許廠井煤礦1.5Mta新井設計【含CAD圖紙+文檔】

許廠井煤礦1.5Mta新井設計【含CAD圖紙+文檔】,含CAD圖紙+文檔,許廠井,煤礦,mta,設計,cad,圖紙,文檔 專題部分建筑物下條帶開采技術研究與分析 摘要：條帶法開采是“三下”采煤技術中應用最為廣泛的部分開采技術，是建筑 物下采煤控制地表沉陷的主要開采措施之一。本文在大量文獻的基礎上對條帶開 采的技術研究進行了綜述，分析了條帶參數(shù)設計的優(yōu)化方法，地表移動參數(shù)的影 響因素，提出了條帶開采地表移動預計參數(shù)的新的計算公式。并對現(xiàn)場應用情況 進行了效果分析。 關鍵字：條帶開采，參數(shù)優(yōu)化，地表移動參數(shù) 1 緒論 1.1 問題的提出 我國一次性能源消耗中，煤炭占 70% 左右，且未來 50 年仍然是我國國民 經(jīng)濟發(fā)展的重要能源。未來幾十年內(nèi)，我國以煤炭為主體的能源結構不會改變， 煤炭工業(yè)能否健康發(fā)展事關我國能源安全和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展1-3。隨著礦井儲量 逐步減少，煤炭資源枯竭與經(jīng)濟發(fā)展之間的矛盾日益突出。我國生產(chǎn)礦井“三下” 壓煤相當嚴重約為 137.64 億 t，其中建筑物下壓煤約為 94.68 億 t 4。而且，這些 儲量大多集中分布于工業(yè)基礎較好、開發(fā)條件較為優(yōu)越、對煤炭需求較為迫切的 經(jīng)濟發(fā)達的東部地區(qū)。因此，研究建筑物下煤層開采問題具有重大戰(zhàn)略意義。 從我國煤炭行業(yè)發(fā)展應用情況來說，條帶采煤法是我國建筑物壓煤開采的主 要方法。條帶開采作為一種特殊的采煤方法有其自身的優(yōu)缺點。條帶開采最大缺 點是條帶開采回率低、資源損失嚴重，且生產(chǎn)效益較低；而其最大的優(yōu)點是不改 變采煤工藝的前提下，較幅度地減小地表下沉，在無法采取其它措施的條件下采 出部分建筑物下壓煤。因此在保護面建筑物的前提下，如何提高條帶開采回采率， 提高條帶開采的生產(chǎn)效益是條帶開采中必解決的關鍵問題。 國內(nèi)外學者對條帶開采進行了大量的研究，其研究內(nèi)容涉及條帶開采中的一 系列基本問題：主要包括條帶開采地表移動機理和規(guī)律、條帶開采地表移動和變 形預計、條帶煤柱穩(wěn)定性研究、條帶開采參數(shù)優(yōu)化設計研究等方面?；菊莆樟?條帶開采地表移動機理和變形規(guī)律；提出了地表移動和變形預測計算方法，以概 率積分法和典型曲線法應用最為普遍；形成了條帶煤柱穩(wěn)定性理論、經(jīng)驗公式及 分析方法；形成了條帶開采參數(shù)優(yōu)化基本準則。其研究成果主要體現(xiàn)在以下方面： （1）開采技術研究 從開采技術方面來說，主要對防止地表突然下沉和塌陷的開采技術措施、減 少地表移動和變形的開采方法等幾方面進行了研究，形成了一系列的理論成果。 從我國煤炭行業(yè)發(fā)展應用情況來說，條帶采煤法是我國建筑物壓煤開采的主要方 法。 （2）開采沉陷理論成果 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 91 頁 國內(nèi)外學者對條帶開采進行了大量的研究，其研究內(nèi)容涉及條帶開采中的一 系列基本問題：主要包括條帶開采地表移動機理和規(guī)律、條帶開采地表移動和變 形預計、條帶煤柱穩(wěn)定性研究、條帶開采參數(shù)優(yōu)化設計研究等方面。 基本掌握了條帶開采地表移動機理和變形規(guī)律 采用現(xiàn)場實測、理論分析等多種方法進行研究，提出了一些假說，對條帶開 采地表移動機理和變形規(guī)律進行了系統(tǒng)研究，基本上能夠說明條帶開采后地表移 動和變形機理，掌握了條帶開采覆巖力學性質(zhì)、松散層、煤層傾角、開采厚度和 開采深度、采區(qū)尺寸大小以及采煤方法和頂板管理對上覆巖層和地表移動的影響。 提出了地表移動和變形預測計算方法 為了估計開采方法可能對建筑物造成的影響，需要對開采方案可以形成的地 表移動和變形進行預計。對于地表移動和變形值的預計，形成了最大下沉和最大 水平移動、剖面函數(shù)法、影響函數(shù)法、連續(xù)介質(zhì)力學方法和數(shù)值模擬與物理模擬 法等預計方法，其中，以概率積分法和典型曲線法應用最為普遍。 形成了條帶煤柱穩(wěn)定性理論、經(jīng)驗公式及分析方法 從傳統(tǒng)的強度觀點出發(fā)，建立了多種煤柱載荷、強度計算的理論和經(jīng)驗公式 及分析方法，形成了有效面積理論、托板理論、壓力拱理論、A.H.Wilson 的兩區(qū) 約束理論等。 形成了條帶開采參數(shù)優(yōu)化基本準則 一般認為有兩個基本準則：一是條帶煤柱有足夠的強度和穩(wěn)定性，從而能長 期有效支撐上覆巖層的載荷；二是條帶采寬應限制在不使地表出現(xiàn)波浪下沉盆地 而呈現(xiàn)單一平緩的下沉盆地。通常條帶煤柱尺寸根據(jù)采深、采厚、采寬以及煤層 和上覆巖層的力學性質(zhì)等因素確定，采寬根據(jù)采深等因素確定。