达竹矿区柏林煤矿采煤沉陷规律研究.pdf

硕士生唐文龙 签名 缸逝 指导教师余学义 签名 J 么≤虹 I ／，h 张恩强 签名 摘要 我国西部矿区大部分位于山区及丘蛉地区，这种条件下开采滑坡灾害时有发生，严 重的危害国家和人民生命财产，同时也造成了生态环境的严重破坏，是矿区可持续发展 急需研究解决的一个难题。 本文通过对柏林煤矿开采引起地表沉陷损害的分析，给出了山区地表条件下煤层开 采引起地表沉陷的损害类型及其开采沉陷对地表建筑物、环境的损害形式和程度。对0 4 2 采区高层建筑工业广场滑坡区下煤层开采地表与岩层移动观测数据的分析，给出了该区 域开采引起地表移动变形的地表、岩层移动参数及其概率积分法预计修正方法和参数。 通过对滑坡区地形、地质、采矿条件的详细分析，结合0 4 2 采区滑坡区的开采地表 观测数据成果，得出了在地表存在滑坡区的条件下，应用间歇、顺序的开采方法能有效 地控制滑坡灾害。 在对柏林煤矿工业广场高层建筑物滑坡区下开采工程实践总结的基础上，分析了这 种特殊条件下的开采沉陷规律，给出了适应这种条件的开采地表沉陷预计程序和方法， 对达竹矿区采煤沉陷损害控制和建筑物下开采与地质灾害控制具有重要的意义。 关键词可持续发展；采煤沉陷；地表移动参数；地表变形影响函数； 控制开采方法； 研究类型应用研究 S u b j e e t R e s e a r c hO Ht h er u l eo fm i n i n gs u b s i d e n c ei nB a i L i nc o a lm i n e o fD a Z h um i n i n ga r e a S p e c i a l t y M i n i n gE n g i n e e r i n g N a m e T a n gW e n l o n g S i g n a t u r e I n s t r u c t o r Y uX ueyiSignature Z h a n gE n q i a n g S i g n a t u r e A B S T R A C T T h ew e s t w a r dI D ．m e sl o c a t e sm o u n t a i na r e aa n dh i g h l a n di nO U rc o u n t r y ．M i l l i l l g s o n I e l i I T I C Si n d u c e sm i n i n gl a n d s l i d ei nt h ec o n d i t i o n s ．hn o to n l ys e r i o u sh a r m e dc o u n t r ya n d p e o p l e ’Sl i f ea n dp r o p e r t y , a n dt h a tm i n i n gl a n d s l i d eh a v o ce n v i r o n m e n t ．I tb e c o m e sa p r o b l e me x a c tt os o l v ea b o u tm i n e ss a f e t yp r o d u c t i o na n dp e r s i s t e n c ed e v e l o p m e n t ． T h i st e x ta n a l y z e dt h em i n i n gs u b s i d e n c eo fB m L mm i n i n ga r e a , e d u c e dt h et y p eo f m i n i n gs u b s i d e n c ec a u s e db ym i n i n gi nt h ec o n d i t i o no f m o u n t a i na r e a , t h eg r a d ea n dt h et y p e o fd a m a g et o 蓼o u n db u i l d i n ga n de n v i r o n m e n tb r o u g h tb ym i n i n gs u b s i d e n c e ．