煤矿特殊开采方法 PPT课件

1 煤矿特殊开采方法 新矿集团职工大学 李福亮 2 特殊开采的内容主要包括 建筑物下采煤铁路下采煤水体下采煤 承压水体上采煤 三下一上 3 工业与民用建筑 村庄 地面设施工业构筑物弯曲带 高压线塔 烟囱 索道 铁路及其附属设施铁路下采煤井工巷道上覆岩层裂缝带导水裂缝带高度水体下采煤垮落带矿压控制 采场 巷道 底板破坏带下伏岩层下三带完整岩层带承压水上采煤 华北型煤田 底板水导升带奥灰 山东徐灰 4 第一章开采引起的岩层与地表移动 研究对象 层状沉积矿床 岩层 脉状 不适合理论的贡献人物J 李特维尼申 波兰数学家 刘宝琛院士刘天泉院士 5 第一节开采引起的岩层移动 思考题1 概念 岩层移动2 上覆岩层分哪 三带 了解其主要特征 3 影响垮落带和断裂带高度的主要因素有哪些 会利用经验公式计算其高度 6 岩层移动 覆岩破坏 移动的现象和过程 影响因素 地质因素 岩层结构特征 力学性质及含水性煤层的特征 煤厚 倾角 采深采矿因素 采矿方法 充填 全部垮落法 条带开采 开采范围 7 一 充分采动区 岩石压缩区和底板隆起区 充分采动 地表最大下沉达到该地质采矿条件下应有的最大值 此后范围增加 地表下沉值不再增加 先研究近水平煤层 缓倾斜煤层 长壁开采 垮落法管理顶板 8 图1 1开采影响范围内应力影响带的划分示意图1 地表下沉曲线 2 支承压力分布曲线 3 岩层面法向岩石变形曲线 4 垮落带 充分采动区 最大弯曲区 顶板压缩区 底板压缩区 底板不均匀隆起区 底板均匀隆起区 9 二 垮落带 断裂带和弯曲带 图1 2上覆岩层移动分带示意图 垮落带 断裂带 弯曲带 10 三带 垮落带 cavingzone断裂带 fracturedzone弯曲带 saggingzone层状岩层移动 弯曲 离层 断裂 垮落 11 1 垮落带 直接顶 基本顶 特点 导水 导砂 导气 瓦斯 防砂煤岩柱留设高瓦斯聚积通道和场所 12 2 断裂带 导水性 防水煤岩柱留设导气性 高位瓦斯抽放层位高度计算 非线性 13 3 弯曲带 岩移理论 可预测性不导水可利用离层带 bedseparationzone 注浆充填覆岩离层带事实上 地表移动体积远小于开采煤层体积 离层吸收是重要的原因 一般1 0 4 0 6 14 实例 七五生建煤矿SD1钻孔 109工作面 走向620m 倾向220m H 640m m 2 6 3 0m W 103mm 主要存在4个离层带 平均离层高度0 07 0 74m 平均0 32m 1 209 10 232 00 22 90m 2 465 50 469 59m 6 65m 3 502 00 526 50m 4 50m 4 557 50 615 00m 2 10m 15 三带的空间形态倾角关系密切 图1 3垮落带 断裂带和弯曲带的空间形态 a 0 35 煤层 b 36 54 煤层 c 55 90 煤层 16 垮落带及断裂带高度计算 1 影响因素 顶板岩性 煤层倾角 采厚 采煤方法 采空区尺寸 采空区处理2 统计回归公式 重点 3 其他方法 类比 实测 4 近距离煤层 17 垮落带高度 a 若煤层顶板覆岩内有极坚硬岩层 开采后能形成悬顶 垮落带最大高度Hk按 1 1 式计算 b 当煤层顶板覆岩为坚硬 中硬 软弱岩层或其互层时 考虑顶板下沉因素 开采单一煤层的垮落带最大高度Hk可按 1 2 式计算 式中 垮落过程中顶板下沉值 mc 厚煤层分层开采时 垮落带最大高度Hk可按表1 2的公式计算 18 k 岩石碎胀系数 岩石的碎胀系数取决于岩石性质 坚硬岩石碎胀系数较大 松软岩石碎胀系数较小 表1 1 表1 1岩石的碎胀系数k 19 表1 2厚煤层分层开采时垮落带高度计算公式 20 注 累计采厚 公式应用范围 单层采厚1 3m 累计采厚不超过15m 计算公式中 号项为中误差 导水断裂带高度煤层覆岩为坚硬 中硬 极软弱或其互层时 采用单一薄及中厚煤层或厚煤层分层开采时 导水断裂带高度Hd可按表l 3中的公式计算 21 表1 3薄及中厚煤层和厚煤层分层开采时导水断裂带高度计算公式 注 累计采厚 公式应用范围 单层采厚1 3m 累计采厚不超过15m 计算公式中 号项为中误差 22 急倾斜煤层 55 90 煤层顶板为坚硬 中硬 软弱岩层 用垮落法开采时的垮落带及导水断裂带高度 可选用表1 4中的公式计算 表1 4急倾斜煤层垮落带与导水断裂带高度计算公式 注 h 区段或分段垂高 m M 煤层法线厚度 m 23 近距离煤层 当上下煤层距离较近时 上下煤层开采形成的垮落带和断裂带范围可能重叠一部分 重叠的范围和程度取决于上下煤层的层间距 a 上下两层煤的最小层间距大于下煤层开采形成的垮落带高度如图1 4 a 所示 上下两层煤的层间距h较小 但还大于下煤层开采形成的垮落带高度Hk 上下煤层的垮落带高度不重合 而断裂带高度可能重合 上下煤层的断裂带最大高度可按近距离上下煤层的厚度分别计算 取其中标高值最高者作为两层煤的断裂带最大高度 上下煤层的垮落带高度则取上煤层的垮落带高度 24 图1 4近距离煤层垮落带和断裂带高度计算 a 层间距大于下位煤层开采形成的垮落带高度 b 层间距小于下位煤层开采形成的垮落带高度 25 b 上下两层煤的最小层间距小于下煤层开采形成的垮落带高度如图1 4 b 所示 上下煤层的层间距h小于下位煤层开采形成的垮落带高度Hk时 上煤层的断裂带最大高度按该层的厚度计算 下煤层的断裂带最大高度按上下两煤层的综合开采厚度计算 