宽条带跳采及其地下水渗流规律研究.pdf

辽宁工程技术大学 硕士学位论文 宽条带跳采及其地下水渗流规律研究 姓名李建新 申请学位级别硕士 专业工程力学 指导教师王来贵 20051201 辽宁_ ] _ 程技术大学硕士学位论文 摘要 开采煤层必然使岩体原有的应力平衡状态受到破坏，为了达到新的应力平衡， 发生了围岩变形、移动和破坏。不仅对地表及其上面的建筑物产生破坏性的影响， 而且容易改变煤层上覆和下伏含水层地下水赋存、运移条件，产生增渗效应，诱 发矿井水向采空区渗流或造成顶底板突水。为了减小采动对地面建筑物和地下水 资源的影响和破坏，提出了宽条带跳采的采煤方法，通过对以上两方面问题的研 究，取得初步的研究成果，主要内容如下 1 ．结合宽条带开采和全柱开采这两种采煤方法的优点，提出了宽条带跳采的 采煤方法，通过数值计算分析了宽条带跳采、常规条带开采和冒落法开采引起地 表移动的动态变形和静态变形对地面建筑物的影响和破坏，指出宽条带跳采的可 行性和优点。 2 ．在确定宽条带跳采的参数时，应把采宽和留宽作为一个整体来考虑，通过 数值计算，运用图形分析了不同采宽和留宽地表的下沉曲线和水平变形曲线，提 出了更加合理的采留比的确定方法。 3 ．介绍了等效渗透张量的计算方法，并给出其有效性的判定标准，保证了裂 隙网络等价为等效连续介质的有效性。 4 ．以获取裂隙岩体渗透系数的两种方法为基础，针对其修正公式的局限性， 通过数值模拟二维压水实验，给出了综合渗透系数的修正公式，该公式的修正结 果体现了裂隙岩体各向异性的渗透特性。 5 ．通过数值模拟，分两种情况比较了宽条带跳采与冒落法开采对地下水运移 条件的破坏程度和降水漏斗的影响范围，宽条带跳采引起的降水漏斗的范围较小， 对地下水赋存、运移条件的破坏较轻，不仅减小了矿井的涌水量，而且有效地保 护了地下水资源。 关键词宽条带跳采，地表移动变形，裂隙岩体，渗流，等效渗透张量，数值模 拟 垄 三塑婪垄丕堂堡圭堂堡堡皇i ，旦 A B S T R A C T M i n i n gc o a lm u s td e s t r o yt h ei n t r i n s i cs t r e s sb a l a n c es t a t eo fr o c kb o d y , a n dw a l l r o c kb e g i n st od e f o r m ，m o v ea n dd e s t r o yt oo b t a i nn e ws t r e s sb a l a n c e ，i tn o to n l yb r i n g s a b o u tr u i n o u se 艉c to nb u i l d i n g s ．b u ta l s o e a s i l yc h a n g e st h es u p p l ya n dd r a i n a g e c o n d i t i o no fg r o u n dw a t e r , w h a t ’Sm o r ei tC a ni n c r e a s ep e n e t r a b i l i t ya n ds e d u c eg r o u n d w a t e rt oi n p o u rm i n e ．W i d es t r i ps k i p m i n i n gi sp u tf o r w a r df o rd i m i n i s h i n gt h ed e s t r o y a n de f f e c to nb u i l d i n ga n dg r o t m dw a t e r , t h et w op r o b l e m sa r er e s e a r c h e da n ds o m e e l e m e n t a r yc o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e d ，t h em a i nc o n t e n ta sf o l l o w s 1 ．