B ya n a l y z i n g t h eo b s e r v a t i o nd a t ao ft h es u r f a t 咒a n dr o c kf o r m a t i o nm o v i n gw h i c hu n d e rb u i l d i n gi nt h e s l o p ea r e ao f 0 4 2d i s t r i c t ，e d u c e dt h em o t i o np a r a m e t e ro f s u r f a c ea n dr o c kf o r m a t i o na sw e l l a s t h e w a yo f p r o b a b i l i t yi n t c g r a im o d i f y i n ga n dp a r a m e t e r sc a u s e db ym i n i n gi nt h i sa r e a ． A n a l y z i n gl a n d s l i d el a n d f o r mp h y s i o g n o m ya n d t h eg e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，c o m b i n i n g t h eo b s e r v a t i o nd a t ar e s u l to f0 4 2d i s t r i c t ，e d u c e dw i t ht h ec o n d i t i o no fe x i s t i n gs l o p ea r e ai n s u r f a c e ，t h ec o n t r o l l i n gm i n i n go f i n t e r i m 、o r d e r ． B a s eo nc o n s t r u c t i o ns u m m a r i z i n gi nt h es l o p ea r e ao fB a i L i nm i n ep l a n t , a n a l y z i n gt h e r u l eo fm i n i n gs u b s i d e n c ei nt h i se s p e c i a lc o n d i t i o n , c d u e a dt h ef o r e c a s tp r o g r a mo fs u l f a c 宅 s u b s i d e n c ea n dt h ew a y , i ti sn o to n l yv e r yi m p o r t a n c et o c o n t r o l l i n gt h ed a r l l a g e o f s u b s i d e n c ei nD a Z h u m i n i n ga r e a , b u tt oc o n t r o l l i n gg e o l o g i c a ld i s a s t e r ． K e y w o r d s P e r s i s t e n c ed e v e l o p m e n t M i n i n gs u b s i d e n c e S u r f a c em o v i n gp a r a m e t e r I n f l u e n c ef u n c t i o no f s u r f a c ed i s t o r t i o n C o n t r o lm i n i n gm e t h o d T h e s i s A p p l i c a t i o nS t u d y 要料技史攀 学位论文独创性说明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签驸同期，厶1 咄沪 l 绪论 1 ．