重复采动对煤矿区地表沉陷的影响及其预计.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 重复采动对煤矿区地表沉陷的影响及其预计 姓名高东方 申请学位级别硕士 专业地质工程 指导教师夏玉成 20070420 论文题目重复采动对煤矿区地表沉陷的影响及其预计 专业地质工程 硕士生高东方 指导教师夏玉成 摘要 签名 签名 岩层和地表受到地下采矿活动影响而产生移动变形后，在原有采空区的相邻层位或 部位再次开采，使岩层和地表又一次受到扰动的现象称为重复采动。 ， 重复采动主要引起下列地表移动变形参数的变化下沉系数、主要影响半径和主要 影响角正切、拐点偏移距、重复采动水平移动系数及影响传播角、边界角、地表移动时 间等；重复采动条件下采煤沉陷的主要影响因素有上覆岩层岩性、开采次数、开采厚 度、移动角、采区相对位置关系和重复开采时间间隔等。 分别对垂向重复采动和横向重复采动进行数值试验的结果显示对于厚煤层，分层 开采会加剧地表下沉值，增大沉陷盆地的范围，同时，加快覆岩应力释放，抑制裂隙带 的发育高度。在充分采动情况下，因为相邻工作面开采后地表最大下沉已接近甚至达到 极限，所以，横向重复采动一般不会显著增加地表最大下沉系数，但会改变下沉盆地的 平面形态；在非充分采动情况下，横向重复采动可使初采工作面对应的地表出现“活化” 现象，导致地表最大下沉值进一步增大，同时，新开采工作面将较早地引起地表移动。 在上述工作的基础上，对前几届研究生开发的基于地质观点的采煤沉陷动态预计系 统 M S P S 进行了进一步地修改、补充和完善。将系统界面由指令式操作转换为菜单 式操作；开发、添加了重复采动地表沉陷预计模块，实现了对重复采动条件下采煤沉陷 的预计。 关键词重复采动采煤沉陷；数值试验；活化；预计 研究类型应用研究 S u b j e c t T h eI n f l u e n c eo fC o a l m i n i n gR e p e a t e do v e rt h eG r o u n d S u l b s i d e n c ea n dI t sF o r e c a s t S p e c i a l t y G e o l o g i c a lE n g i n e e r i n g N a m eG a oD o n g - f a n g I n s t r u c t o r X i aY u - c h e n g A b s t r a c t S i g n a t u r e S i g n a t u r e A f t e rt h er o c kl a y e ra n dt h es u r f a c eh a da l r e a d yr e c e i v e dt h em o v e m e n ta n dt h e d i s t o r t i o ni n f l u e n c ei nt h em i n e da r e a s , m i n i n gi n t h en e i g h b o r i n gl a y e ro rp o s i t i o no n c em o ∞ a 懈t h er o c kl a y e ra n dt h es u l f a c eo n c er e c e i v e sm i n i n gd e s t r u c t i o na g a i nt ob ec a l l e dt h e c o a l - m j n i n g 咒p e a l c d ． T h ec o a l - m i n i n gr e p e a t e dm a i n l yc z t u s e st h ef o l l o w i n gs u r f a c em o v e m e n ta n dd i s t o r t i o n p a r a m e t e rc h a n g e t h es u b s i d e n c ef a c t o r , r a d i u so fm a j o ri n f l u e n c e ，t h et a n g e n to ft h e m a j o r - i n f l u e n e e d - a