薛庙滩煤矿建筑物下条带开采方法研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 薛庙滩煤矿建筑物下条带开采方法研究 姓名杨子星 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师余学义 2011 论文题目薛庙滩煤矿建筑物下条带开采方法研究 专 业 采矿工程 硕 士 生杨子星 （签名） 指导教师余学义 （签名） 摘 要 条带开采作为“三下”采煤的主要方法之一，在我国煤矿矿区被广泛应用。榆神矿 区薛庙滩煤矿矿区地表有大量的民房、 工厂， 通过矿区有四条高压输电线路， 国道一条， 河流一条及通讯线路等地表保护物。而煤层埋藏浅、基岩薄、松散层厚度大，开采煤层 厚度大。研究这种条件下的合理安全开采方法对于矿区可持续发展具有重要意义。 本文在分析薛庙滩矿井地质、采矿及地面保护物的基础上，结合矿井生产技术条件 分析，确定采用条带开采方法保护复杂的地面建（构）筑物。通过分析开采煤层上覆基 岩、松散层岩性结构及煤层赋存条件，应用 A.H.Wilson 煤柱强度理论，结合 FLAC3D 数值模拟计算和相似材料模拟实验，综合分析确定了条带开采方案的采宽、留宽。计算 结果表明保留条带煤柱具有足够的支撑强度和长期的稳定性， 开采后覆岩移动变形不会 引起地表波浪下沉。同时应用概率积分法，预计开采地表移动变形情况，进一步表明条 带开采方案能够有效的保护地表建（构）筑物。结果表明，这种综合分析的方法，具有 较高的可靠性，是薛庙滩煤矿现有生产技术条件下保护地面建（构）筑物的有效方法之 一。 关 键 词建筑物下开采；条带开采；FLAC3D；相似材料模拟；YHL-12 研究类型应用研究 Subject Study on the Strip Mining s Under Buildings in Xue Miaotan Coal Mine Specialty Mining Engineering Name Yang Zixing （（Signature）） Instructor Yu Xueyi （（Signature）） ABSTRACT Strip mining mining as the “three under“ mining one of main s, In our coal mine area has been widely used. Yushen coal mine areas of Xue miaotan coal mining surface have plenty of private housings, factories, mine has get through 4 high-tension transmission line, a national highway, a riverand communication lines and other surface protection building. The shallow coal seam mining, the thick alluvium and thin bedrock, thick coal seam mining. Study this condition for the reasonable safety mining s is of important significance of sustainable development of mining area. Based on the analysis of regional geology, mining and ground protection, Combined with the combination of mine production and technological conditions, determine the use of strip mining s to protect the mine complex ground construction structures. By analysis of Xue miaotan mining’s conditions of thick alluvium and thin