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论文题目策底镇建筑物下安全开采研究 专 业 采矿工程 硕 士 生张元振 签名 指导教师余学义 签名 摘 要 华亭策底河煤矿开采影响地表建筑物具有数量多、种类繁杂、分布密集、抗变形能 力差、压煤量大等特点。研究策底镇建筑物下煤层开采对于缓解煤矿采掘接替紧张的矛 盾、实现长壁工作面连续开采，提高矿井资源采出率和社会经济效益具有重要的意义。 本文在分析策底河煤矿地质、采矿、建筑物、生产技术与设备等条件的基础上，计 算分析了留设保护煤柱、充填开采、限高跳采（宽条带开采） 、条带开采四种地面建筑物 保护开采方法的实用性和可行性，确定了在建筑物下由长壁工作面过渡为条带工作面的 工作面连续推进开采方法。 根据开采煤层上覆岩层结构及煤层赋存条件， 应用压力拱理论和 A.H.Wilson 三向应 力法煤柱设计理论，综合分析确定了条带开采方案的采宽和留宽；在此基础上，结合 FLAC3D数值模拟软件，以摩尔库伦准则为本构模型，分析了条带煤柱的稳定性。结 果表明，保留条带煤柱具有足够的支撑强度和长期稳定性，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进行了全盆地地表移动变形预计， 预计结果表明， 开采后建筑物保护范围地表移动平缓，地表移动变形在Ⅰ级损害范围内，确定的条带开 采方案能够有效的保护地表建筑物的安全正常使用。 确定的条带开采方案与策底河煤矿现有生产技术条件相适应，对策底镇建筑物下煤 层开采具有一定的应用参考价值。 关 键 词建筑物下采煤；条带开采；数值模拟；预计评价 研究类型应用研究 本文得到陕西省自然科学基金（2011JY005）资助 Subject Study on the Safe Mining Under Buildings in CeDiHe Coal Mine Specialty Mining Engineering Name Zhang Yuanzhen （（Signature）） Instructor Yu Xueyi （（Signature）） ABSTRACT The ground involves the building with the quantity, the type of complex, dense,built the policy bottom coal under etc. Research mning under buildings is of great significance for the mitigation of coal mining succeed tense contradiction longwall continuous mining, improve the mine resource recovery rate and the socio-economic benefits. In this paper, based on the analysis of the conditions of the coal mine geological and mining conditions, building conditions, production technology and equipment. Calculate and analyze the practicality and feasibility of leaving in the protection pillar, cut and fill mining, the maximum height of the jump mining the wide strip mining, four buildings on the surface of strip mining protection mining s. Finally, the mining of continuous advancing working face transition under buildings by the long wall working face faces band. According to the mining overlying strata structure and coal seam occurrence conditions .Application of pressure for theory and A.H.Wilson three stress of coal pillar design theory. Comprehensive analysis of strip mining scheme of mining width, retaining width. Combined with FLAC3D numerical simulation software, on a molar - Kulun for the constitutive model, strip coal pillar stability is analyzed. The calculation results show that retention strip coal pillar has enough support strength and long-term stability. Mined overlying strata movement and deation will not cause the sinking of surface waves. At the same time to the whole basin ground movement and deation based on probability integral . Buildings confirmed mining the scope of protection of surface movement gently.The ground movement and deation in grade damage range. Determination of strip mining scheme can effectively protect the normal use of the surface buildings security Determination of strip mining plan and policy bottom river coal existing production technology conditions to adapt, countermeasures of coal mining under buildings bottom town has a certain reference value. Key words Mining Under Buildings；Trip Mining ；Numerical Simulation； Prediction uation Thesis Applied Resear 目 录 I 目 录 目 录 1 绪 论 ...................................................................................................................................... 1 1.1 论文研究的背景及意义 ................................................................................................. 1 1.2 建筑物下采煤国内外的研究现状 ................................................................................. 2 1.2.1 国外研究现状 ........................................................................................................... 2 1.2.2 国内研究现状 .......................................................................................................... 