白家庄采煤沉陷预测及治理研究_资源环境与城乡规划管理_毕业论文

1、白家庄矿采煤沉陷预测及治理研究摘要摘要随着煤炭资源的开采，越来越多的土地因为采空区塌陷而遭到破坏，威胁到地表人群的生产生活安全，也对生态环境造成很大破环。因此有必要对采煤沉陷区进行预测、防治研究。本文以白家庄矿 36703 工作面上方的地表为研究对象，根据工作面上方顶板的地质采矿条件，分别采用概率积分法和三维快速拉格朗日有限差分法（FLAC3D 数值模拟） ，对受开采影响的地表移动和变形进行静态和动态预测。获得了地表的下沉值、下沉范围。预测结果表明，在地表移动和变形预测方面，概率积分法和 FLAC3D 数值模拟都是可行的。作为一种三维显式有限差分法的数值分析工具，FLAC3D 在采煤沉陷模拟预

2、测方面具有广阔的应用前景，其直观、动态的分析将丰富采煤沉陷移动与变形的研究。本文最后根据概率积分法和 FLAC3D 数值模拟的预测结果，结合矿区的实际，提出了土地复垦和生态重建的治理方法。对于沉陷治理工作，提出了要从源头防治的措施，应采用更合理的采煤方式防止沉陷发生。关键词：预测；概率积分法；FLAC3D 数值模拟；地表移动和变形；土地复垦A study of mining subsidence prediction and managementon Bajiazhuang coalAbstractWith the exploitation of coal resources,an incre

3、asing number of land due to subsidence of mined-out area was destroied. The subsidence seriously threats to the ground productive and life safety of people, but also destroied ecological environment. Therefore, it is necessary for mining subsidence to research prediction and controlling. This paper

4、takes ground above 36073 working face of baijiazhuang coal as an example. According to the geological and mining conditions of 36703 working face, itstatic and dynamic predicts the displacement and deformation of surface with the probability-integral method and Fast Lagrangian Analysis of Continua i

5、n 3 Dimensions(numerical simulation with FLAC3D) respectively. Results of prediction pointed out the value of the ground subsidence, the subsidence area. It shows that the probability-integral method and numerical simulation with FLAC3D are feasible on predicting displacement and deformation of the

6、ground. But, as a three-dimensional explicit finite-difference analysis tool, the application in simulation and prediction mining subsidence has broad application prospect.Its visualized and dynamic analysis will be rich in the study which predicts the displacement and deformation of mining under gr

7、ound.Finally,according to the predicted results of the probability-integral method and numerical simulation with FLAC3D, the treatment of the land reclamation and ecological reconstruction was used. For controlling work of subsidence, the better ways to prevent the subsidence occurred in coal mining

8、 is using reasonable mining methods to prevent subsidence from source.Key words: Prediction; Probability-integral method; Numerical simulation with FLAC3D; Ground displacement and deformation; Land Reclamation目录摘要.IABSTRACT.II1 绪论.11.1 问题的提出及研究意义 .11.2 国内外沉陷预测与治理研究现状 .21.2.1 国内外沉陷预测研究现状 .21.2.2 国内外沉

9、陷治理研究现状 .41.3 沉陷治理存在的问题 .61.4 本次研究采用的理论和主要研究内容 .62 沉陷预测方法概率积分法.72.1 概率积分法 .72.1.1 随机介质理论基本原理.72.1.2 下沉盆地 .92.1.3 单元水平移动 .112.2 预计公式 .132.2.1 半无限开采时地表移动盆地走向主断面的移动和变形的预计.132.2.2 有限开采时地表移动盆地走向主断面的移动和变形.142.2.3 有限开采地表盆地倾向主断面移动和变形预计.152.2.4 地表任意点移动和变形预计公式.172.3 计算参数的选取 .182.4 本章小结 .193 采煤沉陷治理方法.203.1 矿区土

10、地复垦 .203.1.1 复垦土地平整技术 .203.1.2 梯田式复垦技术 .213.1.3 充填复垦技术 .233.1.4 挖深垫浅和直接利用法 .253.2 沉陷控制工程 .253.2.1 采煤沉陷控制技术 .253.2.2 井下回填 .263.2.3 注浆处置 .273.3 本章小结 .274 白家庄煤矿采煤沉陷预测研究.284.1 白家庄煤矿基本概况 .284.2 白家庄煤矿开采沉陷预测 .284.2.1 地表移动预测参数的选取.284.2.2 预测结果 .294.3 沉陷预测分析 .364.3.1 最大沉陷值分析.364.3.2 沉陷面积分析 .374.3.3 沉陷剖面分析.384

11、.4 本章小结 .405 白家庄矿采煤沉陷预测分析方法FLAC3D 模拟 .415.1 三维快速拉格朗日法综述 .415.1.1 拉格朗日法简介.415.1.2 FLAC3D 软件的主要特点.415.2 白家庄矿 36703 工作面顶板移动变形 FLAC3D 模拟研究 .425.2.1 计算条件 .425.2.2 地表沉陷分析.435.3 本章小结 .516 白家庄矿的沉陷治理研究 .526.1 地表沉陷影响分析 .526.2 沉陷区生态修复土地复垦 .536.2.1 修复方案.536.2.2 方案设计 .546.3 煤矿开采沉陷控制新技术 .586.4 本章小结 .587 结论和展望 .59

