条带开采地表移动参数研究.pdf

第30卷第2期煤 炭 学 报Vol . 30 No. 2 2005年4月JOURNAL OF CH I NA COAL SOCIETYApr . 2005 文章编号 0253 - 9993 2005 02 - 0182 - 05 条带开采地表移动参数研究 郭文兵 1 ,邓喀中 2 ,邹友峰 1 1 1河南理工大学 资源与材料工程系,河南 焦作 454000; 21中国矿业大学 环境与测绘学院,江苏 徐州 221008 摘 要分析了条带开采地表移动参数的影响因素,并在此基础上,结合现场观测站实测数据和 理论分析,建立了条带开采地表移动预计参数新的计算公式.这些计算公式考虑的因素较为全 面,并且其中的参数均容易确定,计算方便,可操作性强.通过现场应用对比,这些计算公式得 出的条带开采地表移动和变形预计参数预测地表沉陷更接近于现场实际,可以作为条带开采地表 移动和变形预计参数确定的依据. 关键词条带开采;地表移动参数;开采沉陷 中图分类号TD 325 文献标识码 A 收稿日期 2004-09-29 基金项目国家自然科学基金资助项目50474064 ;河南省自然科学基金资助项目0411050200 ;河南理工大学博士基金资助项目 648406 作者简介郭文兵1969 - ,男,河南宁陵人,工学博士,副教授.Tel 0391 - 2930258,E - mailguowbhpu1edu1cn Research on surface movement parameters of strip2partialm in ing GUO Wen2bing 1 , DENG Ka2zhong 2 ,ZOU You2feng 1 11Department of Resource and M aterial Engineering, Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China;21College of Environment and Spatial Infor matics, China University of M ining and Technology, Xuzhou 221008,China Abstract The influencing factorsof surface movement parameterswere analyzed. And then the new ula of cal2 culating surface movement parametersof strip2partialminingwere set up based on observation station data and theo2 retical analysis1More influencing factorswere taken into account in these for mula than the existing s . And also the variables in the ula are easily to make certain1It is convenient to calculate the surface movement pa2 rameters of strip2partialmining using these for mula1The predicted mining subsidence values using the parameters that are calculated according to these ula nicely accord with the surveying results in2situ by comparison1So these new ula can be used to calculate surface movement parameters of strip2partialmining . Key words strip2partialmining; surface movement parameters; mining subsidence 条带开采是煤矿 “ 绿色开采技术 ”体系中的重要措施之一 [1 ] ,目前已成为我国村庄下、重要建筑物 下及不宜搬迁建筑构物下等压煤开采的有效技术途径 [2～8 ]. 条带开采地表移动参数是进行条带开采 地表移动和变形预计的关键性参数,其取值的准确性直接影响到地表移动和变形预计结果的精度.