取其中标高最高者作为两层煤的断裂带最大高度 上下煤层的综合开采厚度可按 1 3 式计算 1 3 式中Mz 上下煤层综合开采厚度 m M2 下煤层厚度 m M1 上煤层厚度 m h 上下煤层层间距 m y2 下煤层的垮落带高度与采厚之比 当上下煤层的层间距很小时 综合开采厚度取上下煤层厚度之和 即 1 4 求出综合开采厚度后 可按单一煤层开采的条件计算垮落带和断裂带的高度 26 现场观测 由于经验公式计算存在一定的误差 所以可根据实际条件现场观测获得 27 三 岩层或煤层的抽冒与切冒 在一些特殊条件下 开采空间附近的岩层或煤层可能出现抽冒或切冒现象 抽冒指的是在浅部厚煤层 急倾斜煤层及断层破碎带和基岩风化带附近采煤或掘巷时 顶板岩层或煤层本身在较小范围内垮落超过正常高度的现象 切冒指的是当厚层极硬岩层下方采空区达到一定面积后发生直达地表的岩层一次性突然垮落和地表塌陷的现象 28 第二节开采引起的地表移动 思考题1 掌握下沉盆地 充分采动 非充分采动 主断面 充分采动角 边界角 移动角 裂隙角 最大下沉角的概念 并记住各角值符号 2 地表移动和破坏的主要形式有哪三种 3 了解地表移动盆地的形成过程 4 掌握超充分采动 非充分采动的近水平和缓倾斜煤层地表移动盆地特征 5 地表移动变形的主要指标有哪5种 掌握其符号及单位 6 掌握描述地表移动与变形的五项指标之间的函数关系 7 能绘制充分采动 超充分采动和非充分采动条件下地表移动与变形五曲线图 并注意其与采空区的位置关系 29 第二节开采引起的地表移动 一 地表移动和破坏形式1 地表移动盆地 连续分布 岩移理论可以预测 2 裂缝 开采区域外围 3 塌陷坑 不连续变形 难以预测 30 地表移动盆地 下沉盆地 在开采影响波及到地表后 受采动影响的地表开始沉降 在采空区上方地表形成一个比采空区面积大的沉陷区域 该沉陷区称为地表移动盆地 又称地表下沉盆地 31 图地表下沉盆地主剖面图 32 在地表移动盆地的形成过程中 改变了地表原有的形态 对位于影响范围内的道路 管线 沟渠 工程和建筑物带来了不同程度的影响 在地表潜水位较高的地区 地表移动盆地内常年积水 影响了土地使用或使耕地荒废 33 裂缝 在地表移动盆地外边缘区 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大的粘性土 一般拉伸变形值超过6 10mm m时地表才出现裂缝 塑性小的砂质粘土 粘土质砂或岩石 地表拉伸变形值达到2 3mm m时 即可产生裂缝 实例 华丰 山西大同 34 柴里矿301工作面地表裂缝实测图 35 开采急倾斜煤层时地表移动特征 36 3 塌陷坑煤层开采时 尤其是急倾斜 煤层露头处附近地表呈现出严重的非连续性破坏 往往会出现漏斗状塌陷坑 北票矿区地表塌陷漏斗如图 地表塌陷漏斗 37 在缓倾斜或中倾斜煤层浅部开采条件下 地表出现非连续性破坏时 也可能出现塌陷坑 鹤岗富力矿浅部开采引起的地表漏斗状塌陷坑如图 鹤岗富力矿浅部开采引起的地表漏斗状塌陷坑 38 二 地表移动盆地的形成及其特征 1 地表移动盆地的形成 地表移动盆地的形成过程 39 2 充分采动和非充分采动 1 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 即地下煤层采出后 地表下沉值达到该地质采矿条件下应有的最大值 此后开采范围再继续扩大时 地表的影响范围相应扩大 但地表最大下沉值不再增加 地表移动盆地将出现平底 40 习惯上 把地表移动盆地内只有一个点的下沉值达到最大下沉值的采动情况 称为刚达到充分采动 此时的开采称为临界开采 地表移动盆地呈碗形 图1 13 地表有多个点的下沉值达到最大下沉值的采动状态称为超充分采动 此时的开采为超临界开采 地表移动盆地呈盘形 图1 14 图1 14中1表示移动盆地平底以外的部分 3表示采空区上方的下沉曲线范围 4表示煤体上方的下沉曲线范围 2表示移动盆地的平底部分 41 超充分采动时地表的移动盆地 刚达到充分采动时的地表移动盆地 42 半无限开采 在超充分采动时 静态移动盆地将出现平底部分 在平底范围内的下沉值相等 其他的移动和变形值为0 假设开采工作面从某处已开采到无限远处 而在其正交方向为充分采动的一种理想化开采状态 称其为半无限开采 理论研究的重要假设 实际观测表明 通常在采空区的长度和宽度均达到和超过 1 2 1 4 H0 平均采深 时 地表可达到充分采动 43 2 非充分采动 采空区尺寸 长度和宽度 小于该地质采矿条件下的临界开采尺寸时 地表任意点的下沉值均未达到该地质采矿条件下应有的最大下沉值 这种采动为非充分采动或称其为有限开采 此时的地表移动盆地像尖底的碗 图1 17 工作面沿一个方向 走向或倾向 达到临界开采尺寸 而另一个方向未达到临界开采尺寸的情况也属于非充分采动 此时的地表移动盆地为槽形 图1 15 44 图1 17近水平煤层非充分采动时的地表移动盆地示意图 45 图1 15槽形盆地示意图 46 3 地表移动盆地特征 为了研究方便 常选取地表移动盆地主断面进行研究 主断面是指通过盆地内最大下沉点沿煤层倾向或走向的垂直剖面 地表移动盆地在主断面内表现为通过最大下沉点的地表下沉曲线 主断面具有以下特点 1 主断面上地表移动盆地范围最大 2 主断面上地表移动值最大 地表移动盆地的范围总是比采空区的面积大 它的形状取决于采空区的形状及煤层倾角大小 