I ti sa n a l y z e dt h a tw i d es t r i ps k i p m i n i n g ，r o u t i n es t r i pm i n i n ga n df u l l p i l l a rm i n i n g b r i n ga b o u td y n a m i ca n ds t a t i cd e f o r m a t i o no fg r o u n ds u r f a c e ，a n dt h e i rd e s t r o ya n d e f f e c to nb u i l d i n g s ，t h er e s u l to fs t u d ys h o w st h a tw i d es t r i ps k i p m i n i n gi sf e a s i b l e ． 2 ．M i n i n gw i d t ha n dl e a v i n gw i d t hs h o u l d b ec o n s i d e r e da saw h o l ew h e nt h e p a r a m e t e r so fw i d es t r i ps k i p m i n i n ga r ed e t e r m i n e d ．T h es i n k i n gc u r v ea n dl e v e l d i s t o r t i o nc u r v eo ft h ee a r t hs u r f a c ea r ea n a l y z e db yn u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n dg r a p ho n c o n d i t i o nt h a tm i n i n gw i d t ha n dl e a v i n gw i d t ha r ed i f f e r e n ts i z e ，a n dt h e nm o r e r e a s o n a b l er a t i oo f m i n i n gw i d t ha n dl e a v i n gw i d t hi sp r e s e n t e d ． 3 ．T h em e t h o df o rc a l c u l a t i n ge q u i v a l e n tp e r m e a b i l i t yt e n s o ri si n t r o d u c e d ，a n dt h e d e t e r m i n a n tc r i t e r i o n sf o rt h et e n s o rv a l i d i t ya r ep r e s e n t e dt oa s s u r et h ev a l i d i t yo f f r a c t u r e dn e t w o r ke q u a l i n gt oe q u i v a l e n tc o n t i n u u mm e d i u m ． 4 ．O nt h eb a s eo ft h et w om e t h o d sf o ro b t a i n i n gp e r m e a b i l i t yp a r a m e t e ro ff r a c t u r e d r o c k ，a i m i n ga tt h el i m i t a t i o no fc o r r e c t e df o r m u l a ，c o r r e c t e df o r m u l ao fi n t e g r a t i o n p e r m e a b i l 时c o e f f i c i e n ti sp u tf o r w a r dt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t w o d i m e n s i o n p a c k e rp e r m e a b i l i t yt e s t ．T h ec o r r e c t e d r e s u l ts h o w st h es e e p a g ec h a r a c t e r i s t i co f f r a c t u r e dr o c ka n i s o t r o p y ． 5 ．