胜利煤矿建筑物下压煤开采地表防沉技术研究.pdf

中图分类号 T D 3 2 2 6 2 2 学校代码 Q 2 1 鱼 密级公珏 黑龙江科技学院 l I Y M M 2 5 H 1 4 H o I M 9 I I 炒 硕士学位论文 胜利煤矿建筑物下压煤开采 地表防沉技术研究 T H ET E C H N O L O G YS T U D YF O RT H E S UR F A C EA N T l ．S E T T L lN GO FT HE C OMPRE S SEDC O A LMINEU N DER T HEB UlL DINGSOFT HE S HENGL IMlNE 作者蓥童鑫 申请学位王堂亟 学科专业安全撞术殛工程 答辩委员会主席处登拄 导师毯国垡 培养单位安全工程堂院 研究方向苤动国岩建变与控制 评阅人奎凰戗 二。一二年六月 学位论文使用授权声明 本人完全了解黑龙江科技学院有关保留、使用学位论文的规定，同意本 人所撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有 学位论文的部分使用权，即0 学校档案室和图书馆有权保留学位论文的纸 质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文； ②为教学和科研目的，学校档案室和图书馆可以将公开的学位论文作为资料 在档案室、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据 有关法规，同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。本人电子文档的内容 和纸质论文的内容相一致，论文的公布 包括刊登 授权黑龙江科技学院研 究生学院办理。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 。 作者签名 辫么 2 讹年6 月J 午日 导师签名参磊l 阀钎 』 沙，乙年／片≯日 论文审阅认定书 研究生』雌在规定的修业年限内，按照研究生培养 方案的要求，完成了研究生课程和其他培养环节的学习，成绩合 格；在我的指导下独立完成本学位论文，经审阅，论文中的观点、 数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规 定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。 导师签名 考翻虱彳 ≯明z 年∥月，笋E l 致谢 本论文研究是在尊敬的导师张国华教授悉心指导下完成的，从论文选题 到完成，点点滴滴都凝聚了导师的心血和精力。导师在学术上精益求精的作 风一直是我学习的榜样，使我理解了做人和做学问的深刻含义，对我终身受 用。近三年的时间里，导师的教导和影响使我受益匪浅，不但让我在学术上 收获巨大，而且让我学会许多做人做事方面的道理，这对我来说是一笔巨大 的财富。感谢我的导师张国华教授近三年的培养、教育以及在生活上的关怀 与帮助，在此，向导师表示深深的谢意和崇高的敬意 祝导师身体健康工作 顺利 论文现场实测部分在七台河胜利煤矿完成，期间得到了胜利煤矿各位领 导和技术人员的大力支持和帮助，在此表示衷心感谢。 感谢黑龙江科技学院安全工程学院各位领导和老师在我读研究生期间 对我学业和生活上的关心、支持和帮助 特别是侯凤才老师、蒲文龙老师、 毕业武老师、张克春老师、康宇老师、韩永辉老师、张雪峰老师在我做论文 期间给我提出了许多宝贵的建议和意见。 感谢我的鲁婷师姐、刘先新师弟、寿纪鹏师弟、刘智高师弟、林可拙师 弟，以及研0 9 - 6 班同学们对我的帮助，祝他们事业有成，生活幸福 在此，我要感谢我的父母多年来对我的关心、照顾和对我学业上的大力 支持。同时也感谢女友石博对我多年来的理解与支持。 衷心地感谢在百忙之中审阅本论文并提出宝贵意见的各位专家、教授以 及引用的参考文献作者。 摘要 随着矿井开采深度的增加，矿井生产的难度不断加大，在该条件下，压 煤开采被逐步提上日程，尤其对于煤炭资源逐步枯竭的地区更是如此。目前， 有关压煤开采方面的研究主要集中在两个方面，一是建立在防止地表沉陷灾 害发生基础上的压煤开采技术，二是地表防沉和减沉技术。前者以煤层的空 问开采和留设尺寸的研究为重点，以条带式开采为主要表现形式，其缺点是 煤炭资源回收率低；后者则以岩层的移动控制为研究重点，以采空区充填为 主要表现形式，其缺点是成本高、工艺复杂，并影响工作面正常回采。 本文以建筑物下压煤开采为出发点，以七台河胜利煤矿9 1 。煤层的压煤 开采为背景，在保证地表不发生沉陷灾害的前提下，从提高煤炭资源回采率、 降低压煤开采成本、减少对工作面正常生产的影响、简化施工工艺的实用角 度出发，采用现场勘察、理论分析、实验室力学参数测定、数值模拟、现场 工业试验与实测相结合的方法，首次提出并实施了基于框架结构理论的采空 区点支撑柱项板控制技术，并在应用中获得了成功。 首先，通过现场勘察和理论分析，结合煤层的顶板条件、开采厚度、回 采工艺，从地下框架结构稳定角度出发，提出了采空区点支撑柱顶板控制技 术。其次，通过实验室顶板岩石力学参数测定，混凝土选料与配备及力学参 数测定、顶板压力及极限跨距计算，确定了混凝土支撑柱的自身尺寸及在采 空区内的布置方式和布置参数，并分析确定了施工方案。再者，通过数值模 拟，对比分析了全部垮落法、煤柱支撑法、采空区点支撑柱顶板控制法三种 条件下，其采后地表移动变形情况，进一步确定了采用该技术的优势及可行 性。最后，通过现场工业试验及顶板移动观测，验证了该技术的可行性。 该研究不仅为胜利煤矿建筑物下压煤开采提供了理论和技术支持，解决 了生产难题，而且为煤层厚度小、顶板稳定、高档普采条件下，其采后地表 沉陷灾害的防治开辟了一个新途径。 该论文有图4 1 幅，表1 8 个，参考文献6 0 篇。 关键词压煤开采；地表沉陷；框架结构；采空区；支撑柱 A b s t r a c t T h ed i f f i c u l t i e so ft h em i n ep r o d u c t i o ng r a d u a l l yi n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s e o ft h em i n i n gd e p t h ．