n g l e , o f f s e to ft h ei n f l e c t i o np o i n l ’h o r i z o n t a lm o v 锄f f f l tc o n s t a n t , t h e a n g l eo f t h ei n f l e c t i o np o i n t , t h e 柚g l co fc r i t i c a ld e f o r m a t i o na n dt h eS i n k st h ec o e f f i c i e n t a n dt h e 舒Ⅱ{ h c em o v e m e n tt i m e ；T h em a j o re f f c o tf a c t o ru n d e rt h ec o n d i t i o no ft h e c o a l - m i n i n gr e p e a t e dm a i n l yt oh a v e t h er o c kt y p eo v e r b u r d e n , l n i n i n gc o u n t , m i n i n gd e p t h , t h ea n g l eo f m o v e m e n t , t h er e l a t i v ep o s i t i o nr e l a t i o n so f w o r k i n gf a c ea n dt h et i m es l o to f t h e c o a l - m i n i n gI e l , e a t e d , e t c ． s T h er e s u l to ft h en u m e r i c a lt e s tw h i c hs e p a r a t e l ye s t a b l i s h e dw i t ht h ev e r t i c a l c o a l - m i n i n gw p c a t e da n dt h eh o r i z o n t a lc o n l - m i n i n gr e p e a t e dt w o c a s e st od e m o n s t r a t et h a t , f o rt h et h i c kc o a l , s l i c i n gc a ni n t e n s 毋t h es l Ⅱf 缸s u b s i d e n c e , i n c r e a s e st h es c o p eo ft h e s u b s i d e n c eb a s i n , a n ds p e e d su pt h ec o v e rs t r e s sr e l e a s e , r e s t r a i n st h eh e i g h to f t h ef r a c t u r e d b e l t ．i nt h es i t u a t i o no ff u l ls u b s i d e n c e , f o rt h em o s ts u b s i d e n c eh a v eg r e a t l ya p p r o a c h e dt h e l i m i ta f t e rt h em i n i n go ft h en e i g h b o r i n gw o r k i n gf a c e ，t h e r e f o r e , t h eh o r i z o n t a lc o a l - m i n i n g r e p e a t e dc a n n o tr e m a r k a b l yi n c r e a s et h es u b s i d e n c e 蠡吣t o f - b u tc a nc h a n g et h es h a l 把o ft h e s u b s i d e n c eb a s i n ；i nt h es i t u a t i o no fn o n - f u l ls u b s i d e n c e ，t h eh o r i z o n t a lc o a l - m i