西马煤矿高速公路下开采研究.pdf

辽宁工程技术大学 硕士学位论文 西马煤矿高速公路下开采研究 姓名孙琦 申请学位级别硕士 专业防灾减灾工程及防护工程 指导教师麻凤海 20061101 摘要 本文在广泛参阅文献资料的基础上，提出了高速公路下开采的允许移动和变 形值。并在这个允许移动和变形值的范围内，针对西马煤矿高速公路下压煤的具 体情况，结合当地的地质、采矿条件，提出了条带开采的开采方案，选取了合适 的参数采用概率积分法对开采沉陷进行了预计，确定了最优方案，并根据概率积 分法预计所得的数据绘制了地表移动和变形等值线图。应用有限元基本原理，建 立了高速公路下开采的有限元分析模型，使用有限元分析软件A D I N A 对开采引起 的岩层移动、变形以及应力的分布情况进行了数值模拟，绘制了整个模型的移动 和应力的云图，选取地表2 6 个节点的水平移动和下沉数据绘制了地表下沉和水 平移动轨线图。本文将概率积分法理论预计与A D I N A 有限元数值模拟结合起来， 相互验证，为工程实践决策提供了指导依据。 关键词开采沉陷；条带开采；概率积分法；有限元；数值模拟；A D I N A A b s t r a c t T h ep a p e rp r e s e n ta l l o w e dm i n i n gd i s p l a c e m e n ta n dd e f o r m a t i o nv a l u eu n d e r h i g h w a ya f t e rr e a da na b u n d a n to fr e f e r e n c e ．i na r r a n g eo ft h ea l l o w e dd i s p l a c e m e n t a n dd e f o r m a t i o nv a l u e ，a c c o r d i n gt ot h ep h y s i c a lc i r c u m s t a n c e so fc o a lu n d e r h i g h w a yi nX i m ac o a lm i n e a sw e l la sc o n s i d e r i n gt h el o c a lc o n d i t i o no fg e o l o g ya n d m i n i n g ，e x p l o i t a t i o np l a no fe o m b i n a t i v em e t h o do fs t r i pm i n i n l l n gi sb r o u g h tf o r w a r d , a p p r o p r i a t ep a r a m e t e r sa r cs e l e c t e d , a n da d o p tp r o b a b i l i t yi n t e g r a t i o nm e t h o dt o p r e d i c tt h em i n i n gi n d u c e ds u b s i d e n c e ．S e l e c t e dt h eo p t i m a lp l a na n dp l o t t e dt h e c o n t o u r sc h a g to fg r o u n ds u r f a c ed i s p l a c e m e n ta n dd e f o r m a t i o na c c o r d i n gt ot h ed a t a s a c q u i r e db yp r o b a b i l i t yi n t e g r a t i o nm e t h o d ．A c e o r d i n gt ot h eb a s i cp r i n c i p l e so f F E A , t h ea n a l y t i c a lF E Am o d e lo fs t r i pm i n i n gm e t h o du n d e rh i g l l w a yi se s t a b l i s h e d ． T h e n , t h ef e a t u r e so fs t r a t am o v e m e n t , d e f o r m a t i o na n ds u r f a c ed i s p l a c e m e n ta n d S t r e s sd i s t r i b u t i o na 化o b t a i n e d ．