I ti sc o m p a r e dt h a tt h eb r e a k a g ed e g r e eo fg r o u n dw a t e rm o v ec o n d i t i o na n dt h e e f f e c tr a n g eo fp r e c i p i t a t i o nf i l l e ra r eb r o u g h ta b o u tb e t w e e nw i d es t r i ps k i p m i n i n ga n d f u l l p i l l a rm i n i n gu n d e rt w od i f f e r e n tc o n d i t i o n st h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h e r a n g eo fp r e c i p i t a t i o nf i l l e ri sl e s si nt h ec o u r s eo fw i d es t r i ps k i p - m i n i n g ，i tn o to n l y r e d u c e st h ew a t e rq u a n t i t yo fi n f l u xm i n e ，b u ta l s oe f f e c t i v e l yp r o t e c t sg r o u n dw a t e r r e s o u r c e ． K e y w o r d w i d es t r i ps k i p m i n i n g ，t h eg r o u n dm o v ea n dd e f o r m a t i o n ，f r a c t u r e dr o c k ， s e e p a g e ， e q u i v a l e n tp e r m e a b i l i t yt e n s o r ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．1 条带开采的研究现状及发展趋势 条带开采源于房柱式开采，我国自抚顺胜利矿19 6 7 年利用充填条带法进行市 区下采煤以来，先后在抚顺、阜新、蛟河、峰峰、鹤壁、平顶山、徐州等矿区进 行了多个条带开采的试验与实践，创造了巨大的社会和经济效益，取得了一些有 益成果。 早期条带的开采宽度是保证煤柱长期稳定的前提下，尽可能采用小采宽，因 在小采宽条件下顶板不冒落，其地表沉降主要由煤柱的压缩、煤柱压入顶、底板 量控制，地表变形的控制主要通过调整采出率实现。随着条带实践的增加，逐步 认识到条带开采的冒落在一定程度上有利于条带煤柱的长期稳定，由于煤的强度 远小于顶板岩体的强度，顶板的冒落使煤体增加了侧限压力，从而较大地增加了 支撑与长期稳定，而煤柱的承载力已转化为顶板岩体的承载力，从而增加了煤柱 的强度和长期的稳定性。 条带开采的研究涉及岩石力学 包括岩石及煤的强度，煤柱应力的变化及煤柱 的稳定等 和开采沉陷学 包括条带开采的沉陷机理、地表移动与变形的计算、开 采方案的设计等 两大领域。对条带开采的研究主要分3 个方面现场试验与观测、 模型试验和数值计算分析研究 包括力学的理论计算 ，模型试验以相似材料试验 为主，条带开采的大部分研究成果基于模型试验结果和数值分析结果。 在条带开采设计中，煤柱的稳定状况决定地表沉陷状况，因此，煤柱的稳定 性计算就成为条带开采设计中的关键性工作。自上世纪中叶开始，随着采矿工业 的迅速发展，对煤柱设计的理论研究也非常活跃，形成了以下几种具有代表性的 理论【4 2 J I 有效区域理论。有效区域理论假定各煤柱支撑着它上部及与所邻近煤柱 平分的采空区上部覆岩的重量。该理论虽然得到较广泛的应用，但由于理论本身 仅考虑应力估算问题，进一步的稳定性预测还需要其它技术的补充。 2 极限平衡理论。 3 压力拱理论。 4 A ．1 1 ．威尔逊 w { 】S O I l ，1 9 7 0 理论。A ．H ．威尔逊理论由于建立在煤柱三向强 度特性的基础上，克服了其它方法的缺陷，因而更加有用和可靠，得到较广泛的 辽宁工程技术大学硕士学位论文 应用。然而，该理论同样有不足之处而受到影响，例如t a n 口、r p 的经验算法与取 值等。 j 核区强度不等理论。 