当采空区为长方形时 移动盆地大致呈椭圆形 它与采空区的相对位置取决于煤层倾角 47 1 近水平煤层地表移动盆地 图1 16近水平煤层超充分采动时的地表移动盆地示意图 a 两个方向均为超充分采动 b 一个方向为超充分采动 另一个方向为充分采动 48 超充分采动地表移动盆地特征 地表移动盆地位于采空区正上方 盆地的形状与采空区对称 主断面上的地表下沉曲线分为三段或两段 采空区上方的中间区下沉值最大 并且下沉均匀 采空区上方的内边缘区下沉值不相等 地面向盆地中心倾斜 呈凹形 使地表产生压缩变形 煤柱上方的外边缘区下沉值不相等 地面向盆地中心倾斜 呈凸形 使地表产生拉伸变形 当拉伸变形超过一定值后 地表可能产生裂缝 下沉曲线的凹凸或内外边缘区分界点称为拐点 在理想条件下 位于煤柱与采空区交界处的正上方 真实条件下一般要偏向采空区一侧一段距离 49 图1 17近水平煤层非充分采动时的地表移动盆地示意图 50 2 缓倾斜和中倾斜煤层地表移动盆地 图1 18缓倾斜或中倾斜煤层地表移动盆地示意图 51 缓倾斜或中倾斜煤层地表移动盆地特征 移动盆地与采空区不对称 在倾斜方向上 上山边界的开采影响范围比下山边界的开采影响范围小 整个移动盆地偏向采空区的下山边界 最大下沉值不是出现在采空区中心的正上方 而是向采空区下山边界方向偏移 下沉曲线上山边界的拐点偏向采空区内侧 下山边界的拐点偏向采空区外侧 移动盆地与采空区的相对位置 在走向方向上对称于中心线 在倾斜方向上不对称 倾角愈大 不对称性愈加明显 52 3 急倾斜煤层地表移动盆地 急倾斜煤层地表移动盆地有以下特征 非对称性更加明显 整个移动盆地明显地偏向煤层下山方向 最大下沉值向采空区下山边界方向偏移 地表最大水平移动值大于最大下沉值 煤层底板岩层也受开采影响 并出现相应的变形 目前难以预测 53 图l 19急倾斜煤层地表移动盆地示意图 54 小结 以上是通过主断面来讨论地表移动盆地的 显然 主断面上地表移动盆地的范围最大 地表的移动值最大 为了研究开采引起的地表最大的移动和变形 在大多数情况下 只要研究主断面上的地表移动和变形就可以满足工程需要 在非充分采动和充分采动条件下 每个地表移动盆地沿煤层走向和倾向方向各有一个主断面 而在超充分采动的条件下 则有多个主断面 55 地表移动盆地的充分采动角 边界角 移动角 裂缝角和最大下沉角 1 充分采动角充分采动区的范围用充分采动角表示 在充分采动或超充分采动条件下 在移动盆地主断面上 将地表下沉曲线上的最大下沉点或盆地平底边缘点投影在地表水平线上 该投影点和采空区边界的连线与煤层底板在采空区一侧的夹角叫充分采动角 图1 20 56 在倾斜主断面上 下山方向的充分采动角以 1表示 上山方向的充分采动角以 2表示 在走向主断面上 走向方向的充分采动角以 3表示 图1 20充分采动角 57 2 边界角 移动角和裂缝角 通常用角值参数圈定移动盆地边界 所谓角值参数主要包括边界角 移动角和裂缝角 1 边界角地表移动盆地边界角定义为 在充分采动或接近充分采动条件下 移动盆地主断面上的边界点和采空区边界点的连线与水平线在煤壁一侧的夹角 移动盆地最外边界在理论上是以地表移动和变形都为零的边界点所圈定 这个边界由仪器观测确定 考虑到观测误差等因素 一般取下沉为10mm的点为边界点 所以 地表移动盆地外边界实际上是下沉为10mm的点圈定的边界 如图1 21中的A B C D 58 图1 21地表移动盆地边界角 移动角和裂缝角 59 第四纪 第三纪未成岩的冲积层 洪积层和残积层统称为松散层 当有松散层时 应先将边界点沿松散层移动角 的方向投影到基岩面上 按不同断面 图1 21 图1 22 边界角可划分为 走向边界角 0 下山边界角 0 上山边界角 0 急倾斜煤层的底板边界角以 0表示 图1 22 60 图1 22边界角 移动角和裂缝角的求值方法 61 2 移动角 在充分采动或接近充分采动条件下 地表移动盆地的主断面上 最外侧的临界变形值点和采空区边界点的连线与水平线在煤壁一侧的夹角 地表移动盆地是一个比采空区面积大的开采影响范围 在该范围内 不是任何一个位置都对地面建筑构成危害 危险的移动边界是根据盆地内的地表移动与变形对建筑有无危害而划分的边界 对地面建筑物有无危害的标准是以临界变形值来衡量的 62 目前 我国采用的一组临界变形值是 i 3mm m 2mm m K 0 2mm m2 这组临界变形值是针对一般砖木结构建筑物而设定的 这个指标圈定的范围以外 为地表移动和变形对建筑物不产生明显损害的地带 在圈定的范围以内 为地表移动和变形对建筑物产生有害影响的地带 如图1 21中的A B C D 63 图1 21地表移动盆地边界角 移动角和裂缝角 64 应该指出 不同结构的建筑物 能承受最大变形的能力不一样 所以各种类型的建筑物都有对应的临界变形值 在确定移动盆地内危险移动边界时 用相应建筑物的临界变形值圈定会更接近于实际 根据不同断面 图1 21和图1 22 移动角可划分为 走向移动角 下山移动角 上山移动角 65 急倾斜煤层的底板移动角以 表示 图1 22 移动角是一个重要的参数 在确定地面各种建筑物的煤柱保护线时要用到 另外 在开采损害纠纷中 可采用移动角大致进行鉴定判断 66 3 裂缝角 地表移动盆地的裂缝边界根据盆地内最外侧的裂缝圈定 如图l 21中的A B C D 裂缝角定义为 在充分采动或接近充分采动条件下 在移动盆地主断面上 