重复开采地表移动规律研究.pdf

安徽理工大学 硕士学位论文 重复开采地表移动规律研究 姓名王建卫 申请学位级别硕士 专业大地测量学与测量工程 指导教师余学祥 20110604 摘要 摘要 由开采引起的地表移动是矿山开采沉陷的一个核心内容，对受开采影响 的岩层和地表在时间和空间上移动规律的研究也尤为重要，这对于“三下“ 即建筑物下、铁路下、水体下的开采具有重要的指导作用。 目前根据重复采动的进展情况和煤矿生产的要求，重复采动的研究已越 来越引起人们的重视。本论文主要根据初采面和复采面的实测数据，并结合 相关程序，根据每期数据绘制各种移动变形曲线图，以及初采面与复采面对 应曲线图，单点移动变形曲线图和总的动态变形曲线图等，使数据的分析更 加直观、准确，并对地表移动与变形的相关重要参数进行分析和研究，找出 在该地质采矿条件下重复采动地表移动的一些规律。 本论文针对淮南地区松散层较厚的特点，将松散层和岩层分离开来，建 立模型，分析巨厚松散层下，松散层、岩层与下沉值之间的关系。 概率积分法在我国开采沉陷预计中起到相当重要的作用，本文将用概率 积分法进行相关参数的预计，并用模矢法进行求参。在参数的预计和用模矢 法进行求参时，都通过实例对预计与求参结果与实测值进行分析比较。以面 向对象语言V B 6 ．0 为编程工具，结合A u t o C A D 2 0 0 4 编写相关的程序，力求使 分析更加简单、直观和自动化。本论文的初步研究成果将对相似条件的煤矿 生产具有现实的指导价值和一定的借鉴作用。 关键词地表移动变形预计；概率积分法；重复采动；厚松散层； 分类号T D 3 2 5 ．2 ， 安徽理工大学硕士学位论文 A b s t r a c t T h eg r o u n dm o v e m e n tC a u s e db yt h es u b s i d e n c ei sac o r ec o n t e n to fm i n i n g s u b s i d e n c e ，i ti si m p o r t a n tf o rt h er o c ka n dt h eg r o u n ds u r f a c et os t u d yi t sm o v e n e t r e g u l a r i t yi nt i m ea n ds p a c e ，w h i c hf o r ’’t h r e eu n d e r n a m e l y u n d e rb u i l d i n g , r a i l w a y a n dw a m rh a v ea ni m p o r t a n tg u i d i n gr o l e ．A c c o r d i n gt or e p e a tt h ec u r r e n tp r o g r e s so f m i n i n ga n dc o a lp r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t s A tp r e s e n t ，a c c o r d i n gt ot h ep r o g r e s so fm u l t i p l em i n i n ga n dt h er e q u i r e m e n t so f c o a lp r o d u c t i o n , t h es t u d yo fm u l t i p l em i n i n gh a sm o r ea n dm o r ea t t r a c t e dp e o p l e a t t e n t i o n ．I nt h i st h e s i s ，t h ef i r s tm i n i n ga n dm u l t i p l em i n i n gw i t ht h er e a lm e a s u r e d d a t ac o m b i n e dw i t l lr e l a t i v ep r o g r a m ，t od r a we a c hm o v e m e n ta n dd e f o r m a t i o n c u r v e ，t h ef i r s tm i n i n ga n dm u l t i p l em i n i n go ft h ec o r r e s p o n d i n gc u r v ea n dt h e d e f o r m a t i o nc u r v e so ft h es i n g l e - p o i l l ．