6 大板裂隙理论。 核区强度不等理论、大板裂隙理论虽然有较严密的理论推导，是理论方面的 精确计算方法，但它们都是以理想假设为基础，没有考虑到地质采矿条件的非均匀 性。且由于这些理论给出的计算公式过于复杂，参数求取不易，从而限制了它们的 普遍使用。 实际计算中普遍采用的是两区约束理论，该理论认为在采空区一侧距煤壁 O ．3H 处，采空区矸石承受彬的荷载，且在该处与煤壁之间应力按线性分布计算 P ∞ b y H 一加2 ／J ．2 ，式中，P 为条带煤柱的荷载，“，b 分别为留设与开采煤柱的宽 度，r 为覆岩的平均密度，H 为开采深度，当b 0 ．6 H 时，取b 0 ．6 H 。 煤柱强度是煤拄所能承受的最大荷载，它是煤柱稳定性分析的基础。煤柱的强 度与诸多因素有关，包括煤自身的强度、煤柱的尺寸、煤柱的内部构造、煤柱的表 面、煤柱与顶、底板界面的磨擦和粘结力、围压及采场动态因素，较具代表性的有 0 b e r t ，S a ] a m o n 和W i l s o n [ 4 3 1 等3 个煤柱强度计算公式，都是根据实验室试验、现 场调查和现场煤柱观测总结得出的。我国在条带设计中普遍采用的是W i l s o n 强度 计算公式，他认为煤柱两侧有0 ．0 0 4 9 2m H 宽的屈服区 m 为煤层的开采厚度 ，屈 服区内为核区，核区的承载能力为4 t 。 ‰ 4 ∥ d o ．0 0 4 9 2 m H 近几年随着条带开采实际应用的增加，我国对条带开采也进行了多项研究， 包括相似材料的模拟试验，数值计算分析与现场的实际观测，在这些研究的基础上 提出了自己的观点。如波浪下沉传播高度与条带开采宽度a 和留设煤柱宽度b 有 关煤柱两侧应力集中程度随煤层倾角增大而发生变化，其塑性区也随倾角增大而 增加；侧限压力对煤柱有较大的作用，较软弱和裂隙发育的煤柱，部分充填可大幅 度提高煤柱的稳定性或煤炭采出率；多煤层条带开采时，层间距较大时相互影响轻 微，层间距较小时两层煤相互影响较大{ 地表移动变形不一定随采出率增加而增大， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 而与采宽有关等。但条带开采地表与岩层移动的机理目前仍处于推测、探索阶段， 提出的假说有㈣ 1 煤柱的压缩、压入假说 条带开采后覆岩及地表的沉陷由煤柱的压缩、煤柱压入底板和煤柱压入顶板三 部分组成。 2 岩梁及其托板假说 条带开采时，在采空区裂隙带上方存在着一层或几层厚度较大、强度较高的坚 硬岩层，它对上部岩层和地表的移动起控制作用，地表的下沉由煤柱的压缩、煤柱 压入底板、岩柱压缩、承重岩层压缩及托板挠度5 部分组成。 3 波浪消失说 条带开采后，采出条带顶板岩层类似于两端固定约束岩梁，靠近煤层的上覆岩 层将出现波浪下沉，达到某一高度后，波浪消失，在此高度之上为均匀下沉。波浪 消失说具有一定道理，但它是由数值模拟得出，还需现场验证。 在条带开采的实际预计计算中，大部分仍采用概率积分法，只是在计算参数上 依据采出率按经验数据进行一定的修正。数值计算法虽应用广泛，但在条带设计中， 仍只是一种定性的分析方法，这主要是因为计算参数的不确定性及岩性参数与岩体 参数的差异造成的。在实际条带应用中，由于要保证地面的安全，往往具有一定的 安全系数，因此尚未见有极限条带开采宽度的试验报导。 条带开采作为一种特殊的采煤方法有其自身的优势和缺点，最大的优点是不改 变采煤工艺的前提下，较大幅度地减少地表沉降，在无法采取其它措施的条件下采 出部分建筑物下压煤；而其最大缺点是条带开采采出率低、资源损失严重，且生产 效益较低。因此，在保护地面建筑物的目的下，如何提高条带开采的采出率、提高 条带开采的生产效益是条带开采中必须解决的关键问题，近几年在这方面已进行了 一些有益的尝试。 枣庄矿务局田陈煤矿在村庄下压煤开采中，充分利用其煤层的开采深度，进行 了宽条带 采出宽度1 3 5 m 开采，共开采3 个工作面，地表最大下沉为2 9 8 m m ，这一 开采条带既利用了窄工作面下沉系数减小的优势，又实现了不降低生产效率的条带 开采，保证了地面建筑不产生破坏。峰峰矿务局九龙煤矿在村庄搬迁过程中，利用 宽条带进行了2 个工作面的开采 工作面宽度分别为1 2 0 m ，16 0 m ，实测地表最大下 辽宁工程技术大学硕士学位论文 沉为1 8 5 r a m 和4 6 9 m m 两工作面迭加 ，平均月产达4 5 万吨。