矿区开采地表沉陷的模型研究.pdf

第卷第 期 矿区开采地表沉陷的模型研究 宋 振骥 ’ 卢国 志 ’ 崔洪明 ’ 彭 林军 ’ 山东科技大学 , 山东泰安宁夏煤业集团公司 , 宁夏银川 洲 摘要 和数学模型 , 导作用 。 絮 默孺翼篡默 进行研究 , 提出了一种和传统研究方 法不同的理论模型 本研究成果对矿区开采地表沉陷的计算具有较强的指 关键词煤矿开采 分类号 十 地表沉陷模型 文献标识码 研究 文章编号 一一一 开采沉陷模型的理论基础 开采沉陷结构组成 煤矿开采最大沉陷值 一由工作面煤壁压缩值 和既定工作面长度 。 条件下 , 破坏拱上悬空 失 去支承的上夜岩层的最大挠曲值 甲。以及由于第四 际岩层从缩水所引起的压缩值玩三部分组成见 图 , 其关系方程如下 礁 。 夕 。 甲。 。 式 其中一开采最大 沉陷值 孙一煤壁压缩值 咖一最大挠曲值 各 二表土压缩值 影响沉陷值各组成部分 的主要因素 影响煤壁压缩值又的因素 影响煤壁压缩值又的因素主要有以下五个方面 ①煤层的厚度采高 ②煤层的强度 以煤层 的压缩刚度即每压缩 毫米的压力值 来度量 , 煤层 的强度愈大 , 刚度愈大 , 采 高愈大 , 刚度愈小 。 ③支承压力采动中各移动岩层给煤层的作用 力 支承压力愈大 , 则不的值愈大 。 ④开采深度 在既定工作面长度 或连续开采范围条件下 , 开 七 竹钦俄 汽 占 琪 。 从 认 龙 日 奋 ‘、入 ,厂 、 开采沉陷结构 组成图 收稿日期 一一 宋振骥 卢国志崔洪明 彭林军矿区开采地表沉陷的模型研究第期 采深度愈大 , 支承压力愈大 , 煤壁的压缩值不将愈大 。 ⑤工作面长度和连续开采宽度 在既定采深的条件下 , 支承压力将随工作面长 度或连续开采宽度增加而增加 。 但是必须注意这 种增加是有限度的 , 当连续采宽增加到破坏拱上部 顶板失稳破坏断裂高速沉降触研后 , 支承压力将 下降 。 歹 。 值将减少 , 即压缩沉降随连续采宽增加是 有限度的 , 存在着最大值 。 超过此限 , 由于采动破坏 拱的扩大拱内触研岩层厚度的增加压缩沉降值将 急速减少 。 影响拱顶岩梁最大挠曲值咖的因素包括以 下两个方面 ①拱顶基岩厚度从在未经充分采动即上覆 岩层断裂破坏未发展到地表的情况下 , 拱顶悬空岩 层沉降挠曲值 。 由基岩厚度从和基岩上部表土的 厚度确定 , 拱顶基岩厚度从愈大 , 表土厚度愈 小 , 则 甲。将愈小 。 在既定表土层厚度情况下 , 影响从 及挠曲沉降值枷的主要 因素为 开采深度开采煤层深度愈大 , 则在既 定工作面长度或连续采宽肠条件下 , 拱上基岩厚 度从和下沉值枷将愈小 。 工作面长度‘和连续开采宽度 艺 , 一‘ , 乙和 , 愈大 , 则进人断裂破坏的岩层高度 拱 高 将愈大 , 从的值将愈小 , 枷的值则愈大 。 如果连 续采宽增加 , 则拱高发展到基岩全部破坏 , 即进人 “ 充分采动 ” 阶段 。 甲。的值将接近开采煤层厚度 采 高的数值 , 该值不再受工作面长度的影响 。 ②破坏拱顶悬空跨度 由破坏拱最上部岩梁的 第一次断裂步距决定 , 在未充分采动即岩层破 坏未发展到地表的情况下 , 愈小则 甲。值愈小 。 影响第四际岩石压缩值肠的主要因素 影响第四际岩石压缩值肠的主要 因素是由第四 际含水层水量流失程度决定 , 在未进人充分采动情 况下即裂隙带未进人第四际 , 玩 二 。 关于采高和煤层厚度对沉陷值的影响问题 在未充分采动 岩层破坏未发展到地面时 阶 段的地表沉陷 在既定工作面长度连续开采宽度条件下 , 又 与开采高度和煤层厚度的关系是 ①不值随一次采高增加而增加 ②枷值则与采高 没有直接联系 ③思 。 随采厚增加线性比例增加的结论是不对 的 对顶板下沉的公式需要修订 。 当工作面长度和采宽增加到使得悬露岩梁全 部断裂 , 即裂断破坏发展到地表时 , 地表沉陷值将随 采出煤层厚度成正比 , 随采空时间的增加和研石的压 实 , 沉陷值将接近采出煤层的厚度 。 此时的最大沉陷 值将与煤壁压缩值又没有直接的联系 。 在未充分采动的前提下 , 即基岩层砌体梁断 裂未全部实现 , 在即定工作面条件下的沉陷值与采厚 的关系不是线性相关的 , 更不能简单得出裂隙高度随 开采厚度和采高增加而增加的结论 。 在未充分采动条件下 , 对于厚煤层 , 分层开采 的裂隙带 , 比一次全厚开采不是增加而是可能更小 。 