I tm a k e st h ea n a l y s i so ft h ed a t am o r ei n t u i t i v e a n da c c u r a t e ，a n dt os t u d ya n da n a l y z er e l a t i v ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so fg r o u n d s u r f a c em o v e m e n ta n dd e f o r m a t i o n , t of i n do u ts o m er u l e so fg r o u n ds u r f a c e m o v e m e n to f m u l t i p l em i n i n g ． I nt h i st h e s i s ，a c c o r d i n gt ot h i c kl o o s el a y e ro fc h a r a c t e r i s t i c so fH u a i n a na r e a ，t h e t h i c k l o o s el a y e ra n dt h er o c kl a y e ra r es e p a r a t e d ，a n dc r e a t em o d e l ，t of i n dt h e r e l a t i o n s h i pu n d e rt h et h i c ks o i ll a y e r , b o t l lw i t hs u b s i d e n c ea n dt h es u b s i d e n c e c o e f f i c i e n tr e l a t i o n s h i p s ． T h ep r o b a b i l i t yi n t e g r a lm e t h o di sv e r yi m p o r t a n ti nm i n i n gs u b s i d e n c ep r e d i c t i o ni n O u rc o u n t r y ．T h i sa r t i c l eU S et h ep r o l a b i l i t yi n t e g r a lm e t h o dt op r e d i c t i o np a r a m e t e r s ，a n d t og e tp a r a m e t e r s 、 ，i mp a R e r ns e a r c hm e t h o d ．I nt h ep r e d i c t i o na n dg e tp a r a m e t e r s ，t o a n a l y z ea n dc o m p a r et h o s ep a r a m e t e r s 、析Ⅱlr e a l m e a s u r ed a t a ．W i t hp r o g r a m m i n gt o o l o fo b j e c t o r i e n t e dl a n g u a g eV B 6 ．0a n dc o m b i n i n g 、Ⅳi mA u t o C A D 2 0 0 4 ，S t r i v et om a k e a n a l y s i sm o r es i m p l e ，i n t u i t i v a n d a u t o m a t e d ．