地表最外侧的裂缝和采空区边界点的连线与水平线在煤壁一侧的夹角 裂缝角 图1 21和图1 22 可分为 走向裂缝角 上山裂缝角 下山裂缝角 急倾斜煤层的底板裂缝角以 表示 图1 22 67 图1 21地表移动盆地边界角 移动角和裂缝角 68 3 最大下沉角 在移动盆地的倾斜主断面上 地表移动盆地在下山方向的影响范围较大 最大下沉点不在采空区中央的正上方 而是向下山方向偏移 最大下沉点的位置用最大下沉角 来确定 非充分采动和充分采动条件下 在移动盆地倾向主断面上 采空区中点和地表最大下沉点在地表水平线上投影点的连线与水平线在下山方向的夹角为最大下沉角 图1 24a 超充分采动条件下的最大下沉角确定方法如图1 24b 式中 煤层倾角 K 系数 K 0 5 0 8 69 图1 24最大下沉角 a 非充分采动或充分采动条件下 b 超充分采动条件下 70 以上的边界角 移动角和裂缝角只用于基岩 对于表土层 要用松散层移动角 松散层移动角以 表示 它不受煤层倾角的影响 其确定方法有直接法和间接法两种 直接法 当煤层埋置较浅 上覆岩层主要为松散层时 可设置松散层观测站 通过实地观测求取 值 间接法 当采空区上部基岩直接露出地表 或虽有松散层 但厚度很薄 在整个上覆岩层中占的比例很小时 可通过设站观测 直接求取基岩的移动角 然后利用已知的移动角 间接求取松散层移动角 图1 23 71 具体方法为 用基岩移动角自采空区边界线和基岩松散层交接面相交于B点 B点至地表下沉为10mm的点连线与水平线在煤柱一侧的夹角即为松散层移动角 72 图1 23间接法求取松散层移动角 73 描述地表移动和变形的指标 开采引起的地表移动过程是一种复杂的空间 时间现象 在只研究最终结果的情况下 地表任意点的移动向量 从它起止点的相对位置来看是指向采空区中央的 可分解为垂直分量和水平分量两部分 74 通常将垂直分量称为下沉 水平分量称为水平移动 水平移动分量可进一步沿纵向和横向分解 图1 10 由此可见 地表任一点的移动矢量是空间位置 x y z 和时间 t 的函数 图1 10地表点的移动分解 75 描述地表移动盆地内移动和变形的主要指标是 下沉 倾斜 曲率 水平移动 水平变形 扭曲和剪切变形 或称剪应变 目前 对于前五种指标的变化规律研究得比较充分 而对后两种指标的研究和使用尚不广泛 76 1 下沉 地表点移动向量的铅直分量 叫下沉 W 以本次与首次测得的点的标高差表示 即W h1 hj mm 1 5 式中h1和hj 第一次和第j次测得的点的标高 mm 77 2 倾斜地表下沉盆地沿某一方向的坡度叫倾斜 i 也叫斜率 图1 11 其平均值以两点间下沉差 W除以点间距 表示 即mm m 1 6 图1 11地表倾斜 曲率 水平移动 水平变形计算示意图 78 3 曲率下沉盆地剖面线的弯曲度叫曲率 K 其平均值以相邻两线段倾斜差 i除以两线段中点的间距表示 图1 11 即mm m2或10 3 m 图1 11地表倾斜 曲率 水平移动 水平变形计算示意图 79 4 水平移动地表下沉盆地点沿某一水平方向的位置叫水平移动 U 以本次与首次测得的从该点至控制点的水平距离差 来表示 即mm式中l0 lj 第j次和首次测得的该点与控制点的水平距离 mm 图1 11地表倾斜 曲率 水平移动 水平变形计算示意图 80 5 水平变形下沉盆地内两点间单位长度的水平移动差叫水平变形 其平均值以两点间水平移动差 u除以两点间距表示 即mm m 图1 11地表倾斜 曲率 水平移动 水平变形计算示意图 81 移动盆地稳定后主断面上移动和变形分布规律 描述地表移动盆地内移动和变形的5个主要指标是下沉W x 倾斜i x 曲率K x 水平移动U x 和水平变形 x 1 下沉W x 向下为正 在地表达到充分采动条件下 下沉曲线凹凸分界的拐点处 图1 26 图1 27中的E 的下沉值为最大下沉值的一半 一般在采场四周煤层未采的情况下 拐点不在工作面开采边界的正上方而略偏向采空区一侧 82 2 倾斜i x 是指地表单位长度内下沉的变化 其为下沉W x 的一阶导数 即 1 11 地表移动盆地都向盆地中心倾斜 走向断面上 平面图倾斜方向指向下方 倾斜方向向右为正 向左为负 倾斜断面上 倾斜向上山方向为正 向下山方向为负 83 3 曲率K x 表示地表单位长度内倾斜的变化 其为倾斜i x 的一阶导数 即 1 12 开采引起的地表移动和变形分析中得出和使用的曲率是数学上曲率严格定义 1 13 式的近似 1 13 正曲率为正 负曲率为负 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 拐点处曲率为0 84 4 水平移动U x 和倾斜i x 的变化趋势一致 它们之间相差一个有单位的系数B 水平移动系数 即 1 14 水平移动方向都指向盆地中心 走向断面上 平面图倾斜方向指向下方 向右为正 向左为负 倾斜断面上 向上山方向为正 向下山方向为负 85 5 水平变形 x 是指单位长度内水平移动的变化 为水平移动U x 的一阶导数 即 1 15 地表受拉伸变形为正 地表受压缩变形为负 86 1 水平煤层 或沿煤层走向主断面 非充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律 图1 25 图1 25非充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律1 