育受到水平变形和竖向变形的综合影响。 2 ) 开采引起的地表裂缝发育深度的计算公式 根据弹性力学理论，结合模型试验，仅考虑自重作用的压应力，不考虑由 于开采而引起的附加压应力，得到地表裂缝发育极限深度的计算公式为： ， h 一( 2 r ) ( 1 + p ) c m ( 4 5 + o 5 中) ( 2 2 2 ) 式中h 一裂缝发育极限深度( m ) ： y 一土体的容重( k g m 3 ) 卜泊松比 c 一土体的粘聚力( m p a ) 妒一土体的内摩察角( 。) ( 3 ) 地表裂缝发育宽度与发育深度的关系 1 8 山东大学t 程硕十学位论定 根据中国矿业大学对淮南矿区裂缝试验统计分析，裂缝发育的晟大宽度k 与最大深度h 之间大体上呈正比关系，k = o 0 1 5 h 6 、地表沉陷预测 ( 1 ) 预测方法 目前国内实际应用的地表沉陷的岩移计算理论和方法有典型曲线法、概率 积分法等。概率积分法是目前为止应用最广、最成熟的方法，在开采预计中得 到了广泛的应用，大多数地质采矿条件下采用此法，均取得较好的效果。概率 积分法的公式为； 毗y ) - 盯，罕唧黟k 硝啦川) 2 p ( 2 2 3 ) 式中；w ( x ，y ) 地面任意点( x ，y ) 处的下沉； q 下沉系数； m 一采高，( m ) ； d 煤层倾角，。； r 主要影响半径，r = h t gb ： h _ 榘层埋深； t gb 主要影响角正切； t - j 某层厚度； d 开采影响传播方向向下山的偏移量： f 一积分区域，为采空区范围。 ( 2 ) 预测参数及预测 预测的关键在于正确选择有关参数。在上述公式中，下沉系数q 、主要影响 角正切值邪和拐点偏移距s 是预测的主要参数。下沉系数q 主要取决于煤层顶 板管理方法、覆岩性质、煤层厚度、煤层埋深及重复采动系数等；主要影响角 正切值喀声，系采煤工作面深度与主要影响半径之比，其大小与上覆岩层的岩性、 开采深度及煤层倾角有关：拐点偏移距s ，指下沉曲线的拐点与工作面边界之间 的距离，其大小取决于岩层性质及开采深度h 。 地表移动计算参数是进行地表移动与变形计算的必须数据，也是确定开采 影响的重要依据，参数选取一般采用工程条件类比法，根据地表移动变形与开 山乐天学t , f f e 剪十学健论定 采条件的关系，结合临近矿区、矿井受采动影响的地表实测资料，综合分析考 虑各种影响因素后，最终确定岩移预计参数，表2 - 2 - 1 是济宁辖区内几个矿井 综合机械化放顶煤开采工作面的开采条件和地表移动观测站分析确定的地表计 算参数成果。 表2 - 2 - 1地表移动计算参数表 项目兴隆庄煤矿杨村煤矿许厂煤矿 观测站 5 3 0 64 3 1 4 堤防 3 0 21 3 1 51 3 0 2 计下沉系数 0 8 l0 8 4 31 o o 9 50 8 4 90 8 8 5 算 影响角正切2 1 2 3 4 2 31 82 5 2 72 1 5 参 影响传播角 8 9 2 。8 9 98 6 4 。8 7 。8 9 2 。 数 水平移动系数 0 ，2 7 50 2 3o 3 5o 2 0 2 3 3f 工工作面长( m )1 6 0 4 5 03 0 01 7 01 6 31 6 3 作采深( m )3 9 1 - 4 3 33 1 9 - 3 7 72 4 0 - 2 8 02 5 3 2 7 12 5 3 - 3 0 22 5 2 - 2 6 8 面 松散层厚m ) 1 8 31 9 01 8 51 8 02 0 02 0 0 条 采厚( m ) 7 2 58 2 28 58 1 46 2 5 2 件 煤层倾角 4 。4 。1 7 3 5 。6 。6 。3 5 。 实用中沉陷预测一般按照现成的程序进行，将岩性的性质及地表移动参数 输入程序后，会自动输出预测等值线图。图2 - 2 - 5 为某煤矿一个工作面河下采 煤下沉等值线图预测图。 ；惹蹬7 ，主丽 夕型世糊搿， 芝；z 一 ，z 餮 训 f滕 孽耋 ； = = ： 矗dm 至i ； # 菲二三蚤薹融隆嚣 叶 ， f 、j ? i 罐 然嵘鉴 芝卫霎二：荔嬲， 三：r _ o 壁一= = = = = = 华肆 纷译 氅一 霸 一豸誉 撵琴! 兰三 图2 - 2 - 5某矿某工作面河下采煤下沉等值线图 ( 3 ) 地表破坏的表现形式 她表下沉过程及下沉后，形成为下沉移动盆地。 由束大学t 器预+ 学位论文 三、河下采煤沉陷的危害性评价 ( 一) 河下采煤对河道的损毁 根据采煤沉陷机理的研究和现场观测，河下采煤沉陷对河道造成的损毁如 下： 1 、河道下沉。 地面下沉引起河床、滩地、堤防、护堤地下沉，使堤顶高程降低，有的沉 于原地表以下，使防洪功能下降甚至丧失。 2 、裂缝 根据裂缝发育的规律，当河下开采面积大于裂缝临界开采面积后，在采空 区周边上方出现裂缝区域，以后随着采空区面积的增大，切眼、上山、下山边 界上方的裂缝区域逐渐扩大，而工作面上方的地表裂缝区则随着工作面的向前 推