无论采 用哪一种预计方法,如果预计参数选不准,都不可能得出符合实际的预计结果.因此,条带开采地表移动 和变形预计参数的准确选取对提高预计精度至关重要.我国自1967年开始应用条带法开采 “ 三下 ”压煤 以来,先后在全国10多个省市、数百个条带工作面进行了条带开采,其中部分建立了地表移动观测站进 行现场实测,为条带开采地表移动参数的研究提供了重要的实测资料.我国学者曾在分析实测资料的基础 上,对条带开采预计参数选取及其与地质采矿条件的关系进行了研究 [9, 10]. 得出了条带开采下沉系数、水 第2期郭文兵等条带开采地表移动参数研究 平移动系数、主要影响角正切和拐点偏移距与全采时的关系,建立了经验公式并被广泛应用,见表1.目 前,这些公式是进行条带开采地表移动和变形预计求取参数的主要方法. 表1 条带开采地表移动参数计算公式 Table 1 Surface movement parameters calculating ula of strip2parti alm i n ing 参数公式一公式二 下沉系数qt H -30 5 000a/b -2 000qq qt H 45 1 250-1 450 b a b 0130112 b H qq 水平移动系数 bt 1129-01002 6H bqbt 10 000 10 750716Hbq 主要影响角正切 tanβt 11076-01001 4 H tanβqtanβttanβq-01574lnH 2134 拐点偏移距st 1156bH a 0101H 30 st 1 4-0137ρ Sq 注H为开采深度;下角t为条带开采;q为全采. 近十几年来,随着条带开采的广泛应用,新的条带开采的现场实测数据逐渐增多.经过对比分析,上 述经验公式对于同一个煤矿、同一地质采矿条件下条带开采预计参数的计算结果差异很大如下沉系数 经验公式二的计算结果是公式一计算结果的3倍 , 预计时选取预计参数比较困难,必然对地表 移动和变形预计的结果造成误差.因此,有必要在补充新的观测站资料的基础上作更深入的研究.笔者经 过现场调研及资料检索,获得了大量新的实测数据,并对实测数据的地质采矿条件进行了分析.经过认真 筛选确保了数据样本的合理性和可比性.在对条带开采地表移动参数与各个影响因素关系综合分析的基础 上,选取主要影响因素,系统研究其作用规律,建立了新的条带开采地表移动预计参数的经验公式. 1 条带开采地表移动参数影响因素分析 [11～16 ] 1下沉系数的影响因素 实测资料及理论研究表明,条带开采地表下沉系数主要与以下地质采矿 因素有关 [1, 12 ] 采宽b、留宽a、采深H、采厚M、采出率ρ 、采煤方法与顶板管理方法、上覆岩层结构及 物理力学性质、煤柱及顶底板围岩的力学性质、条带开采区域面积、重复采动、煤层倾角 α等.此外, 在不同的地质采矿条件下,影响条带开采下沉系数的因素可能还有地质构造、水文地质条件、地形条件、 表土层厚度以及岩体的节理效应等. 2水平移动系数的影响因素 综合分析表明,影响条带开采水平移动系数的因素有①采深H, 它随采深的增大而减小;②采出率ρ,随采出率的增大而增大.此外,影响条带开采水平移动系数的因素 还有煤层倾角α 、冲积层厚度、采动程度、岩体综合变形模量、开采厚度M以及岩体的节理效应等. 3主要影响角正切的影响因素 主要影响角正切tanβ是开采工作面的深度与主要影响半径之比. 全采时主要影响角正切tanβ的大小主要与上覆岩层岩性、冲积层厚度、采深H等有关.条带开采主要影 响角正切的影响因素主要有采深H、覆岩综合评价系数P等.与煤层倾角 α 、煤层厚度M、条带开采尺 寸、采出率ρ 等因素的关系不太明显. 4拐点偏移距的影响因素 全采时拐点偏移距的影响因素包括上覆岩层岩性、层位、采深H、松 散层厚度、工作面尺寸、煤层倾角α 、采厚M、采动程度、重复采动、采煤方法和顶板管理方法等.覆岩 岩性和采深H是影响拐点偏移距的主要因素,随上覆岩层强度及采深H的增加而增加.我国一般矿区s≈ 0105～0143H之间.分析表明影响条带开采的拐点偏移距st的主要因素有采深H、采出率 ρ 、采宽 b、煤柱留宽a、上覆岩层综合评价系数P等.此外,条带开采的拐点偏移距st与松散层厚度、条带开采 区域面积采动程度、煤层倾角α 、采厚M、重复采动、采煤方法和顶板管理方法等有一定的关系. 2 条带开采地表移动参数分析 1下沉系数 首先分析条带开采下沉系数和全采条件下下沉系数的比值qt/qq与各主要相关单因素 381 煤 炭 学 报 2005年第30卷 之间的关系,然后综合分析与各个因素的关系.