bedrock, Application A.H.Wilson coal pillar strength theory, numerical simulation FLAC3D and similarmaterials simulation, determine the strip mining plan to retain the supportpillar of sufficient strength and long-term stability, after mining overburden does not cause damage under the surface waves sink led to the surface buildingstructure of the buildings damaged. The results show that this comprehensive analysis, with higher reliability, Xue miaotan mining existing production technology protected ground under the building structure of the effective s. Key words Mining under buildings Trip mining FLAC3D Materialsimulation YHL-12 Thesis Application Fundament 1 绪论 1 1 绪论 1.1 论文研究的目的和意义 煤炭在我国能源消费中占主要地位， 在一次能源消耗中达到 70％以上， 为我国的经 济建设提供强有力的能源保证。我国煤炭资源分布广泛，数量众多的地面建筑物下、铁 路下、水体下（以下称“三下”）压覆着大量的煤炭资源。根据国有重点煤矿的不完全 统计，我国的“三下”压煤量约 137.9 亿 t，其中建筑物下压煤达 87.6 亿 t，占“三下” 压煤总量的 63.5％，居“三下”压煤量之首，可供 28 个年产 500 万 t 的大型矿井开采 100 年，而村庄下压煤量又占建筑物下压煤量的 60％，达到 52.21 亿 t。人口密集，村 庄集中的山东、河南、河北、安徽、江苏五省压煤村庄达到 1094 个，涉及约 11 万住户， 占我国村庄下压煤量的 55％以上，村庄压煤几乎遍及各个矿区，一般占矿井储量的 10 ％-30％， 多的局矿占 40％ [1～4]。 随着煤炭资源的大量开采我国东部地区煤炭资源逐步枯 竭，矿井储量逐年减少，剩余储量 50％以上属于“三下”压煤，又以村庄下压煤量最大， 村庄下压煤开采已成为矿区可持续生产面临的主要问题。 山西省所属 7 个矿务局井田内 压煤近 10 亿 t，仅潞安矿区现生产的 5 个矿压煤近 210 亿 t，其中五阳矿有 36 个村庄 压煤 0.92 亿 t，占全矿储量的 23.4％。“三下”压煤问题造成采区工作面接续紧张、 缩短矿区煤炭生产服务年限， 使矿区过早地进入衰老报废期， 不仅给国家造成极大浪费， 还必将引发资源型城市可持续发展的社会问题。提高煤炭资源采出率，同时有效地保护 地表村庄，尽可能地减少采动损害，促进矿区可持续发展。但由于我国地质条件千差万 别，在现有的技术水平和现有的经济环境下，为解决建筑物下压煤的开采问题，特殊采 煤技术就成为一种有效的技术途径， 对发展煤炭科技及煤矿生产都具有深远的现实意义 [5～8]。 榆神矿区薛庙滩井田的 302 盘区地表工业建筑设施、民用房屋建筑、河流等保护物 数量众多 、种类繁杂、分布范围广而分散。薛庙滩矿井开采煤层埋藏较浅、基岩厚度 薄、松散层厚度大，开采煤层厚度大，在这种地质及开采条件下，如果采用传统的长壁 垮落管理方法开采 4m 多厚的煤层，地表最大移动变形至少达到下沉量 3200mm；水平 移动值 800mm；水平变形值12mm/m；倾斜变形值32mm/m；曲率变形值0.486 10-3/m。这种地表移动变形将使得地面建筑物设施及房屋等保护物受到严重的损坏（达 到Ⅳ级以上破坏程度），地表沉陷损坏将表现为台阶裂缝、塌陷坑等特征的非连续移动 变形破坏，显然要保护地表建筑设施，必须采用特殊的开采方法 [10]。 