关于矿山减沉开采技术要领.docx
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1、关于矿山减沉开采技术要领第一节开采引起的地表沉陷规律一、地表移动和破坏的形式因地下采矿活动引发覆岩移动直至地表,使地表产生移动、变形和破坏。地表移动破坏与煤层采深、采厚、覆岩产状与岩性,地表形态和采煤方法等因素密切相关。地表移动和破坏的主要形式有以下几种:1 .地表移动盆地当工作面推进长度到达一定值时,开采影响涉及地表,使地表产生移动和变形,在采空区上方的地表将逐渐形成一个比采空区面积大的沉陷区域,这种地表沉陷区域称为地表移动盆地,或称下沉盆地。在地表移动盆地的形成中,原有地表的标高和水平位置发生了变化,这对位于影响范围内的建(构)筑物、铁路、管线等带来了不同程度的影响。2 .裂缝与台阶在地表
2、移动盆地外边缘区,地表经常出现裂缝。裂缝的深度和宽度受有无第四纪松散层及其厚度、性质和变形值大小影响较大。假设第四纪松散层为塑性大的黏性土,一般拉伸变形值超过6IOmmZm时地表才出现裂缝,塑性小的砂质黏土或岩石,地表拉伸变形值只需23mmm时,即可产生裂缝。地表裂缝一般平行于采空区边界开展,对于浅埋煤层开采,经常产生平行于工作面的地表裂缝,随着工作面向前推进,裂缝经历先张开而后闭合的过程。裂缝一般在地面以下5m左右消失,个别的裂缝深度能到达20m,甚至出现较大的台阶下沉,如图2-1所示。图2/台阶状裂缝3 .塌陷坑急倾斜煤层开采时,煤层露头处附近地表往往呈现出严重的非连续性破坏,形成漏斗状塌
3、陷坑,如图2-2所示。缓倾斜或倾斜煤层开采浅部区域时,地表有时也会出现非连续性破坏,也可能出现塌陷坑,如图2-3所示。地表出现的裂缝、台阶或塌陷坑,对位于其上的建筑物、铁路和水体危害极大,因此,在“三下”采煤时,应尽可能防止其出现。+274二、地表移动盆地的形成及特征1 .地表移动盆地的形成地表移动盆地是在工作面推进过程中岩层移动由下往上传递到地表的最终反映。通常,当工作面距开切眼的距离到达1412(40为平均采深)时,地表受开采影响才开场出现下沉。习惯上把开采影响开场涉及地表的开采空间宽度称为起动距。随着工作面往前推进,地表的影响范围不断扩大,下沉值不断增加,最终在地表形成一个比开采范围大的
4、下沉盆地。如图24所示,当工作面由开切眼推进到位置1时,地表形成最大下沉值为M范围较小的移动盆地,随着工作面依次由位置1向2、3、4和5位置推进,开采至位置1所形成的移动盆地以内的地表继续下沉,该盆地以外尚未移动的地表点陆续进入地表下沉范围,从而使移动盆地范围逐渐扩大,形成一系列新的移动盆地和对应的最大下沉值W2、W3、也、W5。工作面推进过程中形成的地表移动盆地称为动态盆地。当工作面推进到停采边界后,虽然采煤工作完毕了,但是,地表移动并未立刻停顿,而是还要延续一段时间,才逐渐稳定下来并趋于静止,形成一个最终地表移动盆地,又称为静态移动盆地。2 .充分采动和非充分采动(1)充分采动如图2-4所
5、示,对应于采煤工作面位置1、2、3和4,在移动盆地沿煤层走向的剖面内,下沉曲线的最大下沉值防、W2、W3、也是逐渐增加的。假设当采煤工作面由位置4推进到位置5后,移动盆地影响范围扩大了,但最大下沉值并没有增加,只是下沉曲线底部由尖点变成了平底。将把地表最大下沉值不再随开采区域尺寸增大而增加的开采状态称为充分采动。即地下煤层采出后,地表下沉值到达该地质采矿条件下应有的最大值,此后即使开采范围再继续扩大,但地表的最大下沉值不再增加。习惯上把到达充分采动时的开采称为临界开采,把地表下沉盆地出现平底或有多个点的下沉值到达最大下沉值的采动状态叫超充分采动。到达充分采动时的地表移动盆地如图2-5所示,超充