p l o t t e dt h e d i s p l a c e m e n ta n ds t r e s sc l o u dc h a r to f t h ew h o l em o d e l ，s e l e c t e dh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ta n ds u b s i d e n c eo f2 6m o d a L q d a t a s , p l o t t e dt r a j e c t o r yd i a g r a mo fg r o u n d s u _ r f a c es u b s i d e n c ea n dh o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n t ．T h e o r yp r e d i c t i o n o fp r o b a b i l i t yi n t e g r a t i o nm e t h o da n dA D I N A n u m e r i c a ls i m u l a t i o nW a sc o m b i n e da n dm u t u a la u t h e n t i c a t i o ni nt h i sp a p e r , p r o v i d e s u p e r v i s i o nr e f e r e n c ef o rt h ed e c i s i o no f e n g i n e e r i n gp r a c t i c e ． K e y w o r d s m i I l i n gs u b s i d e n c e ；s t r i pm i n i n g ；p r o b a b i l i t yi n t e g r a t i o nm e t h o d ； f m i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；n u r a e r i c a ls i m u l a t i o n ；A D I N A 创新点声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果‘n ⋯在亡泛参阅文献资料的基j i l | l 上k 握出工 高速公照二E 珏果随危许整动狸变形照 照l 馕甩有限霾数值软仕地I № 髓燃案进行数值攥拟上道过．A 阻№．魏经强太韵．羔单元生殛羔．功熊 模拟 五采王经面燕进过程史煦獭和变彤飙焦 ⋯ 作者．出臣 辽宁工程技术大学硕士论文 1 ．绪论 1 ．1 ．本论文研究的意义 我国有约占总储量三分之一的煤炭资源在建筑物、水体和铁路下被压，因 此研究“三下开采” 建筑物、水体和铁路下开采 对煤炭的生产有重大的意义． 然而“三下开采”也会带来一定的负面作用，特别是“开采沉陷”。 有用矿物被采出后，开采区域的原始应力平衡状态受到破坏，应力重新分 布，达到新的平衡。在此过程中，岩层和地表产生连续的移动、变形和非连续 破坏C 开裂、冒落等 ，这种现象称之为“开采沉陷” M i n i n gS u b s i d e n c e 啪．， 公路下采煤是一种特殊的建筑物下开采，有其自己的特点。公路下采煤不 同于建筑物下和水体下采煤，它具有其自身的特点。高速公路是整体延伸长度 大、服务年限长、行车速度高的特殊线型构筑物相互之间联系密切。一段出现 故障会影响全线或全局。在处理沉陷区段的线路时必须考虑相临路段的空间连 接问题。在高速公路下开采时，路基的承载能力与稳定性受开采沉陷变形的影 响较大，如地表过度沉陷会导致地面低洼长期积水、破坏沉陷造成的倾斜会导 致行驶车辆重心偏移，特别是在弯道位置对高速行驶的车辆危害更大水平变形 和移动使路面受拉伸开裂、受压缩隆起，路面产生波状起伏，路面或路基中产 生局部离层破坏路面的波浪起伏可能导致高速行车腾空，导致翻车事故等等。 