分析表 明qt/qq随采厚M的增加而减小;随采深H的增加而增 大;随着采出率 ρ的增大,条带开采的下沉系数显著增 大;随开采宽度b的增大而增大;随留宽a的增大而减 小.qt/qq与各因素的综合关系如图1所示,经验公式为 qt qq 01266 3 e -01575 3Mb a b 21688 7 ln bH a 01033 6. 1 2水平移动系数 根据对影响条带开采水平移动 系数的主要因素的分析,水平移动系数随采深H的增大 而减小;随采出率 ρ的增大而增大.所以用H /ρ的关系 来描述两者对bt/bq的影响,如图2所示.bt/bq与采深H 和采出率ρ b/ a b的综合关系为 bt bq -01000 2 H a b b 01878 6.2 3主要影响角正切 条带开采主要影响角正切tan βt的主要因素有采深H和上覆岩层综合评价系数P.随着 采深H的增大, tanβt/tanβq减小; tanβt/tanβq随上覆岩层 综合评价系数P的增大而减小.所以用PH的关系来描述 两者对tanβt/tanβq的影响.综合关系如图3所示,参数tan βt/tanβ q与采深H和上覆岩层综合评价系数P的总关系式 为 tanβt tanβq 01784 7e -01001 2PH. 3 4拐点偏移距 分析表明,影响条带开采的拐点偏移距st的主要因素有采深H、采出率 ρ 、采宽b、 煤柱留宽a、上覆岩层综合岩性等.条带开采的拐点偏移距st随采深H及开采宽度b的增大而增大,随留 宽a的增大而减小,故采用bH /a的组合来分析与拐点偏移距st的关系.此外,拐点偏移距随采出率的增 大而增大.综合关系如图4所示,建立的经验公式为 st01067 3 b 2 H a a b 21564.4 图3 tanβt/tanβq与PH的关系 Fig13 Relationship between tanβt/tanβqandPH 图4 拐点偏移距st与a,b,H的关系 Fig14 Relationship betweenstanda,b,H 481 第2期郭文兵等条带开采地表移动参数研究 3 结果分析与实例对比 311 公式特点分析 通过以上分析研究,得出了条带开采地表移动和变形预计参数qt/qq,bt/bq,tanβt/tanβq,st的计算 公式.这些公式相对现有的计算公式而言,考虑的影响因素更为全面,主要特点体现在以下方面 1在qt/qq的计算公式中,不仅考虑了采深、采宽、留宽3个因素的影响现有公式考虑的因素 , 而且还考虑了煤层开采厚度M的影响.条带开采下沉系数与煤层开采厚度有关已被实践所证实,因此, 计算公式中考虑煤层开采厚度M的影响则会更接近于实际.特别是对厚煤层条带开采地表移动和变形预 计参数的选取则更有实用价值. 2现有普遍采用的计算条带开采bt/bq的方法中,仅与采深H有关,没有考虑采出率采宽、留 宽的影响,本次研究得出的公式考虑了该因素的影响,虽然其影响不十分显著,但公式中反映出了其 影响关系.同时,该公式避免了现有公式当H500 m时bt计算为负值的不合理现象. 3现有普遍采用的计算条带开采tanβt/tanβ q的方法中,仅与采深H有关,本文研究中考虑了覆岩 岩性的影响.在tanβt/tanβq的计算公式中,不仅考虑了采深H的影响,而且考虑了上覆岩层岩性的用 上覆岩层综合评价系数P表示的影响. 4在拐点偏移距st的计算公式中,综合考虑了采出率、采深、采宽、留宽等因素的影响. 312 实例对比分析 结合平煤集团某矿条带开采实例对新建公式进行对比分析.根据地表移动观测资料,该矿全采时概率 积分法预计参数下沉系数qq0182;水平移动系数bq0130;主要影响角正切tanβq216;拐点偏移 距s0105H.条带开采区域的地质采矿条件为煤层厚度M 210 m;采深H 241 m平均 , 采宽为 24 m,留宽为30 m,设计采出率为4414.上覆岩层岩性综合评价系数P根据采区地层综合柱状图求得. 各公式计算的条带开采地表移动预计参数及其预计条带开采地表最大下沉值与实测结果对比见表2. 表2 某矿条带开采地表移动参数计算对比 Table 2 Comparison of surface movement parameters of strip2partialm in ing 计算参数公式一计算值公式二计算值本文公式计算值实测值 qt01041011470108601078 bt 011990123801233 st912803114081331 tanβt 119201179011755 最大下沉/mm8110290101691415410 为进一步说明本文公式的准确性,同现有公式进行对比,对比分析采用标准差的形式,即 σ 1 n -1∑ n i 1 X i - X 2 ,5 式中,σ为标准差;Xi为各样本计算出的相应值;X为实测样本均值;n为数据数目. 