P r e l i m i n a r yr e s e a r c hr e s u l t so f t h i sp a p e r w i l lh a v ec e r t a i np r a c t i c a lg u i d a n c ev a l u e sa n ds o m er e f e r e n c ef u n c t i o ni ns i m i l a rt ot h e c o n d i t i o n sc o a lp r o d u c t i o n ． K e y w o r d s G r o u n dm o v e m e n ta n dd e f o r m a t i o np r e d i c t i o n ；P r o b a b i l i t yi n t e g r a l m e t h o d ；m u l t i p l em i n i n g t h i c k l o o s el a y e r C h i n e s eb o o k sc a t a l o g T D 3 2 5 ．2 绪论 1 绪论 1 ．1 论文选题的科学意义与依据 地下有用矿物被采出后，采区周围岩体内部原始应力的平衡状态遭到了破 坏，使得岩层发生移动和变形，当开采面积达到一定的范围之后，就会引起地表 的下沉，在地表下沉的过程中，岩层和地表会产生连续的移动、变形和非连续的 破坏，这种现象被称为“开采沉陷“ 。 由开采沉陷造成的地表塌陷，对人民的生产、生活及周边的生态环境都带来 了不同程度的影响。东北是中国重要煤炭生产基地，曾为国家经济建设做出突出 贡献，如辽宁省阜新、抚顺，黑龙江省双鸭山、鸡西等著名煤城，向国家提供的 煤炭超过全国累计总产量l ／l O 以上。与此同时，这些城市也付出了高昂的生态 代价，在城区附近形成了大面积的采煤沉陷区，2 0 0 2 年以来，政府率先对东北 地区1 5 个原国有重点煤矿采煤沉陷区进行治理，已累计投资3 0 多亿元。2 0 0 5 年1 2 月0 5 日中国新闻网报道经过调查，山西共有九个国有煤矿采煤沉陷区面 积约为一百一十万平方公里，受损居民十七余万户，受损医院七十一所，受损学 校三百一十二所，涉及近六十万人，预算治理资金七十亿元。目前，山西省已有 七分之一的地下采空，由此而引发的地下水渗漏、地面塌陷，使沉陷区居民生产、 生活受到严重影响，制约了当地的经济发展。据不完全统计，全国每年因采煤塌 陷地7 0 k I n 2 ，以及由开采沉陷而引起的一系列问题已同益突显。 重复采动是指岩层和地表已经受过一次开采的影响，产生了一定的移动变形 和破坏之后，又一次经受采动的影响，使得岩层和地表进一步遭受破坏，这种采 动为重复采动。我国大部分煤矿己有多年甚至上百年的开采历史，随着开采强度 的不断加大，新、老矿井都在逐步延深，重复采动程度也在不断加大，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。 顾桥煤矿是淮南矿业 集团 有限责任公司承建的年设计生产能力为1 0 0 0 万吨的特大型矿井，其生产系统由中央区和南区构成。中央区于2 0 0 3 年开始建 设，2 0 0 6 年1 0 月1 日正式开采1 l _ 2 煤1 1 1 7 1 首采面，2 0 0 8 年2 月2 7 日首 采面开采结束；2 0 0 7 年1 0 月开始回采1 3 一l 煤1 1 1 1 3 工作面，2 0 0 9 年8 月7 日该工作面回采结束；2 0 0 7 年1 2 月底，顾北煤矿开采产1 3 ．1 煤1 2 3 2 3 首采 面，到2 0 0 9 年8 月7 日该工作面回采结束，1 3 ．1 煤位于1 1 ．2 煤的左侧。根据矿 山安全生产的需要，安徽理工大学与顾桥煤矿联合建立了三个工作面的地表移动 ．1一 安徽理工大学硕士学位论文 观测站，通过定期的观测，获得了相应开采工作面地表移动的基本规律和相关的 基本参数，为指导该矿的安全生产发挥了积极作用。 2 0 0 9 年5 月中旬，顾桥矿开始回采1 1 1 7 1 首采面正上方约7 5 米的1 1 ．3 煤1 1 1 7 3 工作面，1 1 1 7 1 与1 1 1 7 3 为垂向重复开采，于2 0 1 0 年7 月 底结束。为了对集团其它矿区类似条件下的开采积累经验和提供参考依据，安徽 理工大学与顾桥煤矿联合进行了“顾桥煤矿1 1 1 7 3 综采面重复开采地面沉陷 和覆岩移动观测工程“ 项目，在1 1 1 7 1 首采面观测站的基础上完善建立1 1 1 7 3 综采工作面的地表移动观测站，以通过数据采集、处理和分析，获得了该 工作面重复采动条件下的地表移动变形规律和地表移动变形参数。 