公路下采煤和铁路下采煤有相同也有不同的特征。公路与铁路有共同点，两 者同为大型线型构筑物、承受行车荷载的作用，并引导列车行进的方向，暴露于 大气之中，但高速公路无论是结构组成、技术标准、行车荷载的复杂性等都与铁 路不同。如铁路采动路基一般采取在采动过程中逐步帮填路基的方法处理，而高 速公路要求一次性形成整体结构，不允许采取铁路路基式的边采边填的处理方式 铁路道床的相对稳定采取起道、拔道、调整轨缝等一系列维修方法，而高速公路 路面结构抗变形措施可采取调整变形缝与配筋设置、基层部位设置滑动层等，与 铁路完全不同。因此在高速公路下采煤就需要设计合理的方案，既要保证煤炭的 顺利采出，也要保证高速公路的使用。 沈阳煤业 集团 公司西马煤矿是沈煤 集团 下属的骨干企业，是东北 地区最大的无烟煤生产矿井，矿井所产主要煤种为无烟原煤和洗精煤，广泛适 用于冶金、建筑、化工、电力等行业。 西马煤矿位于辽宁省灯塔市西马峰镇，为第四系强含水层覆盖的隐伏向斜 辽宁工程技术大学硕士论文2 井田。面积3 0 平方公里，其中含煤面积2 5 平方公里，探明储量7 8 2 1 ．0 万吨， 可采储量4 7 7 5 ．2 万吨。煤矿井地理位置在沈阳与辽阳之间，北距沈阳5 6 公里， 灯塔1 3 公里，南距辽阳l O 公里，东有长大铁路，西有2 0 2 国道，沈大高速公 路纵贯井田中心，造成大量压煤，并对采煤引起的地表沉陷提出了严格要求， 给煤矿生产带来极大影响。为了能在高速公路下开采煤矿资源，又能达到保护 地面高速公路的要求，本论文对此探讨就有了充分的意义。 1 ．2 ．国内外研究现状 图1 一l 西马煤矿平面图 开采沉陷研究的发展经历了几个阶段 1 5 世纪，最早提出的垂线理论，以后被G o n o t 发展为“法线理论”，又被 D u m o n t 进行修正，提出了下沉量的计算模式。后来有一系列的理论和假设被相 继提出，如德国人J l c i n s k y 的二等分线理论，耳哈西德。自然斜面理论”，法 国人F a y o l 的“圆拱理论”，豪斯的“分带理论”等，对覆岩变形移动与地表下 沉关系，建立了相关的几何理论模型。 2 0 世纪是开采沉陷学科迅速发展并逐步走向较成熟的世纪。H a l b a u m 将采 空区上方岩层作为悬臂梁，推导出地表应变与曲率半径成反比的理论嘲。之后， K o r t e n 根据实测结果提出了水平移动与变形的分布。F c k a r d t 岩层移动过程中 各岩层逐层弯曲的结论。S c h i m i z x 等研究了开采影响的作用面积及其分带，形 成了影响函数的概念。前苏联学者阿威尔辛应用数学塑性理论提出了下沉剖面 方程呈指数函数形式，及水平移动与地表倾斜成正比的著名论点∞。波兰学者 辽宁工程技术大学硕士论文 布德雷克 B u d r y k 和克诺特 K n o t h e 提出了几何理论Ⅲ，得出了正态分布 的影响函数。波兰学者李特维尼申 J ．L i t w i n i s z y n 提出了随机介质理论旧， 将岩层移动视为一随机过程。南非的沙拉蒙 S a l a m o n 应用弹性理论提出了面 元原理嘲”，将连续介质力学与影响函数法相结合，为现在的边界单元法奠定 了基础。西德学者克拉茨 H ．K r a t z s c h 总结概括了煤矿开采沉陷的预测方法， 并发表采动损害及其防护硼，勃劳纳 B r a u n e r 提出了水平移动的影响函 数并发展了圆形积分网格法计算出地表移动嘲。 我国自2 0 世纪5 0 年代开始应用相似材料模拟研究开采沉陷规律及开采沉 陷的现场实际观测工作。系统的研究工作是自6 0 年代初开始的。研究工作主要 分为地表的移动规律，用各种数学函数描述地表的下沉曲线；条带开采地表 下沉移动规律；数值模拟方法有有限元法 线性、非线性 、边界元法、离散元 法等；力学方法为厚硬岩层的力学性质对地表沉陷的影响；覆岩中的结构对地 表沉陷的影响等。具体研究成果如下刘宝琛、廖国华出版了专著‘煤矿地表 移动的基本规律，将概率积分法全面引入我国，至今已成为预计开采沉陷的主 要方法“”。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 坏与地表移动规律作了深入的研究⋯3 ，提出了导水裂隙带概念，建立了垮落带 与导水裂隙带计算公式，为提高煤层开采上限，减少煤炭资源损失做出了很大 贡献。