为充分利用盆地范围,基于地表移动规律提出了旨在控制地表变形、提高条带开采 宽度的宽条带理论,其实质是在控制地表沉降与变形的条件下,允许地表出现波浪沉降, 西安科技大学硕士学位论文 2 只要最大变形不超出设计控制要求变形,就可增加条带开采的宽度。条带开采效率较低 的主要原因是工作面宽度相对较窄,针对条带开采采出率相对较低的缺点,理论上进行 了提高条带开采采出率的研究,主要研究成果有改变采留比条带技术和煤柱加固技术 [9]。 1.2“三下”采煤的研究现状 国外一些发达的采煤国家非常注重“三下”开采技术的推广及应用。近百年来，为 了控制地表沉陷并实现在建筑物下采煤，逐渐发展形成了包括充填开采、联合开采、协 调开采、条带开采、房柱式开采和离层区注浆等多种开采方法。充填开采法在波兰、德 国应用较多，主要采用水力和风力充填方式，将河砂、煤矸石和电厂粉煤灰等充填材料 进行采空区充填， 充填后地表下沉系数为 0.1～0.2。 波兰采用条带开采配合使用水砂材 料充填采空区，在控制地表下沉方面取得了好的效果，已经成功地开采了托维兹、贝托 姆等多座城市下的煤炭资源，采出率为 45.8％～60％，地表下沉系数为 0.009～0.036。 波兰采用离层注浆法控制地表下沉，与全部垮落法相比，可减少地表下沉 20％～30％。 以房柱式开采法控制地表沉陷主要应用在美国、澳大利亚等国家，其煤炭采出率一般 50～60％， 地表下沉系数为 0.35～0.68。 膏体充填技术是七十年代末在德国金属矿山发 展起来的，九十年代初应用在煤矿进行工作面采空区的充填，但由于德国矿井相继关闭 等原因，该项技术并没有得到深入研究和应用。但该项技术所具有的技术优势和良好效 果在加拿大、美国、澳大利亚、南非等国家的金属矿山得到推广应用，现已成为 21 世 纪金属矿山充填技术的重要发展方向， 应用于煤矿采空区的充填仍是世界各采煤国家研 究的重点 [11][51]。 虽然我国建筑物下压煤比较普遍，但目前我国已近百个矿井，数百个工作面进行了 建筑物下开采，例如抚顺胜利矿用充填条带在石油一厂下开采了厚度达到 16.6m 的煤 层， 东北蛟河矿用陷落柱条带法在城镇下开采等。 对于水体下开采， 常用的技术措施有 留矿岩柱顶水开采、疏干或疏降水体开采、顶疏结合开采、处理补给水源和减小导水裂 缝带高度的措施。而减小导水裂缝带高度主要是井下改变开采方法来实现，如用充填开 采、控顶开采、部分开采、条带开采、分层间歇开采等，目前在山东新汶的小汶河下采 煤、 安徽淮南矿务局在淮河下采煤以及资江煤矿在资江和河漫滩下采煤等都取得了成功 的经验 [12]。 国内外对于减小地表变形的井下采矿措施很多， 合理的井下开采措施应综合考虑地 质采矿条件、建筑物的实际情况及社会经济等多种因素，目前采用的井下开采措施主要 有以下几种 [10] 1充填开采 充填开采方法主要有水砂充填、风力充填、水力充填和矸石自溜充填等。对于特殊 的重要建筑物下及大面积建筑群下保护开采非常有效，如我国东北的抚顺等矿区、国外 1 绪论 3 波兰卡托维茨矿区均应用这种方法在城镇下进行了大规模的开采，效果非常好。但是这 种方法成本高、系统复杂，且要求充填材料丰富、取材方便经济，在我国很多矿区目前 的技术经济条件下很难实现。另外，近年来在我国许多矿区进行了覆岩离层充填实验， 但是覆岩离层充填方法仅能起到减沉、减损的作用，对于工业广场建筑群下保护开采一 般很难实现。 2部分开采 部分开采主要是条带开采、房柱式开采、巷道穿采、限厚开采、留不规则煤柱等。 条带式开采是以煤炭资源的损失为代价的，一般回采率仅 50％左右，在多煤层、煤层群 下采用这种方法开采，涉及上下保留煤柱的对应、煤柱在开采中的扰动破坏、煤柱的长 期稳定性与开采煤层数目限定等问题，使得回采率更低，一般仅为 30％左右。这种方法 多应用于村庄、水体及建筑群下，两层及单一煤层的开采。常规的条带开采仅应用于开 采深度小于 500m 的条件下，近年来对于煤层埋藏深度大于 500m 的条件下，采用大条带 间歇开采充填方法，开采方法简单，相对于其他特殊开采方法采出率高，技术经济效果 较好，其缺点是相对于常规开采方法其回采率低，造成资源浪费。 3大面积多工作面协调开采 这种方法是在限定采高的条件下，同时多工作面、快速大面积开采来减小开采地表 移动变形程度和均匀下沉，达到保护地表建筑设施的目的。