以上工作面具有采深大、松散层厚、煤层厚、回采速度快、工作面走向长、 倾向宽小、煤层倾角小、综采冒落法管理顶板等特点。为满足这些特点下矿山安 全生产、资源合理开发、采区上方村庄妥善安排、矿区生态环境恢复重建等，就 必须研究这些特点下地表移动变形的基下规律，获得地表移动与变形的基本参 数，以更好地指导相似条件下煤矿的安全生产工作。 ， 1 ．2 国内外的研究动态和发展趋势 对于单一煤层的开采，国内外已经进行了长期大量的研究，已基本掌握了开 采所引起的地表移动变形规律，“三下刀采煤工作者以此为基础，并应用于实践， 解决“三下“ 压煤的具体问题中。对于重复采动的问题，国内外的相关专家学者 也都进行了不少的研究，由于它是一个复杂的动态变化过程，涉及内容较多，且 多学科知识交叉相溶，而且地质采矿条件的复杂性和多样性，岩体及地表移动预 测尚难以采用纯理论方法解决。为此，世界各国均在不同矿区建立了大量的地表 移动观测站【㈨，取得了大量的实测数据，以根据本矿区实测结果建立相应的预测 方法和预测参数体系，指导本矿区的生产活动。对这方面的研究虽取得了一定的 成绩，但对规律的掌握仍在探索之中。 1 ．2 ．1 国内重复开采的研究 我国的开采沉陷研究起步较晚，从新中国成立以后才开始，1 9 5 4 年我国才 设置第一个地表移动观测站，开始岩层与地表移动的实地研究工作。1 9 6 5 年刘 宝深、廖国华建立了地表移动的概率积分法，目前它以成为我国应用最广泛的计 算方法。1 9 8 1 年刘天泉等对水平煤层缓倾斜煤层急倾斜煤层开采引起的覆岩破 ．2 绪论 坏与地表移动规律作了深入的研究提出了导水裂隙带概念建立了垮落带与导水 裂隙带高度计算公式为提高煤层开采上限减少煤炭资源损失作出了很大贡献； 1 9 8 1 年中国矿业大学何国清、马伟民、王金庄等建立了碎块体理论地表沉陷的 威布尔函数法；1 9 9 7 年赵经彻、何朝满博士提出了跨学科研究方式，将环境学、 采矿学、开采沉陷学、数学、力学、及计算机等学科联系起来。1 9 9 7 年于广明 等从非线性科学角度认识和揭示开采沉陷的复杂性，初步提出了开采沉陷的非线 性机理和规律。 我国开采沉陷工作者经过几十年的努力，在开采沉陷预计方面取得了一定的 成绩，已建立了适合我国实际情况的多种预计方法。主要有概率积分法、负指数 法、典型曲线法、积分格网法、威布尔分布法、样条函数法、双曲函数法、皮尔 森函数法等，在这些预计方法中，概率积分法在两淮矿区得到了广泛的应用。 9 0 年代以后，随着初采的进行，越来越多的专家学者从事复采的研究。刘 文生等对重复采动时的地表下沉系数的研究，得出复采时的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【1 0 1 ，对于这一结论，是否在任何前题条件下都是如此，还有待于进一步研究 证实。王悦汉、邓喀中等通过现场实测结合实验室试验，对重复采动条件下覆岩 下沉特性研究，提出了采动岩体碎胀量与深厚比的关系，推出了预测重复采动条 件下地表及岩体内部下沉系数的计算式，并由实测值求出相关参数【1 1 l 。康永华等 通过对综采重复开采的覆岩破坏规律的研究，提出减少初次开采厚度以降低覆岩 破坏高度，增大重复开采厚度以提高采煤工效，并得出覆岩破坏范围的最大高度 与采厚的关系的一般近似分式函数关系。但没有考虑影响地面变形的诸多因素 [ 1 2 1 。胡炳南的长壁重复开采岩层移动规律研究，通过建立采进和采后力学模型， 分析研究了长壁重复开采岩移的规律性【1 3 1 。李风明等以重复采动条件下地表移动 参数变化机理为对象，通过对不同地质条件及不同重复采动性质对覆岩破坏的分 析，初步得出一些参数的变化情况，并且对煤层的开采顺序也提出一定的见解， 认为当煤层之间为一定厚度的岩层间隔，当先开采上层时，这一层岩层在煤层的 初次开采时未被扰动，重复采动时，未被扰动的煤层间岩层起到了一个隔板的作 用，从而弱化了下层煤开采对上层煤开采扰动了的上覆岩层的活化作用。这种方 法是否适合巨厚松散层，对地下水资源较丰富时，情况又会怎样，并且间隔的厚 度等还有待于进一步的研究【1 4 】。王晋林等针对淮南潘一矿巨厚松散层下重复开采 地表深陷规律的研究，根据实测资料得出了一些本矿的参数和几点认识，但参数 3 ． 