通过工作面开采顺序的 改变，保证了采区的按计划开采，也保证了地面的安全使用，为搬迁争取了时间。 另一方面，利用条带开采的设计在理论上也进行了提高条带开采采出率的研 究。变采留比条带在不增加地表变形的条件下，充分利用地表下沉盆地的空间，可 提高条带开采采出率10 ％～2 0 ％ 取决于条带开采的面积 。由于煤柱存在塑性区， 为了提高煤柱的自身强度和稳定性，利用巷道加固技术对煤柱进行锚杆与锚索加 固，但对煤柱加固技术的研究尚处于理论研究阶段，主要是因为缺少实际开采的风 险性试验。利用煤柱加固技术也是提高条带法开采采出率的有效途径。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，条带开采不失为一 种有效的技术途径，对如何提高条带开采的回采率及条带开采的生产效益，已开始 了各种尝试。随着条带开采实际应用的增加，对其的研究也必将有新的突破。 L2 岩体裂隙水渗流的研究现状 早在上个世纪四、五十年代，前苏联的一些学者就对岩体裂隙介质的水力学特 性进行了实验研究，并提出了最早的成果，但是那时的研究成果还一直沿用土壤渗 流力学来解决实际裂隧i 岩体渗流问题。1 9 5 9 年法国M a l p a s s e t 拱坝的溃坝，引起人 们对裂隙岩体渗流研究的重视。许多国内外学者如L o n g 1 9 8 2 } 2 4 1 、O d a 1 9 8 6 [ 2 5 1 、张天有 1 9 8 2 [ 3 0 ] 、羽开铭 1 9 8 9 t 3 3 1 等作了大量的研究，获得丰富的研究 成果。这些研究成果提出许多对裂隙岩体渗流等效模拟的方法，归纳起来主要有以 下几种 1 ．离散介质模型 离散介质模型认为，岩体基质不透水，地下水只在裂隙中流动。水由一个裂隙 流向与之相交的另一个裂隙中去，裂隙渗流力对岩体不仅具有浮托力，而且产生水 平推力和弯矩，因丽是面力。同一裂隙露水流传导系数是各自异性的，裂豫面成聪 状分布且无限延伸，裂隙面相互连通，裂隙交叉部位因水流流向的变化形成局部水 头损失；同时不同区域的渗透性差异很大。它是以各聚隙交叉点处的流体质量平衡 为基础，以流入和流出各裂隙交叉点水量相等为准则。 离散介质模型的参数主要是通过现场的地质勘探瓷料给出的，根据实测的原始 数据，进行统计分析，确定装隙参数的分布规律，并由此溉律，随机地产生其它未 知区域的裂隙分布。因此该模型的等效条件是岩体基质的渗透性很小，可以忽路 辽宁工程技术大学硕士学位论文 N O ．5 不计，裂隙发育充分，并且裂隙的分布有一定规律，不存在表征单元体，只研究水 体在裂隙中的运动规律。 该模型适用于稀疏的裂隙介质、主干裂隙，主要包括由大裂隙切割的岩体，被 岩溶管道切割的岩体，主要考虑裂隙含水层的导水作用，对于不与裂隙系统相交的 孤立裂隙予以删除。 由于忽略了岩体基质的渗透性，使得离散介质模型的计算结果与实际有偏差。 另外由于真实裂隙系统的调查存在困难，所统计的只是真实裂隙的一个子系统，而 由于地质条件的复杂性、多变性和局部的独特性，使得用一定规律所产生的裂隙系 统也有一定的误差。 2 ，双重介质模型 双重介质模型认为岩体是由孔隙性好而导水性差的岩块孔隙系统和孔隙性差 而导水性强的裂隙系统组成，具有典型的孔隙一裂隙双重介质模型。 该模型采用了等效连续介质模型和离散介质模型两种方法的优点，考虑了岩体 中实际存在的两类介质系统各自的渗透性及系统之间存在的水流交替过程，从而更 加真实地反映了裂隙岩体的实际情况。但该模型的突出缺点在于难以建立合理而实 用的水流交替方程，而且现有的双重介质模型对岩体中裂隙的渗透特性、几何特性 以及空间配置等做了较大的限制，因此也很难在实际工程中应用。 3 ．耦合模型 该模型考虑渗流场与应力场、温度场、损伤场之间的相互作用、相互影响，并 达到一种动态平衡。由于裂隙岩体受到外界因素的影响，从而导致裂隙介质的渗透 性发生变化，如小裂隙经过应力场的拉伸作用而变成大裂隙；反之受到压缩的作用， 大裂隙分裂为小裂隙。其中研究岩体渗流与应力的耦合关系，要以岩体结构为基础， 不同结构岩体渗流与应力相互作用的机理不同。对连续介质岩体，应力通过改变岩 体空隙 包括孔隙和裂隙 率来影响岩体渗流，渗流通过施加渗透静水压力和渗流 体积力来影响岩体应力。对裂隙网络岩体来说，应力通过改变 各裂隙的隙宽来影响岩体渗流，渗流通过施加渗透静水压力和裂隙壁切向拖曳力来 改变岩体应力。 