但是其要求开采机械化程度 及技术管理水平高、开采地质条件相对简单，在我国应用的很少。我国峰峰等矿区采用 协调开采方法开采建筑物下压煤，应用效果较好。波兰曾采用 2～3 矿联合开采城市煤 柱；英国和德国也曾采用协调开采；苏联协调开采注重于合理布置工作面，使建筑物位 于盆底区域。协调开采方法虽然可以减小地表变形，但减小量有限，通常要与地表建筑 物保护措施配合使用。 4 全柱开采 全柱开采主要有长工作面开采、多工作面联合开采等。兖州北宿煤矿在吴官庄村正 下方采用双对拉工作面联合开采，取得了良好的经济效益和社会效益。波兰采用过干净 回采、在采空区中不残留煤柱的方法以减小采空区上方的地表变形。苏联全柱开采主要 考虑深厚比，认为在一定倍数的深厚比情况下，开采引起的地表变形将不会引起建筑物 破坏并将此深度称为安全开采深度。全柱开采通常与协调开采一样，减小地表变形量有 限，需配以建筑物结构保护措施。此外，还有连续开采、择优开采、对称背向开采、间 歇开采、适当安排工作面与建筑物长轴的关系等多种开采方法，均可以起到减小地表变 形的目的，以上方法有时也配合使用。 5搬迁开采 搬迁开采在建筑物下开采，特别在建筑物比较分散的村庄下开采应用比较多，这种 开采方法取舍主要取决于开采及搬迁的总体技术经济效益。 西安科技大学硕士学位论文 4 薛庙滩井田 302 盘区地表工业、 交通等建筑设施和村庄房屋下煤层的安全开采可以 通过特殊开采方法解决，即充填开采和部分开采两种方法。充填开采技术要求高，矿井 初期投入非常大，目前薛庙滩矿井尚不具备应用充填开采的基本条件。在这种条件下， 在矿井建设投产的初期，先采用部分开采方法保护地面保护物，在初期开采的实践和分 析地表观测资料基础上，进一步针对各开采区段地表建筑保护设施的结构、位置及其他 条件，选择合适的开采方法（如从地面钻孔注浆充填），是保证地表安全的有效方法。 因此，研究按照矿井初步要求，主要进行部分（条带）开采方案的安全可行性论证 [11]。 1.3 条带开采的研究历史和研究现状 条带开采是一种部分开采法，它将开采区域划分为比较规则的条带形状，采一条， 留一条（如图 1.1 所示条带开采简化模型），使留下的条带煤柱能够充分支撑上覆岩层 的载荷，在整个开采条带全部采出后地表形成单一均匀的下沉盆地。条带开采由于能有 效地控制上覆岩层和地表沉陷，保护地表建构筑物和生态环境，在我国煤矿被广泛采 用。目前已成为我国铁路下、建筑物下和水体下简称“三下”采煤的有效技术途径， 同时也是煤矿“绿色开采技术”体系中的重要措施之一 [9,12～15]。 ab 底 板 M X Z 顶 板 a.煤柱 b.采出 图 1.1 条带开采简化模型 1.3.1 条带开采在国外的研究与应用 欧洲的主要产煤国如波兰、前苏联、英国等，于上世纪 50 年代开始应用这种方法 开采建筑物下尤其是村镇、城市下压煤，已取得了较丰富的实践经验。他们应用条带开 采法采深一般小于 500m， 个别采深近千米； 煤层采厚大多数为 2m 左右， 少数为 4m 以上， 个别达到 16m；回采率一般为 40％-60％；条采开采下沉系数一般小于 0.10，仅个别深 部条采的下沉系数达到 0.16，顶板管理方法一般为全部垮落法，仅波兰在回采厚 5.9m 以上的煤层时采用了水砂充填；因采深及煤层厚度不同，全部垮落法管理顶板时条带煤 柱的宽高比为 2.5～83.7 不等， 而采用水砂充填法管理顶板时， 条带煤柱宽高比为 1.2～ 5.1 [16]。 1 绪论 5 关于条带开采，这些国家虽然从实践上做了不少工作，但有关条带开采地表移动机 理、条带开采优化设计、条带开采地表移动变形预计等方面的研究尚不充分。 1.3.2 条带开采在国内的研究与应用 我国自 1967 年开始应用条带开采法回采建筑物下、铁路下、水体下压煤，迄今已 在全国十几个省的几十个矿区近百个条带开采试验区进行了研究， 其中主要用垮落条带 法回采工业广场、村庄及工厂建筑物下所压煤柱，初步掌握了条带开采的地表沉陷规律 及其对建（构）筑物等被保护对象的影响。 采用垮落条带法开采， 回采率一般在 40％～78.6％之间， 除个别实例由于重复采动、 煤体强度低、回采率偏大等特殊原因影响，使得下沉系数较大之外，条带开采地表下沉 系数一般小于 0.2；抚顺胜利矿采用水砂充填条带法，开采城市、工厂下深部 500m、厚 10m 以上特厚煤层， 采宽60m， 留宽 70m， 成功地控制了地表沉陷， 其下沉系数小于0.04 [17]。 