安徽理T 大学硕士学位论文 的求取是用初采时常规的方法【1 5 】。张国良等以离散单元法对重复采动地表深陷的 动态模拟等。 1 ．2 ．2 国外重复开采的研究 二十世纪二十年代起，一些产煤先进国家已经地表和岩层的移动作为一项科 学进行研究。1 9 2 8 年德国的K e i n h o r s t 根据地表下沉结果提出了下沉量的计算 方法，为探索和正确确定开采影响方法开启了先河；1 9 3 1 年德国人B a l s 发展了 凯因赫尔斯特的理论并提出了连续影响分布的影响函数，为影响函数法奠定了基 础；1 9 4 0 年P e r z 等进一步发展了开采影响分布理论。1 9 4 7 年前苏联学者阿维 尔申利用塑性理论对岩层移动进行了分析研究，并建立了描绘地表下沉瓮地剖面 形状的公式在大量实测资料的基础上提出了开采水平煤层时地表的水平移动与 地表的斜率成正比的著名观点；1 9 5 0 年以后波兰学者布雷德克 a u d r y k 和克诺 特K o n t h e 提出了连续分布影响曲线的概念，并选用高斯曲线作为影响曲线从而 使几何理论得到新的发展；1 9 5 2 年波兰学者萨乌斯托维奇运用弹性理论导出了 地表下沉盆地的剖面方程即弹性基础梁的波动理论；1 9 5 4 年波兰学者李特维尼 申L i t w i n i s z y n 提出了开采沉陷的随机介质模型从而将开采沉陷理论的研究提高 到一个新的阶段，至此逐步形成了开采沉陷学的理论体系【1 6 J ；到6 0 年代，由于 计算机技术的应用，解决了复杂繁重的计算问题，把手工计算难于解决的计算问 题变成了现实；7 0 年代联邦德国的克拉茨将有限元法应用到本学科，使其应用 范围扩大，计算精度得到很大的提高，由于查新有限，关于国外的重复开采的资 料获得较少。 ． 1 ．3 存在的主要问题 专家学者从不同的角度对重复采动做了一定深度的理论研究，研究方法及成 果都具有可借鉴性。由于这方面的研究还相对薄弱，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，而且针对淮南矿区的特点而言，这些研究成果难以完全适合。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 大多的研究主要是针对首采面，重复采动条件下的覆岩及地表移动规律研 究相对薄弱。 2 在巨厚松散层下开采时，松散层、岩层和最大下沉量之间的关系还很难得 ．4 - 绪论 到一明确的表述。 3 在参数的确定方面，目前重复采动时地表移动参数的取得基本上是依靠 实测资料数据与初采类比的方法确定，这样势必存在较大的局限和误差，，很难 对井下相应工作面提供实时指导，而且预计结果与实际情况也不太相符。 4 开采顺序对开采沉陷的影响现还难以定论，与地质采矿条件，两煤层之 间隔厚度和含水量等都有很大的关系。 1 ．4 本文主要研究内容 本课题的研究主要分为理论研究与软件开发。理论研究主要是对淮南地区顾 桥煤矿1 1 1 7 工作面多期的观测数据进行全面的整理、分析和总结重复开采引起 ．． 的地表岩移规律；软件开发主要是将原有的矿山开采沉陷综合数据处理与分析系 统软件进一步完善。其主要内容有 1 、将复采面1 1 1 7 3 与首采面1 1 1 7 1 的观测数据全面整理，并对复采 ．一，．． 面每期的实测数据结合进尺和对应的初采面，用v b 程序调用a u t o c a d 绘制移动变 形曲线图进行全面详细的分析，总结1 1 1 7 3 综采面重复采动条件下地表移动 基本变形规律，获得观测站地表移动变形基本参数。 ， c 麟‘，每 ，． ‘ 2 、顾桥矿区地表移动变形基本规律研究。以顾桥矿区1 1 1 7 1 首采面和1 1 1 7 3 复采面的实测资料为基础，分析观测站地表移动变形的基本规律，求解其移动变 形的基本参数。 3 、建立模型。由于所研究工作面为巨厚松散层，为寻求在巨厚松散层下对 下沉的影响程度，将松散层厚度、岩层厚度、结合实测下沉值，建立模型，试求 松散层厚度、岩层厚度和下沉量之间的关系，并用s p s s 进行回归分析。 4 、以V B 6 ．0 为平台，将已有的矿山开采沉陷综合数据处理与分析系统软件 进一步完善，并增加模矢法求参模块。 - 5 一 安徽理工大学硕士学位论文 2 重复采动的基本特征和观测站概况 2 ．