1 研究的背景与意义 1 绪论 矿山开采引起的采煤沉陷是目前采动损害中的主要灾害之一，采煤沉陷不仅会严重的 损毁建筑工程设施、导致人员伤亡造成巨大的财产经济损失，而且也会因此破坏森林植被， 损毁农田，形成泥石流灾害，加剧水土流失和荒漠化程度，同时也会引起地下水循环系统 的改变。采动引起的地表沉陷灾害在世界范围已引起人们的日益关注【“2 1 ，在美国、加拿 大、澳大利亚、德国及南非等国家均有大量关于开采引起山体滑坡灾害的报道【3 “，5 】。二 战后由于人类活动引起滑坡灾害剧增，其中矿山开采活动导致滑坡灾害占相当大的比重。 加拿大S o u t hW a l e sC o a l f i e l d 煤田、德国B a l k e m a 矿区、斯里兰卡高原矿区、澳大利亚 O k ．T e d i 和P o r g e r a 矿山等都因开采引起较大的地表沉陷，同时也加剧了矿区生态退化及 荒漠化的环境损害【6 ．7 1 。仅加拿大和美国每年因滑坡造成的经济损失就高达2 2 亿美元，。 据统计资料，世界上煤炭资源量约为1 5 万亿t ，目前每年的产量5 0 多亿t ；石油资 源量约为3 0 0 0 亿t ，年产量5 0 亿t ；天然气的资源量约为4 0 0 万亿m 3 ，年产量5 万亿 m 3 相当于5 0 亿t 石油的发热量 。目前世界能源的生产构成为石油占4 0 ％，煤占2 7 ％， 天然气占2 3 ％，水电和核能占1 0 ％。但从资源量看，煤占8 4 ％，而石油和天然气仅占 6 ％。从能源的生产和利用的发展趋势来看，未来的几十年中，天然气的利用强度将超 过石油和煤，核能和太阳能也会得到较快的发展【s ’9 1 。 众所周知，我国是一个煤炭资源大国 资源量约为5 x 1 0 1 2 t ，煤炭工业作为基础 产业，在国民经济中占有举足轻重的地位。我国煤炭产量居世界首位，煤炭占我国一次 性能源生产和消费总量的7 5 ％左右，就中国的能源资源而言煤炭资源量占9 5 ％，石油 和天然气仅占5 ％。中国目前能源生产构成是以煤为主，即煤占7 5 ％，石油占1 2 ％，天 然气占4 ％，水电占7 ％，核能占2 ％I l U J 。 据资料预测，在未来2 0 ～5 0 a 内，我国一次性能源生产和消费以煤炭为主的格局不 会改变。煤炭的大规模开发利用，不可避免地带来一系列环境问题，仅矿区而言，就存 在着地表移动和塌陷、水污染、煤矸石、噪音、矿区大气等诸多环境问题。据统计中国 因开采沉陷的土地总面积己达6 0 万公顷，平均开采万吨煤沉陷土地面积为0 ．2 公顷，按 年采1 1 亿吨计算，采煤沉陷土地还将以每年2 ．2 万公顷的速度递增。随着煤炭开采范围 的加大，开采后造成地表沉陷将随之增加，对矿山地质环境的影响亦随之增大。 西部是2 l 世纪我国矿产资源主要开发区域，西部矿区多处于山区地表、湿陷性巨 厚黄土层残塬地表，地质构造复杂，矿层多以大倾角、大厚度方式赋存，这些条件决定 了开采引起地表沉陷的屡屡发生，因此采动引起地表沉陷灾害在我国西部尤为突出。开 西安科技大学工程硕士学位论文 采引起的地表沉陷是由开采方法、覆岩赋存条件、地表地形条件等复杂因素决定的，是 由多系统决定的一个复杂系统，具有隐蔽性、突发性、扩展性，治理难度非常大。许多 观测研究表明，开采引起地表沉陷是由开采引起覆岩沿岩层中的软弱层滑移或地表松散 堆积层在开采扰动作用下发生的m 吼m 一”，这些特性决定了许多开采引起滑坡发生在 开采地表移动角以外，是一个复杂系统协同作用的结果，而不是一个单纯的开采地表沉 陷及滑坡问题。如攀枝花矿区小宝鼎煤矿北区因开采急倾斜煤层群引起顶底板岩层沿软 弱夹层滑移，导致开采范围以外6 5 0 m 位置出现了2 ．