由于常规条带开采的采出率较低，效率不高，宽条带开采理论 [18]在突破了已有理论 的同时被及时提出，并已经应用到开采实践中，取得了不错的效果。目前，在宽条带开 采基础上，宽条带全柱开采和宽条带充填全柱开采 [19]在进一步的研究当中。 1.3.3 条带开采地表移动变形机理和预计方法研究现状 （1）条带开采地表移动变形机理 对条带开采岩层与地表移动机理的研究仍处于推测、探索阶段。目前，在条带开采 岩层与地表移动机理方面提出的假说 [4]主要有 煤柱的压缩与压入说。它认为条带开采地表沉陷是由煤柱的压缩、煤柱压入底板和 煤柱压入顶板三部分组成。煤柱的压缩量按单向弹性压缩处理，煤柱压入顶底板量假定 煤柱平均应力作用于半无限平板上，按弹性理论给出计算式。 岩梁假说。它是根据一些矿井的地质条件，在条带开采区域上覆岩层中存在一层或 几层厚度较大、强度较高的岩层，在条带开采时该岩层为起控制作用的岩梁或弹性地基 梁，然后按线弹性理论给出了应力和位移的计算公式。 托板理论。在岩梁假说的基础上，吴立新、王金庄提出了托板理论，认为地表的最 大下沉量是由煤柱压入底板量、煤柱压缩量、岩柱压缩量、承重岩层压缩量和托板挠度 五部分组成。该理论还认为顶板岩层内存在一层强度相对较大的坚硬厚岩层，其作用类 似于托板，可以减缓或减小地表的下沉。 波浪消失说。基于物理和数值模拟的基础上，学者们提出了波浪消失说。从覆岩移 动变形规律来看，位于煤柱上方岩层的竖向变形为压缩变形，其下沉值从下而上逐渐增 加；采空区上方岩体为竖向拉伸变形，因岩体膨胀或出现离层，其下沉值从下而上逐渐 减小，在某一高度，二者的下沉趋于一致，在此高度之上为均匀下沉。 西安科技大学硕士学位论文 6 （2）条带开采地表移动和变形预计方法 实践证明，条带开采地表移动和变形形态和全采相似，所以目前普遍采用全部开采 地表移动与变形预计方法进行预计，只是要修正预计参数。这些方法主要有以剖面函 数法和典型曲线法为代表的经验方法；影响函数法；连续介质力学方法；以随机介质理 论为基础的概率积分法。 除上述预计方法外，随着研究的深入，在逐步揭示条带开采沉陷机理的基础上，针 对条带开采的特点提出的预计方法还有 三维层状介质理论 [20]。 该理论把条带开采工程岩体介质简化为具有开挖孔洞的分层 各向同性线弹性空间体，地表的下沉由下伏岩体的位移、矿柱的压缩及上覆岩体的沉陷 三部分组成。 概率密度函数法 [21]。该理论适合极不充分开采地表移动和变形的预计，后推广应用 到条带开采地表移动和变形预计。 1.4 条带煤柱稳定性研究现状 条带开采煤柱的稳定与否被视为条带开采成败的关键。 所以国内外学者对条带开采 煤柱稳定性研究较多，目前，我国条带开采煤柱稳定性的研究主要包括煤柱的载荷和强 度理论、煤柱的尺寸设计、煤柱稳定性分析等方面。 1.4.1 煤柱的载荷 煤柱设计的理论基础是煤柱强度理论和煤柱实际载荷计算， 是煤柱留设的关键步骤 之一。近代以来，世界各主要采煤国以采矿安全和提高资源回收率为目的，相继开展了 实验室煤岩强度测试、原位煤体甚至大煤柱强度测试，进行了大量的煤柱稳定性调查和 统计分析同时也进行了各种数值模拟分析和理论推导。在此基础上，相继推出了以下 几种煤柱强度理论和煤柱载荷理论 [21]。 （1）有效区域理论。该理论假定各煤柱支撑着它上覆岩层的全部重量及与其相邻 煤柱平分的采空区上覆岩的重量。当采出条带宽度较小时，基本顶一般不冒落，采空区 直接顶冒落的矸石不接顶，采出条带上方岩层重量全部转移到所留煤柱上，留设煤柱上 的载荷 P 为 H/aγbap （1-1） 当采出条带宽度较大、采空区冒落矸石直接接顶时，可利用 King 提出的方法计算 采空区矸石承载能力，这样留设煤柱上的载荷 P 为 2 b H/a-1.2pab a γ γ （1-2） 1 绪论 7 上二式中，P为煤柱平均载荷；a为留设煤柱宽度；b为采出条带宽度；γ为覆岩的 平均密度；H为开采深度。 （2）压力拱理论。由于采空区上方压力拱（形状为椭圆形）的形成，上覆岩层的 负载只有很少一部分作用到直接顶上，其它部分的覆岩重量会向采面两侧的实体煤区 （拱脚）转移。