高家堡煤矿朱家沟村庄下压煤开采研究.pdf

万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 the mine under the premise of ensuring the safety of the surface buildings.It provides the scientific basis for the “Under-Three-Objects“ mining of Gaojiapu Coal Mine and Binchang mining area in the future. Keywords Strip Mining;Mining Under Villages;Strip Parameter Optimization; Numerical Simulation;Coal Pillar Stability ThesisApplication Study 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论..........................................................................................................................................1 1.1 选题的背景.......................................................................................................................1 1.2 研究的意义.......................................................................................................................2 1.3 国内外开采沉陷研究现状...............................................................................................2 1.3.1 国外研究现状.............................................................................................................2 1.3.2 国内研究现状.............................................................................................................3 1.4 建筑物下采煤国内外研究现状.......................................................................................4 1.4.1 国外研究现状.............................................................................................................4 1.4.2 国内研究现状.............................................................................................................5 1.5 条带煤柱稳定性研究现状...............................................................................................7 1.5.1 煤柱载荷.....................................................................................................................7 1.5.2 煤柱强度理论.............................................................................................................8 1.5.3 煤柱稳定性分析.......................................................................................................10 1.6 研究内容与方法.............................................................................................................10 1.7 技术路线.........................................................................................................................10 2 矿井地质采矿条件分析........................................................................................................12 2.1 矿井概况.........................................................................................................................12 2.2 矿井地质及地层结构.....................................................................................................12 2.2.1 地层特征...................................................................................................................12 2.2.2 地质构造...................................................................................................................14 2.2.3 覆岩结构及力学性质...............................................................................................16 2.2.4 开采条件...................................................................................................................17 2.3 地表建筑物.....................................................................................................................18 2.3.1 朱家沟村庄位置.......................................................................................................18 2.3.2 地表建筑物类型及结构...........................................................................................19 2.4 本章小结.........................................................................................................................20 3 村庄下压煤开采方法选择....................................................................................................21 