第八章地面沉降問(wèn)題的工程地質(zhì)分析

1、河南理工大學(xué)精品課程教學(xué)組8 8 條帶開采技術(shù)條帶開采技術(shù)8.1 8.1 概概 述述8.2 8.2 條帶開采基本理論與方法條帶開采基本理論與方法8.3 8.3 條帶開采實(shí)例條帶開采實(shí)例 8.1 概 述一、條帶開采的基本概念，它是將要開采的煤層區(qū)域劃分為比較正規(guī)的條帶形狀，采一條、留一條，使留下的，而地表只產(chǎn)生較小的移動(dòng)和變形。p與全部跨落法開采不同，條帶開采的資源回收率偏低，一般僅在保護(hù)地表建（構(gòu)）筑物、水體及鐵路的情況下才應(yīng)用，是煤礦綠色開采技術(shù)（Green Mining Technology）體系中的重要技術(shù)措施之一。綠色開采技術(shù)體系綠色開采技術(shù)體系二、條帶開采的類型 根據(jù)條帶開采的布置方

2、式，條帶開采可分為三種。 （1）走向條帶開采的條帶長(zhǎng)軸方向沿煤層走向布置，多用于水平或緩傾斜煤層，當(dāng)煤層傾角較大時(shí)，走向條帶煤柱穩(wěn)定性差，但它的 （2）傾斜條帶開采的條帶長(zhǎng)軸方向沿煤層傾斜方向布置，多用于傾斜煤層，它的； （3）偽斜條帶開采即條帶長(zhǎng)軸方向與煤層走向斜交，多用于傾角大于35的煤層。 近水平煤層條件下，既可以沿走向劃分條帶，也可以沿傾向劃分條帶，條帶工作面既可以沿走向推進(jìn)，也可以沿傾斜推進(jìn)，在這種條件下條帶劃分主要考慮和以及，以提高生產(chǎn)效率。三、優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件 條帶開采與一般長(zhǎng)壁式采煤法相比，有采出率低、掘進(jìn)率高、采煤工作面搬家次數(shù)多等缺點(diǎn)。但它的突出優(yōu)點(diǎn)是條帶開采法適合于以下條

3、件的采煤： （1）地面為密集建筑群、結(jié)構(gòu)復(fù)雜建筑物或紀(jì)念性建筑物下采煤； （2）難以搬遷或無(wú)處搬遷的村莊壓煤； （3）鐵路橋梁、隧道、或鐵路干線下采煤； （4）水體下采煤以及受巖溶承壓水威脅的煤層開采； （5）地面排水困難； （6）煤層埋藏深度在400500m以內(nèi)，單一煤層，厚度比較穩(wěn)定，頂?shù)装鍘r層和煤層較硬，斷層少；四、條帶開采地表沉陷規(guī)律 （1）地表下沉系數(shù)（q）很小。 （2）水平移動(dòng)系數(shù)（b）較小。 （3）主要影響角正切（tan）較小。 （4）地表移動(dòng)期較短。五、條帶開采的應(yīng)用 我國(guó)是一個(gè)產(chǎn)煤大國(guó)，每年有近十幾億噸煤炭從地下采出，開采所引起的地表沉陷及其環(huán)境災(zāi)害問(wèn)題日益突出。而這些礦區(qū)的

4、地表多屬建（構(gòu)）筑物、水體、鐵路、農(nóng)田、公路、橋涵等設(shè)施的分布區(qū)。例如，我國(guó)村莊下壓煤量超過(guò)億噸的省份就有9個(gè)，見(jiàn)表8-1。p全國(guó)“三下”壓煤量達(dá)140億噸，僅全國(guó)建筑物下壓煤量就達(dá)87.6億噸，占“三下”壓煤總量的63.5，居“三下”壓煤量之首。p建筑物下壓煤開采已成為礦區(qū)面臨的主要問(wèn)題。建筑物下采煤?jiǎn)栴}的關(guān)鍵是控制地表沉陷，控制地表沉陷的方法主要有充填開采、條帶開采、離層注漿等。p由于充填開采成本高等原因，目前在我國(guó)應(yīng)用較少。離層注漿是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新方法，尚處于試驗(yàn)研究階段，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用也不廣泛。p條帶開采由于能有效地控制上覆巖層和地表沉陷，保護(hù)地表建筑物和生態(tài)環(huán)境，在我國(guó)煤礦被廣泛采用