3 1.3 地表移动规律研究的历史与现状 ................................................................................. 5 1.3.1 国外的研究现状 ....................................................................................................... 5 1.3.2 国内的研究现状 ....................................................................................................... 6 1.4 条带煤柱稳定性研究现状 ............................................................................................. 8 1.4.1 煤柱载荷 ................................................................................................................... 8 1.4.2 煤柱强度理论 ........................................................................................................... 9 1.4.3 煤柱稳定性分析 ....................................................................................................... 9 1.5 研究的主要内容 ........................................................................................................... 10 1.6 技术路线 ....................................................................................................................... 10 2 矿井地质采矿及建筑物条件分析 ...................................................................................... 12 2.1 矿井概况及地形地貌 .................................................................................................... 12 2.2 矿井地质及煤层赋存条件 ............................................................................................ 13 2.2.1 地层特征 ................................................................................................................. 13 2.2.2 地质构造 ................................................................................................................. 15 2.2.3 覆岩结构及力学性质 ............................................................................................. 17 2.2.4 开采条件 ................................................................................................................. 20 2.3 地表建筑物条件分析 .................................................................................................... 20 2.3.1 地表建筑物分布 ..................................................................................................... 20 2.3.2 地表建筑物类型及结构 ......................................................................................... 21 2.4 本章小结 ........................................................................................................................ 22 3 建筑物下开采方案分析 ...................................................................................................... 23 3.1 建筑物下采煤方法设计准则 ........................................................................................ 23 3.1.1 建筑物下采煤理论依据 ......................................................................................... 23 3.1.2 采煤方法选择原则 ................................................................................................. 23 3.2 留设保护煤柱方案 ........................................................................................................ 24 3.2.1 保护级别的确定 ..................................................................................................... 24 目 录 II 3.2.2 保护范围的确定 ..................................................................................................... 25 3.2.3 方案设计 ................................................................................................................. 27 3.2.4 可行性评价 ............................................................................................................. 27 3.3 限高跳采（宽条带）方案 ............................................................................................ 28 3.3.1 理论分析 ................................................................................................................. 