根據(jù)條帶開采的 經(jīng)驗，為了保證條帶開采后地表出現(xiàn)單一平緩的下沉盆地，采出條帶寬度一般為 采深的 1/41/10（我國條帶開采平均采寬約為 1/8 采深）。 盡管條帶開采取得了上述豐富的理論和實際成果，但在進行條帶開采采寬、留 寬應用以及地表移動和變形預計及其理論研究中還存在以下問題： （1）預計參數(shù)的研究較少 在以前的研究成果中，注重了地表移動和變形預計理論的研究，而對地表移動 預計參數(shù)的研究相對較少，造成條帶開采預計時選取預計參數(shù)比較困難，特別是 下沉系數(shù)等關鍵性參數(shù)直接影響到預計結果的精度乃至條帶開采設計方案的確 定。由于具體地質(zhì)采礦條件的差異，直接采用工程類比方法或經(jīng)驗公式確定條帶 開采地表移動預計參數(shù)難免存在較大誤差，必然導致預測結果與實際觀測結果存 在較大的差異。即使在同樣的地質(zhì)采礦條件下，目前有關經(jīng)驗公式計算結果也會 相差較大。 （2）在煤柱穩(wěn)定性方面研究不夠 在煤柱穩(wěn)定性研究中，對煤層傾角、煤柱剝落、煤柱內(nèi)節(jié)理裂隙、地下或采空 區(qū)水等對煤柱的影響以及利用采空區(qū)破碎巖體對上覆巖層的支撐作用以減輕條 帶煤柱載荷的問題考慮不足，目前解決的方法是通過加大煤柱設計寬度增大安全 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 92 頁 系數(shù)，這說明對條帶煤柱破壞失穩(wěn)機理、過程的認識尚不夠深入。 （3）條帶開采采寬、留寬優(yōu)化設計方面存在缺陷 在條帶采留寬度優(yōu)化設計方面，雖然有多種方法和理論可用于條帶開采參數(shù)設 計，但簡單的經(jīng)驗公式或半定量化的計算公式通?？紤]的因素不夠全面，設計過 程中存在一定的盲目性，這必然會帶來設計參數(shù)的不合理。而復雜的定量化的公 式或解析式在理論上雖然精確但其中部分參數(shù)或系數(shù)難以確定，從而限制了其應 用范圍，造成目前條帶開采的采寬選取隨意性大，即采寬或?qū)捝畋茸兓秶蟆?（4）深部大采寬條帶開采研究較少 深部大采寬條帶開采研究較少，隨著開采深度的增加，大采深、大采寬條帶開 采的設計和地表沉陷的預計日趨迫切；對于深度大于 500 m 的條帶開采地表沉陷 預測參數(shù)選取目前尚無好的方法；部分公式是在開采深度小于 500 m 的條件下得 出的，適用范圍局限性大；如當采深為 500 m 時；由公式計算的條帶開采水平移 動系數(shù)為負值，顯然是不合理的。此外，現(xiàn)有條帶開采預計參數(shù)的計算公式考慮 的因素不夠全面，如條帶開采的地表下沉系數(shù)與采厚有關，而現(xiàn)有計算公式均未 能體現(xiàn)采厚對下沉系數(shù)的影響。 （5）多煤層條帶開采問題研究相對不足 多煤層條帶開采問題研究相對不足，地表移動和變形預計理論及預計模型尚不 夠完善，導致預測結果與實際觀測存在較大的差異，阻礙了條帶開采的優(yōu)化設計 和效益的提高，在保證地面建筑物不損害或少量損害的條件下，提高資源回收率 已成為當前條帶開采設計與實踐中的重要問題。 針對以上問題，本文在大量文獻的基礎上，為了提高煤炭資源的回收率，提出 了對條帶開采技術參數(shù)進行優(yōu)化，也就是充分考慮地表建筑物安全的前提下，盡 量加大采出條帶的寬度，確定條帶開采參數(shù)。 1.2 主要研究內(nèi)容及研究思路 條帶開采的研究涉及巖石力學（包括巖石及煤的強度，煤柱應力的變化及煤 柱的穩(wěn)定等）、開采沉陷學（包括條帶開采的沉陷機理、地表移動與變形的計算、 條帶參數(shù)的優(yōu)化設計等）和回采工藝三大領域5。本文主要研究以下三個方面： （1）條帶開采技術及參數(shù)設計的優(yōu)化方法 羅列了條帶開采地表與巖層移動機理方面的假說，提出了條帶開采地表移動 參數(shù)的取值方法，闡述了幾種煤柱設計理論，提出了條帶開采參數(shù)優(yōu)化的方法。 （2）條帶開采地表移動參數(shù)的影響因素與作用規(guī)律研究 主要對地下煤層由條帶開采出來以后，影響地表移動的參數(shù)因素及其作用規(guī) 律進行簡單的介紹和研究。 （3）條帶開采的效果分析 查詢相關文獻，分析了如干礦區(qū)采用條帶開采后的效果，其相應理論研究有 待更深入。 研究思路：以大量文獻為基礎，本論文采用了文獻綜述、理論分析、資料檢 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 93 頁 索等多種研究方法相結合的綜合研究路線進行研究。 2 條帶開采技術及參數(shù)設計的優(yōu)化方法 2.1 條帶開采概述 2.1.1 條帶開采基本概念及類型 條帶開采是一種部分開采方法，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，使留下的條帶煤柱足以支撐上覆巖層的重量，而地 表只產(chǎn)生較小的移動和變形。與全部垮落法開采不同，條帶開采的資源回收率偏 低，一般僅在保護地表建（構）筑物、水體及鐵路的情況下才應用，是煤礦“綠 色技術體系”中的重要措施之一。它具有以下特點：地表不形成明顯破浪形狀， 而呈現(xiàn)單一平緩的下沉盆地；地表的移動和變形主要來源于煤柱的壓縮和煤柱向 頂?shù)装宓膲喝?