5、。p目前已成為我國(guó)村莊下、城鎮(zhèn)建筑物下及不宜搬遷建筑物下等壓煤開采的有效途徑。p因此，利用條帶開采解放“三下”壓煤，充分合理利用深部煤炭資源，提高深部資源采出率、減輕采動(dòng)損害、保護(hù)地表建（構(gòu)）筑物及礦區(qū)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。p條帶開采在“三下“壓煤開采中具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。p我國(guó)在條帶開采生產(chǎn)實(shí)踐方面，先后在全國(guó)10多個(gè)省、100多個(gè)條帶工作面進(jìn)行了條帶開采，取得了豐富研究成果和實(shí)際觀測(cè)資料。國(guó)內(nèi)外條帶開采的部分實(shí)例，見(jiàn)表8-2，表8-3。 p我國(guó)條帶開采多采用冒落法管理頂板，采深一般小于400m，開采厚度在6m以下，采出率一般在40%78.6%之間。p除少數(shù)由于重復(fù)采動(dòng)、煤體強(qiáng)度低、采出

6、率偏大等特殊原因影響，使下沉系數(shù)偏大之外，我國(guó)條帶開采地表下沉系數(shù)一般小于0.2。 另外，我國(guó)已對(duì)包括進(jìn)行了條帶開采試驗(yàn)研究 8.2 8.2 條帶開采基本理論與方法條帶開采基本理論與方法一、條帶開采設(shè)計(jì)的原則 即條帶采出后，地表能夠形成，而不出波浪式下沉。地表產(chǎn)生的變形值要小于保護(hù)地面建筑物允許的變形值。 即保證留設(shè)條帶煤柱有足夠的強(qiáng)度支撐覆巖的載荷，并且能夠保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。 即在滿足地表允許變形原則和煤柱穩(wěn)定性原則前提下，回采率應(yīng)盡量大，采出條帶盡量寬。二、條帶開采巖層與地表移動(dòng)機(jī)理與規(guī)律 為研究條帶開采引起的巖層與地表移動(dòng)規(guī)律，。通過(guò)條帶開采的實(shí)測(cè)資料，但是普遍認(rèn)為， p1煤柱的壓縮與壓入說(shuō)

7、 煤柱的壓縮與壓入說(shuō)是基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)法而提出的，認(rèn)為條帶開采上覆巖層與地表的沉陷是由三部分組成。 煤柱的壓縮量按單向彈性壓縮處理，其作用的應(yīng)力為煤柱平均應(yīng)力。 煤柱壓入頂?shù)琢考俣褐钠骄鶓?yīng)力作用與半無(wú)限平板上，按彈性理論給出計(jì)算公式。2巖梁假說(shuō) 巖梁假說(shuō)是根據(jù)一些礦井的地質(zhì)條件，在條帶開采區(qū)域上覆巖層中存在一層或幾層厚度較大、強(qiáng)度較高的巖層（即關(guān)鍵層）。 在條帶開采時(shí)該巖層為起控制作用的巖梁，或者如同一個(gè)受煤柱和冒落拱局部支撐而彎曲下沉的彈性地基梁，然后按線彈性理論給出了應(yīng)力和位移的計(jì)算公式。3托板理論 托板理論是在巖梁假說(shuō)的基礎(chǔ)上，提出了托板理論，托板理論認(rèn)為地表的最大下沉量是由煤柱壓入

8、底板量、煤柱壓縮量、巖柱壓縮量、承重巖層壓縮量和托板撓度所組成。 該理論認(rèn)為頂板巖層內(nèi)存在一層強(qiáng)度相對(duì)較大的堅(jiān)硬厚巖層，它的作用類似于托板，可以減緩或減小地表的下沉。 托板理論把條采工程巖體視為“準(zhǔn)三維”介質(zhì)，在模型上是一大進(jìn)步，但托板的位置、托板的斷裂準(zhǔn)則、托板的邊界條件等還需進(jìn)一步完善。4波浪消失說(shuō) 波浪消失說(shuō)認(rèn)為條帶采出以后，采出條帶頂板巖層類似于兩端固定約束巖梁，因彎曲下沉直接頂與上位巖層分離，在巖梁端部上表面最先出現(xiàn)倒八字裂縫，裂縫斜向開采條帶上方，直接頂出現(xiàn)初次斷裂或周期性斷裂，最終形成上窄下寬的等腰梯形。 位于煤柱上方的巖層為壓縮變形，其下沉值由下往上逐漸增大；采空區(qū)上方的巖體為

9、拉伸變形，因巖體膨脹或出現(xiàn)離層，其下沉值由下往上逐漸減小，在某一高度，二者的下沉趨于一致，在此高度之上為均勻下沉。并且總結(jié)出波浪下沉傳播高度與條帶開采寬度和煤柱寬度有關(guān)。三、條帶開采地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)方法 通過(guò)條帶開采的實(shí)測(cè)資料表明因次，目前普遍采用的預(yù)計(jì)方法是通過(guò) 包括，經(jīng)驗(yàn)方法，影響函數(shù)法，連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法和數(shù)值模擬方法等。四、條帶開采地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì) 條帶開采設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷優(yōu)化的過(guò)程。5.5.不斷調(diào)整采出條帶和保留條帶的寬度，不斷調(diào)整采出條帶和保留條帶的寬度，直到既滿足條帶開采工程巖體的穩(wěn)定和地表移動(dòng)變形值小于保護(hù)地面建筑物允許的變形值，又便于煤炭生產(chǎn)，而且煤炭的采出率最高為止。p條帶