何国清、马伟民、王金庄建立了碎块体理论地表沉陷的威布尔分布 “4 ．周国铨、崔继宪提出了负指数函数法计算地表移动“”。何万龙等总结山区 地表移动计算公式o “。白矛、刘天泉对条带法开采中条带尺寸进行了研究“目． 李增琪应用积分变换法推导出层状岩层移动的解析解“”。张玉卓应用边界元法 研究了断层影响下地表移动规律及提出了岩层移动的错位理论“钉[ I S ] o 而谢和平 的损伤非线性大变形有限元法㈨，何满潮的非线性光滑有限元法啷1 ，杨伦、于 广明的岩层二次压缩理论。“，将地表沉陷与岩层的物理力学性质联系起来。刘 文生对条带开采采留宽度合理尺寸减少地表沉陷进行了研究嘲。杨硕建立了开 采沉陷的力学模式矧。王泳嘉将离散单元法和边界元法吼1 应用于开采沉陷中应 力、位移、变形的研究。邓喀中提出了开采沉陷的结构效应喃】。吴立新、王金 庄建立了条带开采覆岩破坏的托板理论嘲．麻风海应用离散元研究了岩层移动 的时空过程”1 。于广明应用分形及损伤力学研究了开采沉陷中岩层非线性影响 的地表沉陷规律汹’．唐春安给出线弹性有限元法渊。戴华阳建立了基于倾角变 化的开采沉陷的模型⋯。郭增长建立了极不充分开采条件下地表移动的预计方 法4 ”。戴兴国建立了受采动裂隙和节理切割的层状破裂项板变形计算的无张压 拱力学模型⋯．钱鸣高提出了关键层理论，认为地表的沉陷主要是受关键层的 辽宁工程技术大学硕士论文4 控制嘲㈨等等。 在新建公路下伏老采空区研究方面，何志攀用A N S Y S 进行了有限元数值模拟 分析了采空区的稳定性㈨。童立元进行了高速公路与下伏采空区相互作用分析 理论与处理技术研究“1 。王秋生运用弹塑性有限元理论对公路下伏采空区进行 了应用研究⋯。孙忠第等以石太高速采空区处治工程为例，研究了采空区的勘 察、危害程度评价及治理技术等问题嘲余学义等研究了采空区地表剩余变形对 高等级公路危害程度的预计分析方法㈨。 在老采空区地表建设高速公路问题与高速公路下压煤有着很大的区别。实际 上现采区和老采区是两种不同的情况，即“先有公路路基后有采空区”与“先有 采空区后有公路路基”。这两种情况的研究和问题的处理方法是有区别的，本文 考虑的问题主要属于前者情况。而针对现采区和未来开采区方面的研究目前比较 少，有待于进～步研究。 1 ．3 。本论文的研究内容 本论文完成了以下工作 1 在广泛参阅各类文献资料的基础上，提出了高速公路下开采的允许移 动和变形值。 2 针对西马煤矿的地质、采矿条件，提出了8 个条带开采的开采方案， 并对8 个开采方案进行比选。 3 对本文提出的8 个开采方案进行了开采沉陷的预计，预计方法为概率 积分法，并使用基于概率积分法编制的“开采沉陷预计、绘图系统2 ．0 版”进 行了预计计算，选取了最优方案，并绘制了地表的下沉、水平移动、水平变形、 倾斜变形的等值线图。 4 使用有限元数值软件A D I N A 对各个方案进行数值模拟，通过A D I N A 软 件强大的“单元生死”功能模拟了开采工作面推进过程中的移动和变形规律。 并将地表移动稳定后的移动值与概率积分法的预计结果进行对比验证，得到了 西马煤矿高速公路下开采地表及覆岩的移动与变形规律，从而将理论计算与数 值模拟紧密地结合起来。 辽宁工程技术大学硕士论文 2 ．开采沉陷的基本规律 2 ．1 ．采动覆岩的移动与变形规律 2 ．1 ．1 ．覆岩移动的形式 地下开采尤其是建筑物下、水体下、铁路及公路下采矿而引起的岩体移动变 形问题越来越引起广大科技工作者和工程技术人员的重视。 有用矿物采出来以后，开采区域周围岩体的原始应力失去原来的平衡状态， 应力将重新调整直至达到新的平衡，从而致使岩体发生移动。这类运动极其复杂， 视具体条件不同而不同，具有显著的个性与随机性。矿体采出后，采空区顶底板 和两帮形成了自由空间，呈现出一种架空结构。由于开采破坏了围岩的原始应力 状态而引起围岩中应力应变重新分布，产生应力集中，瞬间以弹性变形形式完成。 因而导致上覆岩体失去原有的平衡，引起上覆岩体的移动、变形甚至破坏。这种 移动、变形和破坏在空间上是由采空区逐渐向周围扩展最终达到地表的，在时间 上它是由静止逐渐开始微弱移动，经过中间激烈移动阶段，最后微弱移动直达到 新的平衡完全停止移动。 ，采空区上方覆岩的移动形式是极其复杂的，大体可归结为以下几种 1 矿体上方岩石的垮落 冒落 煤层采出后，直接顶板岩层弯曲而产生变形。当其拉伸变形超过岩石的允许 抗拉强度时，直接顶板及其上部的部分岩层便与整体分开，破碎成大小不一的岩 块，无规则地充填在采空区内，主要的现象称为垮落，也称冒落。 2 煤的挤出 片帮 煤层采出后，采空区顶板出现悬空，其压力便转移到煤壁 或煤柱 上，增 加煤壁承受的压力，形成增压区，煤壁在附加荷载的作用下，一部分煤被压碎， 并挤向采空区，这种现象称为片帮。 3 上覆岩层的弯曲 岩石不发生破裂，而是在自重作用下产生法向弯曲。这部分岩层将保持其整 体性，其移动过程连续而有规律。 4 岩石沿层理方向滑移 在岩层倾斜的情况下，由于自重方向不与岩层层面垂直，在自重作用下，岩 体除发生垂直于层理面方向的弯曲外，还产生沿层理面方向的顺层滑移。随着岩 层倾角的增加，垂直岩层的自重力分量减小，而平行岩层的分量增大，因此，岩 层倾角越大，沿层滑移也越显著。 辽宁工程技术大学硕士论文 6 5 垮落岩石下滑 矿层采出后，为采空区岩块所充填。如果矿层倾角较大，上部垮落的岩石下 滑充填下部采空区。垮落岩石下滑后，其上部岩石失去支撑而垮落，造成垮落和 裂隙向上发展。如果岩层倾角很大，开采边界距地表又近，垮落就可能发展直达 地表，形成“抽冒”现象。 6 底板岩石隆起 当地表岩石软弱且倾角较大时，在矿体采出后，底板岩石将向采空区隆起． 某些遇水膨胀的岩石，在水作用下隆起更严重，甚至底板会破坏。底板岩石移动 有时能波及地表。 2 ．1 ．2 ．覆岩移动稳定后的状态 对于岩层移动稳定后岩层内的状态，学者们进行了研究，目前主要有几种有 影响的模型⋯1 ， 1 刘天泉院士的“三带型”采动影响模型，包括顶三带、底三带和边三 带。对上覆岩层，用冒落带、裂隙带和弯曲下沉带 顶三带 ；采空区边界外侧 煤层内为“边三带”片落带、塑性变形带和弹性变形带；在采空区边界内侧 为“底三带”冒矸堆积带、冒矸压密带和再生项板带。 2 钱鸣高院士提出的煤矿采场覆岩的砌体梁结构假说及力学模型，该理 论目前己成为当代矿山岩层控制研究领域中具有代表性的研究成果。 3 邓喀中提出的“层面滑移的多层岩梁模型”，研究了节理对岩层及地 表移动变形的影响、层面效应等开采沉陷岩体结构效应。 4 克拉茨、前苏联卡来考夫、钱鸣高等提出的采动覆岩离层模型，研究 了岩层移动过程中的层间分离现象，并提出了关键层理论等对此现象进行了理论 研究和机理分析。 5 高延法等提出的采动覆岩结构力学模型“岩移四带模型”，将基 岩依破坏后的结构力学特征分成破裂带、离层带、弯曲带和松散沉积带，将基岩 整体看成一种非均质、非连续的各向同性体，表土层则作为非均质、各向异性的 不抗拉松散体。 ‘ 目前刘天泉院士的“顶三带”理论应用范围较为广泛，其简化模型如图2 1 。 辽宁工程技术大学硕士论文7 二 竺童立受苎兰 弯 ～一曲 二～一带 ～～一一 冒落带 图2 一l采空区岩体移动三带分布图 2 ．2 ．地表的移动与破坏 断 裂 带 所谓地表移动，是指采空区面积扩大到一定范围后，岩层移动发展到地表， 使地表产生移动和变形，在地表沉陷的研究中称这一过程和现象为地表移动。开 采引起的地表移动过程受多种地质采矿因素的影响，因此，随开采深度、开采厚 度、采煤方法及煤层产状等因素的不同，地表移动和破坏的形式也不完全相同． 在采深和采厚的比值较大时，地表的移动和变形在空间上和时间上是连续的、渐 变的，具有明显的规律性。在采深和采厚的比值较小时 一般小于3 0 或具有较 大的地质构造时，地表的移动和变形在空间上和时间上是不连续的，移动和变形 的分布没有严格的规律性，地表可能出现比较大的裂缝和塌陷坑。 2 ．2 ．1 ．地表移动的形式 地表移动和破坏的形式，归纳起来主要有下列几种 ． 1 地表移动盆地 在开采影响波及到地表以后，受采动影响的地表从原有标高向下沉降，从 而在采空区上方地表形成一个比采空区面积大得多的沉陷区域。这种地表沉陷 区成为地表移动盆地，或称下沉盆地。 2 裂缝和台阶 在地表移动盆地的外边缘区，地表可能产生裂缝。裂缝的深度和宽度，与 有无第四纪松散层及其厚度、性质和变形值大小密切相关。若第四纪松散层为 塑性大的粘性土，一般是地表拉伸变形值超过6 ～l O m m ／m 时。地表才会发生裂 缝。塑性小的砂质粘土、粘土质砂等，地表拉伸变形值达到2 ～3 啪／m 时，地表 辽宁工程技术大学硕士论文 8 即可发生裂缝。 