表3 各计算公式的比较 Table 3 Comparison of calculation ulae 计算标准差公式一公式二本文公式 σ q t/qq 01099 61901099 22801094 831 σ b t/bq 01157 19601401 08501144 906 σ s t 101372 300-91424 162 σtanβt/tanβq 01172 580-01100 719 随机抽取部分实测样本数据进行计算,结果 见表3. 根据表3的比较结果可知本文公式计算精 度均高于现有的公式.由于本文研究用到了大量 的实测数据,使得公式有较好的精度和实际价 值.公式一和公式二计算的条带开采 地表移动参数差别较大,下沉系数相差3倍之 581 煤 炭 学 报 2005年第30卷 多,其它参数也有较大差别.而实践中发现,按公式一给出的预计参数预计地表移动和变形值与实 测值比较往往偏小,公式二给出的预计参数预计地表移动和变形值与实测值比较偏大,说明本文给 出的计算公式更接近于现场实际. 4 结 论 1分析了条带开采地表移动参数的影响因素,并在此基础上,结合现场观测站实测数据和理论分 析,给出了条带开采地表移动参数下沉系数、水平移动系数、主要影响角正切、拐点偏移距新的计 算公式. 2本文给出的条带开采地表移动参数计算公式考虑的因素较为全面,并且保留了以往经验公式的 简便.公式中的参数均容易确定,计算方便,可操作性强.经应用对比分析,本文给出的计算公式得出的 条带开采地表移动和变形预计参数预测地表沉陷更接近于现场实际.可以作为条带开采地表移动和变形预 计参数确定的依据. 参考文献 [1] 钱鸣高,许家林,缪协兴 1煤矿绿色开采技术[J ].中国矿业大学学报, 2003, 32 4 343～348. [2] 何国清,杨 伦,凌赓娣,等 1矿山开采沉陷学[M ].徐州中国矿业大学出版社, 1994. [3] 吴立新,王金庄,刘延安,等 1建构筑物下压煤条带开采理论与实践[M ].徐州中国矿业大学出版社, 1994. [4] 焦传武,仲惟林,耿德庸 1条带法开采实施建筑物保护的实践与认识[M ].北京煤炭工业出版社, 2002. [5] 张华兴,赵有星 1条带开采研究现状及发展趋势[J ].煤矿开采, 2000 3 5～7. [6] 郭文兵,邓喀中,邹友峰 1我国条带开采的研究现状与主要问题[J ].煤炭科学技术, 2004, 32 8 7～11. [7] 黄乐亭 1我国村庄下采煤的现状与发展重点[J ].矿山测量, 1999 4 3～5. [8] 张玉卓,陈立良,周万茂 1村庄下采煤的理论基础[J ].煤炭科学技术, 1998, 26 4 39～42. [9] 耿德庸 1有限元法计算和分析条带开采的地表移动及煤柱稳定性规律[A ].煤炭科学研究总院北京开采研究所论文 集[C].北京 1985.115～131. [10 ] 袁礼明 1条带开采岩层移动机理及地表移动计算的研究[D ].北京中国矿业大学北京研究生部, 1985. [11 ] 胡炳南,袁 亮 1条带开采沉陷主控因素分析及设计对策[J ].煤矿开采, 2000 4 24～27. [12 ] 邹友峰,马伟民.条带开采地表沉陷的主控因素[J ].矿山压力与顶板管理, 1996 1 27～31. [13 ] Wu Lixin, Wang Jinzhuang, Zhao Xuesheng1Strata and surface subsidence control in strip2partial mining under buildings [J ]. Journal of China University ofMining Technology, 1994, 4 2 74～85. [14 ] 康怀宇,刘文生,苏仲杰 1条带法开采控制地表沉陷采留合理宽度的探讨[J ].煤炭科学技术, 1995, 23 7 48～50. [15 ] 李凤明,梁京华 1厚冲积层矿区地表移动参数与地质采矿条件之间的关系及其特点[J ].煤炭科学技术, 1996, 24 3 29～33. [16 ] 王悦汉,邓喀中,张东至,等 1重复采动条件下覆岩下沉特性的研究[J ].煤炭学报, 1998, 23 5 470～475. 681