拱有内宽和外宽，当采宽大于拱的内宽时，则出现一个拱脚在边侧实体 煤上， 另一个拱脚在采空区上， 此时压力拱不稳定， 有可能崩溃并伴随大量的覆岩沉陷。 而即使采宽小于压力拱内宽的稳定状态拱，它的稳定性也会随时间产生变化。 （3）A.H.Wilson 的两区约束理论。该理论认为上覆岩层的重量并非完全由煤柱承 担，冒落在采空区的岩石同样也承受部分上覆岩层的重力作用。采空区承担的载荷与采 空区内各点顶、底板闭合量有关，采空区内各点的垂直应力与距煤壁的距离成正比，当 该距离达到 0.3H 时采空区内各点的垂直应力恢复至原始载荷γH。但 A.H.Wilson 经验 公式存在因简化而带来的问题。 1.4.2 煤柱强度理论 煤柱强度受多因素的影响,是煤柱稳定性分析的基础，理论包括瞬时强度理论和长 时强度理论。 瞬时强度主要有 [22,23]1核区强度不等理论。格罗布拉尔（1970）把煤柱核区强度 与实际应力联系在一起，从而确定核区内不同位置的强度，提出了用于长条煤柱破坏包 络面计算的通用公式。但其建立的常数复杂，降低了实用性。2大板裂隙理论。白矛 （1982）将采空区沿走向剖面视为边界作用均布载荷的无限大板中一个很扁的椭圆孔 口，利用弹性断裂理论推导出孔口端部煤柱距煤壁任一点的应力计算公式。3极限平 衡理论。该理论研究得到了规则矿柱的顶面和中性面所受垂直应力的分布状态。 长时强度 [24,25]。由于流变作用的影响，条带煤柱的强度随上覆岩层作用的时间延长 而降低，其最低值就是时间趋于无限长时的强度，它是一个很重要的流变力学指标，在 指标范围内，煤柱可以长期受载，其蠕变变形将趋于某一定值。因此在进行煤柱强度计 算时，应以煤柱长时强度作为强度的计算指标。 1.4.3 煤柱尺寸设计 在条带开采尺寸设计研究方面，要满足两个基本准则一是条带煤柱有足够的强度 和稳定性，从而能长期有效支撑上覆岩层的载荷；二是条带采宽应限制在开采后不使地 表出现波浪下沉盆地而呈现单一平缓的下沉盆地。根据条带开采经验，采出宽度一般在 H/4～H/10（H 为采深）之间时，地表不出现波浪下沉盆地而呈现单一平缓的下沉盆地。 由于在采出率相同的条件下，增大条带宽度能提高条带开采的效率，所以宽条带开 采被提了出来。宽条带开采的设计理念是在保证地表变形不超出设计要求的前提下，允 西安科技大学硕士学位论文 8 许地表为非统一的下沉盆地（盆地中央有一定变形） [32][33]，这一思想充分利用了盆地范 围，使变形分散，从而实现了在控制地表变形条件下提高条带开采宽度的目的。此外， 在此基础上又提出了提高采出率的宽条带全柱开采技术构想。 全柱开采技术使村庄位于 下沉盆地中央区，通过控制开采厚度和动态变形来保护地面建筑物。它分为宽条带开采 和全柱开采两个阶段。 1.4.4 煤柱稳定性分析 我国学者在煤柱稳定性分析方面的研究较多。此外，近年来，非线性科学理论在矿 业工程领域得到了越来越广泛的应用，如神经网络理论已经应用于岩体力学参数的预 测、地表沉陷及其建筑物损害程度的预测等方面 [26]；突变理论是用来研究不连续现象的 一门新兴非线性学科，在采矿工程等学科也得到广泛的应用。 1.5 研究的主要内容 我国地域广阔，采矿地质条件千差万别，条带开采的开采方案和预计地表移动变形 方法也应有所不同。我国西部是煤炭资源的主产地，而在西部的大部分地区黄土覆盖层 厚基岩薄， 黄土垂直节理发育， 抗拉、 抗压等力学性质极差， 当地表拉伸变形超过 2mm/m 时，就会出现破坏裂缝，采动极易形成垂直裂缝破坏；基岩薄控制地表移动变形能力较 差，如蒲白矿区条采宽度达 40m 时，地表出现拉裂缝。因此，岩石力学参数的确定、计 算准则的选取、采留宽的确定、对预计地表移动变形保护地面建筑物是关键因素。 开采区域地表建筑物密集，建筑物结构、质量差别较大，类型颇多，地质、地形， 采矿条件较简单，但开采煤层上覆基岩较薄，综合岩性较软，开采煤层埋藏浅、厚度较 大，对“三下”开采极为不利。在这种条件下，建筑设施下压煤的开采，必须采用条带开 采控制覆岩移动变形量的方法进行开采，才能确保开采后地表建筑物安全可靠，不会引 起变形破坏发生。 （1）开采方法的确定。针对薛庙滩煤矿地表建筑物数量众多，种类复杂，为对其 地表建筑物进行保护而分析适合的开采方法。 （2）具体方案的确定。