3 塌陷坑 塌陷坑多出现在急倾斜煤层开采条件下。但在浅部缓倾斜或倾斜煤层开采， 地表有非连续性破坏时，也出现漏斗状塌陷坑。 2 ．2 ．2 ．地表移动的形成过程 地表移动盆地是在工作面推进过程中逐渐形成的，当回采工作面从开切眼 开始向前推进的距离相当于1 ／4 ～1 ／2 倍的平均采深时，地表受到采动影响，从而 引起地表下沉和变形。随着开采的继续，地表就形成了连续下沉盆地 见图2 - 2 。 当工作面自开切眼推进到位置l 时，在地表形成一个小盆地WI ，T 作面继续推 进到位置2 时，在移动盆地W t 的范围内，地表继续下沉，同时在工作面前方 原来尚未移动的地区的地表点进入移动，移动盆地W l 扩大为W 2 ，随着工作面 的推进相继形成地表移动盆地W 3 。工作面停采后，地表移动持续一段时间，在 这段时间内移动盆地的边界还将继续向工作面推进的方向扩展，最终形成终态 移动盆地。 地表移动盆地稳定后主断面内的移动和变形分布规律与许多地质采矿因 素，如煤层倾角、开采厚度、开采深度、采区尺寸、采煤方法、顶板管理方法 及松散层厚度等有关。 ’ W tW 2W 3 图2 2 地表移动盆地的形成过程 辽宁工程技术大学硕士论文 9 2 ．2 ．3 ．地表移动的基本指标 从地表移动的力学过程及煤矿生产建设的一系列工程技术问题的需要出 发，地表移动的状态可以用垂直移动和水平移动描述，其具体定量指标有下 沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形、扭曲和剪应变。目前前五种指标应用 范围较广，本文讨论前五个指标。 I 下沉 地表点的沉降叫下沉 w 。以本次与首次测得的点的标高差△ 表示，即 。1 - 2 啊一吩2 A h ，姗旷‘⋯⋯⋯⋯⋯一一 2 1 2 倾斜 ， 地表下沉盆地沿某一方向的坡度叫倾斜 T ，也叫斜率。其平均值以两点 下沉差△w 除以点间距，o 表示，即 3 曲率 L W n l ；_ W A 等，砌屉⋯⋯⋯ 2 _ 2 ’“‘I 下沉盆地剖面线的弯曲度叫曲率 K 。其平均值以相邻两线段倾斜差△r 除 以两线段中点的间距表示，即 K 卢且0 ．5 A B B C 研A 丽T , 1 0 - 3 ／m - - ⋯⋯⋯～一 2 _ 3 4 水平移动 地表下沉盆地点沿某一水平方向的位移叫水平移动 u ，以本次与首次测 得的从该点到控制点的水平距离△，来表示 u A ／2 z 』也，m 旷⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯C z ．4 式中，．，厶分别为第i 次和首次测得的与控制点的水平距离，豳 5 水平变形 下沉盆地内两点单位长的水平移动差叫水平变形 s 。其平均值以两点间 水平移动差除以两点间距表示。 g 鼍三≥ 等，／m - m m ／m - ～⋯⋯⋯⋯～⋯⋯一 2 - 5 扣葛产2 丁’ ～⋯⋯⋯⋯～⋯⋯一 2 5 辽宁工程技术大学硕士论文1 0 ED 图2 3 地表倾斜、曲率、水平移动、水平变形计算示意图 注图2 3 中，A l ，B l 、C l 、D l 、E 1 分别为A 、B 、C 、D 、E 五点 移动后的新位置，A B 与B c 的长度分别为卵，碍。 本论文详细探讨地表移动盆地内移动和变形的特点，对于地表移动盆地边界 的移动和变形特点不做讨论。从地表移动的过程来看，地表点的状态可以用垂直 和水平移动分量描述，通常又将三维空间问题分成沿走向和倾向两个平面问题来 分析。描述地表移动盆地内移动和变形的指标是地表下沉移动、水平移动、倾斜 变形、曲率变形和水平变形。上述两种移动和三种变形是沉陷预测的主要内容。 移动反映了地表点位置变化，负值表示地表点下降，正值表示地表点上升。倾斜 变形反映盆地沿某一方向的坡度，倾斜变形有正负之分，在走向断面上，向右为 正，向左为负。曲率变形反映了地表弯曲程度，地表下沉曲线上凸为正，位于盆 地边缘部位煤柱的上方，地表下沉曲线下凹为负，分布在工作面上方的两拐点之 间。水平变形反映了地表相邻两点间单位长度的水平移动差值，正值表示拉伸变 形，负值表示压缩变形。 辽宁工程技术大学硕士论文 3 ．西马煤矿高速公路下开采方案设计 3 ．1 西马煤矿地质、采矿条件 3 ．1 ．1 矿井地理位置和煤层特征m 1 西马煤矿位于辽宁省辽阳市灯塔县西马峰乡，又称红阳井田四井。