1 重复采动的分类和地表移动与变形的主要影响因素 2 ．1 ．1 重复采动的分类 根据采区的先后相对位置关系，可将重复采动分为横向重复采动与垂向重复采动两 类。 横向重复采是指有大体相同的水平位置，在采空区一侧又布设了新的工作面进行开 采，又叫平行型重复采动。 垂向重复采动是指先开采上 或下 水平的煤层 或厚煤层的上分层 ，再开采下 或 上 水平的煤层 或厚煤层的下分层 。 2 ．2 ．2 影响地表移动与变形的主要因素 影响地表移动与变形的因素较多也很复杂，不仅取决于采矿因素，而且也取决于开 采区内的地质条件因素，只有正确地认识和掌握这些因素，才会对地表移动与变形的特 征进行合理的解释，在此基础之上才能有效地进行地表移动与变形的预计和分析。 ‘一、上覆岩层岩性【1 7 J 岩石可分为坚硬、中硬和软弱三种类型，岩石的力学性质不同对地表沉陷过程影响 很大。如覆岩中大部分为坚硬岩层时，坚硬覆岩的稳定性很好，在其变化发展过程中， 整体变化较小，开采后顶板长期缓慢下沉，甚至不移动，当采空区达到一定的面积之后， 便会发生大面积的冒落；如覆岩中均为软岩层或第四系土层，矿层顶板即使小面积的暴 露也会在局部地方沿直线向上发生冒落，并可达到地表，松软覆岩稳定性极差，初采时 本身扩容性不强，重复采动时相对弱化程度小，因此，“活化量值也较小“ ；当覆岩仅在 一定位置上存在坚硬岩层，开采后矿层顶板局部或大面积暴露发生冒落，但冒落到该岩 层时便形成悬顶，不再发展到地表，地表会发生缓慢连续的变形，中硬覆岩介于前两者 之间，因此受重复采动的影响程度也介于两者之间。覆岩破坏范围的最大高度与开采厚 度的关系最为密切，重复开采时，覆岩破坏范围的最大高度一般会受到明显的抑制，其 裂高、冒高累计采厚比会明显减小，且呈分式函数关系【1 2 l 。 二、煤层的厚度、倾角的影响 1 煤层厚度 ’ 煤层的开采厚度与地表下沉量有直接的关系，它很大程度上影响着地表下沉量的大 ．6 ． 重复采动的基本特征和观测站概况 小。如果其它条件相同，那么煤层越厚，需充填的采空区体积越大，则地表下沉量就越 大。 2 煤层倾角的影响【1 8 1 煤层倾角的大小对地表移动变形特征也有明显的影响。在水平和缓倾斜煤层条件 下开采时，岩层主要沿法向弯曲和崩落，地表下沉形成对称的碗形和盘形盆地。在煤层 倾角大于3 5 度时，岩层除有法向弯曲外，还有沿层面的下滑和剪切移动，地表下沉盆 地为非对称的碗形或盘形。当倾角超过5 4 度后，地表下沉将会呈兜形或瓢形。 三、开采深度、开采厚度的影响 1 煤层的开采深度 开采深度直接影响着原岩应力的大小，同时也影响着开采后巷道或工作面周围岩层 内的支承压力。据德国有关材料统计，当开采深度达1 4 0 0 米以上时，估计有3 0 ％的巷 道不能采用现有的维护方法。这是因为随着深度增加，巷道围岩的变形与支架上承受压 力都将增加，岩层受重力而变形，它所积聚的能量与深度的平方成正比。 开采深度还对地表最大下沉速度和地表移动持续时间有影响。开采深度较小时，地 表下沉速度大，移动持续时间就较短；开采深度较大时，地表下沉速度小，移动比较缓。 慢、均匀，移动持续时问较长。 ””≯’ 2 煤层的开采厚度1 1 9 1 开采厚度是影响上覆岩层破坏状况的根本因素。在缓倾斜煤层开采单一薄、中厚及． 厚煤层的第一分层时，冒落带、导水裂缝带的高度和采厚近似地呈直线关系，采厚增加， 冒落带、导水裂缝带的高度按线性比例增加，开采厚度大，上覆岩层的破坏高度就大； 反之亦然。根据淮南、淮北矿区、枣庄柴里等矿的实际测定，地表移动变形随着开采厚 度的增加而增加，由煤层开采引起的地表最大下沉值、水平移动、倾斜、曲率及水平变 形等移动变形参数都与煤层的开采厚度成正比关系。在分层重复采动时，前次采厚大时， 前次开采对上覆岩层的软化程度就大，冒落带、导水裂缝带的高度与累计采厚则近似地 呈分式函数关系；采厚等量增加，而冒落带、导水裂缝带的高度增加幅度会越来越小。 急倾斜煤层开采时，采深与采厚对它的影响同缓倾斜煤层开采时的相似。 四、采区相对位置关系及开采顺序的影响 根据不同的重复采动采区的相对位置关系，重复采动的类型可分为厚煤层分层采 动、平行型重复采动和煤层群重复采动。厚煤层分层的重复采动时，本次开采与前次开 采所引起的冒落带大部分是重合的，也就是重复采动时，新扩展的冒落带部分较小，对 初次采动与重复采动重迭的冒落带区域来说，重复采动就是使冒落带又经历一次扰动。 