28 3.3.2 方案设计 ................................................................................................................. 28 3.3.3 计算分析 ................................................................................................................. 30 3.3.4 可行性评价 ............................................................................................................. 33 3.4 条带开采方案 ............................................................................................................... 33 3.4.1 优点及适用条件 ..................................................................................................... 33 3.4.2 设计的原则与步骤 ................................................................................................. 34 3.4.3 关键技术分析 ......................................................................................................... 35 3.4.4 可行性评价 ............................................................................................................. 35 3.5 建筑物下开采方案确定 ................................................................................................ 35 3.6 本章小结 ........................................................................................................................ 37 4 条带煤柱稳定性计算模拟 .................................................................................................. 38 4.1 煤柱稳定性理论概述 .................................................................................................... 38 4.2 合理采、留宽及煤柱稳定性确定 ................................................................................ 39 4.2.1 计算条带尺寸的原则 ............................................................................................. 39 4.2.2 合理采、留宽范围的确定 ..................................................................................... 40 4.2.3 威尔逊理论确定煤柱强度 ..................................................................................... 40 4.2.4 煤柱屈服区宽度的计算 ......................................................................................... 42 4.2.5 煤柱稳定性分析 ..................................................................................................... 43 4.3 数值模拟计算 ................................................................................................................ 43 4.3.1 FLAC3D软件简介 ..................................................................................................... 43 4.3.2 模型的建立 ............................................................................................................. 44 4.3.3 模拟结果分析 ......................................................................................................... 44 4.4 走向条带布置方案 ........................................................................................................ 46 4.5 条带开采安全可靠性分析 ............................................................................................ 48 4.6 本章小结 ........................................................................................................................ 48 5 地表移动变形对建筑物的影响分析 .................................................................................. 49 5.1 概率积分法预计地表移动变形 .................................................................................... 49 5.1.1 基本数学模型 ......................................................................................................... 49 5.1.2 地表任意点的移动变形预计式 ............................................................................. 51 目 录 III 5.1.3 预计计算规则 ......................................................................................................... 52 5.2 条带开采对地表移动变形预计 .................................................................................... 