n i n gr e p e a t e d m a yc a u s et h ee a r l yw o r k i n gf a c ec o r r e s p o n d e n c et h es u r f a c et oa p p e a r “t h ea c t i v a f i o n “ p h e n o m e n o n , w i l l 咖s e t h eg r o u n dm a x i m u ms u b s i d e n c ef u r t h e rt oi n c r e a s ea n dt h es u r f a c e m o v e m 髓l ta n dd i s t o r t i o nc a u s e db yn e w l ym i n e dw o r k i n gf a c ew i l lp r e s e n tc a r t i e r ． O nt h ea b o v ew o r kf o u n d a t i o n , t h i sa r t i c l ef u r t h e rm o d i f i e d , r e n e w e da n dc o n s u m m a t e d t h eM i n i n gS u b s i d e n c eP r e d i c t i o nS y s t e m0 v [ s v s b a s e df i l lt h eg e o l o g i c a lv i e w p o i n tt h a t d e v e l o p e db ys e v e m lp r e d e c e 戳q o r ．A n dw a n s f o r m e dt h es y s t e mi n t e r f a c eb yt h ei n s t r u c t i o n t y p eo p e r a t i o ni n t ot h em e n uo p e r a t i o n ．D e v e l o p e da n da p p e n d e dt h em o d u l ea b o u t R e p e a t e d - m i n i n g - i n d u c e ds u r f a c em o v e m e n t , r e a l i z e dt h ef o r e c a s ta n dt h ep r e d i c t i o nu n d e r t h ec o n d i t i o no f c o a l - m i n i n gr e p e a t e dt oC o a l - m i n m g - i n d u c e ds u b s i d e n c e ． K e yw o r d s c o a l - m i n i n gr e p e a t e dC o a l - m i l l i n g - i n d u c e ds u b s i d e n c e n u m e r i c a lt e s t 1 绪论 1 ．1 问题的提出 1 绪论 我国煤炭资源分布面积约占6 0 万k m 2 ，约占国土面积的6 ％，可采煤炭保有资源量 为1 0 2 0 2 亿“勘查截止2 0 0 1 年 ，已经开采利用约3 5 1 0 亿t 【”。据统计，2 0 0 2 年原煤产 量为1 4 ．1 5 亿t ，2 0 0 4 年为1 9 ．9 7 亿t ，2 0 0 6 年我国原煤产量达到2 3 ．2 5 亿t ，与2 0 0 0 年 不到1 0 亿t 的产量相比，翻了一番。随着中国工业化、城市化进程加快，能源消费将不 断增加。今后相当长的一段时期内，中国经济将继续保持平稳较快发展势头，发电用煤 将大幅增长，冶金、建材、化工等主要行业用煤都将有不同程度的增长。预计到2 0 2 0 年，中国国内煤炭消费需求总量将超过2 5 亿t ，其中，发电用煤需求量将从去年的9 ．8 亿t 增长到1 6 亿t 以上[ 2 1 。煤炭作为我国重要的主体能源，是保证我国经济可持续发展 不可缺少的“粮食”。煤炭作为第一能源的战略地位近期不会动摇。 在我国煤矿生产过程中，煤炭资源浪费现象十分严重。