通过分析研究区的地质采矿及地表建筑物条件，选用威尔 逊理论计算煤柱稳定性，确定合理的力学参数，针对不同的保留条带宽度和采出条带宽 度对地表变形进行数值模拟计算，综合确定了具体可行的开采方案。 （3）相似材料模拟实验。结合相似模拟实验分析煤柱的稳定性，覆岩变形，地表 移动破坏对地表建筑物的影响，进一步确定了方案的可行性。 （4）影响函数计算。影响函数方法计算分析，根据计算结果可知开采方案中的地 表移动变形对地表建筑物的影响在可控制范围内， 验证了开采方案的安全、 合理、 可靠。 1 绪论 9 1.6 技术路线 作为一个实践性很强的研究课题， 应该找到一个准确又有利于实际问题解决的研究 方案。 对于一个有诸多不明因素影响的地表移动变形预计属于灰色系统。 解决灰色系统， 常用的方法是从实践到理论，再从理论到实践。基于这个出发点，本文采用了如下的 技术路线 （1）现场调研，整理已有文献报告，整理薛庙滩煤矿已开采采区的地表移动变形 资料，并对岩体的物理力学参数的选取进行探讨。 （2）分析了条带开采的影响因素，而条带开采煤柱的稳定与否是条带开采的关键。 提出了影响煤柱稳定性的各种因素以及条带开采的下沉系数的影响。 （3）条带煤柱的稳定性分析及破坏失稳的理论模型研究。 ①条带煤柱受力分析。分析煤柱极限强度与塑性区宽度的计算公式，提出研究区煤 柱极限载荷的计算公式。 ②条带煤柱稳定性及其影响因素分析研究。 （4）根据地质构造等条件，建立研究区的数值模拟模型，运用 FLAC3D 模拟软件， 分析在选定的影响因素下，条带煤柱塑性区宽度的分布规律及围岩应力场的情况，确定 合理的采留比；运用相似材料模拟实验印证研究区的条带煤柱采留宽度的合理、安全、 可行性。 （5）工程实例设计计算。在工程实例设计中，利用反演模拟所得到的岩石力学参 数和理论计算模型， FLAC3D 全盆地多种方案预计地表移动变形； 利用威尔逊理论判定煤 柱的有效支撑能力； YHL-12 影响函数预计与概率积分计算、 相似材料模拟实验多种方法 相互验证，确定薛庙滩煤矿复杂构筑物下的开采方案。 技术路线如框图 1.2 所示 图 1.2 研究方案技术路线 西安科技大学硕士学位论文 10 2 矿区地质采矿及地表建筑物条件分析 薛庙滩煤矿为陕西银河发展集团有限公司上河电厂的配套矿井,地质储量 236.84 Mt,设计规模 0.45Mt/a。 由于井田北部的榆林气田陕 201 油气井正在生产,与薛庙滩煤矿 存在采矿权重叠设置。为减少煤炭开采与油气井生产的相互影响,确定井田南部的 302 盘区作为首采盘区。该盘区地面地势平坦,地表大部分为河流、村庄、公路和光缆、天 然气管线覆盖,只有零星区域无压覆关系。盘区工业储量为 49.16 Mt,其中压覆资源量 36.55 Mt。 2.1 开采区的位置及范围 薛庙滩井田位于榆神矿区一期规划区西南部，地处榆林市东北方向 18km 处，行政 区划隶属榆林市榆阳区金鸡滩镇管辖。地理坐标为东经 10941′55″～10946′50″，北 纬 3825′50″～3830′07″。本井田西与牛家梁工业园为邻，北与海流滩井田相接，东与 金鸡滩井田相邻，南以神延铁路为界与常兴、常家梁井田隔路相望。 榆神二级公路和正在规划的榆神高速公路纵贯井田东南部， 北经大柳塔可达内蒙古 东胜、 包头市， 向南经榆林、 延安可达西安， 公路交通十分方便。 国铁包 （头） 西 （安） 铁路神延段并行于榆神二级公路从井田东南部通过，目前已建成通车。包西铁路神延段 在本井田西侧 5km 处设有牛家梁区间站，在本井田东侧 2km 处设有金鸡滩区间站，为矿 井的开发建设提供了可靠的交通运输条件。 2.2 开采区地质及煤层赋存条件 2.2.1 地层特征 薛庙滩井田地表全部被第四系松散沉积物覆盖，主要有第四系下更新统午城组 （Q1w） 、 中更新统离石组 （Q2l） 、 上更新统萨拉乌苏组 （Q3 1s） 、 全新统冲洪积层Q41alpl、 Q4 2al、风积层Q42eol等。 开采区域有约 110m 厚的松散层，基岩约 90m，属于厚松散层薄基岩。在该地质条件 进行“三下”开采属于特殊条件下的“三下”开采，在选择采矿方案时应考虑其特殊性。 一 地形地貌及地表水 本区为毛乌素沙漠的东延部分，属风沙堆积地形。区内地貌为沙漠滩地。沙漠由固 定沙、 半固定沙及移动沙等组成。 占区内面积的 85， 植被覆盖率 5～30； 相对高差 5～ 15m。 