U n d e rt h i sc o n d i t i o n ，t h ec o m p r e s s e dc o a lm i n i n gh a sb e e n p u to nt h ea g e n d a ，e s p e c i a l l yf o rt h ea r e a si nw h i c ht h ec o a lr e s o u r c e sh a v e b e g u nt og r a d u a l l yb ed e p l e t e d ．A tp r e s e n t ，t h es t u d yo ft h ec o m p r e s s e dc o a l m i n i n gm a i n l yf o c u s e so nt h et w oa s p e c t s o n ei st h ec o m p r e s s e dc o a lm i n i n g t e c h n i q u et h a t i sb a s e do nt h e p r e v e n t i n g t h eo c c u r r e n c eo ft h es u r f a c e s u b s i d e n c ed i s a s t e r sa n dt h eo t h e ri s t h es u r f a c ea n t ．s e t t l i n ga n dr e d u c i n g t e c h n o l o g y ．T h ef o r m e rp u tt h es t u d yo ft h ec o a ls e a ms p a c em i n i n ga n dt h es e t s i z ea st h ei m p o r t a n t p a r ta n dt h es t r i pm i n i n gi s t h em a i nf o r m ，a n dt h e d r a w b a c kt oi ti st h el o wr e c o v e r yr a t eo ft h ec o a lr e s o u r c e s ．T h el a t t e rf o c u s e s o nt h es t u d yo ft h er o c km o v e m e n tc o n t r o la n dt h ec o m p l e x p r o c e s sa n di ta l s o a f f e c t st h en o r m a lm i n i n go ft h ew o r k i n gf a c e ． T h i sp a p e rm a d et h ec o m p r e s s e dc o a lm i n i n gu n d e rt h eb u i l d i n g sa st h e s t a r t i n gp o i n ta n dt h e9 1 群s e a mo ft h eS h e n g L iM i n ea st h eb a c k g r o u n d ．U n d e r t h ec o n d i t i o no ft h ee n s u r i n gn o tt oO c c u rt h es u r f a c es u b s i d e n c ed i s a s t e r ．仃o m t h ep o i n to fi m p r o v i n gt h em i n i n gr a t eo ft h ec o a lr e s o u r c e s ，r e d u c i n gt h ec o s to f t h ec o a l m i n i n g ，r e d u c i n gt h ei n f l u e n c eo ft h ew o r k i n gf a c ep r o d u c t i o na n d s i m p l i f y i n gt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s ，w i t ht h em e t h o do ft h es i t e i n v e s t i g a t i o n ， t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h el a b o r a t o r ym e c h a n i c sp a r a m e t e r sd e t e r m i n a t i o n ，t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h es i t e i n d u s t r i a l t e s t ，w ef i r s tp r o p o s e da n d i m p l e m e n t e dt h er o o fc o n t r o lt e c h n o l o g yo ft h eg o a fs u p p o r tc o l u m n st h a tb a s e d o nt h ef r a m es t r u c t u r et h e o r ya n di ts u c c e e d e di nt h ea p p l i c a t i o n ． F i r s t l y ，b yt h es i t ei n v e s t i g a t i o na n dt h et h e o r e t i c a la n a y l s i s ，c o m b i n i n gt h e s e a mr o o fc o n d i t i o n ，t h e m i n i n gt h i c k n e s sa n dt h em i n i n gp r o c e s s ，f r o mt h e p o i n to ft h es t a b i l i t yo ft h eu n d e r g r o u n df r a m es t r u c t u r e ，w ep r o p o s e dt h er o o f c o n t r o lt e c h n o l o g yo ft h e g o a fs u p p o r tc o l u n m s ．