全国煤炭资源平均回收率仅 为3 0 ％～4 0 ％，最高也不过为5 0 ％，而地方煤矿和小煤窑却是提高年产量和残采国有大 中型煤矿丢弃煤炭的主力军。国有大中型煤矿“吃肥丢瘦”现象还很严重。例如某煤矿以 创记录的年开采量生产6 0 0 0 万t 煤炭的同时，却消耗了储量煤炭近6 亿t 。据推算，全 国煤炭回收率每降低1 个百分点，大约浪费3 0 0 0 万t 煤炭。由于回收率低，我国由此永 久浪费的煤炭约2 s o 亿∥J ． 同时，煤炭资源开采对煤矿区生态环境的破坏令人触目惊心。目前全国累计采煤沉 陷面积超过7 0 h a ，平均万吨采煤沉陷率为0 ．2 h a ，直接经济损失超过5 0 0 亿元。按每年 2 0 亿t 的产量计算，采煤沉陷面积的递增速度为4 。2 万h a ／a ，采煤沉陷迫使人口迁移的 比率一般为每开采1 0 0 0 万t 煤迁移O ．2 万人[ 3 1 。山西省煤炭分布面积约2 万k m 2 ，现在 已经形成含约4 0 万人的沉陷区1 0 8 4 ．8 8 6 k m 2 。仅近2 0 年采煤沉陷造成的水资源损失就 达3 8 6 亿元，占全省2 0 年G D P 的3 ．1 l 蚶“。 一方面，国家经济建设需要开采大量的煤炭资源，另一方面，不合理的煤炭开采带 来了煤炭资源的浪费和地表地质坏境的破坏．开采带来的这一矛盾是矿区可持续发展亟 待解决首要问题之一．在保证矿产资源的开发、开采与利用，满足经济的快速发展的情 况下，“多出煤，少破坏”，做到节约开采、协调开采，避免或减轻矿区环境的破坏，是 我们要努力的方向。 在煤炭开采时，对于厚煤层多采用分层开采方式；在有多层煤赋存的矿区，通常采 用下行开采方式，即先采上部煤层，再开采下部煤层，称为煤层群开采；而在横向上， 工作面总是具有一定的宽度和长度，采完一个工作面，再在其旁侧开采另一个工作面。 西安科技大学硕士学位论文 上述开采方式有一个共同的特点，就是在前一次开采的基础上再次开采，可以统称为重 复采动。因此，重复采动是岩层和地表受到地下采矿活动影响而产生移动、变形后，在 原有采空区的相邻层位或部位再次开采，使岩层和地表又一次受到扰动的现象。 我国煤矿大部分已有多年甚至上百年的开采历史，随着开采强度、深度和广度的增 强，新开采的工作面多数受到老采区开采的影响，可以说重复采动现象在我国煤矿中十 分普遍。在今后的煤炭开采过程中，重复采动将成为一种主要的采动方式。 重复开采可以提高煤炭资源的采出率，做到节约开采；但重复采动对地表沉陷等地 质环境的影响如何，如何预计重复采动条件下的地表沉陷，仍是值得深入研究和讨论的 问题。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 重复采动理论研究 重复采动是在已采动地层中进行再次开采扰动。大量观测和研究结果表明重复采 动对地表移动变形的影响较初次采动有明显变化． 据刘文生研究州，重复采动时的地表下沉系数均大于初次采动时的地表下沉系数。 对于中硬覆岩，下沉系数增加量随复采次数增加而逐渐减小，即二次复采下沉系数增加 量小于一次复采下沉系数增加量。如东北某中硬覆岩型煤矿一次复采与初采相比下沉系 数增加0 ．1 6 ～O ．2 ，二次复采与一次复采相比下沉系数增加0 ．0 8 ，三次复采与二次复采相 比下沉系数增加O ．0 3 。对于坚硬型覆岩一次复采与初采相比下沉系数增加O ．1 0 ～O ．1 2 ， 二次复采与一次复采相比下沉系数增加0 ．1 7 ～0 ．1 8 ，即二次复采下沉系数增加量大于一 次复采下沉系数增加量。经过一次重复采动后，坚硬覆岩弱化，岩性上相当于中硬覆岩， 因此在以后的多次复采中，下沉系数将遵循中硬型覆岩复采时的规律变化。 康永华依据大量的现场实测资料，总结了中硬覆岩厚煤层长壁冒落开采条件下炮 采、综采及综放开采方法对导水裂缝带发育高度及其分布形态的影响。提出减小初次开 采厚度以降低导水裂缝带发育高度；增大重复开采厚度以提高采煤工效和矿井经济效 益；在顶水采煤时，若对厚煤层采用分层与放顶煤相结合的采煤方法，则既能控制导水 裂缝带的发育高度，又可降低采煤生产成本例。 胡炳南等通过研究表吲H 在横向 平行型 重复采动中，在采空区中间会因为冒 落带重新排列而有微小的下沉。由于该类型重复采动使得原来老采空区内边缘区域的下 沉潜力 如离层、底鼓和顶底板问的残余空洞 转化为真实的下沉，从而，达到了充分 开采时的下沉值。