下沉曲线 2 倾斜曲线 3 曲率曲线 4 水平移动曲线 5 水平变形曲线 87 地表移动和变形值分布与曲线特征 1 下沉曲线 整个曲线以采空区对称 最大下沉点位于盆地的中央 最大下沉值Wm W0 两拐点 E 间地表下凹 内边缘发育不完整 两侧盆地外边缘地表上凸 一般发育完整 2 倾斜曲线 在最大下沉点处倾斜为0 在拐点E处分别有极大值 两极大值大小相等 方向相反 3 曲率曲线 在拐点E处曲率值为0 在下沉曲线的拐点和边界之间有两个正极大值 在盆地中央最大下沉点处或其两侧 有一个负的或两个负的极大值 负极大值一般大于正极大值 4 水平移动曲线 变化规律与倾斜曲线相同 在最大下沉点处水平移动值为0 在拐点处有2个大小相等 方向相反的极大值 88 5 水平变形曲线 变化规律与曲率曲线相同 在下沉曲线的拐点和边界之间有2个正极大值 拉伸变形 在盆地中央最大下沉点或其两侧 有一个负的或两个负的极大值 压缩变形 负极大值一般大于正极大值 89 2 水平煤层 或沿煤层走向主断面 刚达充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律 图1 26 当用走向充分采动角 3画的两直线刚好交于地表点O时 这时地表刚好达到充分采动 O点为最大下沉点 用 0确定盆地边界点 90 图1 26刚达充分采动时主断面内地表移动变形分布规律1 下沉曲线 2 倾斜曲线 3 曲率曲线 4 水平移动曲线 5 水平变形曲线 91 与非充分采动时走向主断面移动变形曲线对比 具有以下特点 1 最大下沉点位于盆地中央 该点只有下沉值 其他移动变形值均为0 最大下沉值达到该地质采矿条件下的最大下沉值W0 2 移动盆地内边缘也发育完整 整个内边缘有两个负曲率极大值和两个负的水平变形 压缩 极大值 其位置在两个拐点与最大下沉点之间 这时正负曲率极大值相等 水平变形的正负极大值相等 3 两个拐点E的位置大致在移动盆地两侧边缘区的中央部位 即内 外边缘的长度大致相等 其他方面同图1 25 92 3 水平煤层 或走向主断面 超充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律 图1 27 图1 27水平煤层超充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律1 下沉曲线 2 倾斜曲线 3 曲率曲线 4 水平移动曲线 5 水平变形曲线 93 当用 3角画两直线在地表交于O1 O2两点 O1和O2间出现平底时 地表达到超充分采动 与充分采动相比 超充分采动的特点为 下沉曲线中部平底上各点下沉值相同 并达到该地质采矿条件下应该达到的最大值W0 在下沉曲线的平底部分内 倾斜 曲率均为0或接近于0 各种变形主要分布在采空区边界上方附近 94 4 倾斜煤层 15 55 非充分采动时地表移动和变形分布规律 图1 28 图1 28倾斜煤层非充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律1 下沉曲线 2 倾斜曲线 3 曲率曲线 4 水平移动曲线 5 水平变形曲线 95 利用下山充分采动角 1和上山充分采动角 2确定充分采动程度 用 o 0确定上下山盆地边界点 用最大下沉角 确定最大下沉点 倾斜煤层非充分采动时 地表移动和变形有如下规律 1 下沉曲线 倾斜曲线和曲率曲线 下沉曲线失去对称性 如上山部分的下沉曲线比下山部分的下沉曲线要陡 范围要小 最大下沉点向下山方向偏离 其位置用最大下沉角 确定 下沉曲线的两个拐点与采空区不对称 而偏向下山方向 随着下沉曲线的变化 倾斜曲线和曲率曲线也相应发生变化 96 3 水平变形曲线 最大拉伸变形在下山方向 最大压缩变形在上山方向 水平变形为零的点与最大水平移动点重合 4 水平移动曲线和倾斜曲线不相似 水平变形曲线和曲率曲线不相似 2 水平移动曲线 在倾斜煤层开采时 随着煤层倾角的增大 指向上山方向的水平移动值逐渐增大 而指向下山方向的水平移动值逐渐减小 97 第三节 二 概率积分法 思考题1 熟练绘制非充分采动 刚刚达充分采动和超充分采动条件下 走向主断面上地表各移动与变形曲线 并注意标出与采空区 影响边界的对应关系 2 了解倾斜主断面地表移动与变形分布规律 掌握水平移动和水平变形与走向主断面的差异 3 已知概率积分法走向主断面半无限开采条件下下沉的表达式为 98 利用其函数关系求出i x K x U x x 的表达式 并分析各曲线的特征 4 掌握有限开采条件下主断面上地表移动与变形的叠加原理 99 第三节地表移动与变形预计 概率积分法 地表移动和变形预计是开采损害评价和环境保护的重要内容 在开采及相关工程设计施工之前都要根据已知的地质和开采技术进行地表移动变形的预计 地表移动和变形的预计对于指导建筑物下 铁路下和水体下采煤具有重要意义 建筑物下采煤时 预计结果常用来判别建筑物是否受开采影响和开采影响对建筑物的影响程度 并作为受采动影响建筑物进行加固维修或就地重建 或采区井下开采技术措施的决策依据 在铁路下采煤时 预计结果可以判别铁路下采煤的可能性 水体下采煤时 预计结果用来判别矿井承受水患威胁的程度以及对地面水工建筑物可能的影响程度 100 目前 国内外广泛使用的地表移动计算方法主要有3类 理论法 典型曲线法和剖面函数法 1 理论法计算地表移动的理论法有随机介质理论法 