6 m 的大裂缝，引起山体滑坡损坏 了北风井事故。陕西韩城矿务局象山煤矿将矿井工业广场及坑口电厂建在象山坡脚下， 尽管山体坡角的下部仅3 0 。、上部1 7 0 ，平均2 0 0 ，但是由于在地下存在4 层较完整的软 弱层和层间剪切带，致使煤层开采引起坑口电厂、工业广场、井筒等设施的滑坡损坏， 从1 9 8 4 年至1 9 9 5 年进行了多次加固处理，至今没有得到完全有效的控制【1 2 1 。且西部矿 区开采引起的许多滑坡灾害也说明了开采引起滑坡是由地下开采系统、覆岩赋存系统、 地表地貌协同作用的复杂系统，要解决开采滑坡灾害的预测控制问题，关键是研究这三 个系统协同作用的过程。西部地区在山区的矿山开采占总开采面积的6 0 ％以上，在长期 采矿活动的影响下，使本来就很脆弱的西部地区的环境更加恶化。采矿引起山体滑坡灾 害是人类活动引发滑坡灾害最广泛、最严重的部分，采动滑坡灾害严重地制约着采矿业 的可持续发展，随着西部能源大开发，这一问题将更加突出【l 玉1 4 1 。在山区地表条件下， 大多数矿井工业广场、坑口电站等重要建筑设旌，沿山脚分布，开采滑坡导致这些建筑 设施的毁坏频频发生，严重威胁人民生命财产，影响经济发展。如位于韩城市南侧约5 公里的山区边缘竹园村，象山煤矿和韩城电厂，座落在山边河流阶地上，北侧为横山， 高为3 0 0 多米，其下埋藏可采煤层。1 9 8 3 年～1 9 8 5 年进行采煤，由于地下采空塌陷及修 路切坡，出现多条显示落差的裂缝，山体3 0 0 多万方岩体向临空方向 电厂 滑移，滑 坡应力突破了电厂保护煤柱的强度，形成结构复杂的多级滑坡。导致电厂地基隆起，上 部结构和设备变形，带来严重灾害，经济损失数千万元。 四川达竹煤电 集团 有限责任公司位于四川省达州市，其前身为原煤炭工业部部属9 3 家矿务局之～达竹矿务局，是一个以煤炭行业、加工为主的国有大型 二类 企业，是我 国重要的采煤基地之一。达竹煤电 集团 有限责任公司所辖金刚、柏林、白腊坪、铁山南、 斌郎、小河嘴六对矿井，矿区面积2 3 2 ．7 k i n 2 ，设计核定生产能力为2 2 0 0 k t ／a ，。自2 0 世纪 7 0 年代以来，累计为国家生产优质原煤5 2 0 0 万t 。井田面积1 9 5 ．2 k m 2 ，沉陷范围面积2 6 。 2 4 k m 2 ，采空区面积1 4 ．7 7 k m 2 。受采动影响的中、小学 含幼儿园 计1 0 所，其中有2 所学 校的教室已成危房不能使用，需拆迁重建；受损的城镇居民及农村居民住房共计2 1 9 9 户， 建筑面积达1 7 6 0 8 8 ．4 m “ 。 柏林煤矿开采历史达1 0 0 多年，自上世纪7 0 年代初即开始规模开采，因煤层开采 引起上覆岩层产生移动与变形，导致地表沉陷和建 构 筑物的开裂破坏；大范围内地 2 1 绪论 下水位大幅下降，井泉干涸，给当地居民的饮水及农田灌溉造成了极大的困难。达竹矿 区总采空区面积1 4 ．7 7 平方公里，采煤沉陷区面积2 6 ．2 4 k i n 2 ，矿区地表最大下沉值 2 2 1 0 r a m ，最大水平变形1 6 ．6 m m ／m 。因而采矿引起的环境效应表现明显。其主要表现为 1 地表产生破坏裂隙。 2 地下水位明显下降，矿区缺水现象非常严重。 3 居民住房及建筑物破坏情况。 4 采煤沉陷引起上覆岩层变形、移动，诱发地表滑坡。 柏林沉陷区。总沉陷面积2 6 ．2 4 其中非稳定沉陷区面积8 ．6 7 平方公里，占沉陷区总面 积的3 3 ．O ％。总采空区面积1 4 ．7 7 平方公里，沉陷面积是采空区投影面积的1 ．7 8 倍。 矿区地表最大下沉值2 2 1 0 r m ，最大水平变形1 6 ．6 m m ／m 。． 柏林沉陷区开采主要影响柏林镇、清河镇辖区，柏林镇内柏煤村、粟家村、清河镇 沙坝村和柏林煤矿部分居民房屋基础、墙壁不同程度开裂、垮塌，辖区内水资源及供水 系统和道路交通也遭到严重破坏。