井田内水系不发育。榆溪河支流二道河自北东而南西从井田东南部流过，年平均最 2 矿区地质采矿及地表建筑物条件分析 11 小流量 0.097m 3/s，最大流量 0.12m3/s，年平均流量 0.108m3/s。榆东渠大致由北而南从 井田西部穿过，为常年性流水，一般流量 0.3m 3/s 左右，是袁家梁、薛庙滩、树沙梁等 自然村灌溉的主要水源。 二 地下水含（隔）水层水文地质特征 井田内主要含隔水层划分叙述如下 1. 第四系松散岩类孔隙潜水 1 全新统河谷冲洪积层孔隙潜水 分布于区内东南部的二道河的阶地及漫滩之中， 与萨拉乌素组孔隙潜水构成统一的 含水体，含水层岩性主要为中细砂，偶为中粗砂，夹有粘土质粉砂薄层，富水性较好， 其厚度 20～40m，水位埋深 2.00～3.20m。 2 上更新统冲湖积层孔隙潜水（简称萨拉乌素组潜水） 分布于井田的西部及南部，其上多被第四系风积沙覆盖，厚度变化较大，一般为 2.50～44.73m， 岩性为中细砂夹粉砂质粘土， 局部夹有含泥及腐植质粉砂条带和透镜体。 根据其赋水条件和钻孔抽水试验资料划分为二个富水等级。 分布在二道河两侧及井田的西南部， 地势较为平缓， 含水层岩性主要由松散粉细砂、 中砂等组成，由于受古河道冲蚀的影响，以二道河一线最厚，其厚度 21.95～51.40m， 富水性强。 水位埋深 5.0～8.20m。 据 SZK303 水文孔及 SHD353 民井抽水试验， 降深 6.22～ 9.01m， 涌水量 271.98～684.64m 3/d， 单位涌水量 0.389～1.274L/sm， 渗透系数 0.505～ 6.869m/d，水化学类型为 HCO3－Ca 型，矿化度 300.81～578.69mg/L。 分布于井田的西北部及北部，萨拉乌素组地层变薄，一般厚 1.50～4.50m，大部分 地段水位埋深低于萨拉乌素组地层，故该层多透水而不含水，富水性极差。 3 第四系更新统黄土孔隙裂隙潜水 分布于井田的中部及东北部，为平缓坡状地形，汇水条件差，含水层岩性主要为粉 土质黄土，部分裸露地表，降水易于流失不易渗入，含水层厚度一般为 7.44～64.04m， 富水性较差，水位埋深靠近滩地区较浅，一般小于 10m。据 Y8 水文钻孔抽水试验，水位 埋深 3.01m， 降深 14.49m， 涌水量 81.99m 3/d， 单位涌水量 0.065L/sm， 渗透系数 0.24m/d， 水化学类型为 HCO3－CaMg 型，矿化度 238.32～342.33mg/L。 2. 碎屑岩类裂隙水 根据水力特征划分为两个含水岩组， 即侏罗系碎屑岩类风化带裂隙潜水及碎屑岩类 裂隙承压水。 1 侏罗系碎屑岩类风化壳裂隙潜水 全区分布，含水层包括安定组和直罗组，在基岩下 30～50m 范围内风化裂隙发育。 因风化带未遭切割，连续性较好，且上部为风积沙和萨拉乌苏组含水层所覆盖，易于接 受上部含水层地下水的下渗补给，富水性相对较好。据袁家梁 Y8 孔抽水试验成果，含 西安科技大学硕士学位论文 12 水层厚度 44.61m，当降深 31.84m，涌水量 85.80m 3/d，单位涌水量 0.031L/sm，渗透系 数 0.067m/d，水化学类型为 HCO3－CaMg 型，矿化度 250mg/L。在井田的南部，随着上 覆松散含水砂层的增厚，其富水性亦有增强之趋势。 2 碎屑岩类裂隙承压水 以 3 号煤层为界分上、下两个含水岩组。 ① 3 号煤上部碎屑岩类裂隙承压水 分布于 3 号煤层至基岩风化裂隙带底部正常岩层段中，其中包括 J2a、J2z、J2y 4各 岩性段，厚度由东向西增大。含水层主要由直罗组底部 “七里镇砂岩”及延安组第四段 底部真武洞砂岩等组成，厚度较稳定，根据钻孔资料，含水层总厚度 13.90～75.07m， 富水性差。水位埋深 1.80～2.61 m。据钻孔抽水试验，该含水层段厚度 39.18～65.62m， 当降深 55.34～55.69m，涌水量 20.74～50.11m 3/d，单位涌水量 0.0045～0.0104L/sm， 渗透系数 0.0102～0.0156m/d，富水性弱。水化学类型为 Cl－Na 型，SO4－NaCa 型水， 矿化度 661.21～1137mg/L。 ② 3 号煤下部碎屑岩类孔隙裂隙承压水 分布于 3 号煤