弹塑性理论法 几何理论法等 随机介质理论是波兰的李特维尼申教授于1956年提出的 经过我过科学家的完善和发展 提高了它的实用性 成为广泛应用的概率积分法 认为下沉盆地剖面类似于梁或板的弯曲 但由于受采动岩体的力学参数难以精确确定 而至今尚未达到定量的实用阶段 近几十年来随着有限元法的广泛应用 弹塑性理论用于计算地表移动和变形成为可能 同时 计算机的快速运算能力给选择较为复杂而又与实际符合的力学模型创造了条件 我国许多从事岩移理论研究的学者在这方面已作了大量的卓有成效的研究工作 促进了这一理论的发展 101 几何理论创始于20世纪20年代 1950年以来 这个理论由布得雷克 克诺特 波兰 加以发展和完善 几何理论在我国和包括波兰在内的其他许多国家得到了广泛应用 几何理论的最终表达式与随机介质理论的公式是一致的 由于都利用了概率积分函数计算 统称概率积分法 102 2 典型曲线法典型曲线法是将同类型地质采矿条件下地表下沉盆地的移动和变形分布用无因次曲线或表格表示 这种方法在我国峰峰 平顶山 抚顺等矿区得到使用 在国外 前苏联和英国应用得比较普遍 1975年英国煤炭管理局出版的 下沉工程师手册 所介绍的计算方法就属于典型曲线法 103 3 剖面函数法剖面函数法是根据地表下沉盆地剖面形状来选择描述下沉盆地剖面的相应函数 作为计算地表移动和变形的公式 剖面函数法在匈牙利 前苏联 德国 英国 南斯拉夫等国应用了多年 我国许多矿区使用过多种剖面函数法 特别是负指数函数法应用得较多 104 地表的移动和变形是一个随开采空间扩展和时间延续而变化的动态过程 预计该过程中某一瞬间的地表移动和变形称为动态预计 预计地表稳定后的移动变形称为静态预计 目前静态预计方法预计精度可满足工程要求 概率积分法目前在我国使用极为广泛 我国现行的 建筑物 水体 铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 2000年版 中仅推荐采用概率积分法 故本节主要介绍概率积分法的基本理论和方法 105 根据预计的要求 保护对象的空间位置和开采煤层的情况 地表移动变形预计的内容可以包括下列内容的一项或几项 1 下沉盆地主断面上的移动和变形预计 预计地表沿下沉盆地走向主断面和 或 倾向主断面的移动和变形分布 2 最大值预计 预计地表的下沉 倾斜 曲率 水平移动和水平变形的最大值及其出现的位置 106 3 地表任意点移动和变形值预计 预计地表下沉盆地内任一点的下沉值及其该点沿指定方向的倾斜 曲率 水平移动 水平变形 扭曲和剪应变值 预计开采影响范围 4 多工作面和 或 多煤层开采时岩层和地表移动预计 地表点受到重复开采的影响 预计时应考虑所有影响的总和 5 岩层内任意点的移动和变形值 107 一 概率积分法的基本原理 概率积分法是因其所用的移动和变形预计公式中含有概率积分函数而得名 由于煤系地层主要由沉积岩和松散层组成 岩体中分布着许多原生的节理 裂隙和断裂等弱面 因此将矿山岩体看成为一种松散介质 煤层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 这种移动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岩层与地表移动随机分布规律 108 如果把岩石移动过程作为某种随机过程来讨论 在二维的情况下 斯莫那尔斯基 A Smolarski 得到下述的二阶抛物线型偏微分方程来描述岩石在开采影响下的下沉规律 1 20 函数系数B z M z N z 是表示介质特征的参数 其中 N z 说明下沉盆地体积随深度的变化 B z 说明岩石沿铅直方向的非均质性 M z 说明下沉沿z轴向上传递时 影响传播的方向 109 概率积分法考虑一个最简单的情形 岩层水平成层 水平方向同性 盆地体积不随深度变化 则方程 1 21 式可化简为 1 21 研究半无限开采岩石移动的规律时 边界条件可近似写为 1 22 110 方程 1 21 式在上述边界条件下的特解即为半无限开采时 各水平上岩石的下沉盆地的方程式W x z 即 1 23 式中 这一结果 对于地表而言与克诺特获得的结果 1 24 式完全一致 也可以说 经测量证实和广泛应用的克诺特理论 是随机介质理论的一个特例 地表 1 24 李特威尼申及其合作者用随机介质力学的方法对于岩石移动现象所作的研究 使人们对这一过程的认识更加系统 111 二 半无限开采条件下地表移动盆地走向主断面内的移动与变形预计 所谓半无限开采就是把开采空间看作一维空间 在一维空间中 x 0的煤层全部采出 x 0的煤层全部保留不采 即煤层的开采范围是0 未采煤层的范围是0 112 1 半无限开采后x位置处的下沉当采厚为m 煤层之上的上覆岩层将垮落 碎胀 断裂和离层 充填采空区 地表不能下沉m 而只能下沉mq 采空区顶板下沉过程还受到煤层倾角的影响 地表的最大下沉值为W0 mqcos q为概率积分法中的一个预计参数 称为地表下沉系数 其主要与覆岩岩性和采空区处理方法有关 在 1 22 式条件下解偏微分方程 1 21 式得 半无限开采后x处地表的下沉公式为 113 这就是半无限整层开采后x位置处对应点下沉的计算式 相应的结果如图1 40 a 所示 利用概率积分函数erfx 上式可写成 式中 114 W0是该地质采矿条件下地表的最大下沉值 且W0 mqcos 将主要影响半径 r代入 1 26 式 