，條帶開采的地表下沉值一般不超過采厚的30%；開采總面積和保 留煤柱總面積之比一般小于3；覆巖破壞特征與通常采用的全面開采以下簡稱全 采有明顯不同，采用冒落條帶法開采，在采出條帶上方成拱形冒落或不冒落, 形 成以煤柱為支座的連續(xù)拱，冒落拱上方為裂縫帶，再上為彎曲帶。 根據(jù)條帶開采煤柱的長軸方向，條帶開采可分為走向條帶開采、傾斜條帶開 采和偽斜條帶開采三種。 （1）走向條帶開采的條帶長軸方向沿煤層走向布置，多用于水平或緩傾斜 煤層，當煤層傾角較大時，走向條帶煤柱穩(wěn)定性差，但它的優(yōu)點是工作面搬家次 數(shù)少，工作面推進長度大。 （2）傾斜條帶開采的條帶長軸方向沿煤層傾斜方向布置，多用于傾斜煤層， 煤柱的穩(wěn)定性較好，其適應性強，應用較廣泛，它的缺點是工作面搬家次數(shù)頻繁。 （3）偽斜條帶開采即條帶長軸方向與煤層走向斜交，多用于傾角大于 35o 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，也可以沿傾斜推進，在這種條件下條帶劃分主要考慮 如何有利于生產(chǎn)和利用原有生產(chǎn)系統(tǒng)以及減少工作面的搬家次數(shù)，以提高生產(chǎn)效 率。 按頂板管理方式條帶開采可分為冒落條帶開采和充填條帶開采；按條帶開采 的布置方式可分為正規(guī)條帶開采、非正規(guī)條帶開采。 2.1.2 條帶開采適用條件及遵循原則 條帶開采與一般長壁式采煤法相比，有采出率低、掘進率高、采煤工作面搬 家次數(shù)多等缺點。但它的突出優(yōu)點是開采后引起的圍巖移動量小、地表沉陷小。 條帶開采法適合于以下條件的采煤: （1）地面為密集建筑群、結構復雜建筑物或紀念性建筑物下采煤； （2）難以搬遷或無處搬遷的村莊壓煤； 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 94 頁 （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；地面排水困難； （5）煤層埋藏深度一般在 500 m 以內(nèi)，單一煤層，厚度比較穩(wěn)定，頂?shù)装?巖層和煤層較硬，斷層少。 在具體的地質(zhì)采礦條件下，在保證采動引起的地表移動與變形不影響地面建 筑物安全使用的前提下，應最大限度地提高煤炭資源回收率。但地表移動和變形 值的大小與煤炭回收率直接相關。開采條帶寬度太大，留設煤柱太小，則煤柱不 能支撐覆巖載荷，煤柱被壓垮，增大地表的移動和變形值，地面建筑物得不到有 效保護。開采條帶寬度太小，留設煤柱太大，回收率低，經(jīng)濟上不合理。有時如 留設煤柱寬度不當，可能造成地表波浪形下沉，這對保護地面建筑物也極為不利。 一般情況下，條帶開采設計時應遵循以下原則： （1）地表允許變形原則，即條帶采出后，地表能夠形成單一均勻的下沉盆 地，而不出現(xiàn)波浪式下沉。地表產(chǎn)生的變形值要小于保護地面建筑物允許的變形 值。 （2）煤柱穩(wěn)定性原則，即保證留設條帶煤柱有足夠的強度支撐覆巖的載荷， 并且能夠保持長期穩(wěn)定。 （3）回采率原則，即在滿足地表允許變形原則和煤柱穩(wěn)定性原則的前提下， 回采率應盡量大，采出條帶盡量寬。 2.2 條帶開采巖層與地表移動理論和規(guī)律 條帶開采由于開采方式的特殊性，其巖層與地表移動機理截然不同于長壁式 全部開采。主要表現(xiàn)為：條帶開采通過煤柱支撐頂板，覆巖破壞范圍較長壁式全 陷法開采較??；條帶巖層與地表移動主要是以開采區(qū)域上方巖層彎曲和煤柱壓入 為主，長壁全陷法開采以下部巖石的冒落、斷裂及上部巖層的彎曲變形為主，兩 者移動機理存在顯著的差異。在條帶開采地表與巖層移動機理方面提出的假說主 要有以下幾種6,7： 2.2.1 煤柱的壓縮與壓入說 該假說是基于連續(xù)介質(zhì)力學法而提出的，認為條帶開采上覆巖層與地表的沉 陷是由煤柱的壓縮、煤柱壓入底板和煤柱壓入頂板三部分組成。煤柱的壓縮量按 單向彈性壓縮處理，其作用的應力為煤柱平均應力。煤柱壓入頂?shù)琢考俣褐?平均應力作用在半無限平板上，按彈性理論給出計算公式。 2.2.2 巖梁假說 該假說是根據(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、強度較高的巖層，在條帶開采時該巖層為起控制作用的巖梁，或 者如同一個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 論給出了應力和位移的計算公式。 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 95 頁 2.2.3 托板理論 在巖梁假說的基礎上，吳立新、王金莊提出了托板理論10。托板理論認為條 帶開采地表最大下沉量是由煤柱壓入底板量、煤柱壓縮量、巖柱壓縮量、承重層 壓縮量和托板撓度所組成。該理論認為頂板巖層內(nèi)存在一層強度相對較大的堅硬 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“準三維”介質(zhì)，在模型上是一大進步，但托板的位置、托板的斷裂 準則、托板的邊界條件等還需進一步完善（圖 2-1）。 