开采工作面推进度对地表变形速度的影响.pdf

开采工作面推进度对地表变形速度的影响 第六图书馆 煤层 开采工作面 地表下沉 速度焦作矿业学院学报李德海不详1993第六图书馆 第六图书馆 开 1 、 蓬 箨 c 9 9 3 年第 l 期 总第3 0 期 饕作矿啦学碗学报 J OURNAL OF J I AOZUO M I NI NG I NSTI TUTE 脂 ． I l 99 3 S山Ⅱ． ∞ 一 开采工作面推进度对地表 变形速度的影 响 【 波】 ． 胡戴克 李德海 【摘要l 本文得 出了在连续开采赋存深度 _F ， 和已知其上覆岩层平均抗拉强度 R 的水平 煤层时出现的下沉盆地剖面方程式，并讨论 了其下沉和变形誊教 与开采工作面推进速度的 关系． 关键 词工作推进 速度地 表点运 动影 响显现 滞后 动态盆地 预计在开采时间内她表和岩层的变形 ．具有很大的现实意义．地表下沉速度和与之有 关的变形的确定更为重要．为研究这个问题。世界各国的科学家采取了多种方法．S 克 诺特教授在研究动态下沉靛地中建立了这样的概念即地表点的下沉速度与地表晟终下沉 量 wt 和 由开采 引起 的地裘点 在瞬时 内 F 沉 量 w t Z lE有如下关系 c[ wI wm] 式中c 一 取决于岩层特性的时间系数．如在西里西亚田，c 取 0 ． 5 ～0 ． 7 ／a ． 假如在 ， 0时已开采过一定的范围，此时在继续开采时间 f 内点的下沉可用下式表 示 W c 』 1 W I 1 一e 当开采工作面推进长度 x 时 一主要影响半径 ，点的下沉为 f ． 2 e 警 一 P _ 1 l 1 方 ‘ ～ 卜 ” ’ I l 式中 V - ⋯工作面 推进速度， m／a ． M 胡戴克和 L斯特 藩l 基教授经观测和实验 室模 拟实验研究得出赋存 在开采层上 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 第 1 期 【 渡】 M． 胡藏克李德海开采工作面推进度对地表变形速度的影响 ’6 5 ’ 方各水平岩层 的下沉盆地 削面方程式为 式中 g 一 开采层上方从坐标原点到r z 地表稳定盆地剖面方程式 为 距离 内岩层下沉 量． 一 ／ f ox p 焉警 ． 一mu √ ． ． 式中0一 一 深度 H 内岩层 的平均容重{ 兆巴 ／米 ； ，广一 深度 H 内的糟层平均抗拉强度 兆 巴 ； 一一 开采层埋深 2 - - 变 量． 1 在开采影响下地表点的运动 - J j 2 |一 一 h l A I 一 一 } ， 一 一 J 一 一 _ ／’ 、 、 ＼ ／ t I ‘ 生 ． 1 ／ H ℃ ． ／ I { 々 『 I L ＼ Z 一 、一 t 一一一一一 r _- 图 1 开采工怍而推进引起点 A竖直移动 地表点 和在 z水平岩层内的点 c的运动与岩层在 自重影响下向采空区整体移动有 关，由图 1 可以看出，对于每一个开采工作面推进度 出，就有与之相适应的地表下沉量 ． 具有下沉量 加 的点 位于用动态影响范围确定的距离 。 f ， 内 一 一 开采工 尽 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 6 6 焦作矿业学院学报 1 9 9 3拄 作面平均推进度；l , -- -- 开采工作面停止推进以后影响滞后时间 ．在这段时间 出 内工作面 推进度 为 出 ． 开采工作面推进 速度增值 为瞬时速度 出 时 点 A下沉速度的增值为 d r 2 将 6 代人 7 并积分得 ． d x ， 。一 d t ． d ‘ ， 2 ． 1 2 l 式中 一点 A 下沉的最后速度 广开采 工作 面平 均推进速度 ． 蛆 圈 所 示 - 荨 一 形成动态盆 地必须的开采时间 ～ 在动态盆她 内开采对地 表影 响的范围， r 一 dw x 一地表下沉盐地 制面在各点 的倾斜 J r 一 X ， 一 √ p 由式f 8 得点的下沉速度为 广 一 ～ ～ 一 √ 一 ． 2 ． ， e x p f_ 百 一 m 8 1 0 在距 离 x r内点 A获得 最大下沉值时 ，这是形成稳 定盆地剖面并接近 稳定盆地形状 的开始 ． 由 上 所 述 ， 在 式 1 0 中 代 人 影 响 范 围 半 径 r ／ 得 r l， 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 第 l 期 【 波】 M ． 胡戴克李德海开采工作面推进度对地表变形速度的影响 ’6 7 ’ _0 ～ 一√ ， ， 1 1 式 1 0 在极限边界条件下获得如下值 1 当开采工作面推进长度 ；D和推进速度 0 ，点的下沉速度 ；O ； 2 当 一 一 及 0时， 广 0 ； 3 D 2 r 及 ≠0时，点 的下沉 速度 由式 1 O 、 1 1 、 1 2 确定 4 当c x p 【 二 】 1 ,X l 01 ,X i 0时．函数 1 o 获得最大值，此时点的最大下沉速度 4 当c x p 【 j 】 时函数 1 O 获得最大值，此时点的最大 1 况速度 “ m ， m √ ， ， 由式 1 0 可以确定在动态盆地延续时间内影响范围半径，即 ～ ． c p 【 ≠】 ～ “ 产 当 0时将是在动态盆地内最大的影响范围 t 2 当开采工作面进一步推进到 X 广 2 r 时，点的下沉速度值为 ，由式 1 O 并 代人 墨2 r 得 V ， 0 ． 