则 由此可见 在下沉盆地主要影响半径以外 地表下沉值很小 115 W0是该地质采矿条件下地表的最大下沉值 且W0 mqcos 将主要影响半径 r代入 1 26 式 则 由此可见 在下沉盆地主要影响半径以外 地表下沉值很小 116 2 半无限开采后地表移动和变形的其他指标 根据移动与变形函数间的关系 利用W x 可方便地求出其他移动与变形的函数式 对W x 求一阶导数 可求出沿x方向的地表倾斜i x 117 2 倾斜因为 所以为偶函数 地表最大倾斜值i0应满足即则x 0 x 时i x 有极值 118 当x 0时 i x 达最大值 且当x 时 当x r时 119 根据水平移动和倾斜的关系 得出沿x方向的水平移动 令则上式变为 式中b为概率积分法中另一个地表移动预计参数 称为水平移动系数 120 地表水平移动和倾斜的函数表达式相似 其特征相同 即令则当x 0 x 时 U x 有极值 当x 0处 U x 达到最大值 且U0 bW0这里 b为水平移动系数 b是最大水平移动和最大下沉的比值 即 121 对i x 式求一阶导数可得出沿x方向的地表曲率K x 122 因为K x K x 所以K x 为奇函数 x 0处 K 0 0 曲率曲线K x 是下沉曲线W x 的二阶导数 x等于0处是下沉曲线凹凸分界点 x 0时 K x 0 下沉曲线W x 上凸 x 0时 K x 0 下沉曲线W x 上凹 地表最大曲率K0处应满足令上式 0 则将x 0 4r代入 1 30 式得 123 对U x 式求一阶导数 可求出沿x方向的水平变形 x 124 由图1 40和 1 31 式可知 地表水平变形与曲率函数表达相近 其特征相同 即当x 0 4r x 达到最大值 且即当x 0 4r处 地表出现负的 压缩 水平变形最大值 x 0 4r处 地表出现正的拉伸水平变形最大值 125 图1 40半无限开采地表移动和变形五项指标变化规律 a 下沉 b 倾斜 c 水平移动 d 曲率 e 水平变形 126 4 半无限开采地表移动与变形的预计公式简化 采用 1 25 1 27 1 29 1 30 和 1 31 式预计地表移动和变形时 计算工作十分繁杂 为了简化计算 可直接利用地表移动和变形的无因次分布函数表或图进行 用地表移动和变形的最大值除以地表移动和变形的表达式 得如下关系式 127 1 32 128 这些关系式是无因次的 并且都是x r的函数 称为地表移动和变形的分布函数 如表1 6或图1 41所示 图1 35地表移动与变形分布无因次曲线 129 预计地表移动和变形时 只需计算出最大值 再以预计点的x r为引数查表1 5或图1 35 求得分布函数的值 再把相应的最大值与分布函数值相乘 而不必按前面的公式进行复杂的计算 130 5 拐点偏移距 用概率积分法计算的下沉曲线的拐点在煤壁与采空区交界处的正上方 这是理想条件 如图1 42所示 由于煤壁附近采空区上方顶板的悬顶作用 其产生的效果相当于实际煤壁平移了一段距离 即由B点移动到假想煤壁B 点 使得地表下沉曲线的拐点位置平移了s0 从而导致倾斜 曲率 水平移动和变形也相应地移动了s0的距离 称为拐点偏移距 拐点偏移距也是概率积分法预计地表移动与变形的又一个参数 预计地表移动与变形时 要以假想煤壁B 点作为采空区的计算边界 131 图1 42下沉曲线拐点位置 a 理想条件 b 实际条件 132 三 有限开采条件下地表移动盆地走向主断面内的移动与变形预计 实际开采往往是有限开采 如图l 43所示 设煤层沿倾向方向已达到充分采动 沿煤层走向开采范围是从A到B 用同样的方法可以推导地表x位置处任意点A的下沉 A到B范围内无数单元开采的叠加形成单位厚度开采对A点的影响 图1 43有限开采条件下地表下沉公式推导分析 133 未考虑拐点偏移距 有限开采时地表x位置处任意点A的下沉W0 x 1 33 令则 1 33 式变换为 1 34 1 34 式还可以改写为 134 这是两个半无限开采下沉之差 第一个半无限开采是从A点开采到 第二个半无限开采是从坐标为x L的B点开采到 理想条件下A B之间煤层的有限开采可等效于上述两个半无限开采之差 135 考虑A B两点处的拐点移动距 如图1 44 有限开采的计算开采边界范围为l L 2s0 其引起地表下沉的表达式为 图1 44有限开采条件下地表走向主断面上下沉计算原理分析1 第一个半无限开采的地表下沉曲线 2 第二个半无限开采的地表下沉曲线 3 有限开采的地表下沉曲线 136 在其他条件相同的情况下 有限开采条件下地表下沉的最大值主要决定于 愈小 W0 x 的最大值愈小 在时 W0 x 的最大值已接近W0 实际上可以看作已达到充分采动 137 采用同样的方法 可得出走向主断面上有限开采的移动和变形值计算公式 式中 l为计算开采边界长度 l L 2s0 L为实际开采边界长度 为区别半无限开采 上式左边的W i K U和 在上角加0 表示有限开采 有限开采条件下的下沉 倾斜 水平移动 曲率和水平变形变化规律如图1 45所示 当 2r时 由于负曲率和水平压缩变形叠加的结果 有限开采条件下的曲率和水平变形的最大值将超过半无限开采条件下的最大值 当l 0 8r时 负曲率和水平压缩变形的最大值将达到半无限开采条件下的两倍 1 35 138 图1 45有限开采条件下的下沉 倾斜 水平移动 曲率和水平变形变化规律 a b 139 地表移动盆地倾向主断面内的移动与变形预计 15 