受损涉及民房1 3 2 8 户，3 4 5 7 人，建筑面积8 0 0 6 2 ．3 m 2 。 其中农村村民房屋3 6 8 户，1 0 6 6 人，建筑面积3 3 5 6 2 m 2 ；城镇居民房屋9 6 0 户，2 3 9 1 人，建筑面积4 6 5 0 0 ．3 m 2 。辖区内受损学校3 所 含幼儿园 ，受损建筑面积2 3 5 6 m 2 ；受 损的其他工业厂房及其他企事业单位办公用房。采煤沉陷对地下水系统破坏，致使水资 源枯竭导致农田无法耕种冬水田3 0 0 多亩因缺水而不得不改种旱粮。采煤沉陷影响范 围内主干公路有柏林煤矿矿区公路6 k m ，运煤架线电机车轻便道2 k m 。 1 ．2 开采沉陷预计理论研究现状及发展趋势 自2 0 世纪5 0 年代以来，各国学者都努力寻求建立岩层与地表移动的力学理论。他 们从连续介质力学中引进了各种力学方法，来解决这一问题。7 0 年代以后，各国学者， 在使用电子计算机的基础上，先后进行了有限元、边界元、离散元等数值模拟研究，以 解决岩层与地表移动的问题，并取得了一定的成绩。 1 ．2 ．1 国外采煤沉陷理论的发展历史 在地下开采过程中，由于覆岩所受应力状态改变，造成覆岩及地表的移动变形，并 由此造成地面建筑物、水体、铁路、公路、管道、农田等的损害。纵观开采沉陷理论的 发展和形成过程[ 2 5 ．3 0 ] ，可将其分为三个阶段 1 开采沉陷的认识和初步研究阶段 1 5 世纪～2 0 世纪2 0 年代 人们认识开采沉陷是从其对人们的生活和生产的影响开始的。早在1 5 世纪，比利 时列日城的地下含水层水源遭到破坏，经勘察认为是因为地下开采所致，并颁布法令 对因开采而使列日城水源受到破坏的责任者处以死刑。在1 8 2 5 年、1 8 3 9 年比利时又组 织专门的调查组对列日城的开采影响进行了调查，形成了最初的开采沉陷学假设，即垂 线理论。随后G o n o t 又以实测资料为基础提出“法线理论”，认为采空区上下边界开采 影响范围可用相应的层面法线确定。但是比利时的狄芒 D u m o n t 认为“法线理论”只适用 3 西安科技大学工程硕士学住论文 于倾角小于6 8 。的煤层。再后来又有德国的依琴斯凯 J i c i n s k y ，1 8 7 6 提出的“二等分线理 论”。耳西哈 1 8 8 2 提出了“自然斜面理论”，与移动角的概念很相似，并给出了从完整岩 石到厚含水冲积层的六类岩层的自然斜面角，范围为5 4 0 ～8 4 0 。法国的法约尔 F a y o l ， 1 8 8 5 提出了“拱形理论”等。 2 开采沉陷理论的形成阶段 2 0 世纪2 0 年代～2 0 世纪8 0 年代 2 0 世纪2 0 年代，人们系统、大规模地进行了地表水平移动观测，从而使开采沉陷 理论得到了发展。1 9 2 3 年～1 9 4 0 年，史米茨 S c h m i t z 、凯因霍尔斯特Ⅸe i n h o r s t 、巴 尔斯 B a l s 等人相继研究了开采影响的作用面积及分带，提出了连续影响分布的影响 函数，为影响函数法奠定了基础。 1 9 4 7 年原苏联学者阿维尔申利用塑性理论对开采沉陷进行了细致的理论研究分析， 并结合经验方法建立了地表下沉盆地剖面方程，该方程为指数函数形式，提出了地表水 平移动与地表倾斜成正比的著名观点。 1 9 5 3 年波兰学者萨武斯托维奇利用弹性基础梁理论得出了波动性下沉剖面方程。 2 0 世纪6 0 年代初，英国学者贝里 B e r r y 和赛勒斯 S a l e s 将岩体视为均质弹性 体，分为平面各向同性、横观各向同性、空间问题三类和采区边界条件不闭合、部分闭 合、全闭合三种状态，提出计算岩体下沉方法。萨拉蒙 S a l a m o n 提出了更为一般的 线性分析原理，即面元原理。 1 9 5 0 年以后，波兰学者布德雷克 B u d r y k 和克诺特 K n o t h e 对几何沉陷理论进 行了修正，提出了用高斯曲线作为影响曲线的方法Ⅲ】。