0 0 0 3 5～ n ～ 一√ ， r 1 4 在这种情况下，点的下沉速度 很小，事实上动态盆地已转换为稳定盆地．进一步 增大工作面推进长度 置一。 。 ，在开采工作面后方点的运动逐渐消失 e P 0 ． 2 开采影 响显现滞后 时间 连续 开采 影响显现滞后 时间 可用 下式 确定 Ⅱ m ’ l I l 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 6 8 焦作矿业学院学报 9 9 3妊 由式 5 和 1 O 得 2 t 2 r r 。。 产 p 1 l c x p [ Ⅲ I 5 1 6 由式 1 6 可知， 开采 影响显 现滞后 时 间不取 决 于开采层厚 度 ，而 取决于 开采 层埋揉 H、工作 面推进速度 和 层 的地质力学特性 ． 当 时 I J 唧 f Ⅲ f ‘ Z l H R ／ _ _旦 由式 1 6 得最大值为 ， 、 、 、 ＼ 、 ＼ ＼ ＼ } ， ， ， H - 形成充分下沉盆地 的时间为 匦 2 在地袁形成充分下沉盐地的时间 1 7 1 8 ， ， 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 呲 】 M _ 胡蕺克享穗海开采工作面推进度对地裘变形越 的影 响 ． 6 9 ． 一2 ／ -H ， o ． R 后 方及 前 方开 采结 束 后开 采影 滞后 的时 阉 ， 当 对 ， ，I f 何 。⋯ ’ √ 由 此 ， 式 1 8 为 毒 厚 毒 ； 3 开采缓慢影响参数 麓 豳 3 在时间 以 内- 工作而推避长度 呶 开果层上方 z水平岩层下抗增量计算示意 雷 2 0 譬 一 一 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 7 0 焦作矿业学院学报 1 9 9 3越 开始的瞬时， 即在点 竖直运动时间 t 0时，点 的下沉速度 0 。由此对式 2 0 积分得 ’ 2 式中 ， 点的竖直运动时间． 式 2 1 式左边分子分母乘以 出 并数理得 f ， 子w m “ √ 21 2 2 由式 2 2 确定的 点运动的耐问非常短，而实际上点 的运动用很慢的速度和很长 的时间进行。岩 层和地表下沉的减缓是由岩层 的阻力引起 的。该阻力与岩层赋存深度 H、抗拉强度 开采层厚度和顶板管理参数有关． 确定岩层的阻力作为岩层运动缓慢参数．记为 OP ． 对于开采工作面推进长度的每一个 出 相应的有一个点 的下沉值 咖 和一定 的缓慢 影 响 OP，即 d 0 ．P w 式 2 3 两边 同除 以开采和下沉 同时进行的时间 出 得 鲁 0 一P 警 即 0． P- 式中 一 一 她表下沉速度．由式中 2 3 、 2 4 得 D． P。 三 岩层晟小阻力将在最大的变形处，即在煤层 的边 缘 x 0处． 由此得 1 【 2 3 2 4 2 5 2 6 - 唧 擘 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 第 1 期 瞅 1 M 胡藏克李德海开采工作面艋进度对地表变形速度 的影响 。 7 1。 岩层的阻力参数是个不定的数．它与岩层的强度．开采深度有关． 4 动态盆地剖面方程式 由式 2 1 得 P ．1 V dt ’ 当函数 1 0 在 2 7 中为瞬时速度时我们得 d w dt 而 V xf 代人式 V V ’ J r 一 X’ m √ 再 ，_ ’ 。 2 8 并积分 ，得 动态盆地剖面方程式为 ⋯ ／ r lr f 一 Ⅱ ～ ． 1 一 √ J 。 “ 卜 】 ． 【 2 8 4 ． 1 动态盆地 剖面 倾斜 动态盆地剖面倾斜用式 2 8 确定 当 l 时， 卜 开采朝着 轴 方向延续 的时 间 ． 石d Cv～ ～ 一 唧 矗 倾 斜的最大 值根 据式 2 7 、 2 8 得 ， n1 。 一 在动态盆地 中倾斜最大值取决于最终下沉速度 ， ∥ ’ 一 ‘ ff 3 0 【 3 1 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 7 2 蒜作矿业学院学报 1 9 9 3年 一 0 ． 5 W 一 、／ 南 在动 态盆 地中的最 大倾斜是稳定盆 地 中最大倾斜 的一半． 4 ． 2 地表 曲章 在动 态盆地 中曲率 变化鼬 速度 由式 2 9 - - 次导数确定 J r【 ’ ]一 K 2 I， ， ， √ “ p f 当 D ． 4 r时．曲率 出现最大值，由式 3 3 得 ， K f ． ] 1 5～ 一 而 4 ． 3 水平移动 ～ 一 ～ 一√ J ， 而 。 -2 r ．代入 3 5 得 f ’ ’ Uf n。 0 ． 8W m “ ’P 一 ． v．f 2 ．， 芝 最大水平移动出现在 f D时 停止开采很短的时间 Um 0 , 8 Ⅻ 4 -4 水平变形 在开采进行时间内的水平变形由对式 3 5 求导并整理得 一 √ 斌 p 【 J ， 一 Ⅱ ． v 2 ． f 2 ． ， ．．．．．．．．．．．．．。．．．．． ．．．．．．．．．．． ．．．