2.2.4 波浪消失說 該理論認為條帶采出以后，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。并且總結出波浪下沉 傳播高度與條帶開采寬度和煤柱寬度有關。 條帶開采地表移動和變形的特點有：地表下沉系數(shù)?。恢饕绊懻行?；水 平移動系數(shù)隨采深的增加而減少；地表移動期短，與長壁開采相比，條帶開采引 起地表移動時間約為長壁開采的 40%。 此外，關鍵層理論認為在上覆巖層中存在一層至數(shù)層厚硬巖層，在采場上覆 巖層活動中起主要控制作用。對認識條帶開采上覆巖層與地表移動機理以及形成 以關鍵層理論為支撐條件的條帶開采設計方法具有重要的意義。 圖 2-1 條帶開采托板理論原理圖 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 96 頁 2.3 條帶開采地表移動和變形預計參數(shù) 條帶開采地表移動參數(shù)是條帶開采地表移動和變形預計時的關鍵性參數(shù)，其 取值的準確性直接影響到地表移動和變形預計結果的精度。無論采用哪一種預計 方法，如果預計參數(shù)選不準，都不可能得出符合實際的預計結果。因此，條帶開 采地表移動和變形預計參數(shù)的準確選取對提高預計精度至關重要。 我國學者在分析條帶開采實測資料的基礎上，對條帶開采地表移動和變形預 計參數(shù)選取及其與地質(zhì)采礦條件的關系進行了研究。耿德庸在資料分析和有限元 計算的基礎上，得出條帶開采下沉系數(shù)、水平移動系數(shù)、主要影響角正切和拐點 偏距與全采的關系，建立了一套經(jīng)驗公式，該公式考慮了采寬、留寬和采深等因 素8（見表 2-1 公式（一）袁禮明、王金莊等采用邊界元法分析了條帶開采地 表移動參數(shù)與采出率、采深和采寬的關系，結合國內(nèi)部分條帶開采的實測資料采 用回歸分析方法得出了求取這些參數(shù)的另一套經(jīng)驗公式9,10，有些參數(shù)只考慮了 采深或采出率等少量因素（見表 2-1 公式（二）。這兩套求取條帶開采地表移動 參數(shù)的經(jīng)驗公式均建立了條帶開采與全采參數(shù)之間的關系，是目前進行條帶開采 地表移動和變形預計求取參數(shù)的主要方法。 通過建立條帶開采地表移動觀測站進行實測或采用其他研究方法，基本掌握 了條帶開采地表沉陷的主控因素，以及煤層和上覆巖層的強度、結構對條帶開采 地表移動和變形的影響。 我國實測資料表明：條帶開采的下沉系數(shù)為全部垮落開采下沉系數(shù)的 4.8%26.8%，冒落條帶開采下沉系數(shù)為 0.020.336，大多數(shù)小于 0.2；水砂充 填條帶開采的下沉系數(shù)在 0.0090.04 之間。 統(tǒng)計資料表明：條帶開采的地表下沉系數(shù)與條帶開采的采出率關系密切，隨 采出率的增加而增加，見表 2-2。 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 97 頁 表 2-1 條帶開采地表移動參數(shù)計算公式 表 2-2 條帶開采地表下沉系數(shù)與采出率的關系 近年來，隨著開采深度的增加，地表采動程度減小，引起地表移動參數(shù)發(fā)生 變化，國內(nèi)外學者對采動程度影響參數(shù)的問題進行了系統(tǒng)的研究，取得了一些有 價值的成果，已基本能滿足工程的需要，但對深部條帶開采時的地表移動參數(shù)尚 需進步研究。 參 數(shù) 計算公式 公式（一） 公式（二） 下 沉 系 數(shù) 水 平 移 動 系 數(shù) 主 要 影 響 角 正 切 拐 點 偏 距 采出率/% 堅硬巖層中 硬巖層 軟弱巖層 70 0.140.17 0.210.27 0.270.33 60 0.090.11 0.130.17 0.170.21 50 0.050.06 0.080.10 0.100.12 40 0.0260.03 0.030.05 0.050.06 30 0.0110.014 0.0160.022 0.0220.026 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 98 頁 2.4 條帶開采煤柱的穩(wěn)定性 條帶開采煤柱的穩(wěn)定與否是條帶開采成敗的關鍵。我國學者在國外學者研究 的基礎上，對條帶開采煤柱穩(wěn)定性進行了較多的研究，給出了多種有關煤柱塑性 區(qū)寬度計算的理論公式。但多是從傳統(tǒng)的強度觀點出發(fā)，建立了多種煤柱載荷、 強度計算的理論和經(jīng)驗公式及分析方法。目前，我國在條帶開采煤柱載荷計算中 普遍采用的是英國 A.H.Wilson 的兩區(qū)約束理論，分別計算條帶煤柱的極限承載 能力和實際承受的載荷，然后計算煤柱的安全系數(shù)來評價煤柱的穩(wěn)定性。國內(nèi)外 對煤柱設計理論的研究非常活躍，大體可分為以下幾種11,12。 2.4.1 有效區(qū)域理論 該理論假定各煤柱支撐著上部及與所鄰煤柱平分的上部巖層的重量，因此， 只能在開采面積較大、煤柱尺寸和間隔相同、分布均勻的情況下使用。如果開采 面積較小，有效區(qū)域理論公式得出的煤柱應力值會偏低。庫克和胡德（1978）指 出，其理想的情況是采區(qū)寬度大于采深。