S e c o n d l y ，b yt h el a b o r a t o r y r o c km e c h a n i c sp a r a m e t e rd e t e r m i n a t i o n ，t h ec o n c r e t em a t e r i a lc h o i c ea n dt h e m e c h a n i c sp a r a m e t e r d e t e r m i n a t i o n ，a n d t h er o o f p r e s s u r e a n dt h el i m i t c a l c u l a t i o n ，w ed e t e r m i n e dt h es i z eo ft h ec o n c r e t e s u p p o r tc o l u m n sa n di t s l a y o u ts t y l ea n dl a y o u tp a r a m e t e r so ft h eg o a f , a n da tt h es a m et i m eg o tt h e c o n s t r u c t i o n p r o g r a m ．T h i r d l y ，b yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w ea n a l y z e dt h e I I a f t e r ．m i n i n gg r o u n dm o v e m e n td e f o r m a t i o nc a n d i t i o no f t h ec o l l a p s e dd r o p m e t h o d ，t h ec o a lp i l l a r ss u p p o r tm e t h o da n dt h er o o fc o n t r o lm e t h o do ft h eg o a f s u p p o r tc o l u m n sa n df u r t h e ri d e n t i f i e d t h ea d v a n t a g e sa n df e a s i b i l i t yo ft h e t e c h n o l o g y ．F i n a l l y ，b yt h es i t e i n d u s t r i a lt e s ta n dt h eo b s e r v a t i o no ft h er o o f m o v e m e n t ，w ep r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h et e c h n o l o g y ． T h i ss t u d yn o to n l yp r o v i d e dt h et h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h e c o m p r e s s e dc o a lm i n i n gu n d e rt h eb u i l d i n g so ft h eS h e n gL iM i n e ，b u ta l s o s o l v e dt h ep r o d u c t i o np r o b l e m s ．A n di to p e n e dan e ww a yf o rt h ep r e v e n t i o na n d c o n t r o lo ft h es u r f a c es u b s i d e n c ed i s a s t e ro ft h ea f t e rm i n i n gu n d e rt h ec o n d i t i o n o ft h es a m l lc o a l ．s e a mt h i c k n e s s ，t h er o o fs t a b i l i t ya n dt h eh i g h - g r a d eg e n e r a l m i n i n g ． K e y w o r d s c o m p r e s s e dc o a lm i n i n g ；s u r f a c es u b s i d e n c e ；r a m es t r u c t u r e ；g o a f ； s u p p o r tc o l u m n s I I I 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I V l 绪 论．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 课题研究的目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 。1 开采沉陷理论研究方面⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2 现场应用研究方面⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 I ．2 ．3 研究现状分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．3 研究内容、方法、技术路线及课题特色与创新之处⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 I ．3 ．1 研究内容与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 1 ．