52 5.2.1 预计参数的确定 ..................................................................................................... 52 5.2.2 条带开采全盆预计地地表移动变形 ..................................................................... 53 5.2.3 全盆地地表移动变形预计结果分析 ..................................................................... 56 5.3 本章小结 ........................................................................................................................ 56 致 谢 ........................................................................................................................................ 58 参考文献 .................................................................................................................................. 59 附 录 ........................................................................................................................................ 62 1 绪论 1 1 绪 论 1.1 论文研究的背景及意义 煤炭做为我国的主要能源， 随着国民经济稳步向前发展， 对煤炭的需求量日益增大。 为满足国家日益发展的需要，煤炭企业不仅要建设新型的现代化矿井以增加煤炭产量， 而且还要充分进行老矿井挖潜，最大可能地解放“三下”压煤量，增加煤炭可采储量， 延长矿井的服务年限，合理地提高煤炭资源的回收率。 我国“三下”压煤储量较大，据不完全统计，目前我国统配煤矿“三下”压煤总量 为 137.9 亿 t，其中建筑物下压煤量为 87.6 亿 t，占整个压煤量的 63.5。建筑物下压煤 又以村庄下压煤所占的数量最大，占建筑物下压煤量的比例为 60，达到 52.21 亿 t。尤 其是人口密集、村庄集中的河南、河北、山东、安徽、江苏五省区压煤的村庄达到 1094 个，住户 11 万户，占我国村庄下压煤量的 55以上。村庄下压煤几乎遍及各个矿区， 一般占矿井储量的 10～30，多的矿局矿占 40[1]。然而 50 多年来，尽管经过各个方 面的共同努力，从“三下一上”压煤中采出来的煤量只有 7 亿 t，仅占其压煤量的 5左 右。从村庄下采出的煤量仅为 2.33 亿 t，占整个村庄下压煤量的 4，且其中的 1.76 亿 t 还是靠村庄搬迁采出的。但是近些年来，随着科研力量和技术设备的不断提升，对解放 建筑物下煤炭的研究取得了很大的进步，如果将已取得的科研成果进行推广，转化为生 产力，若将村庄下压煤解放一半，就可供 100 个年产能力 100 万 t 的矿井生产 26 年，极 大的节约了资源和提高了经济效益，前景十分可观。 “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，不仅对资源造成极大浪费，还必将引发资源型城市可持续发展 的社会问题。合理地解决建筑物下采煤问题，不论是从理论上、技术上，还是从经济上， 对发展煤炭科技及煤矿生产都有重要意义。一方面合理开采、利用资源，提高资源回收 利用率，延长矿井服务的年限，使矿井衰老延缓；另一方面，也可避免地表沉陷给人民 的生活造成影响，利于缓和工农的关系，减少赔偿的费用，减轻企业的负担。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[23]。 本文依据策底河煤矿为研究基础。策底河煤矿井田范围内的策底镇建筑物下煤炭资 源的占压，严重制约矿井的正常生产，影响矿井经济效益。一方面，由于在矿井未扩大 井田范围之前已经开始井筒及主要开拓巷道建设，造成了工作面不能连续开采的不合理 布局。另一方面，策底河煤矿地面涉及保护建筑物主要分布在采区南翼 51002、51004、 西安科技大学硕士学位论文 2 51006 工作面沿走向的中部范围，压煤宽度约 600m。开采工作面穿过策底河镇的中心， 涉及面积较大，房屋类型多。据初步估计，策底河煤矿建筑物下压煤煤 5 层 529.09 万 t，煤 3 层 47.84 万 t。为缓解矿井接续紧张，提高煤炭资源的回收率，最大限度的将建 筑物下压煤开采出来，保障地表建筑物及生命和财产的安全、保障矿井生产的连续性及 提高矿井投资效益，进行策底镇建筑物下安全开采方案研究，为策底河煤矿建筑物下煤 层（保护煤柱）开采进行技术储备和理论支持，研究成果对建筑物下安全开采起到指导 作用，同时对于同类地质和开采条件的矿区具有重要参考价值。 1.2 建筑物下采煤国内外的研究现状 1.2.1 国外研究现状 国外的一些国家较早地对建筑物下采煤开展研究工作，在地表移动变形的理论与实 测，在为了减小地表变形而采取的开采技术措施的相关理论和实践，以及在对采空区上 方新旧建筑物的补强和加固方案的设计理论和方法上面都有比较深入的研究[4]。其中以 波兰、德国、前苏联和英国等较为先进。 波兰是建筑物下采煤实践最好的国家之一。 1945 年初就开始大范围地进行城镇下采 煤，并且还开采了很多大型工厂的保留煤柱。波兰建筑物下采煤的开采措施主要包括密 实水砂充填、条带水砂充填、部分开采、协调开采、干净回采等，而且还采取设置了变 形缝等地面保护措施[5]。 英国实现建筑物下开采的主要措施有风力充填、协调开采和条带开采。有关资料显 示，缓倾斜煤层下使用风力充填时下沉系数为 0.45。而浅部采用房柱式开采，并获得了 较为理想的效果。 德国实现建筑下采煤主要采用建设抗变形的建筑和地面措施外，另外还重视合理布 置工作面，从而使建筑物位于下沉盆地区域。实践认为，开采深度较大时，采用短长工 作面混合开采方法是最有效的，即先采一个短工作面，再采一个长工作面，以使建筑物 位于地表移动盆地的平底部位，以减小建筑物遭受的变形破坏。 日本应用房柱式实现建筑物及大型公路、厂、桥下的开采。 西方国家在实践建筑物下开采时多采用房柱式采煤方法，且对开采后留设煤柱的长 期稳定性、柱宽及房宽进行了大量的实验研究，提出了一些计算和设计方法。英国 A.H.Wilson 通过对 5 个短壁开采和 5 个房式开采（只采房，不采柱）的实践分析，得出 了房柱法开采地表下沉量与用 Salmon 计算公式得到的煤柱安全系数有关。 S.S.Peng 分析 美国房柱法开采后地表移动规律，得出地表下沉值与回收率的关系，当开采深度比较小 小于 300m） 、回采率小于 50时，地表基本不出现下沉，随着回采率的增加，地表下沉 量增加；当回收率达到 90以上时（煤柱回收） ，地表下沉值约当于长壁开采冒落法管 1 绪论 3 理顶板时。部分房柱法开采工作面时的下沉系数仅为 0.15～0.62（回采为 70～90） 。 虽然国外对房柱式开采的地表移动变形规律进行了大量的分析研究，但由于煤柱宽度、 开采深度、回收率等不完全一样，所以到目前为止尚未提出有关房柱式开采的地表移动 预测方法及预测公式。 1.2.2 国内研究现状 我国进行建筑物下采煤试验研究工作开始于 1954 年，在开滦唐家庄矿工人村下采 煤，几十年来，已有不少局矿在村庄、民用建筑物和工业厂房等大型建筑物下进行过开 采，并取得了较好的效果，也积累了一定的经验。国内建筑物下采煤活动大致可以分成 四个阶段[4] 第一阶段70 年代年以前，由于当时我国在 “三下”采煤技术和开采沉陷理论方 面经验不足，矿区村庄较小，矿区有空余搬迁地，主要采用建筑物搬迁的办法对建筑物 下煤层进行开采。 第二阶段19701985 年，此时我国已掌握了基本的开采沉陷理论和“三下”采煤技 术，应用采后加固、维修的方法实践建筑物下压煤开采的实验。 第三阶段1987 年至今，当煤层开采厚度比较大或开采深度不太大时，若采用大 冒顶法