斯格蘭格(1982)指出由于煤柱邊緣的破 裂和松動引起的煤柱有效承載面積的減少，煤柱應力系數(shù)應增加為 1.1。 2.4.2 壓力拱理論 該理論主要用于地表沉陷的控制。用該理論設計屈服煤柱或隔離煤柱時，煤 柱尺寸根據(jù)上覆巖層的厚度來確定。它認為由于在采空區(qū)上方壓力拱的形成，上 覆巖層的載荷只有很少一部分作用到直接頂板上，其他部分的覆巖重量會向采空 區(qū)兩側的煤柱（拱腳）轉移。壓力拱的內(nèi)寬主要受上覆巖層厚度即采深的影響， 壓力拱的外寬則受覆巖內(nèi)部組合結構的影響。如果采寬大于壓力拱的內(nèi)寬，則負 載分布會變得很復雜，即一個拱腳在邊側實體煤上，另一個拱腳在采空區(qū)上，此 時壓力拱不穩(wěn)定，可能崩潰并伴隨大量的覆巖沉陷。 2.4.3A.H.威爾遜理論 A.H.威爾遜（wilson，1972）在假設的基礎上，導出了方煤柱、長方煤柱和 長煤柱在有核區(qū)或無核區(qū)承載能力與分擔載荷的計算公式以及煤柱屈服帶寬度 的計算公式，在實踐中得到了廣泛的應用。 威爾遜的三向應力法給出的矩形煤柱和長煤柱極限荷載計算公式分別為： P 極距=40Had-4.92(a+d)M H10-3 +32.28M 2H 210-6 ，kN (2-1) P 極長=40H(a-4.92MH10-3 )，kN/m (2-2) 矩形煤柱和長煤柱保留煤柱實際承受的荷載按下式計算： P 實距=10HHa+b/2(2H-b/0.6)，kN (2-3) P 實長=10Ha+b/2(2H-b/0.6)，kN/m (2-4) 上式中，H 為采深；a、b 為條帶的采寬和留寬。 我國學者在研究了 A.H.Wilson 煤柱設計公式后認為 A.H.威爾遜經(jīng)驗公式存 在因簡化而帶來的問題：即將煤體的內(nèi)摩擦角取固定值 36o，簡化了煤體極限強 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 99 頁 度的計算式，而煤體內(nèi)摩擦角對極限強度的影響很大，不應該用一個定值簡化計 算。通過實驗分析對屈服帶寬度表達式以及寬厚條帶煤柱穩(wěn)定性的計算公式等進 行了改進。 2.4.4 核區(qū)強度不等理論 在該理論中，格羅布拉爾法把煤柱核區(qū)強度與實際應力聯(lián)系在一起，從而確 定核區(qū)內(nèi)不同位置的強度，提出了用于長條煤柱破壞包絡面計算的通用公式。格 羅布拉爾法在某種程度上與威爾遜的兩區(qū)約束理論極為相似，但由于建立的常數(shù) 復雜，降低了其實用性。 2.4.5 大板裂隙理論 白矛（1982）將采空區(qū)沿走向剖面視為邊界作用均布載荷的無限大板中的一 個很扁的橢圓孔口，利用彈性斷裂理論推導出孔口端部煤柱距煤壁任一距離的應 力計算公式。 2.4.6 極限平衡理論 該理論研究了承載煤柱與頂?shù)装宓慕佑|面上有整體內(nèi)聚力條件下的任意三 邊尺寸比值的煤柱應力狀態(tài)，并得到規(guī)則煤柱的頂面和中性面所受鉛直應力的分 布狀態(tài)。此外，在條帶煤柱穩(wěn)定性分析方面，謝和平等在研究了條帶煤柱穩(wěn)定性 理論和分析方法的基礎上，認為煤柱的破壞失穩(wěn)是典型的非線性過程。胡炳南從 煤柱強度分析出發(fā)，導出任意方向弱面剪力強度安全系數(shù)計算式13。崔希民、繆 協(xié)興應用從屬面積法外析原理，得出傾斜煤層條帶煤柱應力表達式，認為剪應力 對煤柱強度和穩(wěn)定性有影響。高緯通過極限平衡法分析了煤層傾角對煤柱穩(wěn)定性 的影響14。郭文兵、柴一言分析了影響走向條帶煤柱穩(wěn)定性的主要因素，并通過 光彈性模擬實驗得出了條帶煤柱、采場圍巖應力分布隨煤層傾角變化而變化的規(guī) 律；任建華、康建榮等提出了條帶煤柱使用錨桿、化學加固方法以提高條帶開采 回采率；鄧喀中給出了含節(jié)理（弱面）煤層在單向和三向受力狀態(tài)下條帶煤柱的 留設方法；上述所有方法均未考慮煤層傾角、煤柱剝落、煤柱蠕變、煤柱內(nèi)瓦斯 抽放、水和濕度、采區(qū)（工作面）幾何形狀對煤柱的影響，對這些影響因素是通 過加大煤柱設計寬度和增大安全系數(shù)的方法來解決。 條帶開采采出率能否提高與條帶煤柱的穩(wěn)定性直接相關，在條帶開采中要求 條帶煤柱的寬高比大于等于 2（充填條采）或大于等于 5（冒落條采）。要求條帶 煤柱要有足夠的強度和穩(wěn)定性，從而能長期有效地支撐上覆巖層的載荷。在抗滑 穩(wěn)定性方面，主要是傾斜煤層開采條件下，煤柱在上覆巖層的作用下沿底板滑動， 從而使煤柱失穩(wěn)，導致煤柱破壞。解決的主要辦法是將走向條帶改為傾斜條帶或 偽傾斜條帶，以增加條帶的穩(wěn)定性，具體在什么條件下煤柱會滑移，目前研究不 多，一般認為：當 20o 時，煤柱可能滑移，布置傾向或偽斜條帶；當 20o 時， 煤柱不滑移，布置走向條帶。 中國礦業(yè)大學2009屆本科生畢業(yè)設計 第100頁 2.5 條帶開采優(yōu)化設計 條帶開采尺寸設計是一個不斷優(yōu)化的過程，首先要根據(jù)條帶開采的經(jīng)驗和礦 山生產(chǎn)的要求，初步選取采出條帶寬度和保留條帶寬度，然后進行強度穩(wěn)定性、 抗滑穩(wěn)定性（傾斜煤層走向條采）和變形穩(wěn)定性分析。不斷調(diào)整采出條帶和保留 條帶的寬度，直到既滿足穩(wěn)定性要求，又便于煤炭生產(chǎn)且采出率最高為止。 