1 9 5 4 年波兰学者李特维尼申 L i t w i n i s z y n 提出了开采沉陷的随机介质理论。至2 0 世纪7 0 年代末期，形成开采沉 陷理论体系。 3 开采沉陷理论发展阶段 2 0 世纪8 0 年代至今 随着科学技术的发展和研究手段的提高，岩层移动计算向自动化、智能化、复杂化 和可视化方向发展。根据已有的观测资料反求参数[ 3 2 】、计算开采影响的动态地表移动变 形，并能计算出倾斜煤层、岩体内部、含断层等复杂条件下的移动变形，计算结果能以 各种图形方式给出，直观可视。根据计算理论和专家经验设计的专家系统或决策支持系 统来辅助决策。 1 ．2 ．2 国内开采沉陷理论综述及研究现状 在我国，开采沉陷学科是建国以后发展起来的。从1 9 5 3 年在开滦矿务局建立第一 个地表移动观测站后，在一些矿区相继建立地表移动观测站，获得了大量宝贵的实测资 料，通过对这些资料的总结分析，求出了这些矿区的地表移动参数，为矿区采动损害防 护和开采沉陷理论研究提供了基础数据。 1 1 9 6 3 年周国铨等根据实测资料分析，建立了地表下沉盆地的负指数剖面函数。 4 1 绪论 1 9 6 5 年刘宝琛、廖国华在煤矿地表移动基本规律一书中将波兰学者提出的随机介质 理论进一步完善、改进，在我国形成地表移动预计的概率积分法。 2 1 9 8 1 年刘天泉、仲惟林等系统总结了概率积分法在我国实践应用中的经验， 提出覆岩破坏的基本规律，并给出冒裂带高度的计算方法[ 3 3 】。何国清 1 9 8 1 、吴戈分 别提出了下沉盆地剖面的“威布尔分布”和“r ，’分布模式。李增琪 1 9 8 5 采用F o u r i e r 变 换推导出了岩层与地表移动的弹性力学表达式。张玉卓 1 9 8 6 在连续介质力学理论的 基础上发展了岩层移动的位错理论。 3 何万龙 1 9 8 6 ～1 9 9 2 提出了山区地表移动预计计算方法。郝庆旺 1 9 8 8 提出了采动岩体沉陷的空隙扩散模型。杨硕 1 9 9 0 提出了开采沉陷的力学预测模式。 范学理 1 9 9 1 等曾先后采用相似材料平面模型试验对不同地质采矿条件下开采覆岩与 地表移动进行了研究。邓喀中 1 9 9 3 提出岩体开采沉陷的结构效应。邹友峰、马伟民 1 9 9 4 提出条带开采沉陷预计的三维层状介质理论[ 3 4 5 1 。吴立新、王金庄 1 9 9 4 提 出了条带开采覆岩破坏的托板理论。于广明、谢和平 1 9 9 4 ～1 9 9 7 提出了开采沉陷的 非线性机理和规律，以及分形损伤在开采沉陷中的应用[ 3 6 - 3 s ] 。崔希民 1 9 9 6 对主断面 的地表移动与变形进行了实时位移的分析，应用流变模型进行开采沉陷研究。 1 ．2 ．3 国内、外采煤沉陷预计理论 早在1 8 5 8 年，比利时学者哥诺 G o n o t 以观测验资料为基础，提出了“法线理论”， 认为采空区上、下边界开采影响范围可用相应点的层面法确定。此后德国学者依琴斯凯 J i c i n s k y ，1 8 7 6 提出了“二等分线理论”。豪斯 H a u s s e ，1 8 8 5 ～1 8 8 7 建立了采空区 上方有三带分布沉陷模式。第二次世界大战以后，随着经济的发展，矿山开采大规模进 行，形成了各种各样的开采沉陷损害预计理论，可以概括为影响函数方法 1 1 l ei n f l u e n c e m e t h o d 、理论模型方法 T h et h e o r e t i c a lm e t h o d 、经验方法 T h e e m p i r i c a lm e t h o d 三 大类型。 1 影响函数方法 影响函数方法是预计采动地表移动变形的一种有效方法。它是从经验方法向理论模 型过渡的一种方法。它的理论基础是分布函数，因而称之为影响函数方法。典型的影响 函数方法如巴尔斯 B a l s 、培尔茨 P e r z 、别耶尔 B e y e r 、扎恩 S a n n 、柯赫曼 斯基 K o c h m a n i s - k i 、布德雷克．