该模型由于多场耦合的平衡很难掌握，而且所需数据很难获得，故该模型很少 在实际工程中应用。在实际工程中考虑多场耦合时，仍然是将岩体概化为等效连续 辽宁工程技术大学硕士学位论文 介质。 4 ．等效连续介质模型 等效连续介质模型是建立在经典的多孔介质和岩体裂隙渗透张量的理论基础 上。它是基于流量等效，即对裂隙岩体渗透性进行等效化处理，其研究区域为一系 列表征单元体组成的连续介质体。表征单元体R E V R e p r e s e n t a t i v eE l e m e n t a r y V o l u m e 是指能够宏观地平均反映研究区域渗透性的最小区域，即当岩体的尺寸 等于或大于R E V 时，其上存在大小不随岩体尺寸而改变的二阶对称、正定的渗透 张量。 将裂隙岩体等效为连续介质时，要满足一定的条件。对于裂隙岩体而言，要满 足以下几个条件【2 4 】 1 随着岩体测试体积的改变，等效渗透性的大小无显著变 化，即存在表征单元体R E V 。 2 在一个表征单元体R E V 中，水力梯度方向改变 时，存在一个等效对称的渗透张量能正确地计算流量。 3 计算区域存在统一的渗 流场，计算区域裂隙系统的水头应是连续的，只有水头连续才表明研究区处同一个 水流系统中。 等效连续介质模型的不足表现在两个方面其一是等效连续介质有效性难以保 证，即R E V 难以确定[ 3 4 1 f 3 5 1 ；其二是裂隙岩体等效渗透张量难以确定，主要是由于 适合一种边界条件的等效渗透张量可能不适合另一种边界条件。 等效连续介质模型的优点能够反映裂隙岩体渗流的非均匀、各向异性等基本 特性，并且该类模型应用时不受岩体中裂隙空间分布形式的限制，具有很好的适应 性，也不必对工程岩体中众多的裂隙逐一模拟，计算工作量很小，特别是可以借用 具有雄厚理论基础及丰富数值模拟经验的多孔介质渗流理论进行数值分析，因此该 类模型是现阶段工程应用最广的裂隙岩体渗流模型。所以虽然用等效连续介质来描 述岩体结构不十分客观，但由于其渗透系数的等效性和雄厚的理论基础、丰富的应 用经验，并且我们关心的不是某个裂隙的水头，而是岩体总体上的水头分布，只要 算出的结果符合实际，就已达到我们的目的，所以目前应用较为广泛。如周志芳等 1 9 9 2 用于坝基渗透力及排水研究‘26 1 ，段小宁 1 9 9 1 用于岩体渗透系数的确 定[ 2 7 1 ，杨静熙等 1 9 9 2 用以计算黄河干流某水库土坝左岸山体的绕流问题‘2 8 1 ， 毛昶熙等 1 9 9 1 研究了正交裂隙和非正交裂隙连续介质模型㈣，张天有 1 9 9 0 [ 3 0 1 、哈秋龄等 1 9 9 7 刚、赵坚等 1 9 9 9 ‘3 2 增均用来模拟三峡工程永久船闸高 辽宁工程技术大学硕士学位论文N O , 7 边坡岩体渗流和排水问题。 对于裂隙发育强烈而均匀的岩体，可以采用等效连续介质来模拟岩体的整体渗 透效应。对于裂隙发育不强烈的岩体，可以在考虑几个大的结构面的基础上采用等 效连续介质模型。对于大型水电工程进行渗流分析，用连续介质模型并辅以主要断 层或裂隙即可满足工程精度要求【3 3 】。在裂隙发育不均匀时，可以对裂隙岩体进行 材料分区，每个分区都是一个等效连续介质体。可见，等效连续介质模型完全可以 解决实际工程问题。前述的几种模型，除了离散介质模型忽略了岩体基质的影响外， 其它都是以连续等效为基础来考虑岩体系统，因而等效连续介质模型仍然是工程应 用和理论研究的重点。本文就是基于此对等效连续介质模型作了进一步的研究，并 利用等效连续介质模型进行了数值模拟。 1 ．3 问题的提出与本文研究的主要内容 由于煤炭工业的发展，矿区建设规模的不断扩大，～方面使得矿山开发对地质 环境质量的要求不断提高，另一方面，矿山开发对地质环境的影响日趋剧烈。由于 我国煤矿分布地域广大，开发强度大，矿区地质环境变化带来的影响是极为广泛、 极为深刻的。矿区环境保护不仅是矿区自身的问题，而且是一个社会问题，在国民 经济的发展和国土规划及环境保护中占有越来越重要的地位，已经成为我国煤炭工 业发展的重要制约因素之。随着矿山开采强度、范围、深度的增加以及机械化程 度的提高，不仅一些老的地质环境问题如瓦斯、突水、巷道变形和破坏、地面沉陷 和塌陷等问题更趋尖锐，而且还可能出现一些新的问题，如崩塌、滑坡、土地沙漠 化、生态环境恶化、地下水资源污染和破坏等。