6、分采动时的地表移动盆地如图2-6所示,该图中1表示移动盆地平底以外的局部;2表示移动盆地的平底局部;3表示采空区2上方的下沉曲线范围;4表示煤体上方的下沉曲线范围。图2-5充分采动时的地表移动盆地图2-6超充分采动时地表的移动盆地通常采空区的长度和宽度均到达或超过平均采深的1.21.4倍时,地表可到达充分采动。(2)非充分采动如图24所示,采煤工作面未推进到位置4以前,地表任意点的下沉值均未到达该地质采矿条件下应有的最大下沉值。将把地表最大下沉值随开采区域尺寸增大而增加的开采状态称为非充分采动,非充分采动的地表移动盆地犹如尖底的碗,如图2-7所示。图2-7非充分采动的地表移动盆地工作面不管沿走
7、向还是倾向,只要有一个方向未到达临界开采尺寸的情况就属于非充分采动。3 .地表移动盆地特征为了研究方便,常选取移动盆地主断面进展研究,主断面是指通过盆地内最大下沉点沿煤层倾向或走向的垂直剖面。显然,主断面上地表移动盆地的范围最大,地表的移动值最大。为了研究开采引起的地表最大的移动和变形,在大多数情况下,只要研究主断面内的地表移动和变形就可以满足工程需要。地表移动盆地的范围总是比采空区的面积大,它的形状取决于采空区的形状及煤层倾角大小。当采空区为长方形时,移动盆地大致呈椭圆形,它与采空区的相对位置取决于煤层倾角。(1)近水平煤层地表移动盆地图2-8为超充分采动的近水平煤层地表移动盆地,图中假定采
8、空区上方的地表是平坦的。图2-8超充分采动的近水平煤层地表移动盆地(a)两个方向均为超充分采动;(b)走向为超充分采动,倾向为充分采动超充分采动的地表移动盆地有以下特征:地表移动盆地位于采空区正上方,盆地的形状与采空区对称。主断面上的地表下沉曲线分为三段或两段,采空区上方的中间区下沉值最大,并且下沉均匀;采空区上方的内缘区下沉值不相等;地面向盆地中心倾斜,呈凹形,使地表产生压缩变形;煤柱上方的外边缘区下沉值不相等,地面向盆地中心倾斜,呈凸形,使地表产生拉伸变形,当拉伸变形超过一定值后,地表可能产生裂缝。下沉曲线的凹凸边缘区分界点称为拐点,在理想条件下,拐点位于煤柱与采空区交界处的正上方,真实条
9、件下一般要偏向采空区内侧。(2)缓倾斜和中倾斜煤层地表移动盆地图2-9为缓倾斜或倾斜煤层地表移动盆地,该盆地有以下特征:移动盆地与采空区不对称。在倾斜方向上,上边界的开采影响范围比下边界的开采影响范围小,移动盆地偏向采空区的下边界。最大下沉值偏向采空区下部边界,下沉曲线上边界的拐点偏向采空区内侧,下边界的拐点则处于采空区外侧。图2-9缓倾斜或倾斜煤层地表移动盆地图2-10急倾斜煤层地表移动盆地(3)急倾斜煤层地表移动盆地图2-10为急倾斜煤层地表移动盆地,该盆地有以下特征:移动盆地的非对称性更显著,且明显偏向煤层下山方向,最大下沉值向采空区下边界方向偏移,地表最大水平移动值甚至大于最大下沉值,
10、煤层底板岩层也受开采影响而出现相应的变形。三、地表移动的角量参数1.充分采动角充分采动的范围可用充分采动角”表示。如图2-11所示,在充分采动或超充分采动条件下,在移动盆地主断面上,将地表下沉曲线上的最大下沉点或盆地平底边缘点投影在地表水平线上,该投影点和采空区边界的连线与煤层底板在采空区一侧的夹角叫充分采动角。在垂直煤层走向的主断面内,下山方向的充分采动角以也表示,上山方向的充分采动角以仁表示。在平行煤层走向的主断面内,走向方向的充分采动角以懵表示。(b)图2-11充分采动角(a)充分采动条件下:(b)超充分采动条件下2 .最大下沉角在移动盆地的倾向主断面上,地表移动盆地在下山方向的影响范围
11、较大,最大下沉点不在采空区中央的正上方,而是向下山方向偏移,最大下沉点的位置可用最大下沉角伊来确定。如图2-12(a)所示,非充分和充分采动条件下,在移动盆地倾向主断面上,采空区中点和地表最大下沉点在地表水平线上投影点的连线与水平线在下山方向的夹角。超充分采动条件下的最大下沉角如图2-12(b)所示。最大下沉角。与覆岩岩性和煤层倾角。有关,可粗略按e=9(-(0508)。进展计算,覆岩岩性坚硬时取较大系数0.70.8,覆岩岩性软弱时取较小系数0.50.6。图2/2最大下沉角(a)非充分采动或充分采动条件下:(b超充分采动条件下3 .圈定地表移动盆地边界的角量参数(1)边界角在充分或接近充分采动