12、7.1 结论 .597.2 论文不足与展望 .60参考文献.61致谢.631 1 绪论绪论1.11.1 问题的提出及研究意义问题的提出及研究意义 地下煤层被采出后，采空区周围的岩体的原始应力平衡状态遭到破坏，应力要重新分配，达到平衡。在这个过程中，岩层和地表会发生连续的下沉和移动，这种现象称为“开采沉陷” （Mining subsidence）【1】。沉陷是井下煤田开采对土地破坏的主要形式,沉陷地面一般占井下煤田开发区总土地破坏面积的 80%以上【2】。我国的煤炭工业以井下开采为主,绝大多数是长壁工作面、全陷落法管理顶底板,再加上开采强度开采规模的日益加大、开采方式和工作面结构参数优化不合理、

13、小煤矿的不规范开采等影响,致使采煤区地面沉陷比较严重。据调查统计,每从地下开采 1 万 t煤约使 10003000m2的土地遭受不同程度的沉陷。全国因采矿活动形成的采空区面积约 80.96 万公顷，引发地面沉陷面积 35.22 万公顷，【3】每年增加 200km2【2】。表 11是我国部分矿区不完全统计的采煤沉陷分布表【4】。表 11 我国部分矿区采煤沉陷分布表矿区名称沉陷区面积（km2）抚顺16.89古交66.09鹤壁64.38鸡西193济宁126.67六盘水78.21阜新101.38山西（10 个矿区）1084.886辽源23.37鹤岗63.73随着煤矿开采范围的扩大，越来越多的土地会受到

14、破坏，沉陷也会对矿区的居民生活带来威胁。矿区大面积的土地破坏，不仅影响到居民的生命财产安全，也对当地的生态环境造成极大的破坏，而且这种破坏极有可能是无法恢复的。所以对于采煤造成的地面沉陷，治理工作就显得十分必要，这关乎到矿区居民的生产生活，也关乎到矿区的生态环境，对于煤矿的正常生产也十分重要。同时沉陷区的治理工作也要有章可循，要根据采空区范围预测可能的沉陷区范围，结合预测做好治理工作。本文将结合白家庄矿的 36703 工作面的资料，预测工作面采煤后对地面的影响，并结合预测做好沉陷区的治理与防治工作。1.21.2 国内外沉陷预测与治理研究现状国内外沉陷预测与治理研究现状1.2.11.2.1 国内

15、外沉陷预测研究现状国内外沉陷预测研究现状采矿沉陷预测研究的历史仅仅有一百多年历史，各国学者提出了一系列的预测方法。采煤沉陷的预测方法大体有三类： 以实验和观测资料为依据建立的预测模型，主要是根据观测资料和观测结果，结合一些采煤的采掘参数所建立的模型。观测资料来源于特定矿区，结果也只对调查区域有效。 根据沉陷影响范围提出的预测模型，一般是对于预测矿区进行观测，利用观测资料与类似地质条件下的自然沉陷进行比较，得出一个比率系数，进行沉陷预测。该预测方法应用有限，比率系数很难确定，自然沉陷也主要受地球力学和地质影响。 建立数学-物理模型，根据力学原理计算顶板变形和沉陷发展，这类模型可以给出计算结果【5

16、】。国内较为常用的方法主要有两种：概率积分法和典型曲线法。1 概率积分法（随机介质理论）【6】概率积分法的依据是非连续介质力学理论，将岩体看成是由无穷多个单元堆积而成，从单元随机移动出发研究岩体的移动过程，把岩体看成完全的松散单元，又加设小单元性质与岩体无关，从而将覆岩和地表移动与岩体本身的固有属性分离。概率积分法没有考虑岩体结构的特性，且利用的预计参数没有力学意义，岩体结构复杂时误差较大，但由于其避开了岩体的内在特性，概率积分法适用简便，在岩体结构表现为简单的层状性质时计算结果符合实际，在生产实践中广泛使用。2 典型曲线法【1】典型曲线法是用无因次的典型曲线表示移动盆地主断面上的移动和变形曲

17、线的一种方法，它适用于矩形或近似矩形的采区的地表移动变形预计。应用典型曲线法的步骤如下： 对实测资料进行数据处理，建立用地质采矿数据求取预计参数和地表移动变形最大值的经验公式。 根据各观测站的实测资料，建立适用各种地质采矿条件的反映移动或变形分布情况的典型曲线。 根据要预测的开采的地质采矿条件数据，应用上述经验公式求取预测参数及各种移动变形的最大值。 根据要预测的开采的地质采矿条件，选取适当的预测典型曲线。 根据要预测的主断面上的地面点的无因次横坐标和选定的典型曲线，求定预计点的无因次移动变形值，乘以相应的最大值，就得到预计点的实际移动和变形值。典型曲线法由于其分布和参数均是直接基于实测资枪预

18、计误差较小，因此是目前所有预计方法中较为可靠的方法之一。我国也在多年的实测的基础上建立了大量的典型曲线。但典型曲线也有其缺点：典型曲线针对某个矿区建立，其它矿区不能套用；需要大量的实测资料；典型曲线原则上适用于矩形或近似矩形采区的地表移动和变形预计，在形状不规则的工作面开采时预计误差大。近年来，国内外学者又结合数学和统计学方法提出了新的沉陷预测方法。如：遗传程序设计法能有效处理复杂和非线性问题，应用于采矿沉陷预测误差不大于 10，能够满足工程需求。【7】人工神经网络法不需要掌握采掘顶板的地质与力学性质，根据一些采掘参数，利用多层次的反馈神经网络，即可预测采矿引起的沉陷【5】。对未确知聚类预测法