克诺特 B u d r y k ．K n o t h e 、刘宝琛等理论方法。假定开 采单元矿层咖，其水平投影面积为咖，单元矿层开采引起地表点A 的下沉表达式为 d C a o m , T f s d p 1 ．1 式中m 采高，R l I R ； ，7 一下沉系数； 厂 J 一影响函数； 5 西安科技大学工程硕士学位论文 咖采出矿层单元面积； s 一单元采出面积距地表点A 的水平投影距离； 6 柯赫曼斯基理论的深度系数； c - B e y e r 系数 c 6 一开采条件参数，对一个矿区为常数，一般为0 ．5 ～1 ．0 ，常取为O ．6 ； R ，、，、‘一开采影响范围的特征参数； 从上面的公式中可以看出，B u d r y k - K n o t h e 影响函数学 也称之为几何积分理论 与国内惯用的概率积分法 刘宝琛 的影响函数一致。应该指出，B u d r y k K n o t h e 理论 是概率积分法 T h e p r o b a b i l i t y f u n c t i o n m e t h o d 中的一种特殊形式一正态分布函数。同 时，两者的水平移动与水平变形预计公式及其推论原理也不同。 根据影响函数的叠加原理，对于开采范围为P 的矿层开采引起地表点A 的下沉量可 用通式表示为 吃 m r ／J J 。 勿 1 ．2 2 经验方法 地表沉陷预计的经验方法是在特定的地质采矿条件下，根据大量的观测数据，确定 出地表移动盆地主断面移动变形规律，并以典型曲线理论化，或以诺模图方法供在相近 地质采矿条件下的地表移动预计应用。典型的经验函数方法如前苏联应用的负指数函 数方法 N e g a t i v ee x p o n e n t i a lf u n c t i o n ；英国煤田方法 N C B ．1 9 7 5 ；波兰学者 Z ．K o w a l c z y k 1 9 7 2 积分网格法；中国学者何国清提出的威布尔煤田方法 W e b e r ．1 9 8 3 及各矿区通过观测曲线拟合得出的适用本矿区的典型剖面曲线法 T h ep r o f i l ef u n c t i o n m e t h o d 等。 4 论模型方法 理论模型方法是建立在力学模型以及建立在弹性或塑性理论基础上的计算方法。在 这方面主要有以A ．s a I s t o w i c z 1 9 5 3 等为代表的固体力学理论1 3 1 ；J ．L i t w i n i s z y 1 9 6 3 等为 代表的随机介质理论【4 】。建立在弹性或塑性理论基础上的计算方法如有限单元法 F E M 边界元法 B E M ；离散元 D E M 法；非线性力学 N o n l i n e a r 法等方法。 5 影响函数理论 西安科技学院开发研制了采动地表移动变形破坏程度预计的综合评价软件 Ⅵh ．1 2 【4 】。Y m ．1 2 预计评价系统包括以影响函数为基础的概率积分方法；以几何积分 理论为基础由二维积分变换法引入岩性影响参数 半力学，半经验方法 ；有限元计算 方法。对于具体的情况根据需要，选择计算方法或通过综合评判方法评价。同时对于影 响函数预计采用了积坐标闭合积分模型，实现了适应采矿地质条件变化大的要求 可以 6 I 绪论 将开采区域按采矿地质条件变化随意划分，类似于有限元模拟计算方法 。 预计地表动态沉陷引起的倾斜 疋，劢、曲率 墨，砌和水平变形慨，劝公 式如下 疋 孚茎G 毫了E 等 嗍由 m ，， 弓寺喜c ，喜了E 争 s m a 由 n 旬 K ， 等艺c 。圭 足一g ’tlt - l K s , ；了l t u 厶m 。。∑1 只 g ， I lI - l 巳～和妻了最 等] 删由 勺～芝t l 岛e 壹k l 了q iE 等 s 协a 由 式中巧 s 册一2 一t 一2 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本文磺柏林煤矿工业广场滑坡为依托，研究对柏林煤矿采煤沉陷区的特征和规律， 为达竹矿区的采煤沉陷的治理和今后的采矿活动提供理论依据。