12、条件下,移动盆地主断面上的边界点和采空区边界点的连线与水平线在煤壁一侧的夹角,称为边界角。移动盆地最外的边界在理论上是以地表移动和变形都为零的边界点所圈定的边界,通常由仪器观测确定,考虑到观测误差,一般取下沉为IOmm的点作为边界点。地表移动盆地外边界如图2-13中的4、B、C、地图2-13地表移动盆地边界角、移动角和裂隙角边界角可划分为:走向、下山和上山边界角,分别以加、6。、。表示。急倾斜煤层的底板边界角以Ao表示(见图2-13)。(2)移动角在到达或接近充分采动时的移动盆地主断面上,地表最外的临界变形点和采空区边界点连线与水平线在煤壁一侧的夹角,称为移动角。地表移动盆地是一个比采空区面积
13、大的开采影响范围,在该范围内,不是任何一个位置都对地面建筑构成危害,危险的移动边界是根据盆地内的地表移动与变形对建筑有无危害而划分的边界,对地面建筑物有无危害的标准是以临界变形值来衡量的,该值是受保护的建筑物和构筑物不需修理能保持正常使用所允许的地表最大变形值。目前,我国采用的一组临界变形值是:倾斜i=3mm/m、水平变形=2mm/m、曲率K=O.2mm/m2,这组临界变形值是针对一般砖木构造建筑物而设定的。在由临界变形值指标圈定的范围以外,是地表移动和变形对建筑物不产生明显损害的地带,在圈定的范围以内,是地表移动和变形对建筑物产生有害影响的地带,如图2-13中的45CDl移动角可划分为:走向
14、、下山和上山移动角,分别以3、./示。(3)裂隙角在到达或接近充分采动时,在移动盆地主断面上,地表最大的一条裂缝和采空区边界点与水平线在煤壁一侧的夹角,称为裂缝角。地表移动盆地的裂隙边界根据盆地内最大的裂隙圈定,如图2-13中的4定CwD0裂缝角可划分为:走向、上山和下山裂缝角裂缝角,分别以3、/表示(4)松散层移动角松散层移动角以9表示,它不受煤层倾角的影响,通常9取45。左右。当有第四纪、第三纪未成岩的松散层时,应先将边界点沿松散层移动角9的方向投影到基岩面上,再在基岩中进展上述角度的划定。四、地表移动变形参数与分布规律1.地表移动变彩参数开采引起的地表移动过程是一种复杂的空间一时间现象,
15、地表任意点的移动向量,从它起止点的相对位置来看是指向采空区中央的,可分解为垂直分量和水平分量两局部。图2-14地表点的移动分解通常将垂直分量称为下沉,水平分量称为水平移动。如图2-14所示,水平移动分量可进一步沿纵向和横向分解。由此可见,地表任一点的移动矢量是空间位置(X、Z)和时间(I)的函数。为了便于研究,通常将三维问题分解成沿走向主断面和沿倾向主断面的两个平面问题,在两个主断面内单独分析地表点的移动和变形。开采前在地面布置假设干测点,测量地表移动之前和之后各点的标高和距离,并绘制出主断面图,从中得到各点的移动向量(如图2-15所示)。图2-15主断面内地表测点移动示意图由图2-15看出,
16、边界点1和9未发生移动,而2、3、7、8各点分别移动到23,、78,对应的位置,它们的移动向量分别为2233、77、88%显然这些向量的方向和大小都不一样。需要指出是:这些向量并不是各点的实际移动轨迹,它们的实际移动轨迹要复杂得多,在只研究最终结果的情况下,可以近似地将它们视作直线。描述地表移动盆地内移动和变形的主要指标是:下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形。(1)下沉下沉是主断面内地表移动向量的铅直分量,用W表示。取最大下沉值处的地表点为坐标。点,W坐标轴向下为正,单位为mm。把所取的主断面的方向作X坐标轴,X坐标轴向右为正,单位为m。在以下讨论的地表移动和变形的其他指标中,。点和X坐标轴
17、的设置一样。下沉曲线的变化规律为:最大下沉值在盆地中央,M=W5;下沉值是位置的函数,W=W(外,随若X增加,W由零增加到最大,而后又减小至零;下沉曲线与采空区对称,WGC)=W(X);移动盆地的边界点由加决定;在下沉曲线凹凸分界的拐点处,下沉值约为最大值的一半。(2)水平移动水平移动是主断面内地表移动向量的水平分量,用U表示,单位为mm,U坐标轴向下为正。移动方向都指向盆地中心,有两组方向不同的水平移动,为反映水平移动的方向不同,规定正值的水平移动与X轴的正方向一致,负值的水平移动与X轴的负方向一致。边界点和采空区中点的水平移动为零。显然,图2-15中,1点和5点之间的水平移动必然存在着正极