一 ’ R 3 2 3 3 3 4 ‘ 3 5 3 6 3 7 一 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 第 1 期 I Z I M 胡戴克李德悔开采工作面推进度对地表变形速度的影响 ． 7 3 ． 水平 变形最大值 出现在 点 t ffi0 ． 4 r 处， 即 ￡ - z ～ 、／ 南 在动态盆地 中水平变形是稳定盆地 中水平 变形 的 2倍 ． 6 开采工作面推进速度 3 8 实 际观 测及相 似模 拟 实驶研究 表明，开采工作 面推进 速度增大 的最初 ，地表及岩 层变 形减小； 而当开采工作面推进速度超过某一个速度 h 而继续加 快时 ， 变形增大 ． 利用式 1 0 和 2 1 可以确定开采工作面的平均推进速度 开采水平煤层 ， 3 9 式代人 1 。 得 3 9 4 0 当开 采工 作 面推进 长度 具 有值 l 打 时，变形 达到最大 值 ， 此时工作面的最 大推进速度 为 一-o - 。 s 圳 【 4 1 由式 4 O 得，直线开采工作面推进速度随开采深度减小应相应减小，随覆岩强度增大 可相应增大． 6 结 论 1 在 0处开始煤层开采， 影响显现滞后时间用式 1 6 、 1 7 确定 ． 2 开采工作面进一步推进，引起形成动态下沉盆地用式 2 9 确定；用式 3 2 确 定 动态 盆 地 剖面倾 斜 时 表 明，此 倾斜 是 稳定 盆 地 剖面倾 斜 的二分 之 一 ；而 由式 3 3 3 4 可知动态箍 地 曲率 与稳定 盆地的 曲率相 同从 3 5 3 6 和 3 8 式分别可 以看 出，动态盆地的水 平移动看『 水平 变形分别 是稳 定盆 地水平移 动和水 平变形 的 2倍 ． 3 地表点下沉的时间取决于岩层的地质力学特性和开采深度；也取决于覆岩的岩层 阻力参数，即缓慢影响参数 O P ． 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 7 4 焦作矿业学院学报 j 9 9 3年 f 4 开采工作面推进透度的大小取决硬板管理方法和岩石力学特性 ；开采工作面最大 推进速度 V x s ma x随开采深度和岩层强度增加而增大。随开采层厚度增大丽城小． 参考文献 1 M ．c h u d e k ．T o r e t y c z r m u 妇c l e p r o g n o z o wa n i a d e t o r r a ． c j g o r o t wo r u i p o wi e r z c hn i ． wy d ． p o l s 1 ． Gl i wi c ． 1 9 9 0 2 M瑚 熏克萼 地表和岩层变形瑶| 十 的理论方法 煤炭科学技木。I 9 8 9 I 一 2 】 ． ]M 胡藏克． 岩 悻中坚硬岩层折断时的振动能计算以且为防止 冲击地压和保护地表所尤许的堞层开采厚度． 焦作矿 业 学 院学 报．1 9 9 0 1 ． f 本 文责任梗对胡秀 芳1 EFFECTS 0F TH E PROGRES S OF THE W ORKI NG FRONT U pON TH E RATE OF DE ATf ONS OF TH E S URFACE AREA OLAND1 M． c h u d e k L i De h a i ABS TRACT Th e p a p e r p r o v i d e s a n e q u a t i o n f o r t he p r o f i l e o f t h e t r o u g h o f d e p r e s s i o n i n t h e C O U r S e o f mi n i n g a c t i v i t i e s i n c o a l s e a m s a t t he d e p th H， a bo v e wh i c h wh e r e i s a r o c k ma s s i f wi t h a n a v e r a g e t e n s i l e s t r e n g t h Rr s ． the v a l u e o f t h e d e p r e s s i o n a s we l l a s t h e v a l u e o f t h e r e m a i ni n g f a c t oA of d e f o r ma t i o n de pe n d i n g o f t h e r a t e o f t h e l i n e a r s h i f t o f the wo r ki ngf r o nt ． K EY W ORD S pr o g r e s s o f t h e wor k i n g f r o nt ， M o v e -me n t of po i n t a t t h e s u r f a c e ， The de l a y o f e f f e c t i o n r e v e a l 。 Dy n a mi c b a s i n 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