條帶開采尺寸設計一般認為有幾個基本準則：條帶煤柱有足夠的強度和穩(wěn)定 性，從而能長期有效支撐上覆巖層的載荷；條帶采寬應限制在不使地表出現(xiàn)波浪 下沉盆地而呈現(xiàn)單一平緩的下沉盆地。通常條帶煤柱尺寸根據(jù)采深、采厚、采寬 以及煤層和上覆巖層的力學性質(zhì)等因素確定，采寬根據(jù)采深和上覆巖層的巖性確 定。根據(jù)條帶開采的經(jīng)驗，條帶采寬應不使地表出現(xiàn)波浪下沉盆地面呈現(xiàn)單一平 緩的下沉盆地，采出條帶寬度一般為 H/4H/10（H 為采深）。 當煤層頂板堅硬，煤柱尺寸按單向受力狀態(tài)計算，采寬尺寸可按壓力拱曲線 理論計算，單向應力法留設條帶開采尺寸的基本原理為煤柱的單向抗壓強度應大 于礦體實際承受的荷載，礦體實際承受的荷載可按“分截面積法”確定，見圖 2-2。 圖 2-2 分截面積法圖 圖中（a+b）陰影部分為煤柱分載的面積，即條帶開采后采出條帶上方巖體 的自重全部轉移到煤柱上，因此有： P 礦=0.01H(a+b)/a (2-5) 式中 上覆巖體的平均體積力，104 N/m3 ； a保留條帶（煤柱）寬度，m； b采出條帶寬度，m； P 礦煤柱上實際出現(xiàn)的平均荷載，MPa。 礦體的三向抗壓強度可用在實驗室內(nèi)測定的礦塊單軸抗壓強度及礦體所在 位置處的側應力，按胡克布朗的節(jié)理化強度準則來確定，即 1=3+(mc3+sc 2 ) 1/2 (2-6) 中國礦業(yè)大學2009屆本科生畢業(yè)設計 第101頁 式中 1礦體的三軸抗壓強度，MPa； 3礦體所在位置處的側應力，MPa； c礦塊試樣的單軸抗壓強度，MPa； m、s經(jīng)驗常數(shù)，可參照有關文獻選取。 若取 c=0，則可求得礦體的單軸抗壓強度為 Rc：Rc=s 1/2 c 此外，礦體的強度還可按其他經(jīng)驗公式來確定，如南非的沙拉蒙（Salamon） 經(jīng)驗公式為： Rc=7.18a 0.46M -0.66 （2-7） 式中：a煤柱的寬度，m； M煤柱的高度，m。 煤層開采后采空區(qū)若被冒落矸石密實充填或充填法管理頂板時，煤柱尺寸應 按三向受力狀態(tài)計算。通過對目前條帶開采實例的分析：條帶開采煤層厚度最大 16.6 m（充填條采）、5.1 m（冒落條采）；條帶開采寬度變化在 10160 m 之間， 寬深比變化在 0.0430.347 之間，即為采深的 1/2.91/23；條帶煤柱寬高比為 5.316 （冒落條帶），一般為 810。 在相同采出率的條件下，增大條帶開采的寬度可提高條帶開采的效率。建筑 物下壓煤的開采一般要經(jīng)歷一個較長的時間過程，開采范圍內(nèi)的地表建筑要經(jīng)歷 單一工作面的最大影響變形，從而有利于地表建筑物的保護。據(jù)此提出了允許地 表非統(tǒng)一下沉盆地的寬條帶設計理念。寬條帶開采技術充分利用了盆地范圍使變 形分散，實現(xiàn)在控制變形的條件下提高條帶開采寬度的目的。在此基礎上，還提 出了寬條帶全柱開采技術。大采寬條帶開采由于采寬加大，地表移動變形機理已 不同于小尺寸條帶開采，采用小尺寸條帶開采的預測方法已不適宜。但由于寬深 比較小，地表屬極不充分開采，采用充分開采的概率積分預測方法也不適合，造 成了目前采用條帶開采的地表移動預測方法求出的地表移動值小于實測值，而采 用似充分采動的概率積分法預測出的值大于實測值的現(xiàn)象。有關文獻將開采沉陷 學與工程巖體力學、彈塑性力學、流變學相結合，論述了條帶開采采寬、留寬優(yōu) 化設計原則和方法。此外還有將巖層控制的關鍵層理論、專家系統(tǒng)、連續(xù)介質(zhì)力 學理論等用于條帶開采設計。 在多煤層條帶開采研究方面，相關文獻提出了煤層條帶開采中選擇開采煤層 的最小采動影響原則、層間條帶煤柱的對齊原則等。多煤層條帶開采當層間距較 小時，應使上、下煤柱在法向方向?qū)R；當上下煤層間距大于煤層采厚的 3060 倍時，可以不對齊。在采用彈朔性有限元法模擬的基礎上，得出了多煤層條帶空 間位置與巖層及地表移動間的關系，但多煤層條帶開采優(yōu)化設計問題的研究還相 對不足。 3 條帶開采地表移動參數(shù)的影響因素與作用規(guī)律研究 地下煤層開采出來以后，必然會引起地表的下沉和移動，而影響地表下沉和 移動的因素又是錯綜復雜的，本論文主要對地下煤層由條帶開采出來以后，影響 中國礦業(yè)大學2009屆本科生畢業(yè)設計 第102頁 地表移動的參數(shù)因素及其作用規(guī)律進行簡單的介紹和研究。 3.1 條帶開采地表移動參數(shù)的影響因素 3.1.1 下沉系數(shù)的影響因素 條帶開采地表下沉系數(shù)是表征條帶開采地表移動規(guī)律的重要參數(shù)，也是條帶 開采地表移動和變形預計時的關鍵性參數(shù)，其取值的準確與否直接影響到地表移 動和變形預計結果的精度以及條帶開采的方案設計。因此，國內(nèi)外學者對條帶開 采下沉系數(shù)的研究都非常重視，曾建立了多個條帶開采地表移動觀測站進行現(xiàn)場 實測研究。理論研究方面，有關文獻將條帶開采地表沉陷的影響因素劃分為工程 巖體的物理力學參數(shù)、礦柱的強度和物理力學參數(shù)、環(huán)境應力及開采幾何尺寸等 四類。