18、值,5点和9点之间的水平移动必然存在着负极值。(3)倾斜主断面内地表下沉随位置不同而不同,倾斜是指地表单位长度内下沉的变化,用i表示,单位为mmm,i坐标轴以向下为正。如图2-16所示,在任意一段地表下沉曲线W(X)上任取A与8两点,A点的下沉为伍,B点的下沉为Wb,A点与8点的水平距离为Ar,根据倾斜定义,倾斜是地表下沉的一阶导数,也是位置的函数,显然倾斜有正负之分。图2-16倾斜变化曲线分析地表下沉曲线上任意点的切线与X轴正向所夹的锐角为正时,倾斜为正,地表下沉曲线上任意点的切线与K轴正向所夹的锐角为负时,倾斜为负。1AB-a.(2-1),.AWdWI=Iim=AlOxdx水平移动U(X)
19、和倾斜i(幻的变化趋势是同步的,它们之间相差一个有单位的比例系数及z/ivU(X)=Bi(X)=B(2-2)dx倾斜正负号的物理意义是:垂直于地表下沉曲线的杆状物,如电杆、水塔或烟囱等倾倒的趋向与X轴正向一样时,倾斜为正;当这些杆状物倾倒的趋向与X轴负向一样时,倾斜为负。(4)曲率主断面内倾斜值随位置不同而不同,曲率是指地表单位长度内倾斜的变化,用K表示,曲率坐标轴以向上为正,单位为mmm2或103m.如图2-17所示,在任意一段地表倾斜曲线i上任取A与8两点,根据定义:“=U=竺xx(2-3)1./di(x)d2WK=Iimt=-ArfoMdXdX-图2-17曲率变化曲线分析曲率可近似为倾斜
20、的一阶导数,下沉的二阶导数,也是位置的函数,显然曲率有正负之分。倾斜曲线上任意点的切线与X轴正向所夹的锐角为正时,曲率为正,倾斜曲线上任意点的切线与X轴正向所夹的锐角为负时,曲率为负。正曲率的物理意义是地表下沉曲线在地面方向凸起或在煤层方向下凹,负曲率的物理意义是地表下沉曲线在地面方向下凹或在煤层方向凸起。分析地表倾斜曲线的切线变化可知,盆地边界点与下沉曲线拐点之间的曲率为正,盆地最大下沉点和拐点之间的曲率为负。有两组正负号不同的曲率:地表下沉盆地边缘区为正曲率区,盆地中部为负曲率区;盆地边界点和下沉曲线拐点处的曲率为零,因而,曲率的正极值位于边界点和地表下沉曲线的拐点之间,下沉曲线的拐点和最
21、大下沉点处的曲率为零,因而曲率的负极值位于拐点和最大下沉点之间;曲率曲线上有两个相等的正极值和两个相等的负极值。(5)水平变形水平变形是指单位长度内水平移动的变化,用表示,水平变形坐标轴以向上为正,单位为mm/m。如图2-18所示,在任意一段地表水平移动曲线UG)上任取A点与B点,根据定义:-Ub-UbabAx1.ZJdU(x)(2.4)=Iim=内0Zdx3中dx“图2-18水平变形曲线分析由于水平移动U49的变化趋势与倾斜i一样,因而水平变形的变化趋势与曲率一样。水平变形正值的物理意义为地表受拉伸变形,负值的物理意义为地表受压缩变形。2.地表移动变形参数的分布规律(1)水平煤层(或倾斜煤层
22、沿走向)充分采动条件下的断面内地表移动和变形规律水平煤层(或倾斜煤层沿走向)充分采动条件下主断面内的五项指标变化规律如图2-19所示。其特点如下:下沉曲线上最大下沉点O的下沉值已经到达该地质采矿条件下的最大值。在最大下沉点O处,水平变形和曲率均等于零;在盆地中心区域出现两个最大负曲率和两个最大压缩变形值,位于拐点和O点之间。Oc(mmm)图2/9地表移动盆地内五项指标变化规律(a)下沉曲线:(b)倾斜曲线:(C)水平移动曲线:(d)曲率曲线:(c)水平变形曲线(2)水平煤层(或倾斜煤层沿走向)非充分采动条件下主断面内地表移动与变形规律水平煤层(或倾斜煤层沿走向)非充分采动条件下主断面内的五项指
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