3.1 留设保护煤柱.................................................................................................................21 3.1.1 确定保护级别...........................................................................................................21 3.1.2 村庄压煤范围...........................................................................................................22 3.1.3 可行性评价...............................................................................................................25 3.2 充填开采.........................................................................................................................25 万方数据 目录 II 3.2.1 适用性分析...............................................................................................................25 3.2.2 可行性评价...............................................................................................................27 3.3 搬迁开采.........................................................................................................................27 3.3.1 适用性分析...............................................................................................................28 3.3.2 可行性评价...............................................................................................................29 3.4 条带开采.........................................................................................................................29 3.4.1 适用性分析...............................................................................................................29 3.4.2 可行性评价...............................................................................................................30 3.5 本章小结.........................................................................................................................30 4 条带开采方案分析................................................................................................................31 4.1 大采深条带合理采、留宽分析.....................................................................................31 4.1.1 确定大采深条带开采宽度的原则...........................................................................31 4.1.2 概率密度函数法确定条带采宽...............................................................................31 4.2 条带开采工作面参数分析.............................................................................................33 4.2.1 开采高度...................................................................................................................33 4.2.2 开采宽度...................................................................................................................34 4.2.3 煤柱宽度...................................................................................................................34 4.3 条带煤柱稳定性计算分析.............................................................................................38 4.3.1 确定煤柱稳定性条件...............................................................................................38 4.3.2 条带开采煤柱稳定性计算.......................................................................................38 4.4 条带开采方案比较.........................................................................................................40 4.5 数值模拟计算分析.........................................................................................................46 4.5.1 模拟方案...................................................................................................................46 4.5.2 模拟结果...................................................................................................................46 4.5.3 模拟结果分析...........................................................................................................48 4.5.4 安全可靠性分析.......................................................................................................49 