19、进行优化，并将其用于开采地面沉陷预测研究，预测结果也可达到一定精度【8】。以理想散体移动模型为基础, 提出了更具有一般统计意义的采动覆岩与地表下沉概率密度新函数,建立了水平煤层开采地表下沉和变形的预计新体系,为矿山开采地表下沉和变形预计提供了新方法【9】。国内也有一些学者认识到概率积分法中的预计参数的不足，提出了概率积分法预计参数的求取的改进方法。如：基于 Broyden 算法的概率积分法预计参数求取方法，改进了预计参数计算的不足，具有以一定的优越性【10】。1.2.21.2.2 国内外沉陷治理研究现状国内外沉陷治理研究现状对于采煤沉陷治理方法，主要分为两类。第一类主要是地表治理，也是末端治理

20、，主要方式即土地复垦。土地复垦是目前采煤沉陷治理最主要的方法，也是国内运用较为成熟的方法，提出了一系列的土地复垦技术方法，且治理费用较低。第二类主要是地下治理，也是源头治理，即要防止采空区地面下沉。主要方法就是要在采煤过程中，要采用开采沉陷控制技术、井下回填或工程技术方法，防止采空区大幅度下沉的发生。1 矿区土地复垦矿区土地复垦工程是按照土地利用原理，结合矿山开采后土地破坏的特点，对控根、塌陷、压占的土地采取工程和生物措施，恢复土地的生产力和矿区生态平衡的活动【11】。土地复垦后有多种利用方式，根据利用方式土地复垦形式又可分为：【12】 恢复农业用地，如耕地、牧场、草地、果园及菜地等； 恢复林

21、业用地如种植各种用途的绿色植物等； 建设生活和生产用的蓄水池塘养鱼及水篱游泳池等； 恢复民用和工业建筑用地； 建设文化娱乐和休养场所。2 沉陷控制 矿山开采沉陷控制技术矿山开采沉陷控制技术可分为四类：以充填体为核心的岩层控制技术、以部分支撑矿柱为核心的开采技术、以协调开采为核心的变形控制技术和以建筑物为核心的保安煤柱设计技术【13】。具体见下图 11 所示：图 1-1 矿区开采沉陷控制技术 井下回填和采空区灌浆处置煤层开采完以后，可以把采煤过程中产生的废弃物如矸石和采煤剥离物回填采空区，这样不仅可防止了采空区塌陷，也实现了废物不外排。对于一些采空区，必要时采取灌浆处置，对于防止塌陷有良好的效果

22、。开采沉陷是造成矿区环境地质灾害的直接原因，有效控制和减轻地面沉陷程度是避免开采沉陷环境灾害的基本途径，充填采煤法是减少地表下沉效果最好的方法之一。这种方法可使采场没有或减少垮落带，能更好的减少地表下沉【14】。地下回填需要大量废物，而我国又有大量的城市垃圾和工业废料，仅 1998 年全国城市生活垃圾就达 1. 2 亿吨以上，如果能把采矿终了后的地下采空区回填治理与城市生活垃圾中固体废弃物的填埋处理结合起来【15】，既可解决我国的垃圾处理问题，也为采空区治理提出了一个新的思路。由于采空区情况复杂，勘察和施工时有时难以发现，可能会造成部分已建建筑物倾斜、开裂或路基的塌陷。针对这一特殊情况，结合当

23、地的材料供应情况和施工条件,一般采用注浆法进行处理【16】。注浆材料一般为选用既经济又便宜的工业废料电厂粉煤灰作为主要充填材料，利用水泥的粘结性和粉煤灰按比例拌和，改善了粉煤灰粘结性差的弱点，提高其结石体强度，抑制了其振动液化；同时充分利用粉煤灰流体性好的特点，充填地下采空区裂隙或空洞。注浆后形成的结石不仅起到充填作用，而且起支撑作用，从而保证建筑物的安全使用【17】。这些技术不仅能彻底治理采煤沉陷区，还可解决用地紧张的矛盾。1.31.3 沉陷治理存在的问题沉陷治理存在的问题沉陷治理后土地的用途不同，所以治理方法也应有所区别。沉陷治理要做好规划，根据治理区的规划用途，选择合适的治理技术方法，不

24、能对于所有的治理区都选择一样的方法，同时也要考虑治理的经济成本，选择可行的治理方式。例如，对于规划为林地或耕地的沉陷区，就应采用土地复垦的办法，平整土地或修建梯田（对于山区丘陵地区） ；对于规划为生活或生产用的蓄水池或鱼塘的沉陷区，就应采用深挖的办法；对于规划为民用或工业建筑用地的沉陷区，治理工作就不能采用土地复垦方法，而应采用井下回填或工程注浆，以满足建筑对地基承载的要求。沉陷治理应根据沉陷预测做出相应的不同治理手段，根据采煤的开采速度、开采时间和一些其他条件，可以预测出哪些区域已是稳定的沉陷区，哪些区域为非稳定的沉陷区。稳定沉陷区和非稳定沉陷区的治理手段应是不同的，应根据各个矿区的地形和多

25、煤层重复开采的地表塌陷特点，对稳定沉陷地和不稳定沉陷地应分别采用简易复垦和最终复垦两种方案【18】。1.41.4 本次研究采用的理论和主要研究内容本次研究采用的理论和主要研究内容本次研究主要采用概率积分法和 FLAC3D 数值模拟，对采煤沉陷区进行沉陷预测；治理方法也主要选择土地复垦的方式。本文研究的主要内容： 介绍概率积分法的基本理论及在采煤沉陷中的应用； 介绍沉陷区治理的主要理论方法（土地复垦）和技术手段； 利用概率积分法分析白家庄矿的沉陷范围及各种沉陷特征，绘制出采空区的下沉等值线和各类剖面图，发现移动变形规律； 利用 FLAC3D 模拟煤层开采过程，并以此根据计算结果发现采煤过程中的地