一7 - 安徽理工大学硕士学位论文 开采位置对地表水平移动有比较明显的影响即初始采区侧对应的地表水平移动值比最 终采区侧的地表移动值要大一些重复采动增大了这种不对称性 煤层的开采顺序也会对地表的移动与变化产生很大的影响，一般情况下，在多水平 开采中，先开采上水平煤层后开采下煤层对地表的影响程度要比先开采下煤层再开采上． 煤层对地表的影响程度要大一些。有的研究认为，由于煤层间有～定厚度的岩层间隔， 这层岩层在煤层初次开采时未被扰动，而重复采动时n 钔，未被扰动的煤层间岩层会起到 一隔板的作用，从而将弱化下层煤开采对上层煤开采扰动了的上覆岩层的活化作用，在一 定的煤层间距及埋深情况下，开采次序对地表移动的影响甚至超过煤层埋深因素的作 用，但具体的开采还得结合工作面的实际地质条件、含水量等。 五、开采次数影响 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，随着重复采动次数的增加，原来坚硬岩层的移动特征也将 变得类似于较松软岩层的性质。据刘文生研究，重复采动时的地表下沉系数要大于初次 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，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1 4 5 ’铜。 六、工作面推进速度的影响 采煤工作面回采之后，岩层移动首先从其顶板开始，由下往上发展，当采空区宽度 达到O ．2 5 H ～0 ．5 H H 为开采深度 时，开始波及地表，并且渐渐扩展．在地表经历初始期、 活跃期和衰退期后，地表基本趋于稳定。显然，开采引起的地表沉陷是时间和空间的函 数。而地表下沉持续的总时间主要取决于围岩岩性、采深、顶板管理方法和工作面推进 速度。在实际重复采动中，往往未等前次移动稳定，就要进行后次的开采，这样，前次 采动的部分下沉会与再次采动的下沉同时发生的，因此，重复采动地表移动的计算必须 考虑前后两次采动间的时间间隔，考虑前次剩余的下沉量，排除前次采动的剩余下沉影 响刚。 从有关研究分析来看【2 l 】，加快工作面的推进速度只是缩短了落煤与放顶两个主要 生产过程的时间间隔。从理论上来说，其结果肯定能减少顶板下沉量，但同时必然使顶 板下沉速度加剧。加快推进速度只能消除一部分平时的下沉量，但绝不能消除此工序的 剧烈影响所造成的下沉量。开采深度对采场项板压力大小的影响并不突出，因而开采深 一8 ． 重复采动的基本特征和观测站概况 度对采场顶板下沉量的影响不明显，开采深度对重要参数的响影响不是太大，在开采深 度6 0 0 - - 8 0 0 米条件下，实际测定表明，采场顶板下沉量与采深之间并无直接关系。比 利时的彼丘宛煤矿开采深度达到1 4 1 5 米，工作面采用3 5 0 K N 的金属支柱，仍能将项板 管理的很好。 2 ．2 观测站概况 顾桥煤矿1 1 1 7 1 与1 1 1 7 3 T 作面为垂向重复开采，1 1 1 7 3 位于1 1 1 7 1 正上方7 5 米处。111 7 3 观测站是在111 7 1 观测站的基础上增补相应的点位而建立的。 按照技术设计，顾桥煤矿1 11 7 3 综采面地表移动观测站布设一条全走向观测线和 两条全倾向观测线。结合首采面上方的地形情况，走向观测线设置在工作面正上方；倾 向观测线布置在离切眼约6 7 5 m 和1 6 8 8 m 处，与工作面走向基本垂直的小路边。观测站 的布设情况参见下图1 。 标石的放样与埋设，1 1 1 7 3 采面观测站的设有控制点 C S A 0 1 、C S A 0 2 、C S A 0 3 、 C S B 0 1 、C S B 0 2 、C S B 0 3 、C R 0 1 、C R 0 2 和矿区控制点P 2 5 为依据，采用广州中海达测绘仪 器有限公司的G P S 进行全面测量并对测点编号，1 1 1 7 3 综采面的地表移动观测站的 设置情况，统计于表l 中。 、 表1 观测站情况统计表 T a b l e1M es t a t i s t i ct a b l eo f t h eo b s e r v a t o r y 测点数 观测线名称测线跃／m监测点间距／m 控制点监测点小计 走向观测线 4 3 2 249 61 0 0 3 0 ，6 0 倾斜观测线 1 3 3 067 68 23 0 合计 5 6 5 21 01 7 21 8 2 ．