深部开采地表沉陷规律研究分析.pdf

6 4 第 4 1卷 第 6期 2 0 1 5年 2月 山 西 建 筑 S HANXI ARCHI TECTURE Vo 1 ． 41 No ． 6 F e b． 2 01 5 文章编号 1 0 0 9 6 8 2 5 2 0 1 5 0 6 0 0 6 4 0 2 深 部 开 采 地 表 沉 陷 规 律 研 究 分 析 王 晓 1 ． 河南理工大学 ， 河 南 焦作4 5 4 1 5 0 2 ． 吕梁职业技术学院， 山话 孝义0 3 2 3 0 0 摘要 结合实例， 通过对煤矿深部开采地表下沉与采动程度关系的分析 ， 揭示了开采深部单一工作面下地表变形特征和深部开 采较大采区的地表变形特征， 最后得到了深部开采较大的地表变形规律。 关键词 深部开采 ， 地 表沉陷 ， 规律 ， 移动 中图分 类号 T U 4 7 8 文献标识码 A 0 引言 随着煤炭资源的不断开采， 煤矿开采深度由浅部不断向深部 发展， 为了更加有效地开采和利用有限煤炭资源， 深部开采地表 沉陷规律研究具有举足轻重的作用。煤矿开采深度的增加 ， 若按 照浅部开采地表沉陷规律 ， 进行“ 三下” 采煤， 对需要保护的建筑 物和构筑物进行留设保护煤柱， 还根据以往地质条件下的以岩层 移动角为依据时 ， 造成建筑物 和构 筑物保护煤 柱 留设 的范 围将会 越来越大。这样的话， 建筑物和构筑物下所压滞的煤量将会快速 增大。因此， 研究深部开采地表沉陷规律， 对解放建筑物和构筑 物下所压滞的大量煤炭具有非常重要的意义。 1 地表下沉与采动程度的关系 随着矿井开采深度的不断增加， 我国目前依然采用 的采煤方 法是走向长壁采煤方法， 这种方法在工作面倾斜方向上很容易造 成极不充分开采。充分采动下地表移动和变形规律和非充分采 动条件下地表移动和变形规律与极不充分开采情况下地表移动 和变形规律相比， 极不充分开采情况下的地表移动和变形规律有 很大的改变之处。随着开采深度的增加， 开采 同样宽度的工作 面 ， 在深部开采条件下， 工作面倾斜方向上常常是非充分采动， 甚 大 ， 而变 形 则 为 中 部 较 大 四周 较 小 ； 桩 基 按 初 步 假 定 桩 数 为 1 0 0根， 桩间距为3 ． 0 m布置时， 中间部分的桩基承载力不能充分 利用。为提高桩基承载力的利用， 将核心筒中部的桩间隔抽取， 经计算 桩基 结果见表 3 。桩基布置见 图 1 。 4结语 辨 o 0 O 。 O i 0 。 ● ● 乱 。 ‘ 。 o一0 0 。 j 盈 o 0 。 。 图 1 桩基布置图 至将达到极不充分采动 。 当地表的采动程度由极充分采动增加到非充分采动 地表的 采动程度系数大于临界采动程度系数 时， 地表的下沉随采动程 度的增加急剧的增加 ， 非充分采动的地表最大下沉可能达到极不 充分采动条件下地表最大下沉的很多倍。当地表的采动程度由 非充分采动慢慢增加到充分采动时， 地表的下沉也是随着采动程 度 的增加而逐渐 增加 ， 但两 个地 表下沉 的增 量程 度相 比 ， 地 表 由 极充分采动 到非 充分 采动 时地表 下沉 的增量 要快 很多 。而地表 达到充分采 动时 ， 无 论如何 增大 采动 程度 ， 地表 的最 大下沉 将 不 再增加 ， 达到稳定。 由此可以看出， 采动程度对控制地表下沉起到显著的作用。 当地表采动程度较小的时候 ， 地表最大下沉值就很小， 当地表的 采动程度超过某个临界值的时候， 地表的下沉就可能会急剧的增 大。开采宽度与开采深度的比值为临界采动程度系数， 小于这个 系数的采动为极不充分采动。由观测资料得 ， 控制地表下沉的临 界采动程度系数大约为 1 ／ 3 。 D 1 临 了 。 1 由于超高层建筑对基础 的承载力 及变形要求 较高 ， 地基基 础采用钢筋混凝土灌注桩较为适合。2 对于采用框架一核心简 结构形式 的建筑 ， 核心 筒所 承担 的荷 载较 多 ， 估算 单桩 承载 力 时 可根据核心筒尺寸来 初步 确定 。3 对 于采用 荷载与 刚度 内大 外 小的框架一核心筒结构， 沉降变形出现内大外小的碟形分布， 基 底反力出现内d , g b 大的马鞍形分布。本工程采用抽取核心筒 中 间的桩 ， 减少桩数增大桩间距的办法来调节 ， 以充分利用桩基承 载力 、 控制沉降变形。 参考文献 [ 1 ] J G J 3 2 0 l 0， 高层建筑混凝土结构技术规程[ s ] ． [ 2 ] G B 5 0 0 1 1 2 0 l 0 ， 建筑抗震设计规 范[ S ] ． [ 3 ] G B 5 0 0 0 7 --2 0 1 1 ， 建筑地基基础设计 规范[ s ] ． [ 4 ] J G J 9 4 2 0 0 8 ， 建筑桩基技术规范[ s ] ． A s u p e r h i g h- r i s e s t r u c t u r e f o u n d a t i o n p i l e f o u n d a t i o n d e s i g n W a ng Guoq i ang S h a n x i A r c