26、表移动变形规律； 根据沉陷预测，合理规划沉陷区的土地复垦。2 2 沉陷预测方法沉陷预测方法概率积分法概率积分法2.12.1 概率积分法概率积分法【1】【1】 概率积分法是因其所用的移动和变形预计公式中合有概率积分(或其导数)而得名。由于这种方法的基础是随机介质理论，所以又叫随机介质理论法。 随机介质理论首先由波兰学者李特威尼申(JLitwiniszyn)于 50 年代引入岩层移动研究，后由我国学者刘宝琛、廖国华等发展为概率积分法。经过我国开采沉陷工作者20 多年的研究，目前已成为我国较成熟的、应用最为广泛的预计方法之一【1】。2.1.12.1.1 随机介质理论基本原理随机介质理论基本原理 作为

27、开采沉陷研究主体的岩体可以用两种完全不同的介质模型来模拟：一种是连续介质模型，一种是非连续介质模型。连续介质模型认为：在移动过程中，介质始终保持其连续性，介质单元之间的联系关系保持不变；非连续介质模型则认为：在移动过程中，介质的连续性受到破坏，介质单元之间原有的联系关系发生变化，单元互相分离并发生相对运动。由于岩体中有一系列原生的和开采引起的裂隙面和其他非连续面，所以用非连续介质模型研究开采沉陷问题是适当的。 J李特咸尼申等应用非连续介质力学中的颗粒体介质力学来研究岩层及地表移动问题，认为开采引起的岩层和地表移动的规律与作为随机介质的颗粒体介质模型所描述的规律在宏观上相似。作为随机介质的颗粒体

28、介质，在研究其移动规律时可抽象为图 21 所示的理论模型。该理论模型认为，介质是由类似于砂粒或相对来说很小的岩块这样的介质颗粒组成的。颗粒之间完全失去联系，可以相对运动。颗粒介质的运动用颗粒的随机移动来表征，并把大量的颗粒介质的移动看作是随机过程。图 21 颗粒体介质的理论模型在图 21 的理论模型中，假设这些介质颗粒是一些大小相同、质量均一的小球，并被装在大小相同的均匀排列的方格内。一个方格内的小球被移走时，由于重力作用，上一层的两个相邻方格内的小球之中的一个将滚入此方格。假设此方格上一层的两个相邻方格中的哪一个小球滚入此方格完全是随机的(所以称为“随机介质”)，井具有相同的概率 12。若图

29、 2la 中的 a1格内的小球技移走后是 a2格内的小球族入 a1格，则 a2格将被一个从第 3 分层的 a3或 b3格族来的小球所占据；同样，若是 b2格内的小球族入 a1格，则 b2格将被一个第 3 分层的 b3或 c3格接来的小球所占据。根据概串相乘和相加定理，a1格小球的放出排空 a3、b2或 c3格这三个事件发生的概率分别为 412121 ；同理，排空第 4 分层 a4、b4、c4或 d4 格这四个事件发生4221212121412121的概率分别为 l8、38、38 和 18；如此类推，把各个格子由于 d，格小球的放出而排空的概率写在相应的格子中，就可构成图 21b 下方的颗粒移动

30、概率分布图。若选取图 21b 中的坐标 xoz，则介质内任意一个 z 水平的概串分布可以绘成固41b 上方虚线所示的概率分布直方图。若格子的尺寸非常小，则这个直方图趋近于一条光滑的曲线。如果在 a1格处(中心坐标 x=z=0)放出数量相当多的、其总体积为单位体积的小球，则 z 水平的概率分布曲线 P(x，z)趋近于一条正态分布概率密度曲线。2.1.22.1.2 下沉盆地下沉盆地为了进一步研究 P(z，z)的具体形式和物理意义，取图 21 中的任意三个相邻的格子 A、B 和 C，它们的中点坐标分别为(x，z+b)、(，z)和(，z)，设格子a2x a2x 的宽和长分别为 a 和 b，组成图 22

31、 所示的图形，这个图形称为随机游动模型。图 22 随机介质游动模型若格子 B 和 C 中的小球都被移定了，格子 B 和 C 中均出现空位，则馆子 A 中的小球在自重作用下可能向 B 或 C 空位移动，其概率均为。设 P(x，z+b)、 21P(，z)和 P(，z)分别表示图 21a 中的 a1格放出若干个小球时，图 22 的a2x a2x A、B 和 C 格子中的小球发生移动使相应格子出现空位的概率，则根据概率相加和相乘的意义，可写出以下等式：P(x，z+b)=P(，z)+ P(，z)21a2x 21a2x 若格子的只才非常小，a、b 与 x、z 相比可以认为是极小量，则上式中含有概率 P 的

32、项可在点(x， z)附近用泰勒公式展开，并根据精度和问题的需要取前 2 或 3 项，则上式可近似写成整理上式可8axzxP2axzxPzxP218axzxP2axzxPzxP21bzzxPzxP222222），（），（），（），（），（），（），（），（得222xzxPb8azzxP），（），（式中 P(x，z)表示中点坐标为(x，z)的假想格子出现空位的概率。Px，z)在岩体内的分布是不连续的。但在格子尺寸非常小，即、时，P(x，z)可以近似地看成连0a 0b 续函数。为此，要对上式两边在、的条件下取极限，可得0a 0b 2220b0axzxPb8alimzzxP），（），（令 A= 则上式