近几年来，在厚层新生界覆盖区已 经出现地面下沉、矿井井筒破坏等一些新的问题。 煤层在末开采以前，煤系岩体内应力处于平衡状态。煤层上覆和下伏含水层中 的地下水由补给区流向排泄区，受自然条件下岩性、地貌、地形、地质构造等条件 控制。采动后使岩体平衡状态被破坏，为达到新的应力平衡，发生了围岩变形、移 动和破坏，改变了煤层上覆和下伏含水层中的地下水赋存、运移条件，触发和诱发 矿井顶底板突水。 而煤层的开采是造成这些问题的根本原因。在许多情况下，采用适当的采煤方 法，不仅能够控制地表的移动和变形，减小采动对地表及其上面建筑物的影响和破 坏，而且能够有效地控制煤层上覆导水裂隙带的影响范围，减小采动对地下含水层 堑室王堡垫查厶堂墅堂鱼堡墨i 墅 边坡岩体渗流和排水问题。 对于裂隙发育强烈而均匀的岩体，可以采用等效连续介质来模拟岩体的整体渗 透效应。对于裂隙发育不强烈的岩体，可以在考虑几个大的结构面的基础上采用等 效连续介质模型。对于人型水电工程进行渗流分析，用连续介质模型并辅阻主要断 层或裂隙即町满足工程精度要求1 3 ⋯。在裂隙发育不均匀时，可以对裂隙岩体进行 材料分医，每个分区都是一个等效连续介质体。可见，等效连续介质模型完全可以 解决实际工程问题。前述的儿种模型，除了离散介质模型忽略了岩体基质的影响外， 其它都是以连续等效为基础来考虑岩体系统，因而等效连续介质模型仍然足工程应 用和理论研究的重点。木史就是基于此对等效连续介质模型作了进一步的研究。并 利用等效连续介质模型进行了数值模拟。 1 ．3 问题的提出与本文研究的主要内容 由于煤炭工业的发展，矿区建设规模的不断扩大，一方面使得矿山开发对地质 环境质量的要求不断提高，另一方面，矿山开发对地质环境的影响日趋剧烈。由于 我国煤矿分布地域广大，开发强度大．矿区地质环境变化带来的影响是极为广泛、 极为深刻的。矿区环境保护不仅是矿区自身的问题，而且是～个社会问题，在国民 经济的发展和国土规划及环境保护中占有越来越重要的地位，已经成为我国煤炭工 业发展的重要制约因素之。随着矿山开采强度、范围、深度的增加以及机械化程 度的提高，不仅一些老的地质环境问题如瓦斯、突水、巷道变形和破坏、地面沉陷 和塌陷等问题更趋尖锐，而且还可能出现一些新的问题，如崩塌、滑坡、土地沙漠 化、生态环境恶化、地下水资源污染和破坏等。近儿年来，在厚层新生界覆盖区已 经出现地面下沉、矿井井筒破坏等一些新的问题。 煤层在未开采以前，煤系岩体内麻力处于平衡状态。煤层上覆和F 伏含水层中 的地F 水由补给区流向排泄区，受自然条件下岩性、地貌、地形、地质构造等条件 控制。采动后使岩体平衡状态被破坏，为达到新的应力平衡，发生了围岩变形、移 动和破坏，改变了煤层上覆和下伏含水层中的地下水赋存、运移条件，触发和诱发 矿井顶底板哭水。 而煤层的开采足造成这些问题的根本原因。在许多情况下，采用适当的采煤方 法，不仅能够控制地表的移动和变形，减小采动对地表及其卜面建筑物的影响和破 坏，而且能够有效地控制煤层上覆导水裂隙带的影响范围，减小采动对地下含水层 坏，而且能够有效地控制煤层{ 二覆导水裂隙带的影响范围，减小采动对地下禽水层 辽宁工程技术大学硕士学位论文 补给、排泄条件的破坏。本文就以上两个方面的问题提出了宽条带跳采的采煤方法， 研究的内容主要有以下几个方面 1 ．通过数值计算分析了宽条带跳采、常规条带开采和冒落法开采引起地表移 动的动态变形和静态变形对地面建筑物的影响和破坏，指出宽条带跳采的可行性及 优点。 2 ．在确定宽条带跳采的参数时，应把采宽和留宽作为一个整体来考虑，在保 证地面不出现明显的波浪式卜 沉盆地的前提下，允许宽条带开采地表下沉盆地内出 现小的静态变形。这样明显增加了条带的开采宽度，极大地提高了机械化程度和生 产效率。通过数值计算，运用图形分析了不同采宽和留宽地表的下沉曲线和水平变 形曲线，提出更加合理的采留比的确定方法。 3 ．介绍了等效渗透张量的计算方法，并给出其有效性的判定标准，保证了裂 隙网络等价为等效连续介质的有效性。 4 ．以获取裂隙岩体渗透系数的两种方法为基础，针对其修正公式的局限性， 通过数值模拟二维压水实验，给出了综合渗透系数的修正公式，该公式的修正结果 体现了裂隙岩体各向异性的渗透特性。 5 ．通过数值模拟，分两种情况比较了宽条带跳采与冒落法开采对地下水运移 条件的破坏程度和降水漏斗的影响范围，宽条带跳采引起的降水漏斗的范围较小， 对地下水赋存、运移条件的破坏较轻。