4.6 本章小结.........................................................................................................................49 5 村庄下条带开采方案评价....................................................................................................50 5.1 条带开采方案.................................................................................................................50 5.1.1 条带开采方案布置参数...........................................................................................50 5.1.2 条带开采范围...........................................................................................................50 5.1.3 条带工作面开采顺序...............................................................................................52 5.2 预计计算评价.................................................................................................................52 5.2.1 预计模型...................................................................................................................52 万方数据 目录 III 5.2.2 预计参数的确定.......................................................................................................54 5.2.3 开采对地表建筑物影响分析...................................................................................55 5.3 开采方案经济计算.........................................................................................................63 5.4 开采方案安全可靠性分析.............................................................................................65 5.5 开采方案安全技术要求.................................................................................................66 5.6 本章小结.........................................................................................................................66 6 结论........................................................................................................................................68 致谢...........................................................................................................................................69 参考文献...................................................................................................................................70 附录...........................................................................................................................................74 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的背景 高家堡煤矿朱家沟村庄南边为一盘区大巷、北边为 DF2 断层，东部为推断断层，开 采深度约 1000m，村庄所在一盘区地表为黄土塬川地貌、沟谷纵横。矿区地表被第四系 黄土层覆盖，植被条件一般，北部边缘为泾河河谷，黄土层厚度为 100255m。朱家沟 村庄位于黄土塬区，整个村庄房屋分布区地形平坦，标高在1200m 左右，仅在村庄东 部边界以东为黄土沟坡区，沟谷标高980m，最大高差约 220m。地质构造较为简单， 总的形态为向北西缓倾的单斜构造。 侏罗系中统延安组为主含煤地层，岩性为泥岩、粉细砂岩与中粗粒砂岩互层，中夹 炭质泥岩及煤层，厚度约 30m。第四系、新近系地层厚度 200250m，约占总地层厚度 的 25；白垩系地层厚度 600650m，约占总地层厚度的 65，开采煤层顶板至洛河组 砂岩底界的岩柱厚度 6090m。第四系、新近系松散岩土层在开采地层移动过程中其起 着加载作用， 白垩系地层起着控制地表移动变形作用， 煤层顶板至洛河组底界岩层厚度、 安定组泥岩厚度和隔水性能是限制洛河组水体下开采的关键岩层。 朱家沟共有住户 274 户，总计 1163 口人，建筑物共 2250 间，建筑物占地面积达 535772.40m2（一盘区内的房屋占地面积约 296620.96m2）；村庄民房建筑物压覆开采煤 层面积约 1709803.24m2，压覆煤炭资源储量约 1684.26 万 t，其中压占一盘区煤炭资 源量约 900.23 万 t；压占其它盘区煤炭资源量约 146.54 万 t；断层煤柱约 105.55 万 t； 大巷煤柱约 531.94 万 t。 朱家沟村庄下开采具有其特殊性 （1）村庄大部分房屋抗变形能力很差，即使近年来新建的房屋，由于地基处置等 原因，部分房屋已经受损。 （2）村庄房屋基础为垂直裂隙发育的大孔湿陷性黄土，在雨季排水不畅的条件下， 房屋地基发生差异沉降引起房屋损害。 （3）在地表为巨厚大孔湿陷性黄土条件下，即使开采地表变形控制在Ⅰ级范围内， 由于地表变形集中释放形成的地表裂缝破坏，村庄部分建筑物可能还会因此受损。 （4）大采深、厚煤层条件下开采，村庄下压煤开采区域断层切割影响严重，煤层 开采厚度受含水层影响，东部工作面煤层变薄，实际开采厚度比预期有一定的变化。 朱家沟村庄以“摊大饼”的方式扩展分布，以村委会为中心大致可分为四个街区，房 屋结构有砖木结构、土木结构、砖混结构等，结构差异大，无圈梁等抗变形结构。 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 1.2 研究的意义 从上世纪中期开始，世界各国都意识到了化石能源的不可再生性，大力发展研究可 再生的新能源，逐步改善能源的消费结构，减少煤炭等化石燃料的使用量，降低煤炭消 费比例，但是新能源的开发利用尚处于一个初期阶段，科技含量高，产能受外部条件制 约因素多，无法满足现如今的能源需求，煤炭在能源消费中依然占据着重要的地位。然 而随着浅埋深、易开采煤炭资源储量的不断减少，各地区矿井都会逐步进入深部开采， 现如今部分矿井采深甚至已经超过 1000m[1-4]。然而我国过去大量的开采理论和实践经 验都由浅部开采的工程实例总结出来的，应用浅埋开采条件下的经验结论来推证大采深 条件下的特征规律是不严谨、不科学、不匹配的。大采深条件下的地层结构复杂，地应 力大，上覆岩层的移动与地表移动问题更加复杂，需要对其进行深入系统的研究[5-8]。 