井田范 围北起后葛针泡，南至太子河北岸防洪堤，长为7 ．5 公里，东自东马峰村， 西至前葛针泡，乌大哈堡，宽4 公里．面积3 0 平方公里，其中含煤面积为2 5 平方公里。 本井田位于沈阳至鞍山之间，沈大公路纵贯井田中心，平行沈大公路东侧 6 ．5 公里，有长大铁路越过。以井田中心算起，北距沈阳5 6 公里，南到辽阳l O 公里，到鞍山4 0 公里，交通极为便利。 本井田处于下辽河平原东侧，海拔标高为1 5 ．6 之1 ．4 米，形成东、北部高， 西南部低的平缓地势，煤系地层完全处于第四系地层掩盖下的隐伏煤田。井田 内有三条小河 马峰河、上岗子河、野老滩河 由东向西渐次交汇于西侧沙河 中。该沙河从北向南汇入太子河，而太子河从井田南侧向西绕过，最后汇入辽 河再入渤海。井田内大部分为稻田区，利用丰富的第四系地下水进行灌溉。 本井田处于辽东隆起和下辽河平原断陷的过渡带内，古生界地层的构造型 式呈东西向展布，红阳煤田则位于东西向构造带西端的辽阳向斜中。辽阳向斜 为复式向斜，由东往西，从山区进入平原，有1 0 余个向、背斜组成，渐次倾伏 入平原，其上被中生界红层上侏罗系地层、第三地层，特别是第四系松散层超 伏。 井田含煤层7 煤、1 2 煤、1 3 煤，煤层平均厚为2 ．1 5 米，可采煤层为1 2 煤， 系下部主要可采复煤层，上距3 煤8 9 米，由1 ～8 个夹石层组成，最大全层厚 包 括夹石 7 ．9 5 米，最小厚0 ．5 9 米，纯煤厚为O ．5 9 6 ．1 8 米，平均煤厚为2 ．1 5 米， 分煤层l 曲层，夹石层总厚度O ．0 5 - 3 ．1 3 米。可采煤层厚度为O ．3 2 ．0 5 米，平 均煤层厚度为2 ．1 5 米，分煤层为l 7 层，夹石最多6 7 层最大厚度1 ．3 4 米，一 般多在O ．5 0 米以内，该煤层稳定。 西马煤矿建于1 9 7 8 年，投产于1 9 8 9 年，井田面积3 0 平方公里，可采地质 储量4 7 0 0 万吨．矿井年设计生产能力为7 5 万吨，经过近年来的边生产、边改 造，目前矿井生产能力已经达到1 4 0 万吨，到2 0 0 5 年将达到2 0 0 万吨的生产能 力。矿井拥有一套年入洗能力为5 0 万吨的洗精煤生产线，可对原煤进行深加工， 满足不同客户的需求。 辽宁工程技术大学硕士论文1 2 西马煤矿现有固定资产3 ．1 5 亿元，净值1 ．8 9 亿元，现有职工3 0 2 6 人．各 类专业技术人员2 2 8 人，其中，中、高级技术人员8 5 人。 随着矿区的建设和发展，已逐步形成采煤、选煤、发电、机修、砖瓦、混 凝土制件等矿区企业。矿区内原材料供应除水泥、木材、钢材需要国家调拨外， 土石材料均可就近解决。本井田范围内的地面建筑除高速公路以外，主要是村 庄。基本上以将村庄附近的煤层开采完毕，由于现在煤炭资源的紧缺，矿区决 定开采高速公路下的煤炭资源。 3 ．1 ．2 采区地质概况 采区只开采太原组的1 2 煤层，平均煤厚为2 ．1 5 米，煤层结构简单，局部 地区含夹歼一层，岩性为泥岩或炭质泥岩，为缓倾斜煤层。 平均采厚m ／m 2 ．1 5 平均煤层倾角a ， 。 7 一 岩石平均容重Y2 ．6 l 煤层老顶细中砂岩，浅灰色，以石英、长石为主，含暗色矿物，砂质分 布均匀，含泥包体和炭屑，裂隙被钙质和黄铁矿冲填，厚1 3 ．9 5 m 。 煤层直接顶粉砂岩，灰黑色，上部含砂较多，含炭屑和线状黄铁矿，有 较多的植物化石碎屑，底部含炭质较多，与煤层接触面清楚，厚3 ．1 m 。 煤层直接底中砂岩，灰黑色致密块状，性脆含炭质，有黄铁矿薄膜，上 部含大量植物根化石，厚3 ．6 m 。 煤层老底，细砂岩，灰白色，成分以石英、长石为主，含有云母、炭质等 矿物，分选一般，硅质胶结，有方解石充填的裂隙，下部含菱铁矿结核． 3 ．2 高速公路下开采的要求 3 ．2 ．1 三下开采需要贯彻的原则 三下开采中一般都应贯彻以下原则 1 全面积开采根据地表移动规律，地表不均匀下沉和地表变形都集中 在地表下沉盆地边缘。边缘地区各点变形经受一个由动态到静态的发展过程并 达到最大值。井下每出现一个永久性开采边界，地表便出现一个数值较大的沉 降盆地边缘变形区。所谓全面开采就是整个建筑物或铁路干线的矿体范围内同 时进行全面积开采，在此矿体范围内不形成任何开采边界，以最大限度地减少 开采对建筑物的有害影响。