33、可简化为：b8alim20b0a （21）22xzxPAzzxP），（），（式(21)为描述图 21 这类随机介质理论模型岩层移动的基本微分方程式，式中 A 为一个反映格子尺寸的常数，其解 P(x，z)为一个连续函数，表示点(x，z)附近的无穷小格子出现空位的概率。求解（21）微分方程，可得： （22）2z2rx-zer1zxP），（此时 P(x，z)在数值上等于单元开采引起(x，z)点的下沉值 We(x，z)。所以，有：（23），（，zxPer1z)(xW2z2rx-ze式(23)表明，P(x，z)表示单元开采引起(x，z)点的下沉，所以称此函数为下沉影响函数。对地表来说，z 等于开采深度

34、H，为常数，则 rz也是常数。可令 rz为常数 r，(r 称为主要影响半径)则式(23)变为（24）22rx-eer1(x)W式(23)就是地表单元下沉盆地的表达式，表示在单元开采时，地表产生的下沉盆地。其函数形式与正态分布概率密度函数相同。2.1.32.1.3 单元水平移动单元水平移动为了确定单元开采引起的水平移动，作如下假设在单元开采影响下，岩体产生的移动和变形很小，并且是连续分布的在单元开采作用下，岩石虽发生变形，但总体积保持不变。根据弹性力学，材料的体积应变 e 可表示为沿三个轴的线应变 x、y、z之和：e=x+y+z对图 21 所示的二维情况，考虑上述体积不变假设，上式可写作：x +

35、z=0 （25）其中 xzxUex），（zzxWez），（式中 Ue(x，z)为岩体内(x，z)点受单元开采影响产生的水平移动，简称单元水平移动。x式中的“-”号是由于 W 轴与 x 轴方向相反造成的。得上面两式代入式(25)，可得 (26) xzxUzzxWee），（），（将式(23)对 z 求偏导数，可得 (27)21z2rx2z2z2zee1rx2dzdrr1zzxW），（将(26)式对 x 积分，可得 (28) xcdxzzxWzxUee，式中，z 为积分常数将式(27)代入式(28)，用分部积分求出式中的不定积分，再加以整理，可得 (29) zcedzdrrxzxU21z2rxz2z

36、e，将式(23)对 x 求偏导数，可得 (210)21z2rx3zeerx2xzxW），（将式(210)代入(29)，可得 zcxzxWdzdr2rzxUezze），（，由于上式中仅为 z 的函数，可令其等于 B（z）即水平移动系数，则有：dzdr2rzz (211) zcxzxWzBzxUee），（，为了求定积分常数 c(z)，可考虑图 21 模型中这样一个边值条件：由于模型积单元开采的对称性，岩体内 z 轴上的各个点均不产生 x 方向的水平移动。则有 (212)0z0Ue，由式(212)、(211)和(210)，可得c（z）=0则式(211)可化为 (213) xzxWzBzxUee），（

37、，式(213)即为图 21 所示的随机介质理论模型的单元水平移动计算公式。公式表明该理论模型导出的水平移动与倾斜成正比，比例系数对同一个 z 水平来说是常数。对于地表来说，z 等于开采深度 H，B(z)为常数，并可令它等于 B，则式(213)可化作 (214) dxxdWBxUe）（将式(24)对 x 求导后代入上式，可得 (215)22rx-3erBx2U(x)式(214)、(215)均为地表单元水平移动的表达式。2.22.2 预计公式预计公式【1】【1】 【19】【19】2.2.12.2.1 半无限开采时地表移动盆地走向主断面的移动和变形的预计半无限开采时地表移动盆地走向主断面的移动和变形

38、的预计预计地表移动和变形的基本计算公式假设条件如下：设工作面边界正上方的地表点作为横坐标轴 x 的原点，x 轴沿地表指向采空区，纵坐标轴 W(x)为横坐标为 x 的地表点的下沉值，W(x)轴铅直向下；纵坐标轴 U(x)为横坐标为 x 的地表点的水平移动值，U(x)轴铅直向上。则主断面的地表移动和变形预计公式为：12W(x)0 xrerfW22rx-0eri(x)W (216)22rx-30 xer2K(x)W22rx-0e)(U(x)bwxbri22rx-20 xe2)(x)rbWxbrkcos0mqW 式中： 横坐标为 x 的地面任意点的下沉值；(x)W 横坐标为 x 的地面任意点沿 x 方

39、向的地表倾斜；(x)i 横坐标为 x 的地面任意点沿 x 方向的地表曲率；(x)K 横坐标为 x 的地面任意点沿 x 方向的水平移动；(x)U 横坐标为 x 的地面任意点沿 x 方向的水平变形；(x) 最大下沉值；0W概率积分函数；xrerf q下沉系数； r主要影响半径，可通过式求得，其中为主要影响角正tanHr tan切； s0拐点偏距； b水平移动系数； H开采深度； m开采厚度； 煤层倾角。地表移动和变形的最大值预计公式如下： cos0mqW rWi00 (217) 20052.1rWK00bWU rbW0052. 1式中，、分别表示最大下沉值、最大倾斜值、最大曲率值、0W0i0K0U