10、的采寬b和留寬a是密切相關(guān)、相互制約的。p在同時(shí)滿足地表允許變形原則和煤柱穩(wěn)定性原則的前提下，求采寬和留寬的最優(yōu)值。方法一：p區(qū)間法：保證地面不出現(xiàn)波浪形下沉，而只出現(xiàn)單一平緩的下沉盆地。方法二：p壓力拱法：采寬應(yīng)該不大于0.75倍的壓力拱內(nèi)寬。方法三：p下沉系數(shù)法：在采出率為50%左右時(shí)，此寬深比時(shí)煤柱穩(wěn)定性較高。p條帶的采寬b和留寬a是密切相關(guān)、相互制約的。p在同時(shí)滿足地表允許變形原則和煤柱穩(wěn)定性原則的前提下，求采寬和留寬的最優(yōu)值。方法一：?jiǎn)蜗驊?yīng)力計(jì)算法：采出條帶和保留煤柱上方巖層的載荷不超過(guò)保留煤柱的允許強(qiáng)度。方法二：p安全系數(shù)法：根據(jù)A.H.威爾遜理論，選取一個(gè)煤柱安全系數(shù)，計(jì)算出煤柱

11、留寬1Hba煤HKKbmHbKHa42 . 101968. 022方法：p安全系數(shù)法：根據(jù)A.H.威爾遜理論，計(jì)算煤柱安全系數(shù)大于1.5可以滿足要求。6 . 022101092. 4403bHbHamHaHKp確定條帶開采布置回采工作面的尺寸等具體條件，判斷地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)結(jié)果是否合乎要求。8.3 8.3 條帶開采實(shí)例條帶開采實(shí)例p萬(wàn)年礦設(shè)計(jì)區(qū)域的地質(zhì)采礦條件，地表標(biāo)高為+220+230m，煤層底板標(biāo)高為在-10-170m之間，煤層埋藏深度230400m，平均埋藏深度為320m。取平均開采深度為320m。煤層平均厚度4.0m，煤層傾角平均為8。為了保證預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，依據(jù)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)

12、的地質(zhì)采礦條件，充分考慮各設(shè)計(jì)工作面間采深、斷層、巷道等影響因素，預(yù)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)了三個(gè)方案：方案一：預(yù)計(jì)Fx斷層以西設(shè)計(jì)工作面開采后地表移動(dòng)變形；方案二：預(yù)計(jì)Fx斷層以東設(shè)計(jì)工作面開采后地表移動(dòng)變形；方案三：預(yù)計(jì)整個(gè)條采區(qū)域開采后地表移動(dòng)變形。下沉等值線 傾向水平移動(dòng)等值線 傾向傾斜等值線傾向水平變形等值線 莊宴村下條帶開采設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)范圍內(nèi)條帶開采的面積采出率在43.9%44.4之間，平均采出率約為44.4。F19斷層以北，共設(shè)計(jì)了七個(gè)條帶工作面，可以采出煤量合計(jì)41.1萬(wàn)噸。 包括水文地質(zhì)構(gòu)造和工程地質(zhì)構(gòu)造（如斷層、裂隙的發(fā)育情況等）。因此，開采區(qū)域內(nèi)遇到斷層必須研究斷層的特征，然后采取必要措施

13、如留設(shè)斷層保護(hù)煤柱等，條帶煤柱布置應(yīng)盡量避開構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域。實(shí)驗(yàn)表明，在其它條件不變時(shí)，煤柱的穩(wěn)定性隨寬高比的增大而增大，隨寬高比的減小而減少。如煤層頂板容易冒落，并且碎漲系數(shù)比較大，條帶煤柱可能處于三向應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)煤柱的穩(wěn)定性比較有利。地下開采方法對(duì)煤柱穩(wěn)定性的影響表現(xiàn)在對(duì)條帶煤柱的擾動(dòng)方面，如爆破落煤可能引起煤柱尺寸的變化、條帶煤柱內(nèi)節(jié)理、裂隙的擴(kuò)張等。采掘方面如在煤柱內(nèi)穿切巷道也會(huì)降低煤柱的穩(wěn)定性。1.由于可能存在不可預(yù)見(jiàn)的因素，為防止意外，建筑物下采煤應(yīng)該經(jīng)過(guò)試采，并建立觀測(cè)站定期觀測(cè)，然后根據(jù)地表移動(dòng)情況決定下一步的開采計(jì)劃。2.在條帶開采中應(yīng)該嚴(yán)格控制開采寬度，不得隨意縮小保留煤柱尺寸，以避免減少條帶煤柱的有效支撐面積，使得煤柱安全性降低，地表下沉系數(shù)增大。3.盡量不在條帶