實測資料及理論研究已證實，條帶開采地表下沉系數(shù)主要與下面地質(zhì)采礦 因素有關。 （1）采寬 b 條帶開采寬度是地表沉陷的主控因素。根據(jù)托板理論，采寬 b 決定了托板 的穩(wěn)定性，從而影響到地表下沉系數(shù)。國內(nèi)外大量的條帶開采實例表明，采寬 b 在（1/41/10）H 時地表一般不會出現(xiàn)波浪式下沉。 （2）留寬 a 條帶開采保留煤柱寬度決定了條帶煤柱的穩(wěn)定性。條帶煤柱能否支撐上覆巖 層的載荷是條帶開采成敗的關鍵問題之一，條帶煤柱尺寸過小，承載能力不足， 必然使地表下沉系數(shù)增大。 （3）采深 H 全采時地表下沉系數(shù)有隨采深增大而減小的趨勢。條帶開采由于客觀上的多 種因素影響以及地表沉陷機理與全采不同，目前國內(nèi)外普遍認為條帶開采下沉系 數(shù)與采深之間存在復雜的非線性關系。通過數(shù)值模擬分析得出條帶開采下沉系數(shù) 隨采深的增大而增大。 （4）采厚 M 采厚對條帶開采地表沉陷的影響一方面反映在采厚大、煤柱高度大，則條帶 煤柱的極限強度小、承載能力和穩(wěn)定性差。另方面由于條帶開采與全采引起 采動沉陷的機理不同，條采下沉系數(shù)隨采厚的增大有減小的趨勢。通過數(shù)值計算 分析得出條帶開采下沉系數(shù)隨采厚的增大而減少。 （5）采出率 條帶開采的采出率對下沉系數(shù)的影響很大，采出率越大，下沉系數(shù)就越大， 采出率太高，條帶煤柱可能會壓垮。數(shù)值模擬結果為：隨采出率的增大，地表下 沉系數(shù)呈冪指數(shù)關系增大。 （6）采煤方法與頂板管理方法 采煤方法主要指條帶煤柱的布置方式和采煤工藝，條帶煤柱布置方式不 同煤柱的穩(wěn)定性程度不同；不同的采煤方式對條帶煤柱的采動影響程度不同。 國內(nèi)外條帶開采實例表明：條帶開采的頂板管理方法主要有全部冒落法和水砂充 中國礦業(yè)大學2009屆本科生畢業(yè)設計 第103頁 填法。充填對條帶開采地表下沉系數(shù)起著至關重要的作用。不同的頂板管理方法 下沉系數(shù)差別很大。 （7）上覆巖層結構及物理力學性質(zhì) 上覆巖層結構以及覆巖強度對煤層開采以后上覆巖層及地表的下沉值起著 重要作用。統(tǒng)計規(guī)律表明：全采的下沉系數(shù)與上覆巖層的性質(zhì)密切相關，上覆巖 層越堅硬，下沉系數(shù)越??；覆巖越軟弱，下沉系數(shù)越大。有關文獻指出，在 6)q0.40.65，中硬巖層(f36)q 0.60.85；軟弱巖層(f6)tan1.21.6；中硬巖層(f36)tan 1.42.2；軟弱巖層(f6)s/H0.150.20；中硬巖層(f36)s/H0.100.15；軟弱巖 層(f3)s/H0.050.10。一般認為隨著硬巖層比例的增加 s/H 也逐漸增加，硬巖 層對拐點偏移距的影響較大。 （2）采深 H 的影響 s 值一般隨采深的增加呈線性增加，上覆巖層軟弱時，s 的變化緩慢，層堅 硬時，s 的變化顯著。 （3）采動程度的影響 當采動程度系數(shù) n1 時，拐點偏移距隨采動程度的增大而降低，當工作面 尺寸達到充分采動以后，拐點偏移距穩(wěn)定在某一值。采動程度越小，上覆巖層的 破壞越小，頂板冒落不充分，因此拐點偏移距就越大。 綜合上述分析表明；影響條帶開采的拐點偏移距 s 條的主要因素有采深、采 出率、采寬、煤柱留寬、上覆巖層綜合評價系數(shù)等。此外，條帶開采的拐點偏移 距 s 條與松散層厚度、條帶開采區(qū)域面積(采動程度)、煤層傾角、采厚、重復采 動、采煤方法和頂板管理方法等有一定的關系。 3.2 條帶開采地表移動參數(shù)分析 我國自 1967 年開始應用條帶法開采“三下”壓煤以來，先后在全國多個省 中國礦業(yè)大學2009屆本科生畢業(yè)設計 第106頁 市的數(shù)百個條帶工作面進行了條帶開采，其中部分建立了地表移動觀測站進行現(xiàn) 場實測。為條帶開采地表移動參數(shù)的研究提供了重要的數(shù)據(jù)；而且通過對條帶開 采地表移動參數(shù)進行過分析研究，得出一些經(jīng)驗公式并被廣泛應用。但近十幾年 來，隨著條帶開采的廣泛應用，新的條帶開采的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)逐漸增多，同時以 前的經(jīng)驗公式對于同一煤礦、同一地質(zhì)采礦條件下條帶開采預計參數(shù)的計算結果 差異很大。因此，有必要在補充新的觀測站資料的基礎上作進一步研究。郭文兵 15等人通過現(xiàn)場調(diào)研與資料檢索，通過分析建立了新的條帶開采地表移動預計參 數(shù)的經(jīng)驗公式。 （1）下沉系數(shù) 首先分析條帶開采下沉系數(shù)和全采條件下下沉系數(shù)的比值qt/qq 與各主要相 關單因素之間的關系, 然后綜合分析與各個因素的關系。分析表明:qt/qq隨采厚M 的增加而減小;隨采深H的增加而增大;隨著采出率 的增大, 條帶開采的下沉系 數(shù)顯著增大;隨開采寬度b 的增大而增大; 隨留寬a 的增大而減小。經(jīng)驗公式為 （3-2） （2）水平移動系數(shù) 根據(jù)對影響條帶開采水平移動系數(shù)的主要因素的分析，水平移動系數(shù)隨采深 H 的增大而減?。