所以，平行型重复采动只改变下沉盆地的形态，其下沉系数不变。 条带开采作为一种特殊的重复采动，前人作了大量的研究。研究表明；条带开采可 有效地减缓下沉。我国学者耿德庸在分析实铡资科的基础上，对条带开采预计参数选取 2 l 绪论 及其与地质采矿条件的关系进行了研究．在资料分析和有限元计算的基础上，得出条带 开采下沉系数、水平移动系数、主要影响角正切和拐点偏距与全采的关系，建立了一套 经验公式【5 l 】 见表1 ．1 公式1 ，该公式考虑了采宽、留宽和采深等因素。文献[ 2 S J 等采 用边界元法分析了条带开采地表移动参数与采出率、采深和采宽的关系，结合国内部分 条带开采的实测资料，采用回归分析方法得出了求取这些参数的另一套经验公式 见表 1 ．1 公式2 。这两套求取条带开采地表移动参数的经验公式均是建立条带开采与全采参 数之间的关系，是目前进行条带开采地表移动和变形预计求取参数的应用较多的方法。 表1 ．1 显示用这两套计算公式计算出的结果间存在较大差异。 表1 ．1 条带开采地表移动预计参数计算结果的比较 据郭文兵等，文献【5 2 】 1 ．2 ．2 实验方法的运用 1 数值模拟试验 随着计算机技术的飞速发展、岩石力学的研究不断深入，有限单元法等方法的引入、 使得数值模拟技术日趋成熟完善，并得到广泛的应用。由于经验方法研究仅是对开采沉 陷现象的外观描述，且对岩体内部移动和变形规律的描述难以胜任，这就决定了目前乃 至将来相当长的一段时间里．数值模拟法仍是研究采煤沉陷最要的方法之一。 数值模拟试验主要是通过数值计算方法再现己知现象并对未知现象进行虚拟显现。 具有劳动强度小、投资少、可操作性强的优点。可在较短时间内模拟各种工况条件，并 得到任意点的位移、应力、速度、加速度和塑性状态等相似材料模拟试验无法直接测得 的结果。目前，矿山开采研究中主要采用的数值模拟方法有边界元法、离散元法、有限 3 西安科技大学硕士学位论文 元法、有限差分法等。 边界单元法O o u a d a r yE l e m e n tM e t h o d 是与有限单元法类似的一种数值分析方法， 它与有限单元法不同的是边界单元法只需对研究对象的边界进行离散和分析来解决问 题，把所考虑问题的维数降低一维来处理。因此，边界单元法所需的单元数比有限单元 法大为减少，相应的计算时所需的输入数据和计算时间也明显减少。近几年来、随着有 限单元法程序系统越来越大型化，边界单元法这一优点也越来越明显。目前国内外许多 学者都在研究用边界单元法解决采煤沉陷的模拟计算问题。如L ．C r o u c h 等提供的 T W O F S 、T W O D D 、T W O D I 程序及E ．H o e k 等完成的程序、均可用来计算二维线弹性 问题。 离散单元法 D i s c r e t eE l e m e n tM e t h o d 是2 0 世纪从7 0 年代初开始兴起的一种数值计 算方法，特别适用于节理岩体的应力分析，在采矿工程、隧道工程、边坡工程以及放矿 力学等方面都有重要的应用。现实中岩土体往往被众多的节理或结构面所切割，特别是 开采区附近的破碎岩体面具有明显的不连续性，很难用传统的有限单元法或边界单元法 来处理，只能求助于离散单元法。离散单元法于8 0 年代中期被介绍到我国，引起国内 岩石力学与工程界的浓厚兴趣和注意，目前已经在我国的采矿、隧道和大坝等工程的设 计和研究中得到了广泛应用。 有限差分法 F i n i t eD i f f e l ℃1 1 tM e t h o d 将问题的基本方程和边界条件以简单、直观 的差分形式来表述，先从物理现象引出相应的微分方程，再经离散化得出差分方程，由 参数的差分方式求解微分方程。谢和平、周宏伟用F L A C 3 D 有限差分程序模拟有断层存 在时地下开采后地表移动与变形情况嘲，克服了经典的概率积分法不能充分考虑断层影 响的缺点，取得了理想的效果。安徽理工大学高明中对坝体下急斜煤层的开采，运用 F L A C 程序模拟不同开采方法对坝体的采煤沉陷程度，模拟结果表明正台阶顺序开采对 坝体的影响最d , t 9 J ． 2 相似材料模拟实验 相似材料模拟试验是以相似理论为依据，将矿山岩层以一定比例缩小，用相似材料 做成模型。然后在模型中开拓巷道或进行回采，观察煤层上覆岩层的移动和破坏以及地 表的沉陷情况。