3 ．2 论文特色与创新之处⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．3 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 胜利煤矿十二井采空区顶板防沉技术方案选择⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．1 矿井自然地理概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 ．1 自然地理环境⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 2 ．1 ．2 矿区范围及资源储量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 2 ．1 ．3 矿井水文概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 ．4 煤层条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 胜利煤矿压煤开采危险分区⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 ．1 压煤开采危险分区的目的与依据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 ．2 建筑物等级确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．3 建筑物下压煤开采的相关规定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．4 胜利煤矿十二井压煤开采危险分区分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 I 2 ．3 采空区项板防沉技术方案优选确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 ．i 采空区顶板防沉技术可行性方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 ．2 采空区顶板控制技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．16 3 基于框架结构理论的采空区顶板控制技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．1 采空区混凝土点支撑柱顶板控制技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．2 采空区混凝土点支撑柱顶板控制技术参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 I V 3 ．2 ．1 混凝土点支撑柱的材料配比及强度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．2 ．2 混凝土点支撑柱的形状与模具尺寸⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 ．3 混凝土点支撑柱的间距与排距⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2 ．4 混凝土点支撑柱布置方式与参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．3 工作面支护参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．3 ．1 工作面支护密度范围确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．3 ．2 工作面控顶方式确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．3 ．3 工作面支护参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 3 ．3 ．4 工作面采控组织形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 4 胜利煤矿建筑物压煤开采数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．I F L A C 3 0 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．1 ．I 软件介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．1 ．2 F L A C 3 0 分析求解过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 6 4 ．2 三维数值模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．2 ．1 模型的岩体力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．2 ．2 模型的范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．3 混凝土柱间距与排距模拟图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．3 ．1 混凝土柱间距塑性状态图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．3 ．2 混凝土柱排距塑性状态图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．4 地表变形预测图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．