40、0最大水平移动值和最大水平变形值。2.2.22.2.2 有限开采时地表移动盆地走向主断面的移动和变形有限开采时地表移动盆地走向主断面的移动和变形有限开采是指采空区尺寸有一定的限度，即采空区具有明确的尺寸，它是采矿工程中实际出现的情况。根据叠加原理，有限开采的下沉盆地等效于两个半无限开采下沉盆地的几何叠加，因此，走向主断面上的地表移动与变形值的计算公式可表示成为两个半无限开采下沉盆地的地的移动和变形值的预计模型，表移动与变形值的几何叠加，当煤层沿倾向充分采动时，可以得出走向主断面上有限开采的移动和变形值的预计模型， （计算原理见图 2-3）：图 23 有限开采时地表走向主断面移动和变形计算原理图

41、)()()(0lxWxWxW)()()(0lxixixi (218)()()(0lxKxKxK)()()()(00 xbrilxUxUxU)()()()(00 xbrKlxxx由图 2-3 可知，式(218)中，其中 为走向有限开采时的计算长433ssDll度、为工作面走向长、分别为左右边界的拐点偏距。3D3s4s当倾向不是充分采动而是不同程度的非充分采动时，走向主断面上应乘上一个小于 1 的系数，称为倾向采动系数，为走向达到充分采动倾叽向有限00WWCymymymC0ymW开采时倾向主断面上地表下沉最大值，由下式(2 一 19)中第一式求出。2.2.32.2.3 有限开采地表盆地倾向主断面移

42、动和变形预计有限开采地表盆地倾向主断面移动和变形预计 当走向达到充分采动时，倾向方向上有限开采时沿倾向主断面的地表移动与变形可以用等影响原理进行计算（计算原理见图 2-4）图 24 有限开采时地表倾向主断面移动和变形计算原理图);();()(210tLyWtyWyW);();()(210tLyityiyi (219);();()(210tLyKtyKyK );();()(210tLyKtyKyK);();()(210tLytyy00211sin)sin()(ssDL式中，L 为倾向工作面的计算长度；、表示下山边界和上山边界的主要影响半1t2t径与水平移动系数（即 r1、b1与 r2、b2)；为

43、工作面倾向斜长；、分别为下山拐1D1s2s点偏距与上山拐点偏距； 为开采影响传播角。0其中水平移动与水平变形公式应在计算所得的值加上由于煤层倾斜所引起的水平移动与水平变形分量，其计算公式为：01011);();(212ctgtyWeWbtyUry02022);();(222ctgtLyWeWbtLyUry (220)0121011);(2);(212ctgtyiyerWbtyry0222022);()(2);(222ctgtLyieLyrWbtLyry当走向不是充分采动而是不同程度上的非充分采动时，倾向主断面上移动和变形均应乘上一个小于 1 的系数。xmC称为走向采动系数。0W计算要求不高时，

44、00WWCmxm可以rl为引数从图中查得。要求较高时，0)max(xW可由预计的点的下沉值得到2lx 02lW(此时假设倾向方向已达到充分采动)。2.2.42.2.4 地表任意点移动和变形预计公式地表任意点移动和变形预计公式 任意点、任意方向预测模型)()(1);(000yWxWWyxWsin)()(cos)()(1),(00000yixWyWxiWyxi2sin)()(sin)()(cos)()(1),(002002000yixixWyKyWxKWyxKsin)()(cos)()(1),(),(00000 xWyUyWxUWyxbriyxUcossin)()()()(sin)()(cos)(

45、)(1),(),(00002002000 xiyUyixUyWyyWxWyxbrkyx (221)式中：倾斜方向充分采动时走向主断面上横坐标为 x 的点的下沉值，可由式(2)(0 xW一 19)求出；走向方向充分采动时倾斜向主断面上横坐标为 y 的点的下沉值，可由式)(0yW(2 一 19)求出；从 x 轴的正方向逆时针方计算到指定方向的角值。 与走向主断面平行的剖面移动和变形预计公式若与走向主断面平行的剖面的纵坐标为，此时为。若令，0y 0yCWyW000)(则有：)(),(00 xWCyxWy)()0 ,(00 xiCyxiy (222)()0 ,(00 xKCyxKy)()0 ,(00

46、xUCyxUy)()0 ,(00 xCyxy 与倾向主断面平行的剖面移动和变形预计公式同上，可得)(),(00yWCyxWx)()90,(00yiCyxix (223)()90,(00yKCyxKx)()90,(00yUCyxUx)()90,(00yCyxx式中，为平行倾向主断面的剖面的横坐标。000)(WxWCx0 x2.32.3 计算参数的选取计算参数的选取用概率积分法预计地表移动和变形时用到五个基本参数：下沉系数、主要影响q角正切、拐点偏距、水平移动系数和影响传播角。这五个参数的选取直接tan0sb影响预计结果的准确程度。【18】概率积分参数确定有两种方法：一种是对于已有地表移动观测站的

47、矿区，直接引用已有的地表移动参数;另一种是在没有本矿区基于实测资料的经验参数时，可以依据预计开采覆岩的性质确定概率积分法参数，也可以根据相似地质采矿条件的矿区资料选取参数【20】。2.42.4 本章小结本章小结本章主要介绍了开采沉陷预测基本方法概率积分法的一些基本原理，及其推导过程，最后给出了概率积分法在应用中的主要使用公式和选取预测参数的一些要求。3 3 采煤沉陷治理方法采煤沉陷治理方法3.13.1 矿区土地复垦矿区土地复垦矿区土地复垦（Land Reclamation）是依据矿山生态学、土地经济学、环境科学、测绘学、土壤学及区域规划等理论，结合采矿工程特点，对采矿过程中因挖损、塌陷、压占等