因此研究采煤沉陷规律 则具有一定的实际意义。 1 采煤沉陷不是一般研究的地表现象，它受软弱层结构变化，覆岩移动变形以 及地表移动变形的影响，因此探讨如何建立滑坡受开采条件影响的关系，是预计开采对 滑坡影响的关键因素，也可为以后的滑坡区开采提供理论依据。 2 采动沉陷受地质条件影响的同时，也受到开采方法的制约。协调开采与控制 开采等不同的开采方法，能对上覆岩层的移动变形起到一定的控制的作用。从而选择何 8 1 绪论 种地表治理采煤沉陷措施，也是采煤沉陷损害控制得的主要途径之一。 3 通过开采煤沉陷的机理研究，确定实际工程中采煤沉陷类型及发生的原因， 确定合理的减小采煤沉陷灾害的控制开采方法，以实现的综合治理。 4 水平地表影响函数法在滑坡区的地表预计过程中，存在一定的局限性，如何 建立滑坡体下采动地表影响函数法，对山体下采煤地表条件下的地表移动预计具有重要 的理论价值。 1 ．4 技术路线 我国西部矿区大部分位于山区及丘岭地区，对于这种复杂条件下的保护煤柱的开采 至今仍是一个难题。本课题的研究目的既是使用合理的开采方法与工程手段，控制采动 引起的覆岩地表移动引起的山体滑坡灾害，同时通过工业性试验与地表观测得出这种条 件下地表岩移特性及其参数，为本矿区，乃至同类地质条件下保护煤柱的开采提供科学 的依据。 依据0 4 2 采区开采地表观测资料完成对沉陷范围的确定工作，实际观测也不可能全 面的反映沉陷发生的程度。通过采煤沉陷的计算反映矿区各煤矿历年来开采造成的采煤 沉陷区范围及地表移动与变形的整体全貌，以填补人工测量的不足，为沉陷区的受损情 况调查和评估、综合治理方案制定提供依据，因此按照原国家煤炭工业局颁布的建筑 物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程中推荐且符合矿区地表沉陷规律 的方法、依据矿区的实际开采条件对矿区的采煤沉陷情况进行计算机计算。 根据柏林煤矿采煤沉陷的实际情况和实施的可操作性要求，柏林煤矿区的采煤沉陷 研究的技术路线如下 1 通过0 4 2 采区煤层开采的地表移动观测数据分析，研究滑坡区开采引起地表 移动规律和特点。 2 通过对0 4 2 采区地表滑坡区特征的分析，研究不同区段的开采方向、顺序、 时间与开采沉陷及滑坡问的关系，确定合适的监控开采引起滑坡的开采方法。 3 通过对地表移动观测数据的分析，给出山区地表条件下的地表移动参数。 4 根据柏林煤矿的采煤方法、地质条件及选取的地表移动计算参数对开采造成的采煤沉陷进 行计算，并根据柏林煤矿采煤沉陷区地表移动与变形值特征值确定矿区采煤沉陷区的一般规律，为 矿区建筑物下开采与环境保护提供依据。 9 西安科技大学工程硕士学位论文 2 ．1 开采历史 2 矿井地质及开采状况 矿区属浅丘低山地形，柏林井田煤层埋藏较浅，均有煤层出露地表，小窑开采历 史较长，从晚清时期直至1 9 6 8 年，陆续有小窑在浅部开采。1 9 6 8 年，矿区成立华蓥山 北段煤田建设指挥部 即达竹煤电 集团 有限责任公司前身 ，由原煤炭部重庆设计研究 院承担矿区总体及矿井设计，开始进行规模性开发建议。1 9 7 2 年柏林建成投产，至今已 有3 0 多年的开采历史。 2 ．2 煤层及地质 柏林段长约1 0 ．2K m ，宽约宽4 ．0 ～6 ．0 K m ，面积5 3 K i n 2 。含煤地层属中生界上三叠 统须家河组 1 k ，含煤1 6 ～2 7 层，倾角2 0 ～3 2 。，矿井开采对象为上，中煤组，井 田内可采或局部可采煤层五层，即上煤组的K 2 7 、K 2 6 、K 2 5 、K 2 4 和中煤组的K 1 3 煤层。 2 ．2 ．1 地层 井田内煤系地层及上覆岩系广泛出露，出露的地层由老至新依次为中三叠统雷口坡 组，上三叠统须家河