4 ．1 垮落法开采地表变形预测图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．4 ．2 煤柱支撑开采地表变形预测图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．4 ．3 混凝土柱支撑开采地表变形预测图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．5 数值模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 5 胜利煤矿点支撑柱技术工业试验观测研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 5 ．1 地表沉降观测方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 5 ．1 ．1 观测区范围确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．1 ．2 具体观测措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5 ．2 井下采空区顶板移动观测方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．2 ．I 测区布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 ．2 ．2 测点布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 V 5 ．2 ．3 观测内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．3 现场观测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．3 ．1 观测数据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．3 ．2 数据处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 5 ．3 ．3 观测效果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．3 ．4 观测结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 4 6 ．2 建议展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 附录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 4 V l 1 绪论 1 绪论 1 ．1 课题研究的目的和意义 煤炭能源是我国的主要能源，占一次能源的7 0 ％左右，在未来的几十 年内，我国以煤炭为主的能源结构不会改变，煤炭工业能否健康发展是事关 我国能源安全和经济可持续发展的重大问题【1 】1 。逐步减少的煤炭储量使煤炭 资源发展与经济发展之间的矛盾问题越来越突出，据国有重点煤矿的不完全 统计资料，截止到2 0 0 8 年底，我国生产矿井“三下”压煤约为1 4 0 亿t ，其 中建筑物下压煤约为9 0 亿t ，占总压煤量的6 9 ％，可供1 0 个年产1 0 0 0 万t 的矿井生产9 0 年【2 】。而且，这些煤炭储量大多集中分布在工业基础好、开 发条件好、对煤炭需求量大的经济发达地区。因此，研究建筑物下压煤开采 问题具有重大战略意义。 在现实的生产中，由于受现场工程技术人员本身知识水平和研究条件的 限制，复杂的工艺在现场的应用是很难保证的。另外，建筑物下压煤开采给 人们在生活和环境的影响都很严重。生活上的影响主要表现在建筑物的形 状、安全上面，压煤开采对建筑物的形状、结构产生破坏给人们的生活带来 不便。环境上的影响主要表现在煤矿排放大量的矸石，在煤矿附近通常会存 在矸石山。这些矸石山侵占人们的生活用地、污染居住环境、甚至危害人们 的生命安全，排放矸石对人们的生存环境和生产条件带来巨大的威胁与危 害。但是堆积的矸石山还是每年以3 ．0 X1 0 9t 的速度增加。因此，寻求一种 能够被现场接受且实用的、操作性简单的、煤矿绿色开采的建筑物下压煤开 采技术是非常必要的。 在我国，煤炭开采过程中许多矿井都采用垮落法进行采煤，该方法的优 点是顶板的处理方法简单，很多矿都能很好的使用该方法。但是当煤炭采出 后，原有的空间就空了出来，空间上方的岩层受重力的作用产生应变，出现 离层、滑动、甚至是掉落。这样一直反映到地面，发展严重的形成沉陷区， 对地表的建筑物、浅层地下水产生影响，干扰着人们的日常生活。随着经济 的发展，垮落法采煤的问题尤为突出，煤炭的开采与人们的生活开始在很多 方面产生矛盾，对耕地、建筑物的破坏相当严重。为了解决煤炭开采负面情 况对人们生活的影响，目前已采用的方法一是采用迁村法开采村庄下压煤， 二是采用新的开采技术从而减少地表的下沉。就村庄的整体搬迁而言是非常 困难的，主要表现在五个方面其一，村庄搬迁成本不断上升，经济上使煤 矿越来越难以承受其二，迁村需要新占大量土地，使得本已严重的人多地 少的矛盾更加突出；其三，开采过程中对上覆岩层及地表造成严重破坏，破 硕士学位论文 坏土地，甚至导致大量地下水流失；其四，迁村选址越来越困难，给农民带 来许多生活和生产的不便，农民不愿意搬迁，引发复杂的社会矛盾；其五， 迁村过程耗费时间长，通常搬迁一个村庄需要数年时间1 3 】。 此次课题将在胜利煤矿进行试验，其基本情况是在井田范围内，有矿务 局机电总厂、市水泥厂、矿务局焦化厂、居民区等建筑设施，总体表现为该 井田所采煤层大部分处于建筑物下，所采的三个煤层不仅属于煤层群开采， 而且属于建筑物下压煤开采，其累计开采厚度预计达5 m 。上部8 7 掌与9 0 撑煤 层在开采过程中采用全部垮落法管理顶板，目前地表尚且稳定，未表现出地 表房屋破坏现象。进入下位9 1 层开采后，将面临两个关键问题一是9 1 撑 煤层开采联连动作用下，会使地表下沉的危险性增加，可能会造成地表沉降 灾害的发生；二是如果9 1 层采用煤柱支撑法的顶板管理方式，煤炭资源回 收率低，浪费了宝贵的煤炭资源，这与一些为了尽可能多开采煤炭资源的矿 井开采理念不相符合。