48、造成破坏的土地，采取整治措施，使其恢复到可供利用状态的活动。【12】土地复垦是一项综合工程技术，它包括工程复垦和生物复垦两个过程。其最终目的是恢复土地的生产力。实现矿区生态系统新的平衡。工程复垦的任务是建立有利于植物生长的地表和生根层，或为今后有关部门利用采矿破坏的土地作前期准备。其主要工艺措施有：准置可能受采矿影响区域的耕层土壤、充填塌陷坑、用物理化学方法改良土壤、建造人工水体、馅建排水网、修筑复垦区的道路、做好复垦区建筑的前期准备工作、防止复田区受水的侵蚀和沼泽化等。生物复垦的任务是根据复垦区土地的利用方向来决定采取相应的生物措施以维持矿区的生态平衡，其实质是恢复破坏土地的肥力及生物生产效

49、能。其主要工艺措施有：肥化土壤、恢复沃土、建造农林附属物、选择排作方式及排作工艺、优选农作物及树种等。3.1.13.1.1 复垦土地平整技术复垦土地平整技术1 适用条件与基本要求本法主要消除附加坡度、地表裂缝以及波浪状下沉等破坏特征对土地利用的影响。适用于中低潜水位塌陷地的非充填复垦、高潜水位塌陷地充填法复垦、与疏排法配合用于高潜水位塌陷地非充填复垦、矿山固体废弃物堆放场的平整以及建筑复垦场地的平整等。基本要求： 土地平整要与沟、渠、路、田、林、井等统一考虑，避兔挖了又填，填了又挖的现象。 土地平整既要有长远目标，又要立足当前。长远目标是恢复垦区排灌配套、地面平整和稳产高产。立足当前要安排好各

50、项工程实施顺序，如先粗平，到能保证灌溉和排水时再逐年精细平整，这样可保证逐年增产。 平整范围以条田内部一条毛渠所控制的面积为一个平整单位。如地形起伏大，还可将毛渠控制面积分为几个平整区，对于水田，可以一个格田的面积为平整单位。 平整度必须符合规定要求。2 平整方法与步骤 地形测量 平整土地标高与坡度设计 土地平整计算（土方量最小的平整面参数的计算；方格网点施工高度的计算；计算零位线，计算挖填土方量；绘制施工图。 ） 工程施工3.1.23.1.2 梯田式复垦技术梯田式复垦技术1 适用条件对位于丘陵山区或中低潜水位采厚较大的矿区，耕地受损的待征是形成高低不平甚至台阶状地貌。按照我国对地形持征的划分

51、标准，地表坡度小于 2为平原，大于6为山地，26为丘陵，25以上为高山，采煤形成塌陷而产生的附加坡度一般都较小。塌陷后地表坡度在 2以内时通过土地平整或不平整就能耕种，塌陷后地表坡度在 26之间时，可沿地形等高线修整成梯田，并略向内倾以拦水保墒，土地利用时可布局成农林(果)相间，耕作时采用等高耕作。以利水土保护。因此梯田式复垦适用于地处丘陵山区的塌陷盆地或中低潜水位矿区开采沉陷后地表坡度较大的情况下。我国山西大部分矿区、河南、山东等地的一些矿区不少塌陷地可采用此法复垦，利用此法复垦可解决充填法复垦充填料来源不足的问题。2 梯田施工梯田施工主要包括表土处理、平整底土和田坎修筑等几个环节。施工顺序

52、是：清除地面障碍物、表土处理、平整底土、田坎修筑、回铺表土。表土处理相底土平整常用中间准土法、逐级下翻法和条带法等施工方法。 图 31 为中间推土法示意图。其主要工序包括堆积耕层土于设计的两田埂中间、切垫底层土及覆盖表土三个步骤。此法适用于坡度大、田面窄的梯田施工。图 31 中间堆土法示意图 图 32 为逐级下翻法施工示意图。该法自下而上修筑梯田，上一级梯田的表土作为下一级梯田的覆盖土源，员下一级梯田的表土首先堆存起来，或作为最上一统梯田覆盖土源。也可留作它用。此法也适用于坡陡田面窄的梯田。 条带法适用于坡缓田面宽的梯田修筑(固 33)。该法施工顺序为间隔条带剥离堆放表土，再进行底土乎整(图

53、33 中 1、3、5 条带)，待底土乎整完后将 2、4 条带堆存的表土覆盖于 1、3、5 条带上，依同样的方法可修筑 2、4、6、条带。图 32 逐级下翻法示意图 图 33 条带法施工示意图3.1.33.1.3 充填复垦技术充填复垦技术充填法复垦是我国一种重要的夏垦形式，它可充分利用矿山固体废弃物，起到一举多得的效果，因而在我国及其它国家都被广泛使用。按充填料不同，可分为矸石充填、粉煤灰充填、生活垃圾充填、其它工业废料充填、塘河湖泥充填等。利用露天矿山剥离物充填地下开采塌陷坑以及露天矿倒准法开采充填采空区的复垦也屑于充填复垦一类。1 矸石充填复垦歼石充填塌陷坑是近年来值得提倡的一种矿并排矸方式

54、，也是一种重要的复垦形式，其工艺过程如图 34 所示：图 34 矸石充填工艺过程矸石充填方法可分为全厚充填法和分层充填法。全厚充填法就是一次性将塌陷坑用矸石回填至设计标高。全厚充填法施工方法简单，适用性强而广泛被利用。使用这种方法恢复的土地可以用作农林种植，稍作地基处理可建低层建筑，经强夯处理可建高层建筑。分层充填法就是为了达到预期的充填复垦效果，以一定的充填厚度逐次将塌陷区回填至设计标高。将塌陷地改造为建筑用地常用这种充填方法。2 粉煤灰充填复垦我国大型火力电厂多在煤矿区，燃煤发电过程中要排放大量的灰渣，通常的做法是修筑山谷或平原型贮灰场，需要征用大量的土地，同时，对周围环境污染严重。利用电