相似材料一般以河沙作为骨料，石膏、碳酸钙作为胶结材料，和水按一 定比例配制后分层铺设于模型架中，层与层之间撒入云母粉模拟层面．中国矿业大学、 西安科技大学、辽宁工程技术大学、河南理工大学等都将相似材料模拟作为研究在重复 采动条件下采煤沉陷的重要手段之一，并取得了较为理想的研究成果【1 p 1 2 1 。 1 ．2 ．3 采煤沉陷预计软件 在采煤沉陷实验研究方法不断改进的同时，也有不少专家学者致力于采煤沉陷预计 软件的开发。 4 1 绪论 T h o m p s o n 等开发了一个长壁开采沉陷预测视窗软件，可用于预测因长壁工作面开 采引起的地表沉陷I J 3 1 ． 中国矿业大学的康建荣等在研究山区地表移动规律的基础上，从下沉单元和水平移 动单元入手，用直接面积积分的方法，开发出了开采沉陷预计系统。对于任意性工作面， 将其转化为若干个矩形工作面来实现，可以进行任意形多工作面多线段开采沉陷预计 0 4 1 。 西安科技大学的余学义教授建立了以概率积分法和K n o t h e 理论为基础，应用极坐 标闭合回路积分法的数学模型。研制了预计采动地表移动变形破坏程度的综合评价软件 砷h ．1 2 【1 5 1 。Y l h - 1 2 预计评价系统包括以影响函数为基础的概率积分方法，以几何积分 理论为基础由富氏二维积分变换法引入岩性及下沉时间影响参数 半力学，半经验参 数 。这一研究成果已经在西南、西北许多矿区的“三下”开采及高速公路下采空区的预 计与影响评价中应用，能够较准确地预计不同矿区地质采矿条件下的开采沉陷引起地表 移动变形及其损害程度的评价。 朱长春开发的开采沉陷地表变形计算与分析软件系统，该软件系统能够根据相应的 参数计算一般条件下的地面变形、山区地面的水平变形、下沉变形、倾斜变形、曲率变 形、水平移动以及相应的等值线图形等，能对任何三维图形实现旋转和打印功能，正应 用于开采地表变形计算与分析【1 6 1 。 概率积分法预计模型中的参数在不两采动程度下 动态过程中 并不是固定不变的， 而是变化的。中国矿业大学的吴侃、靳建明应用时间序列分析法，对开采沉陷动态过程 的概率积分法预计参数进行分析，建立了动态预计模型。用该模型可对参数的未来值进 行预计，然后利用预计结果进一步预计地表的移动变形，解决了开采沉陷的动态预计问 趔1 7 , 1 9 ] 。 李洪波、柴华彬等把G I S 技术应用于开采沉陷预计分析系统的研究，实现了对开采 沉陷的实时、动态和三维空间的可视化分析【嘲． ‘ 戴华阳建立了基于倾角变化的开采沉陷模型，提出煤层与地表移动的矢量预计法， 将煤层开采引起的沉降分解为水平和竖直两个方向叠加的结果。推导出了适用于任意煤 层倾角的预计公式。并据此编制了G I S 可视化分析系统[ 2 0 l 。 1 ．2 ．4 存在的主要问题 专家、学者从不同的角度对重复采动做了有一定深度的理论研究，研究方法及成果 都具有可借鉴性．但由于这些研究还处于起步阶段，虽然也提出了对重复采动采煤沉陷 机理的合理解释，得出了修正预计公式，但这些成果在目前还存在较大争议，有些问题 还有待迸一步研究 ①有些专家认为，垂向上的重复采动会加大地表下沉；而有些专家的研究成果表明， 5 西安科技大学硕士学位论文 分层开采可减小裂隙带的高度，起到保护上覆岩层中地下水的作用。减小了裂隙带的高 度是否也会相应地减少地表的下沉 两者是否是一致的关系 垂向上的重复采动对减 缓地表下沉、保护生态环境能起到什么样的作用 ②许多专家学者都认为横向上的重复采动不会增大地表下沉系数，这一结论显然要 以充分采动为前提。但在非充分采动情况下，横向重复采动与地表下沉的关系如何 此外，在“构造控灾”理论脚, 2 2 1 的指导下，上两届研究生在开采沉陷的动态预计方面 做了许多工作，开发出了基于地质观点的采煤沉陷动态预计系统 M S P S 。但该预计 系统缺乏对重复采动条件下的采煤沉陷预计功能，需要进一步补充和完善。 1 ．3 本文主要研究内容 重复采动是在己采动地层中进行采掘，煤层的赋存条件和岩石的物理力学性质都会 发生相应的变化，开采后引起的下沉移动变化过程及变化机理自然与初次开采有了很大 不同。揭示重复采动动对采煤沉陷的影响和规律，有利于科学地预计重复采动情况下的 地表沉陷，更好的指导煤矿区的地质环境保护。 