h i t e c t u r a l D e s i g n R e s e a r c h I n s t i t u t e ， T a i y u a n 0 3 0 0 1 3 ，C h i n a A b s t r a c t T a k i n g a h i g h r i s e b u i l d i n g p r o j e c t a s a n e x a m p l e ， t h r o u g h a n a l y s i s a n d r e s e a r c h o n p r o j e c t l o c a t i o n g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s ， p o i n t e d o u t t h a t t h e p r o j e c t f o u n d a t i o n b a s i s w i t h r e i n f o r c e d c o n c r e t e b o r e d p i l e w a s m o r e a p p r o p r i a t e ， i n o r d e r t o m a k e f u l l u s e o f t h e p i l e f o u n d a t i o n b e a r i n g c a pa c i t y，c o nt r o l o f s e t t l e me nt ． Ke y w o r d s s u p e r h i g h - r i s e b u i l d i n g ， r e i n f o r c e d c o n c r e t e b o r e d p i l e ， v a r i a b l e s t i f f n e s s a d j u s t m e n t ， b e a r i n g c a p a c i t y 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 1 9 作者简介 王晓 1 9 8 6 ． ， 女 ， 在读工程硕 士 ， 助理讲师 第 4 1卷 第 6期 2 0 1 5年 2月 王晓 深部开采地表沉陷规律研究分析 6 5 地表采动程度随着开采宽度的增加可分四个阶段 极不充分、 非充分、 充分和超充分采动。极不充分采动是开采宽度与平均开 采深度 比值小 于 1 ／ 41 ／ 3 ； 非充分采 动是在 该矿地质 采矿条件 下 采空 区的尺寸小于应有 的最 大值尺 寸 ， 开采 宽度 与平均 开采深 度 之比在[ 1 ／ 3 ， 1 ． 2～1 ． 4 ] 区间上； 充分采动是地下煤层开采之后， 在 该矿地质采矿条件下地表下沉值达到应有的最大值 ， 在采空区的 开采 宽度 与平均开采深度之 比均达到 1 ． 2 H o ～1 ． 4 风 ； 超充分 采动 是在该矿地质 采矿条件 下地 表有 多个 点的下沉值 达到应有 的最大 值 ， 开采宽度与平均开采深度的比值大于 1 ． 2 一1 ． 4 。D与 之 比与采 动程 度的关系如表 1 所示 。 表 1 D／ Ho与 采动程度 关系表 l 采动程度 l 极不充分采动 1 非充分采动 l 充分采动 1超充分采动 I l D ／ l 1 ． 2 1 ． 4 l 地表极不充分采动是指在深部开采时采用走向长壁采煤， 其 工作面开采的宽度比工作面开采的深度值小于 1 ／ 3的情况。对 观测资料的分析与计算机数值模拟 ， 当极不充分采动时， 地表的 移动和变形会很小， 在没有任何措施下 ， 直接可完全开采建筑物 下所压的煤。 2深部开采地表变形规律 2 ． 1 开采深部单一工作 面下地表 变形特征 1 深部单一工作面条件下下沉盆地拐点的位置。随着开采 深度的增加 ， 开采同样宽度的单一工作面， 在深部开采条件下， 工 作面倾斜方向上常常是非充分采动， 甚至极容易达到极不充分采 动。在地表移动规律的地表下沉盆地中， 拐点 曲线弯曲的方向 发生变化的点称为拐点 是非常重要的特征点。根据概率积分的 方法计算 ， 在地表达到充分采动时， 拐点处的地表曲率和地表水 平变形值为零 ， 地表下沉量达到最大下沉值 的一半， 地表倾斜和 地表水平 移动将达到最大 。在极 不充分 开采 的采 动条 件下 ， 采动 程度的变化将引起地表下沉盆地拐点位置发生变化， 地表下沉盆 地拐点的位置偏向煤柱的一侧而不是偏向采空区的一侧。 从观测资料中可以看出， 地表的下沉盆地拐点的位置由采动 程度的不同而不相同。地表下沉盆地拐点 的位置在地表的采动 程度为极不充分采动时一般是位于煤柱的上方， 地表下沉盆地拐 点的位置随采动程度的扩大将慢慢的向采空区一侧移动， 地表下 沉盆地的拐点位置在充分采动时一般是偏向采空区一侧的。 2 开采深部单一工作面条件下地表下沉率。开采深部单一 工作面条件下 ， 地表下沉率和开采采动程度系数两者之间具有非 常显著的关系。