移动盆地倾向主断面内地表移动与变形预计要考虑煤层倾角的影响 与走向主断面内预计相比 倾向主断面内预计有如下特点 1 上 下山方向的主要影响半径不同 如图1 46所示 由于煤层倾斜 采空区上山边界与下山边界的采深不同 用公式r H tan 求出的上 下山方向的主要影响半径不同 140 式中r1 下山方向主要影响半径 m r2 上山方向主要影响半径 m H1 下山边界采深 m H2 上山边界采深 m tan 主要影响角正切 1 36 141 2 水平移动和水平变形与开采影响传播角有关 水平煤层开采时 开采影响沿铅垂线方向向上传播 当煤层和覆岩倾斜时 开采影响沿着介于与岩层层面线垂直的直线和铅垂线之间传播 如图l 46所示 A D为实际开采边界 由于顶板悬顶影响 计算开采边界为B和C 其下山和上山方向的拐点偏移距分别为s下和s上 142 由于煤层倾斜 开采从B点至上山方向无穷远处之间的煤层时 该半无限开采引起的地表下沉曲线的拐点不再位于计算开采边界B点的正上方 而是向下山方向偏移 位于O点处 同理 开采从c点至上山方向无穷远处之间的煤层时 该半无限开采引起的地表下沉曲线的拐点位于O1点处 开采影响传播角定义为 在移动盆地倾向主断面上 按拐点偏移距求得的计算开采边界和地表下沉曲线拐点在地表水平线上的投影点的连线与水平线在下山方向的夹角 143 1 半无限开采条件下地表移动盆地倾向主断面内的移动与变形预计 倾向主断面内的下沉 倾斜和曲率的计算公式与 1 25 式 1 27 式和 1 30 式基本相同 仅在计算倾斜主断面上山一侧的移动变形值时 以y r2代替x r 计算下山一侧的移动变形值时以 y r1代替x r 倾向主断面内的水平移动与水平变形值计算式为 1 37 1 38 144 计算上山一侧的水平移动U2 y 和水平变形值 2 y 时 1 37 式和 1 38 式中对应的计算式右端第二项取负号 计算下山一侧的U1 y 和 1 y 式取正号 倾向主断面y坐标原点由计算开采边界按开采影响传播角 0作直线与地表的交点 即位于图1 46中的O点位置或O1点位置 145 2 有限开采条件下地表移动盆地倾向主断面内的移动与变形预计 沿倾向主断面内的下沉 倾斜和曲率的计算与 1 35 式中的对应项相同 仅需将式中的x以y代之 r以r1或r2代之 由于煤层倾斜 沿倾向主断面内的地表水平移动U y 和水平变形 y 由两部分组成 第一部分和水平煤层一样 水平移动U y 的第二部分与该处的下沉成正比 水平变形 y 的第二部分与该处的倾斜成正比 并且都与开采影响传播角 0有关 走向为充分采动 倾向为有限开采条件下 沿倾向主断面内移动和变形的预计公式如 1 39 式 对应的开采边界条件如图1 46所示 146 147 计算机程序计算 利用计算机可进行开采任意工作面 地表任意点和任意方向的移动与变形 计算机所需要的地质 开采技术条件数据及参数包括 计算点坐标 x y 和计算方向角度 煤层倾角 采厚M 开采工作面的角点坐标及采深 下沉系数q 水平移动系数b 主要影响角正切tan 拐点偏移距S1 S2 S3和开采影响传递角 148 第四节地表移动与变形参数分析 思考题1 掌握概率积分法的特征参数有哪些 各参数的取值方法 表1 16 2 了解地表移动速度和持续时间 149 一 最大下沉值 地表移动稳定后移动盆地最大下沉值是反映地表移动和变形程度的一项重要参数 又是决定地表水平移动 倾斜 曲率 水平变形等参数的基础 因此 正确预计地表移动的最大下沉值具有十分重要的意义 目前 国内一些矿区常用以下方法预计地表最大下沉值 150 l 充分采动条件下地表最大下沉值 近水平 缓倾斜及中倾斜煤层充分采动后 地表最大下沉值用下式计算 式中q 地表下沉系数 M 采高 m 煤层倾角 在煤层厚度和倾角一定的条件下 地表最大下沉值只取决于地表下沉系数q 地表下沉系数定义为 充分采动时 地表最大下沉值W0与煤层法线厚度M在铅垂方向的投影长度的比值 即 1 47 151 在煤层厚度和倾角一定的条件下 地表最大下沉值只取决于地表下沉系数q 地表下沉系数定义为 充分采动时 地表最大下沉值W0与煤层法线厚度M在铅垂方向的投影长度的比值 即 1 47 152 地表下沉系数q与上覆岩层岩性和采空区处理方法有关 一般认为 岩石愈坚硬 下沉系数愈小 反之则愈大 我国采用全部垮落法处理采空区的部分煤矿实测的地表下沉系数变化范围如表1 7所列 表1 7部分煤矿实测的地表下沉系数变化范围 153 地表下沉系数与采空区处理方法的关系如表1 8所列 值得注意的是 由于岩性条件不同 同样采用全部垮落法处理采空区的矿区不同 其下沉系数不尽相同 表1 8采空区处理方法与地表下沉系数 154 二 水平移动系数 充分采动时 走向主断面上地表最大水平移动值U0与地表最大下沉值W0的比值称水平移动系数 即 1 48 155 水平煤层开采时的水平移动系数b变化较小 一般b 0 3 变化范围大致在0 2 0 4 开采倾斜煤层时的水平移动系数bc与煤层倾角 有关 且 1 49 156 三 主要影响角正切由半无限开采地表移动和变形分析 图1 47及表1 9可知 地表主要移动和变形发生在x r r的范围内 所以称r为主要影响半径 表1 9x r处的地表移动和变形 157 如图1 47所示 开采边界点与主要影响半径边界点的连线与水平线夹角的锐角 称为主要影响角 其正切称为主要影响角正切 即 1 50 与主要影响半径r