基于以上认识，确定本文主要研究内容如下 1 研究和总结前人研究成果，归纳总结出重复采动条件下采煤沉陷的主要特征、影 响因素及影响机理； 2 根据重复开采的特点，分垂向重复采动和横向重复采动两种情况，通过数值模拟 试验方法，分别研究它们对地表沉陷的影响； 3 在上述工作基础上，设计开发出重复采动条件下地表沉陷预计模块，进一步完善 基于地质观点的采煤沉陷动态预计系统 M S P S ． 1 ．4 研究方法与技术路线 1 ．4 ．1 研究方法 1 理论分析．重复采动引起的地表沉陷与初次采动相比不仅是开采量的变化，它的 变形和演化过程都十分复杂，需要广泛吸收地质学、采矿学和力学等多方面理论，研究 和借鉴前人已有成果，形成对重复采动与地表沉陷关系的初步认识，建立概念模型。 2 数值试验。将概念模型具体化，利用数值模拟试验软件建立煤层重复采动物理力 学模型，通过对比首次采动和重复采动条件下煤层上部岩层及地表的破坏变形情况，总 结出重复采动对开采沉陷的影响规律。 3 软件开发。修改、完善基于地质观点的采煤沉陷动态预计系统 M S P S ，添加 重复采动条件下采煤沉陷预计模块。 6 1 绪论 i ii ●●●i 蕾■●■■●_ _ _ ●●■_ ■■■■■_ _ 葺_ _ ■■●_ ●■●■●_ _ ■■■●_ ■_ ■■■■■■_ ● 1 ．4 ．2 技术路线 根据研究内容，本文研究工作分为以下几个步骤 1 从煤矿区实际情况出发，通过查阅有关资料和现场调研，提炼煤矿区重复采动的 概念模型；将重复采动分为垂向重复采动和横向重复采动两种情况分别研究； 2 将重复采动的两种概念模型具体化，通过数值模拟方法，在实际资料的基础上， 建立重复采动地表沉陷物理力学模型；提取模拟运算的结果，对比首次采动和重复采动 条件下地表移动变形和上覆岩层物理力学性质的变化及演化过程，总结重复采动对采煤 沉陷的影响和规律； 3 将已有的基于地质观点的采煤沉陷动态预计系统 M S P S 进一步完善，将系统 由原来的指令式操作转换为菜单式操作；利用本次研究成果设计重复采动条件下的采煤 沉陷预计模块． 其技术路线如图1 ．1 所示。 7 西安科技大学硕士学位论文 图1 ．1 技术路线图 8 2 重复采动的基本特征及其主要影响因素 ●II ■●●■■■●■●●●■●●■●| ■●■■_ ■■■●■■■■■_ _ ■●■■_ i i ■■●■i i i ■■■■_ _ ■■●●■■●■■■■_ ●●■■_ _ ●- 2 重复采动的基本特征及其主要影响因素 2 ．1 重复采动的分类及其基本特征 2 ．1 ．1 重复采动的分类 根据先后采区的相对位置关系，可将重复采动分为垂向重复采动和横向重复采动两 种类型。 垂向重复采动是指先开采上水平的煤层 或厚煤层的上分层 ，再开采下水平的煤 层 或厚煤层的下分层 ，又可细分为煤层群重复采动和厚煤层重复采动两种方式。 横向重复采动是指在大体相同的水平，在采空区旁侧又布置新的工作面进行开采， 又称平行型重复采动。 2 ．1 ．2 重复采动引起的地表移动变形参数的变化 采动对地表影响的直观现象是形成地表移动盆地。不同地质、采矿条件采动所引起 的盆地是不同的。重复采动后盆地的形状特点发生了变化，变形区域发生了改变，相应 的地表移动变形参数也发生了变化。 1 下沉系数的变化 对于垂向上的重复采动而言，在同样的地质采矿条件下，初次采动时引起的岩层及 地表移动值相对来说比较小，而第二次采动 初次重复采动 以后引起的移动和变形值 相对来说就比较大，首先是下沉系数的增大。 当煤层群开采时，下层煤开采的影响超过上层煤开采时已移动过的覆岩，地表受下 层煤开采影响的下沉系数有所增大，如鹤壁矿区增大了 即活化系数 7 ％，淮北矿区 增大了1 8 ％。由于厚煤层分层开采下层煤开采影响已移动过覆岩的程度要大于煤层群开 采，故下沉系数增大的幅度也较大，如鹤壁矿区初次重复采动的活化系数为0 ．0 8 9 ，二 次重复采动的活化系数为O ．0 4 ，以后的重复采动下沉系数不再增大1 4 2 】。 对于横向上的重复采动，并不增大最终的下沉系数。从文献【9 】模拟试验结果来看， 当开采达到超充分采动时，横向上的重复采动只会增大原有的沉陷影响范围，而对于最 大下沉值的影响几乎为零，如图2 ．1 所示。 9 西安科技大学硕士学位论文 - 2 嘲 L | l 0l ∞抛3 ∞4 0 05 ∞6 0 07 0 08 0 0 姗l 伽l l e o1 2 0 0 图2 ．1 横向开采主剖面下沉曲线 1 ．