不能简单得出裂隙带高随采高增加的结论 。 相反在 既定工作面长度条件下 , 随一次采煤厚度冒高成倍增 加 , 裂隙高度将会减少 。 开采沉陷的数学模型 煤壁压缩值的数学模型 开采沉陷模型如图所示 。 根据矿山压力理论 , 压力分布范围可以分为三个阶段 , 所以 , 岩石压力也 应该分为三个支承压力区间来进行计算 。 第一 区间内应力场区区间 。” 二 小腼 式 第二区间塑性破坏区区间 。 邓 , 二 、、 式 第三区间弹性应力区 区间 ” 二 小、 式 其中 。被称作 内力场岩石压力 , 二 , 被称作 塑性破坏区压力 , 越称作弹性区压力 。 煤层的总 体载荷值 二 二 二 。 二 , 其中 。二 阴刃 式 二 ‘、。 晋 城 二 , 、一 小灿 , 二 第期西北煤炭 一一一 一 二 着 ‘ ‘ 乙 ,。 。一 ‘ 资 。 告 一 晋 切 一 二 、 。 二 小、 卜、 , 认 二 下一 合 式 把式 , 式带人式 元‘扣阮 二 画李卫 么 二 些鱼应宝 一 盆 石 ’ 了 二 岁 ,翅万, 。 范围内支承压力 的积分方程为式 其中一为内应力场范围 ,一为塑性 区范围 凡一为弹性区范围 , 一为外应力场范围 。 一为地表沉陷范围 , 且 ,二。, 乙一为工作面长度 一为支撑压力范围 二 。, 月一为煤层开采深度 一为采动所造成压力拱的拱高 从一为拱顶基岩的高度 从一为表土层的高度 一为拱顶来压步距 ,一为老顶平均围岩断裂步距 一为直接顶厚度 , 。 为表明该岩层岩石容重 ‘ 一为上覆岩层和表土层的平均容重 一为 区上方直接顶的压力 召一为裂隙层对 的压力 ①内力场支承压力平衡方程 孙 二 刃元 一予 夕 ,一 歹 叭元刃刃元 式 其中乙元表示 , 。作用下 的煤壁压缩值 乙刃表示 。, 作用下的煤壁压缩值 乙刃的计算如下 又 ‘扣阮 ‘ ,面访。 万 烈。 式 解得在 。。用下的煤层最大压缩值 酥 二 挤 式 ②塑性破坏区支承压力平衡方程 煤层支承压力分布区的塑性破坏区间 压力平衡方程为式 煤体压力值 。 , 二‘示 , 的支承 式 匀凡 支承压力值 , 二 、、 式 载荷值。 路,二 告 ‘ ‘了 ‘、 , 。火。一 。 。口 晋 切 一 、 其中 ‘,二 几 。 , 烤 平衡方程 凡 「一 八 , 。 卜扣比二 氏 ‘ 式 同理假设煤层压缩值又在 , 范围内按线性分 布 , 则有式巧 ,一 、 二 衅产 、 命在 , 范围内也按线性分布则有 凡 。 、 二 告 甄 式 冬 二 乙 同样假设 式 假设煤层压缩值又在范围内按线性分布 , 则 有式 目二 互二还 二 一一玉鱼二丝 ‘ 。、 份合‘ 理石二 务 二 一一舍‘ 式 乙少 。 。 。‘ 。 。 同样 , 假设份在 。 范围内也按线性分布 , 则 有式 丛巴巫遥 三 。式 把式 、式 带人式 , 得式 凡 、 二龚嗜 渔 式 解得在 。, 作用下的煤层最大压缩值 宋振琪 卢国志崔洪明 彭林军矿区开采地表沉陷的模型研究第期 乙 二 , 式 笋 二 箫 ‘ 箫 瓮 式 ③弹性区支承压力平衡方程 应力值氏 ‘沙菇 按式 , 的推导得式 式 挠曲沉降值的数学模型 由图模型中拱顶岩层悬空度即上搜岩层 第一次断裂步距计算上覆岩层最大挠曲值 甲的表 、 哗拼 式 达式 根据弹性区的性质假设 变即式 命 肠 仇在 , 范围内保持不 甲。 二万 ‘ 小结 艺、 ,‘ 价 艺 么 式 式 根据 前面的研 究和推导 , 得 出地表沉陷值 。 至 三 玉 鱼二三立 一甘 甲玩。劣 为 支承压力值 沁 ’肠哗拼么 式 瓷瓷瓷 今芳 一 ‘ 不碳 粉 石 ’ 式 场 载荷值口 、 二一 口 、。 平衡方程 汕 姜 ‘衫 丢 口践 ’ 囚 ’睁 甘 一 一 ‘ 尸 ‘ 丫 ’刃 即 , 二 。 弹性煤层压缩值的方程为 参考文献 、 二 瓮 根据式 , 结合式 , 式 , 式 式 蒋金泉 采场围岩应力与运动 川煤炭工业出版社 , 作者简介宋振联 一 山东科技大学教授 , 中国 式 科学院院士 , 主持和参加完成了包括国家六 五 ’、“ 七五 ’ 苗点攻 关项目在内的重大科研项目项参加和指导完成现场工程项 目项 , 研究成果曾先后获国家科技进步二等奖 、 国家 “ 六五 ’ 式 攻关表彰奖 、 煤炭工业部科技进步一等奖 、 山东省教委及国家教 委优秀著作一等奖等多项奖励 , 出版专著 部 、发表论文 余篇 。 群 ,, 责任编辑杨惠波