不仅减小了矿井的涌水量，而且有效地保护 了地下水资源。 辽宁工程技术大学硕士学位论文N O ．9 2 宽条带开采的基本理论 2 ．1 宽条带开采工艺 所谓条带开采，就是将矿层划分为宽度适当的长条，采出～条，留下一条，用 留下的矿柱支撑顶板。条带开采引起的矿山压力减小，有效地降低采动引起上覆岩 层的破坏，不仅能够降低导水裂隙带的高度，减小地表变形，而且对底板岩层的破 坏较轻，对防止底板突水也有利。但是，现有条带开采的缺点是采出率低，资源浪 费大，机械化程度低。为了充分利用条带开采的优点，并尽量减小其缺点，采用宽 条带开采。 宽条带开采基于常规条带和一般工作面之间，充分利用拐点移动及非充分开采 变形迭加这一地表变形较小的特点，通过控制单一工作面的尺寸和条带开采的采出 率这两个条件来控制地表变形，常规条带开采避免下沉盆地中央出现地表静态变 形，而宽条带开采允许采区上方的地表下沉盆地内出现小的静态变形，但其值必须 小于受保护体的允许变形，从而增大工作面的开采宽度。 2 ．1 ．1 宽条带开采的类型 1 ．充填宽条带开采指采出部分用充填法管理顶板。充填的一个主要作用是 及时封闭了由开采引起的自由空间，防止了围岩和煤柱的进一步变形另一重要作 用是给处于暴露面的煤壁、顶板和其它采空区提供了支护力，使原来处于单向 或 双向 受力状态的煤柱变成了双向 或三向 受力状态，有效地改善了煤柱的受力 状态，提高了煤柱的强度和稳定性。充填后，各个开采阶段的塑性区范围都有较大 幅度的下降，塑性区无论沿煤层走向还是在垂直方向，都不再是沿整个采空区范围 分布，而是在零星的较小范围分布，不仅大大减小了应力集中区的范围，也减小了 拉应力区和拉应力的最大值。 2 ．冒落宽条带开采将采出部分的顶板冒落下来，使岩块充填采空区，以便 控制顶板的继续跨落。由于煤柱的存在，使上覆岩层尽可能远离充分采动区，使 矿体沿走向方向开采产生的应力集中程度和影响范围大大降低，同时也减小了拉 应力区和拉应力的最大值。由于顶板的跨落，等于相应增加了矿柱的高度，即增 加了压缩量值，所以下沉系数要比充填条带的大。 2 ．1 ．2 宽条带开采的布置方式 1 ．走向条带沿煤层倾斜方向划分条带，条带煤柱沿走向方向留设，采煤工 辽宁工程技术大学硕士学位论文 作面沿走向推进的条带称为走向条带。走向条带一般用于煤层倾角小的缓倾斜煤 层，倾角大了，煤柱就不稳定了。 2 ．倾斜条带沿煤层走向划分条带，条带煤柱沿倾斜方向留设，工作面沿走 向方向推进称为倾斜条带。缺点是工作面搬家次数频繁。 可 H 走向条带倾斜条带 图2 - 1走向条带与倾斜条带的布置方式 l 旦争I 掣。争l 图2 - 2宽条带开采示意图 1 ～地表2 一地表下沉曲线3 一波浪与非波浪下沉盆地的分界线 4 - - 自然平衡拱5 煤层a 一留宽c 一采宽 2 ．1 ．3 宽条带开采的特点 1 ．覆岩破坏规律 在全部冒落法开采时，上覆岩层的破坏一般可分为三带冒落带、裂隙带和弯 曲带。而条带开采引起的地表移动与变形与全采相似，但是覆岩的破坏特征与全采 有明显的不同，引起的地表变形值大大减小。因覆岩是靠条带煤柱支撑，在采出条 带上方形成了自然平衡拱，拱上岩石直至地表仍将保持完整。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 在煤柱稳定并且具有足够宽度的情况下，在采空区上方形成的跨落和断裂高度 较小，没有形成大面积的跨落和断裂。虽然由于任一条带的开采可能引起上覆岩层 内部应力的重新分布，但是这种应力的重新分布不至于导致其它己采出条带上覆岩 层中稳定结构 托板结构、平衡拱结构或拱梁平衡结构 的破坏，因此大大减小了 地表和上覆岩层的变形和破坏。此时每一个采出条带可视为独立开采条带。 每一个采出条带均可视为一个极不充分开采，开采工作面的充分度也是影响地 表下沉与变形的主要因素。只有在开采达到一定宽度后，开采才对地表产生影响。 当工作面宽度较小时，由于变形迭加的作用，地表变形会随工作面宽度的减少而快速 减少。此时，拐点移动的影响就显得比较突出。尽管宽条带开采与单一工作面不同， 相邻工作面的开采必对拐点移动有所影响。但由于条带煤柱的隔离作用 采出率相 同条件下，开采宽度的增加必将增加煤柱的宽度 ，对宽条带开采工作面而言，其拐 点移动的变化较小。宽条带开采虽然在开采后地表未形成均一盆地，但地表的迭加 变形可加以控制，最大变形影响并不会增加，只是最终下沉盆地留有一