当9 1 煤层进入开采的条件下，其技术与采空区顶板 管理方式的选择，直接影响到地表是否能够继续保证安全，同时也对煤炭资 源开采量产生巨大影响。因此，本课题的目的就是在保证地表建筑物安全的 情况下，使用采空区支撑柱顶板控制技术最大限度的采出建筑物下被压的煤 炭资源，为建筑物下压煤开采提供一种新方法。 1 ．2 国内外研究现状 目前在建筑物下压煤开采研究中，需要解决的关键问题主要包括两个方 面，一是建立在地表沉陷规律和机理基础上，采用什么样的技术进行开采； 二是建立在地表减沉基础上，采用什么样的技术来减少地表沉降。二者均是 以保证地表建筑物的安全为前提，最大限度地回收煤炭资源。 1 ．2 ．1 开采沉陷理论研究方面 开采沉陷问题的研究历史悠久，早在十九世纪末，人们就已经注意到采 矿引起的岩层移动与破坏以及由此造成的井巷和地面建筑物的损害现象【4 】。 二十世纪3 0 年代，在一些采煤先进国家如前苏联、波兰，已把岩层与地表 移动作为一项研究工作。多年来，矿山测量工作者和采矿工作者从不同的角 度和方法对开采沉陷机理进行了大量研究，取得了丰硕的成果【4 1 。 比利时人哥诺在1 8 5 8 年以观测资料为基础提出了“法线理论”，认为采 空区上下边界开采影响范围可用相应点的层面法线确定【5 】。对于法线理论， 比利时人狄芒认为只适用于倾角小于6 8 0 的矿层。 波兰学者克诺特、李特维尼申和我国学者刘宝琛均提出了“随机介质理 论”，这个理论是通过大量实测发现的【4 】。地表塌陷盆地的形态与某种数学函 2 1 绪论 数形态 如概率分布函数等 非常相似。基于这种随机介质机理，在地表沉 陷研究领域形成了著名的概率积分法，一直延用至今，用以对地表移动和变 形的预测。另外我国学者刘宝琛利用粘弹性平面模型推导出了覆岩与地表的 位移表达式。 学者耳西哈在1 8 8 2 年提出了“自然斜面理论”与移动角。这些数学和几 何方法研究沉陷的最终结果和沉陷的影响因素，而对煤层开采后岩层的变形 和破坏等因素未考虑，因此不能解释清楚岩层破坏与地面沉陷的机理【4 】。 学者阿维尔申在1 9 4 7 年利用塑性理论对开采沉陷进行了细致的理论分 析，并结合经验方法建立了地表下沉盆地剖面方程【6 】。 学者萨武斯托维奇在1 9 5 3 年利用“弹性基础梁理论”得出了波动下沉剖 面方程【7 】。 英国学者B e r r y 和W a l s e 在1 9 6 0 年初利用“弹性理论”探讨了均质岩层 的平面及三维条件下的位移表达式【4 】。 邓喀中采用断裂力学、损伤力学相结合的方法，分析了节理对岩层及地 表移动的影响，采用弹性梁、板理论推导出计算岩体内部移动的新公式1 8 1 。 麻风海以复合介质力学模型推导了覆岩及地表的下沉公式【9 】。 李增琪在1 9 8 3 年曾将覆岩看成层梁板的弯曲采用付里叶变换数学方法 导出了岩层的移动表达式【1 0 】。 钱鸣高提出了岩层控制的关键层理论，该理论认为主关键层对地表沉陷 起到控制的作用，对岩体整体活动或者部分活动起决定作用的岩层称之为关 键层，整体活动的岩层称为主关键层，部分活动的岩层称为亚关键层【4 】。 许家林研究了主关键层对地表下沉动态过程中的影响问题，认为主关 键层移动破坏将导致地表快速下沉，主关键层的周期破断是地表下沉速度快 慢的主要因素，地表下沉速度呈现出跳跃性变化的特点；主关键层破断显著 向外扩展时影响地表移动，其影响角和影响边界发生变化，变化情况与主关 键层破断有直接联系；因此提出了控制覆岩主关键层移动、失稳、破坏作为 建筑物下压煤开采设计的基本原则【1 1 】。 张秀琨将关键层理论应用到密集建筑物下急倾斜煤层开采设计中，成功 地在密集建筑物下急倾斜煤层中进行了走向条带开采，取得了显著的经济效 益和社会效益1 1 2 ] 。 徐金海等人根据五阳煤矿短壁高效采掘机械的性能和短壁开采工艺，在 建立短壁开采关键层与保护煤柱力学分析模型的基础上，进行了弹性和黏弹 性力学分析指导了五阳煤矿村庄下煤层开采【，3 】。 孙恒虎提出了煤矿似膏体充填新工艺，并对似膏体充填材料的组成、力 3 硕士学位论文 学特性、充填工艺、充填成本以及减沉效果等几个方面进行了深入研究。 周华强开发了专门为煤矿膏体充填的两种膏体胶结料，并分析了膏体充 填的特殊性，目前正在有关煤矿开展工业性试验【1 3 】。 张华兴、郭广礼等提出对冒落区注浆加固，最终全部采出条带开采下留 设的煤柱，完全依靠充填体支撑上覆岩层，减缓地表破坏。 以上研究都认为主关键层的稳定状况和活动规律直接影响地面变形和 破坏，因此，掌握关键层破断特征和活动规律对建筑物下采煤具有重要意义。 近年来，人们对此开展了大量研究，对垮落法采场上覆关键层活动和破断规 律有了一定认识。 1 ．2 ．2 现场应用研究方面 在上个世纪6 0 年代初期我国开始了对建筑物下采煤的研究，1 9 6 2 年本 溪彩屯矿开始在矿区医院住院部大楼下采煤，尽管这坐楼房在重复采动影响 下遭到严重的破坏，但经维修和三次加固后仍在使用[ 1 5 1 。 从1 9 6 4 年到1 9 6 7 年，通过采用伪倾斜上行密实水砂充填长壁采煤法和 对厂房基础使用联系梁加固等措施，在抚顺车辆修理厂工业厂房下，成功地 将工厂保护煤柱采出，其总厚度达2 0 m 的特厚煤层。 上世纪6 0 年代后期，峰峰矿务局五矿和鹤壁矿务局六矿以及枣庄矿务 局对建筑物采用重点加固、部分维修的方法开采了井田内建筑群下存在的煤 层，获得了较满意的效果。 从1 9 7 3 年到1 9 7 8 年，蛟河煤矿应用条带法成功的开采了奶子山镇建筑 群下存在的煤层。 我国在1 9 7 8 年开始了建设抗变形建筑的研究工作。利用水平滑动层、 钢筋混凝土柱加固等新技术措施，成功的开采了资江煤矿俱乐部下存在的煤 层，在采动后建筑物经过简单的维修、加固，至今仍在使用，其建筑物主体 基本上未发生损坏。 阳泉矿务局于1 9 8 4 年开始了建设抗变形住宅工程的采煤试验研究工 作。在所建设的七栋试验房中，有六栋房的地表变形已达到了可使一般建筑 物遭受Ⅳ级破坏的数值，但因采用了合理的加固措施，这六栋房屋均能安全 使用，达到了预期目的。 1 9 9 6 年来枣庄矿务局田陈煤矿，在矿区内四个村庄下实施了