9 ． 安徽理T 大学硕十学位论文 图1 观测站示意图 F i g lS c h e m a t i co ft h eo b s e r v a t o r ys t a t i o n 图21 1 1 7 工作面剖面图 F i 9 2 T h ep r o f i l eo f t h e1 11 7w o r kf a c e 3 切眶 图3 观测站对应的工作面回采进程时问图 F i 9 3 T i m eS c h e m a t i co fs t a t i o n sc o r r e s p o n d i n gt ot h er e c o v e r yp r o c e s so ff a c e - l m 重复采动的基本特征和观测站概况 2 ．3 工作面地质采矿条件简介 地表移动变形规律与地质采矿条件关系十分密切。由于顾桥矿1117 0 综采面位于 1 1 1 7 1 首采面上方平均约7 6 m 处，因此，顾桥矿1 1 1 7 3 综采面回采引起的地表移动 变形为重采下的移动变形，为研究其移动变形规律，需掌握这两个回采面的地质采矿条 件。 顾桥煤矿北一采区1 3 ．1 煤1 1 1 7 3 综采面，井下位于北一上山采区下部，北为 F 8 7 采区边界断层，南到工业广场保护煤柱，东为l1 2 1 3 轨道顺槽、西为l l1 6 3 运输顺槽。周围除1 1 1 7 1 工作面回采完毕外其余上下煤层均未回采。 1 1 1 7 3 综采面设计走向长约2 9 0 2 m ，采长约2 7 7 0 ．5 m ，工作面斜长约2 4 1 ．3 m 平 距2 4 0 m ，煤厚0 ．8 “ - 5 ．1 m ，平均3 ．5 1 m ，平均采高约4 ．3 m 。工作面走向为南北方向， 煤层倾角3 “ - - 1 0 0 ，平均为5 0 ，为近水平煤层。工作面1 3 ．1 煤层埋深6 2 0 “ - - 7 4 2 m ，平均 约为6 8 0 m 。该煤层下距1 1 ．2 煤层平均7 0 m 。该面回采范围内上覆新生界松散层厚度 3 9 6 ．5 3 “ - 4 5 6 ．3 0 m ，平均4 3 0 m 。 2 ．3 ．1 松散层概况 顾桥矿111 7 3 综采面和1 11 7 1 首采面在空间上为上下关系，因此，这两个工作 面的松散层结构是相同的。图4 给出了1 1 1 7 1 首采面观测站附近区域的松散层等值 线图。图中，L ．L ’为走向观测线，A - A ，为北倾向观测线，B ．B ’为南倾向观测线，图5 给 出了这三条观测线上的松散层剖面图。 1 从设站区域来看，松散层厚度不稳定，在3 5 3 m “ - - - 4 6 6 m 之间变化，总体趋势是 南面 停采线一侧 薄北面 切眼一侧 厚、西面 I - - 山一侧 厚东面 下山一侧 薄。 2 对于观测线，从图5 的剖面线来看 ①对于走向观测线，在工作面推进方向上，切眼附近松散层较厚，约4 4 4 ．2 m ，到切 眼前方约5 5 0 m 的范围，厚度变化到约4 3 0 m 工作面中部 两条倾向线之间 厚度变 化较小 在4 3 2 m “ - - 4 2 8 m 间 ；南倾向线到停采线之间，厚度变化较快 在4 2 5 m - 3 6 0 m 间 ，在停采线位置约为3 6 0 ．9 m 。观测站附近区域的松散层等高线图是根据顾桥煤矿4 5 8 个钻孔资料绘, 带l j I n I 。 安徽理工大学硕士学位论文 图4 观测站附近区域的松散层等厚线图 F i i 9 4l s o p a c h o u sm a po f t h el o o s el a y e ri nt h es t a t i o n sd i s t r i c t 南倾向剖面线 B 北倾向刮面线 4 6 6 ■讨；黯．～ A 4 7 0 一；_ ， L 嘲砷臆蕊潲；3 7 5 F ■R ●～ ⋯{ i { ㈦雏■] i _ { 穗麓。、 ⋯㈠ ㈦㈦i ；引 | ；| ；i ； 蟹燮黔渤奠钨5 尉 走向刮面线 爵i { 丌霄i 脚～ { | j { i ；；l ；； { ii i B _ 川；l l l