55、厂灰渣充填塌陷坑复垦既可解决电厂灰场征地难的问题、又可解决煤矿塌陷地复垦问题，同时还能取得较好的经济效益。粉煤灰充填复垦工艺过程可用图 35 表示粉煤灰覆田还土灰场灰水沉淀管道水力输灰剥表土、建坝塌陷坑图 35 粉煤灰充填塌陷区复垦工艺流程图塌陷区用作贮灰场通常有两种情况：一是稳定塌陷区用作灰场。可称为静态塌陷区灰场。一是不稳定塌陷区用作灰场称为动态塌陷区灰场。静态塌陷区灰场与平原型洼地灰场基本相似，无特殊技术要求。对于动态塌陷区灰场，要注意灰场是否会影响矿井生产安全，同时对于地表的灰场建筑物与构筑物，要注意地表移动和变形对其影响。燃煤发电矿区采煤3.1.43.1.4 挖深垫浅和直接利用法挖深

56、垫浅和直接利用法【21】【21】挖深垫浅是指用挖掘计息将沉陷深的区域再挖深，形成水（鱼）塘，取出的土方充填沉陷浅的区域已形成耕地，达到水产养殖和农业种植并举的利用目的。它主要用于沉陷较深且有积水的高、中潜水位地区，同时应满足挖出的土方量大于或等于充填所需土方量，并且蓄水的水质适宜于水产养殖。由于该方法操作简单、适用面广、经济效益高、生态效益显著，因而被广泛用于采煤沉陷地的复垦。直接利用是指对于大面积的沉陷地，特别是大面积积水或积水很深的水域以及未稳定的沉陷地或暂难复垦的沉陷地，常根据沉陷地现状因地制宜地直接加以利用。对于矿区沉陷地来说，潮湿土地比干燥的土地能承载更多的生物。潮湿的土地在采矿废区

57、的稳定性方面也要优于干燥的土地，因此即便是采矿开始时不存在湿地，对恢复来说，湿地具有良好的替代性。【22】所以在矿区的生态恢复治理过程中，要考虑上述深挖垫浅的做法，合理的规划出一些水域，以提高矿区的植被覆盖和生物密度。3.23.2 沉陷控制工程沉陷控制工程3.2.13.2.1 采煤沉陷控制技术采煤沉陷控制技术【13】【13】 充填法沉陷控制技术地表的移动变形值与其最大下沉值成正比，因此，减小煤层的开采厚度就可有效地降低地下开采对建筑物或构筑物的损害程度。充填法沉陷控制技术就是利用充填材料来充填开采产生的空间，这就相当于减小了煤层的开采厚度，它是减小地表沉陷的有效措施之一。分类：充填法管理顶板（

58、水沙充填、风力充填、矸石自溜充填、带状充填、边界充填） ；冒落区充填法；覆岩离层带注浆充填； 矿柱法沉陷控制技术房柱法开采：以天然支护为基础的矿柱法沉陷控制技术就是利用留下的矿柱来支撑顶板，控制整个采矿影响区域内的岩石位移，来达到减小地表移动变形的目的。房柱法开采是从矿房或巷道中开挖矿石，而在各矿房或巷道之间保留部分残留矿体作为矿柱，以控制直接顶板岩石的局部工作性能和围岩的整体反应。直接顶板可能不支护，或者进行人工加固或支护。它不仅具有矿井开拓准备工程量小、出煤块、设备投资少、工作面搬迁灵活等优点，而且巷道压力小、上覆岩体破坏程度低、地表沉陷量小。条带开采法：条带开采能有效地控制地表移动和变形

59、，在我国的很多城市都进行了试验，是现在建筑物下采煤的一种十分有效地开采方法。 协调开采变形控制技术协调开采变形控制技术就是根据不同的受保护对象，通过合理布设开采工作面，如合理设计工作面之间的相对位置、回采顺序等，让各工作面开采的相互影响能够得到有利叠加，使叠加后的变形值小于受护对象的允许变形值，以达到减小开采对受保护对象影响的目的。 保安矿柱设计技术3.2.23.2.2 井下回填井下回填为了防止采煤造成的采空区地表沉陷，可以对已完成的采煤巷道，进行井下回填。利用矿区的矸石或其它一些废料，回填采空区，对于减小采煤沉陷有很大意义。当前应用较多的是矸石井下回填，不仅可以减轻矿区矸石造成的环境污染，也

60、为回填提供了物源。当前城市有很多生活垃圾和工业废料，也作为采空区回填物源，解决了城市垃圾填埋的问题。 回填种类分为全部回填和局部回填。全部充填开采，即在开采顶板未冒落前，对所有采空区域进行充填，回填量和回填范围与采出煤量大体一致。它完全靠采空区充填体支撑上覆岩层控制开采沉陷；局部回填是相对全部回填而言的，其回填量和回填范围仅是采出煤量的一部分，它仅对采空区的局部或离层区或冒落区进行回填，靠覆岩关键层结构、回填体及部分煤柱共同支撑覆岩控制开采沉陷【23】。3.2.33.2.3 注浆处置注浆处置注浆法主要应用于采空区或塌陷区的地基加固中，塌陷区的地基不稳，为了能够满足矿区建设或道路通行要求，需对塌