浑S采出率的增大而增大.所以用H/ 的關系來描述兩者對bt/bq 的影響，bt/bq 與采深H 和采出率=b/(a+b) 的綜合關系為： （3-3） (3)主要影響角正切 條帶開采主要影響角正切tant 的主要因素有采深H和上覆巖層綜合評價系 數(shù)P。隨著采深H 的增大，tant/tanq 減小；tant/tanq 隨上覆巖層綜合評價系 數(shù)P的增大而減小。所以用PH的關系來描述兩者對tant / tanq 的影響。參數(shù) tant/tanq 與采深H 和上覆巖層綜合評價系數(shù)P 的總關系式為 =017847e -010012PH （3-4） (4)拐點偏移距 分析表明，影響條帶開采的拐點偏移距st的主要因素有采深H、采出率、采 寬b、煤柱留寬a、上覆巖層綜合巖性等。條帶開采的拐點偏移距st隨采深H及開 采寬度b 的增大而增大，隨留寬a 的增大而減小，故采用bH/a的組合來分析與拐 點偏移距st的關系。此外，拐點偏移距隨采出率的增大而增大。建立的經(jīng)驗公式 為： st=0.0673b 2H/a(a+b)+2.564 （3-5） 通過郭文兵15等人的分析研究，得出了條帶開采地表移動和變形預計參數(shù) 中國礦業(yè)大學2009屆本科生畢業(yè)設計 第107頁 qt/qq，bt/bq，tant/tanq，st 的計算公式。這些公式相對現(xiàn)有的計算公式而言，考 慮的影響因素更為全面。主要體現(xiàn)在以下方面： （1）在q條/q全 的計算公式中，不僅考慮了采深、采寬、留寬三個因素的影響， 而且考慮了煤層開采厚度M的影響。條帶開采下沉系數(shù)與煤層開采厚度有關已被 實踐所證實，因此，計算公式中考慮煤層開采厚度M的影響則會更接近于實際。 其結果特別對厚煤層條帶開采地表移動和變形預計參數(shù)的選取則更有實用價值。 （2）現(xiàn)有普遍采用的計算條帶開采b條/b全 的方法中，僅與采深H有關，沒有 考慮采出率(采寬、留寬)的影響，本論文研究中考慮了該因素的影響，雖然其影 響不十分顯著，但公式中反映了其影響關系。同時，該公式避免了現(xiàn)有公式當H 500m 時b條計 算為負值的不合理現(xiàn)象。 （3）在tan條/tan全 的計算公式中，不僅考慮了采深的影響，而且考慮了上 覆巖層巖性的影響(用上覆巖層綜合評價系數(shù)P 表示)。現(xiàn)有普遍采用的計算條帶 開采tan條/tan全 的方法中，僅與采深H 有關，本論文中考慮了覆巖巖性的影響。 （4）在條帶開采拐點偏移距s條的計算公式中，綜合考慮了采出率、采深、 采寬、留寬等因素的影響。理論和實踐已證實，條帶開采拐點偏移距s條與上述 因素有關。由于受實測數(shù)據(jù)樣本的限制，公式中考慮的影響因素可能還不夠全面， 但本論文給出的計算公式較以往的公式考慮的因素更為全面。 （5）雖然本論文給出的條帶開采地表移動參數(shù)計算公式考慮的因素較為全 面，但仍保留了以往經(jīng)驗公式簡便的特點。具體表現(xiàn)在公式中的參數(shù)均容易確定， 計算方便，可操作性強。 4 條帶開采的效果分析16 眾所周知, 地表移動的觀測數(shù)據(jù)是研究開采沉陷的基礎。我國自50 年代以 來，建立的地表移動觀測站(不完全統(tǒng)計) 已達200多個，為開展地表移動的計算 研究工作提供了豐富的實際觀測數(shù)據(jù)。條帶開采的觀測不僅涉及地表的移動觀測， 還涉及煤柱的應力與變形觀測，上覆巖層的移動、變形、破壞觀測, 隨著數(shù)值計 算方法的大量應用，巖體性質(zhì)參數(shù)的實地測定也成為進行條帶開采研究的重要數(shù) 據(jù), 目前我國也已積累了一些實際觀測成果。 峰峰礦務局一礦在工人村下進行條帶開采期間，進行了較為全面的地表移動 觀測站觀測得出，在該地質(zhì)條件下，留設煤柱不大于H/3開采條帶小于H/3.5的情 況下, 地表不會出現(xiàn)波浪下沉；條帶開采的地表移動期較短, 開采工作結束12 個月后地表最大下沉為地表穩(wěn)定后最大下沉的95%；并取得了實測的條帶開采地 表移動計算參數(shù)。 蒲白礦務局馬村礦在白水河下條帶開采期間設置了地表網(wǎng)狀觀測站，對地表 下沉的整個盆地進行了觀測并在煤柱內(nèi)進行了應力觀測, 取得了在該地 質(zhì)條件下條采一側煤體應力超前距最大為63.6 m，形成煤柱后應力超前距最大為 109 m，條采一側煤體應力滯后距最大為74 m , 形成煤柱后應力滯后距最大31.5 m 的條帶開采過程中煤柱應力變化的實測數(shù)據(jù)。 中國礦業(yè)大學2009屆本科生畢業(yè)設計 第108頁 峰峰礦務局二礦在工業(yè)廣場區(qū)域進行條帶開采期間，不僅設置了地表移動觀 測站，還進行了煤柱壓力的觀測和利用上層工作面的回風巷打鉆進行了 頂板沉降的觀測, 取得了開始階段附加應力占15%，兩側開采期間占64%，滯后 穩(wěn)定階段占20%的應力觀測結果, 并實測出該條件下的煤柱塑性區(qū)為2 m，采空區(qū) 上方為拉伸變形，煤柱上方為壓縮變形；取得了條帶開采重復采動的地表移動實 測數(shù)據(jù)得出條帶開采的地表下沉同樣與開采面積有關的結論。 峰峰礦務局三礦在條帶開采中從地面打鉆進行了巖體內(nèi)部移動的觀測，確定