单工作面，2 ．双工作面，3 ．无煤柱开采 据高明中，余忠林，2 0 0 3 。引自文献【9 】 图2 ．2 采空区影响范围内的影响带的划分 1 地表下沉曲线；2 _ 支承压力区内正应力图；3 沿层面法向岩石变形曲线； 4 一冒落带；I 一充分采动区 减压区 ；Ⅱ、l I ’最大弯曲区；m 、i l l ’岩石压缩区 据李风明，1 9 9 8 。转引自文献[ 2 4 J 2 主要影响半径和主要影响角正切t a n ∥的变化 无论是何种地质采矿条件，当井下煤层开采后引起的上覆岩层移动大致划分为3 个 移动特征区，见图2 ．2 。在充分采动区I 区内，岩层的冒落、裂隙、弯曲发展得最充分。 重复采动后，充分采动区下沉值的增加明显大于其它二区，即倾斜值增大。观测数 据表明，倾斜值的变化率要大于下沉的变化率，进而减小了影响半径增大了主要影响角 的正切值t 姐∥。对鹤壁、兖州、淮北矿区实际资料的分析表明，硬岩区和软岩区主要 l O 。 啪 晰 珊 - q q ●曩．暑、霉 2 重复采动的基本特征及其主要影响因素 影响角正切值增加的幅度不同，硬岩区大于软岩区[ 4 2 1 ． 3 拐点偏移距s 的变化 拐点偏移距是由于开采工作面边界处岩石不能充分冒落而产生的。由于重复采动是 弱化上覆岩层强度的过程，重复采动以后的拐点移动距往往较初次采动时拐点移动距有 所减小。但是当煤层群开采煤层之间的隔离岩层较厚、较硬时也会出现重复采动以后拐 点移动距不变的趋势。 4 重复采动水平移动系数b 及影响传播角口的变化趋势 水平移动系数是反映地表移动稳定后地表最大水平移动与最大下沉之间关系的一 个参数。地表的水平移动是地表移动向量的水平分量。重复采动使地表移动的垂直分量 即下沉值增加，也就导致每一个地表点移动向量的增加，地表点最大的水平移动分量也 必然增加，且垂直分量与水平分量 最大点 增加的比例基本相同，因此水平移动系数 b U m a x ／W m a x 基本不变，即重复采动不会引起水平移动系数的太大变化。 影响传播角主要反映在倾斜主断面上。由于开采边界考虑了拐点移动距，且拐点随 工作面边界的变化而变化，因此影响传播角的大小与采动次数无关。由于开采影响在冲 积层中是垂直传播，因此影响传播角的数值只与岩性及煤层倾角的大小有关。 5 边界角、移动角的变化 角量参数反映了移动盆地与工作面之间的形态关系，角量参数的变化反映了移动盆 地形状的变化。 。 厚煤层分层采动时，随着采厚的加大，两带高度也随之加大，因此弯曲下沉带范围 在垂直方向减小在水平方向扩大，即影响范围扩大，因而减小了边界角及移动角的角度。 同理煤层群开采时边界角也减小，但由于煤层间岩层的弱化作用，使边界角及移动角减 小的幅度要小于厚煤层分层开采时两角的减小幅度。 6 地表移动时间的变化 地表移动的时间与地表点的下沉速度有关。地表点的下沉速度随工作面推进速度、 工作面宽度的增大而增大，相同条件时，重复采动最大下沉速度大于初采时最大下沉速 度。重复采动使地表下沉速度明显增加，移动的时间缩短。 2 ．2 重复采动条件下采煤沉陷的主要影响因素 2 ．2 ．1 上覆岩层岩性 实测资料表明嗍，重复采动时各项参数的变化随岩性的不同而异。在地表下沉预计 中，通常把上覆岩层按普氏硬度系数分为坚硬、中硬和松软三种。 坚硬覆岩的稳定性很好，在初次采动影响作用下，岩层发生碎块状的冒落。在冒落 的发生、发展过程中，覆岩整体下沉值较小；开采空间和已冒落的岩层本身空间几乎全 西安科技大学硕士学位论文 部靠冒落的碎块碎胀充填，冒落发展得很充分，冒落带高度也最大。为重复采动留下了 较大的“潜在下沉量”。 i 松软覆岩的稳定性极差，工作面回采后，采空区立即被岩块充填满。在冒落的发生、 发展过程中，覆岩下沉量最大，所以开采空问和已冒落的岩层本身空间由于覆岩整体下 沉而不断地缩小；冒落过程得不到充分的发展，冒落带高度较小．由于松软岩层初次采 动时本身的扩容性能不强，重复开采时相对弱化程度小，因此，“活化”量值也就较小． 中硬覆岩的稳定性介于坚硬覆岩和松软覆岩之间。冒落带发展较松软覆岩充分，又 小于坚硬覆岩，因此受重复采动的影响程度也介于两者之间。 2 ．2 ．2 开采次数 重复采动时，每一次开采都使得围岩经受一次采动破坏，而每一次的开采破坏又都 使得顶板覆岩失去部分抗弯刚度、粘结力和内摩擦角，从而，使得上覆岩层变软，其扩 容膨胀的性能也越来越弱。所以，随