有关文献对不同国家、 不同地区观测的资料深入 细致地进行了研究和总结地表下沉率和开采采动程度的关系， 并 得出地表下沉率与开采采动程度的关系。从结论 中可以看出， 地 表下沉率在开采采动程度较小的情况下是逐渐慢慢的增加， 地表 下沉率在开采采动程度达到某一定值后 ， 将会出现急剧增大的现 象， 之后地表的下沉率会 随着开采采动程度的增大， 增加程度会 慢慢变缓 ， 最后地表下沉率在开采达到充分采动情况时， 将不会 再随采动程度的增加而增大， 而是稳定在某一定值上 ， 这一定值 就是该煤矿地质采矿条件下的地表下沉系数。 2 ． 2深部开采较 大采区的地表 变形特征 对于浅部条件下采煤造成的地表沉陷， 已为大家所熟知， 而 在深部开采条件下， 地表沉陷更具有明显的特征 1 地表沉陷范围较大。随着开采深度的增加， 按“ 三下” 采煤 规程 ， 利用边界角计算出地表移动盆地边界， 如图 1和图 2所示， 开采深度增加， 主要影响半径 r 亦增加 ， 即地表沉陷范围增大。 图 1 浅部开采地表移动范围 图 2 深部 开采地表移动范 围 2 下沉系数小于浅部开采条件。相同煤厚条件下开采出相 同面积的煤炭， 由于在浅部开采引起的地表下沉盆地面积小于深 部开采地表移动盆地， 根据体积不变原理， 在深部开采条件下的 最大下沉量 W m a x 就小于浅部开采条件下的 rm ， 即深部开采下 沉 系数 小于浅部开采 。 3 边界角大于浅部开采条件。实测资料表明 在深部开采条 件下， 虽然地表下沉盆地的面积增加了， 但是其实际下沉盆地面 积要小于利用浅部开采边界角 计算出的下沉盆地面积， 即深部 开采条件下的6 。 大于浅部条件边界角氐。 利用边界角计算出深部开采地表移动盆地的边界， 如图 1和 图 2 所示， 开采深度增加， 主要影响半径 r 亦增加， 即地表沉陷范 围增大。 3结 语 我国煤炭资源的开采已延伸到深部， 深部开采将带来很多问 题 ， 地表沉陷规律是其 中一个， 对深部开采引起的地表沉陷规律 研究分析， 找出深部开采的地表沉陷规律， 为深部开采地表沉陷 预计提供基础， 对我国的深部“ 三下” 压煤具有举足轻重的作用。 参考文献 [ 1 ] 李德海． 巨厚松散层下条带开采地表移动规律分析[ J ] ． 焦 作工学院学报 ， 2 0 0 1 ， 2 0 3 1 7 5 ． 1 7 9 ． [ 2 ] 谢和平， 彭苏萍， 何满潮． 深部开采基础理论与工程 实践 [ M] ． 北京 科学出版社， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 郭文兵， 邓喀中， 邹友峰． 岩层与地表移动控制技术的研究 现状及展望[ J ] ． 中国安全科学学报 ， 2 0 0 5 ， 1 5 1 6 1 O ． On a n a l y s i s o f s u r f a c e s u bs i d e nc e r u l e f o r d e e p- m i n i ng W a n g Xi a o ’ ， 1 ． H e n a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， J i a o z u o 4 5 4 1 5 0 ，C h i n a； 2 ． L v l i a n g V o c a t i o nal a n d T e c h n i c a l C o l l e g e ， X i a o y i 0 3 2 3 0 0， Chi na Ab s t r a c t C o mb i n i n g wi t h e x a mp l e s ，t h e p a p e r a n a l y z e s t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e s u b s i d e n c e a n d mi n i n g d e g r e e o f t h e d e e p - mi ning i n c o a l mi n e s ，d i s c l o s e s t h e s u r f a c e d e f o r ma t i o n f e a t u r e s o f t h e s i n g l e w o r k i n g f a c e of t h e d e e p - mi n i n g an d t h e o n e o f t h e l a r g e r mi n i n g are a 8 ， a n d c o n ． c l u d e s t h e l arg e r s u r f a c e d e f o r ma t i o n r u l e s f o r t h e d e e p - mi n i n g ． Ke y wo r d sd e e p mi n i n g ，s u rfa c e s u b s i d e n c e ，r u l e ，d i s p l a c e me n t