我国城镇化率约为 50，全国还有大约 6 亿人居住在乡村，村庄居住人数多，建筑 物数量大。据统计，村庄下压煤总量约为 52 亿 t，约占总体“三下”压煤量的 40，村庄 分布密度较高的省份有陕西、河南、四川、江西等省份。高家堡煤矿位于陕西省咸阳市 长武县内，属彬长矿区，煤层埋深约 1000m，开采煤层为特厚煤层，较埋深浅、煤层薄 的煤矿，村庄下压煤面积更大，压煤量更多。彬长矿区内大型煤矿有十余个，分别为大 佛寺煤矿、文家坡煤矿、小庄煤矿、胡家河煤矿、孟村煤矿、火石咀煤矿、下沟煤矿、 蒋家河煤矿、高家堡煤矿等，都存在着村庄下压煤开采问题。彬长矿区表土层为巨厚大 孔湿陷性黄土，含水层为洛河组，具有厚度大、低渗、富水性不均一的特征，对这种采 深大、厚煤层、地质条件复杂的“三下”压煤开采及其相关技术的研究势在必行[7-10]。本 文将对地处于高家堡井田范围内的朱家沟村庄下压煤开采技术进行研究，探索开采方 法，所得成果对周边矿井及相似地质、开采条件的矿区有参考借鉴价值。 1.3 国内外开采沉陷研究现状 1.3.1 国外研究现状 西方国家对开采沉陷问题的研究起步较早，在 15 世纪的比利时，因煤矿开采污染 了城市地下水，对人们的生活造成了危害，国王颁布法令处死主要责任者。随着对开采 沉陷问题研究的深入，相关学者逐渐发现了开采造成的地表沉陷与覆岩变形、移动、破 坏之间的关系。 19 世纪开始有开采沉陷理论的出现，最早提出的理论是“垂线理论”，之后 Gonot 以“垂线理论”为基础改进提出“法线理论”，随后 Dumont 在“法线理论”的基础上首次提 出下沉计算公式；德国的 Ocstcrr 与 Jicinsky 分别提出了“自然斜面理论”与“二等分线理 论”[11-13]。此阶段对地表移动变形的研究主要依靠对矿井开采后地表下沉的观测，对影 万方数据 1 绪论 3 响地表移动变形的因素分析较少，处于最初阶段。 20 世纪初， 国外学者开始逐步深入的研究开采沉陷问题， 将覆岩的移动变形与地表 沉陷相结合，使开采沉陷的预测和分析水平明显提升。19231940 年，Perz、Schultz、 Keinhorst、Bals 等人使研究从经验方法向理论模型过渡；20 世纪 60 年代，波兰学者 J.Litwinszyn 与 knothe 等首先从介质力学角度来对岩层及地表移动问题进行分析，提出 了“随机介质理论”[14-19]；萨拉蒙（Salamon）应用力学理论建立岩体力学模型，推出种 类不同的移动变形方程，求出在开采影响下岩体产生的移动变形，为现代的边界元方法 奠定了基础[20]； 西班牙学者 M.I.lvarez Fernndez 等考虑了多种因素的影响， 运用 n-k-g 影响函数预测地表沉陷，并在 Knothe 理论模型的基础上，建立时间影响函数来预测地 表沉降[21-23]。Korten 等根据采空区变形统计数据，拟合出采空区变形规律[24-25]。开采沉 陷学的理论体系形成于上世纪 70 年代末。 近年来，伴随着科学技术的不断进步，新方法层出不穷，不断的丰富完善开采沉陷 理论。如利用机器人探索矿山下采空区范围，不但最大程度的保证了人员的安全，而且 扩大了探索的范围[26]；运用人工神经网络计算方法预计地表的下沉情况[27]；利用 GIS 系统、雷达观测技术对沉陷区进行长期监测并对损害程度进行等级划分[28-31]。 1.3.2 国内研究现状 矿产资源的开发利用在一个国家能源组成部分中占据了重要的地位，我国储存了大 量的煤炭资源，绝大部分的煤炭资源开采依赖井工开采。我国学者在实践中不断的总结 经验，逐渐形成了适用于我国地质、采矿条件的的理论体系，得出了行之可靠的预测方 法。 刘宝琛、廖国华于 1964 年把随机介质理论引入我国，经过多年的补充完善逐步形 成了开采沉陷领域里，地表移动变形预计最具普遍指导意义的理论概率积分法[32]。 1980 年刘宝琛、颜荣贵应用了岩石下沉过程与压密过程相似的假设，得出与时间、空间 有关的下沉盆地移动变形公式[33]。1987 年邹友峰、马伟民利用正交设计法，分析了威 尔布分布中各参数所起的作用及其相互关系[34]。1989 年田治洲、何新义用数理统计方 法导出了不同形态下沉盆地分布函数数学模型，根据该数学模型给出了实体模型的物理 特性[35]。 1996 年邹友峰根据岩体的“成层性”， 对比分析了同一岩体不同分层情况下的地 表下沉，提出了空间层状介质理论[36]。钱鸣高等首次提出了采场上覆岩层活动中的关键 层理论[37]。1997 年何满潮、王旭春利用损伤理论计算确定岩石本质结构关系中的线性 参数，结合反分析理论，优化完善了传统开采沉陷理论[38]。2001 年王建学建立了开采 沉陷塑性损伤结构理论，以该理论为基础改进了开采沉陷有限元计算程序[39]。2005 年 尹光志、王登科、黄滚将关键层理论与突变理论相结合，建立力学模型，分析地表沉陷 的非线性特征[40]。 2011 年汤伏全针对我国地表被厚松散层覆盖的西部矿区， 分析在松散 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 层加载下基岩的移动变形对地表下沉的影响机理，结合实际工程，确定双层介质预计模 型的适用性[41]。2015 年余学义、郭文彬等对被巨厚湿陷性黄土覆盖的彬长矿区，根据 上覆岩层下沉传递规律，将基岩与土层分阶段求解，修正了地表沉陷预计公式，通过理 论计算、 相似模拟、 数值模拟及实际观测地表移动变形值， 确定该修正公式的合理性[42]。 2017 年崔希民、邓喀中对不同的开采沉陷预计方法，从理论基础、时间过程、特殊条件 影响、表达形式四个方面分析其适用情况并分类[43]。 伴随科技的不断进步， 我国学者在研究开采沉陷地表移动变形中采取的方法有以下 三种一是根据实测数据研究开采沉陷地表下沉、变形、位移等规律。二是通过建立相 似模型模拟开采过程来观察总结开采沉陷地表变化规律。三是结合现代化技术，运用新 方法全面分析其规律。 1998 年滕永海、 杨洪鹏、 张荣亮通过夹河煤矿实测资料得出深部开采与浅部开采相 比，岩移预计参数有明显差别[44]。2002 年滕永海、刘克功根据五阳煤矿实测资料计算 出分层开采与综放开采的岩层移动角、岩移预计参数，并对比分析得出综放开采地表下 沉量较低[45]。2004 年刘秀英运用相似材料模拟方法模拟开采造成的地表移动变形，结 合影响范围内的建筑物实际情况分析建筑物稳定性[46]。2005 年陈芳运用 GIS 监测网监 测工业广场地表下沉情况，以收集的监测信息为基础结合灰色系统理论建模，提高了地 表沉陷预测的精度[47]。2008 年严茂荣将 MSPS 计算预计结果、物理相似模拟结论及实 际观测数据相互验证，综合分析综放开采岩层移动与地表变形规律[48]。2012 年郭浩森 将关键层理论、UDEC 数值模拟及工程实测结合，对综放采场矿压及覆岩移动规律进行 研究[49]。2014 年胡琪运用 ANSYS 软件与 FLAC3D软件分析山区地形和平坦地形条件下 地表沉陷的异同特征[50]。2016 年李新新使用 FLAC3D模拟软件， 对多种影响地表移动变形 的因素进行分析[51]。 1.4 建筑物下采煤国内外研究现状 1.4.1 国外研究现状 世界上很多国家较早地对建（构）筑物下压煤问题开展了研究工作，对开采后地表 的移动变形进行实际测量， 以减少地表移动变形和保护地面建筑物为目的进行了开采措 施、技术理论和实践研究，并对在开采影响范围内的建筑物抗变加固方法、设计理论进 行研究，取得了一定的实践经验，以英、美、波兰和前苏联等西方国家较为先进。 波兰是建筑物下采煤规模最大的国家之一，全国的煤矿几乎都涉及建筑物下开采。 波兰早在 20 世纪 40 年代中期就开始在城市下进行采煤。波兰的建筑物下开采有如下四 个特点 一是建筑物下开采面积占开采总面积比例大。 波兰的城镇下煤炭资源十分丰富， 全国煤矿几乎都涉及建筑物下开采。二是地面建筑物种类繁多。开采影响范围内的建筑 万方数据 1 绪论 5 物有历史悠久的老建筑也有新建的现代化大型高层建筑，建筑物年代差异大，结构差异 大。三是对地面下沉、倾斜、变形控制的好。城镇下采用水沙充填法开采，浅部煤层采 用条带协调开采， 安全有效的保证了建筑物的完好。 四是建筑物下开采有相关法律法规。 建筑物下开采有相关的法律文件，使解决开采造成的损害有据可依。 英国建筑物下开采措施多为协调开采、条带开采，曾对缓倾斜煤层使用风力充填开 采方法，但效果不佳，下沉系数为 0.5 左右。据有关资料显示，在建筑物周围挖设变形 补偿沟技术最早在该国出现。前苏联、美国等国家控制地表下沉的主要技术措施是使用 房柱式开采法，其资源采出率在 55左右，下沉系数为 0.350.68。20 世纪 80 年代德国 最先使用了膏体充填技术， 其目的是为了处理固体废弃物， 但是因为当时技术措施落后， 充填程度较低，地表下沉量大，下沉系数为 0.300.40。 1.4.2 国内研究现状 我