全面积开采一般只能在水平或缓倾斜矿层中进行并 辽宁工程技术大学硕士论文 要采用长壁工作面回采方式，此时地下盆地中央将出现范围大而变形小的局部 区域。当地表建筑物位于下沉盆地中央时井下开采对它的影响和损害最小。 2 合理布置回采方向地表移动观测和建筑物下采煤的实践表明不论 是水平线上还是垂直面上，地表移动的主要方向总是指向采空区，即垂直于开 采边界，受地表拉应力产生裂隙往往是平行于开采边界的。建筑物的抗弯变形 能力与平面形状有关，对于矩形建筑物长轴方向抗弯能力较小，短轴方向抗弯 变形能力较大。因此，建筑物的长轴方向应布置与地表裂缝平行，以减少拉伸 变形对建筑物的损害。在布置回采工作面或采区位置时应考虑地表建筑物的平 面几何形状。在矿区地表布置工业设施时也应考虑对它的影响而选择合理的布 局。 3 同时开采当矿区有断层时应在建筑物下矿体两侧同时开采以减少出 现开采边界的不利影响，回采可同时在几个工作面、几个采区内进行。若一个 采区有几个矿井同时生产则应联合开采，不留永久性边界，这样几个矿井开采 对地表建筑物的综合影响将显著地减少。 4 连续开采对于走向较长且延伸较长的矿体，回采应自上而下连续进 行而不许过久停留，特别是浅部开采更应该如此。连续回采要求一个接一个工 作面，一个采区接一个采区，～个阶段接一个阶段地回采，过久停留 大约3 _ 5 个月 望洋兴叹导致永久性边界，使本来只有动态变形值的地方出现静态变形 值，从而造成对建筑物的损害。 5 对称背向开采为保护地表对倾斜和拉伸非常敏感的建筑物，如烟囱、 水塔等塔式建筑物可以采用对称背向开采布置方式，一般有两种方法一是直 接在建筑物下布置两个背向开采的工作面，这样可使建筑物始终处于下沉盆地 中央的压缩变形区不承受拉伸变形，不产生变形．由于建筑物的抗压缩变形能 力一般大于抗拉身变形能力，随着采空区的扩展，这种压缩变形状态很快就过 渡到无变形或压缩变形很小的状态，即均匀下沉。二是背向工作面布置在建筑 物中心一定距离以外，根据煤矿开采的经验，这个距离为建筑物矿柱临界宽度 的四分之一。这时建筑物受到的拉伸和压缩变形均较小． 3 ．2 ．2 高速公路下开采的技术原则及可能采用的开采方法 除了贯彻三下开采的原则以外，在选择高速公路下开采方法时，还应考虑 下列技术原则 1 采动影响的特征与程度。根据采动影响理论的研究成果，采动影响的 辽宁工程技术大学硕士论文 1 4 主要特征是地表移动与变形，设计建筑物下采煤方法时，应考虑地表移动与变 形的特征与程度，在采深较小及急倾斜煤层时，还应考虑“上三带”的特征与 程度。 2 保护标准与要求。在设计和选择构物下采煤方法时，需要考虑另一个 原则是保护标准与要求。 3 资源回收率。为了减少采动有害影响，实现高速公路下采煤，有时需 要采取降低回采率的开采措施。因此，如何处理资源回收率问题，是选择采煤 方法的主要原则。根据近年来的采煤经验，在某些情况下，为了从总体上提高 煤炭资源回收率，应积极采用各类充填采煤方法，必要时可采用条带开采，适 当降低回收率。 根据高速公路下开采的技术原则，高速公路下采煤的防护措施主要有两个 方面，一方面是并下采取采矿措旋，目的是尽量减少建筑物所在地地表移动和 变形值，另一方面对建筑物采取结构保护措施，以增加承受地表变形的能力。 因此，在高速公路下可能采用的开采方法主要包括以下几种 I 全部充填开采在煤炭采出后顶板尚未冒落之前，用固体材料对采空 区进行密实充填，使顶板岩层仅产生少量下沉，以减少地表的下沉和变形，达 到保护地面建、构筑物或农田的目的。其中水沙充填是充填采煤法中减少地表 下沉效果最好的方法，其次是风力充填和矸石充填。用充填法开采可使地表下 沉量大大减少，从而使地表变形也显著减小。但充填法管理顶板也给采矿带来 一系列困难，如需要充填设备，要有充足的充填材料，生产工艺复杂，使得开 采强度和产量降低，吨煤成本提高。一般仅在重要建筑物下开采浅部煤层时采 用充填法开采。 2 条带开采条带开采是以条带煤柱形式支撑上覆岩层，从而减少 覆岩沉陷，达到控制地表沉陷和变形，实现对地面建筑物、地形、地貌及地下 结构保护的目的。 条带开采法是一种特殊的开采方法，将被开采的煤层划分为比较正规的条 带形状，采一条 采宽b ，留一条 留宽a ，使留下的条带煤柱足以支撑上覆岩 层的重量，而地表只产生较小的移动和变形。 条带开采法是一种保护地面建筑物的