許廠井煤礦1.5Mta新井設(shè)計【含CAD圖紙+文檔】,含CAD圖紙+文檔,許廠井,煤礦,mta,設(shè)計,cad,圖紙,文檔 專 題 部 分 建筑物下條帶開采技術(shù)研究與分析 摘要：條帶法開采是“三下”采煤技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的部分開采技術(shù)，是建筑 物下采煤控制地表沉陷的主要開采措施之一。本文在大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上對條帶開 采的技術(shù)研究進(jìn)行了綜述，分析了條帶參數(shù)設(shè)計的優(yōu)化方法，地表移動參數(shù)的影 響因素，提出了條帶開采地表移動預(yù)計參數(shù)的新的計算公式。并對現(xiàn)場應(yīng)用情況 進(jìn)行了效果分析。 關(guān)鍵字：條帶開采，參數(shù)優(yōu)化，地表移動參數(shù) 1 緒論 1.1 問題的提出 我國一次性能源消耗中，煤炭占 70% 左右，且未來 50 年仍然是我國國民 經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要能源。未來幾十年內(nèi)，我國以煤炭為主體的能源結(jié)構(gòu)不會改變， 煤炭工業(yè)能否健康發(fā)展事關(guān)我國能源安全和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展 [1-3] 。隨著礦井儲量 逐步減少，煤炭資源枯竭與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾日益突出。我國生產(chǎn)礦井“三下” 壓煤相當(dāng)嚴(yán)重約為 137.64 億 t，其中建筑物下壓煤約為 94.68 億 t [4] 。而且，這些 儲量大多集中分布于工業(yè)基礎(chǔ)較好、開發(fā)條件較為優(yōu)越、對煤炭需求較為迫切的 經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東部地區(qū)。因此，研究建筑物下煤層開采問題具有重大戰(zhàn)略意義。 從我國煤炭行業(yè)發(fā)展應(yīng)用情況來說，條帶采煤法是我國建筑物壓煤開采的主 要方法。條帶開采作為一種特殊的采煤方法有其自身的優(yōu)缺點。條帶開采最大缺 點是條帶開采回率低、資源損失嚴(yán)重，且生產(chǎn)效益較低；而其最大的優(yōu)點是不改 變采煤工藝的前提下，較幅度地減小地表下沉，在無法采取其它措施的條件下采 出部分建筑物下壓煤。因此在保護(hù)面建筑物的前提下，如何提高條帶開采回采率， 提高條帶開采的生產(chǎn)效益是條帶開采中必解決的關(guān)鍵問題。 國內(nèi)外學(xué)者對條帶開采進(jìn)行了大量的研究，其研究內(nèi)容涉及條帶開采中的一 系列基本問題：主要包括條帶開采地表移動機理和規(guī)律、條帶開采地表移動和變 形預(yù)計、條帶煤柱穩(wěn)定性研究、條帶開采參數(shù)優(yōu)化設(shè)計研究等方面?；菊莆樟? 條帶開采地表移動機理和變形規(guī)律；提出了地表移動和變形預(yù)測計算方法，以概 率積分法和典型曲線法應(yīng)用最為普遍；形成了條帶煤柱穩(wěn)定性理論、經(jīng)驗公式及 分析方法；形成了條帶開采參數(shù)優(yōu)化基本準(zhǔn)則。其研究成果主要體現(xiàn)在以下方面： （1）開采技術(shù)研究 從開采技術(shù)方面來說，主要對防止地表突然下沉和塌陷的開采技術(shù)措施、減 少地表移動和變形的開采方法等幾方面進(jìn)行了研究，形成了一系列的理論成果。 從我國煤炭行業(yè)發(fā)展應(yīng)用情況來說，條帶采煤法是我國建筑物壓煤開采的主要方 法。 （2）開采沉陷理論成果 中國礦業(yè)大學(xué) 2009 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 91 頁 國內(nèi)外學(xué)者對條帶開采進(jìn)行了大量的研究，其研究內(nèi)容涉及條帶開采中的一 系列基本問題：主要包括條帶開采地表移動機理和規(guī)律、條帶開采地表移動和變 形預(yù)計、條帶煤柱穩(wěn)定性研究、條帶開采參數(shù)優(yōu)化設(shè)計研究等方面。 ①基本掌握了條帶開采地表移動機理和變形規(guī)律 采用現(xiàn)場實測、理論分析等多種方法進(jìn)行研究，提出了一些假說，對條帶開 采地表移動機理和變形規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，基本上能夠說明條帶開采后地表移 動和變形機理，掌握了條帶開采覆巖力學(xué)性質(zhì)、松散層、煤層傾角、開采厚度和 開采深度、采區(qū)尺寸大小以及采煤方法和頂板管理對上覆巖層和地表移動的影響。 ②提出了地表移動和變形預(yù)測計算方法 為了估計開采方法可能對建筑物造成的影響，需要對開采方案可以形成的地 表移動和變形進(jìn)行預(yù)計。對于地表移動和變形值的預(yù)計，形成了最大下沉和最大 水平移動、剖面函數(shù)法、影響函數(shù)法、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法和數(shù)值模擬與物理模擬 法等預(yù)計方法，其中，以概率積分法和典型曲線法應(yīng)用最為普遍。 ③形成了條帶煤柱穩(wěn)定性理論、經(jīng)驗公式及分析方法 從傳統(tǒng)的強度觀點出發(fā)，建立了多種煤柱載荷、強度計算的理論和經(jīng)驗公式 及分析方法，形成了有效面積理論、托板理論、壓力拱理論、A.H.Wilson 的兩區(qū) 約束理論等。 ④形成了條帶開采參數(shù)優(yōu)化基本準(zhǔn)則 一般認(rèn)為有兩個基本準(zhǔn)則：一是條帶煤柱有足夠的強度和穩(wěn)定性，從而能長 期有效支撐上覆巖層的載荷；二是條帶采寬應(yīng)限制在不使地表出現(xiàn)波浪下沉盆地 而呈現(xiàn)單一平緩的下沉盆地。通常條帶煤柱尺寸根據(jù)采深、采厚、采寬以及煤層 和上覆巖層的力學(xué)性質(zhì)等因素確定，采寬根據(jù)采深等因素確定。根據(jù)條帶開采的 經(jīng)驗，為了保證條帶開采后地表出現(xiàn)單一平緩的下沉盆地，采出條帶寬度一般為 采深的 1/4～1/10（我國條帶開采平均采寬約為 1/8 采深）。 盡管條帶開采取得了上述豐富的理論和實際成果，但在進(jìn)行條帶開采采寬、留 寬應(yīng)用以及地表移動和變形預(yù)計及其理論研究中還存在以下問題： （1）預(yù)計參數(shù)的研究較少 在以前的研究成果中，注重了地表移動和變形預(yù)計理論的研究，而對地表移動 預(yù)計參數(shù)的研究相對較少，造成條帶開采預(yù)計時選取預(yù)計參數(shù)比較困難，特別是 下沉系數(shù)等關(guān)鍵性參數(shù)直接影響到預(yù)計結(jié)果的精度乃至條帶開采設(shè)計方案的確 定。由于具體地質(zhì)采礦條件的差異，直接采用工程類比方法或經(jīng)驗公式確定條帶 開采地表移動預(yù)計參數(shù)難免存在較大誤差，必然導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果與實際觀測結(jié)果存 在較大的差異。即使在同樣的地質(zhì)采礦條件下，目前有關(guān)經(jīng)驗公式計算結(jié)果也會 相差較大。 （2）在煤柱穩(wěn)定性方面研究不夠 在煤柱穩(wěn)定性研究中，對煤層傾角、煤柱剝落、煤柱內(nèi)節(jié)理裂隙、地下或采空 區(qū)水等對煤柱的影響以及利用采空區(qū)破碎巖體對上覆巖層的支撐作用以減輕條 帶煤柱載荷的問題考慮不足，目前解決的方法是通過加大煤柱設(shè)計寬度增大安全 中國礦業(yè)大學(xué) 2009 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 92 頁 系數(shù)，這說明對條帶煤柱破壞失穩(wěn)機理、過程的認(rèn)識尚不夠深入。 （3）條帶開采采寬、留寬優(yōu)化設(shè)計方面存在缺陷 在條帶采留寬度優(yōu)化設(shè)計方面，雖然有多種方法和理論可用于條帶開采參數(shù)設(shè) 計，但簡單的經(jīng)驗公式或半定量化的計算公式通?？紤]的因素不夠全面，設(shè)計過 程中存在一定的盲目性，這必然會帶來設(shè)計參數(shù)的不合理。而復(fù)雜的定量化的公 式或解析式在理論上雖然精確但其中部分參數(shù)或系數(shù)難以確定，從而限制了其應(yīng) 用范圍，造成目前條帶開采的采寬選取隨意性大，即采寬或?qū)捝畋茸兓秶蟆? （4）深部大采寬條帶開采研究較少 深部大采寬條帶開采研究較少，隨著開采深度的增加，大采深、大采寬條帶開 采的設(shè)計和地表沉陷的預(yù)計日趨迫切；對于深度大于 500 m 的條帶開采地表沉陷 預(yù)測參數(shù)選取目前尚無好的方法；部分公式是在開采深度小于 500 m 的條件下得 出的，適用范圍局限性大；如當(dāng)采深為 500 m 時；由公式計算的條帶開采水平移 動系數(shù)為負(fù)值，顯然是不合理的。此外，現(xiàn)有條帶開采預(yù)計參數(shù)的計算公式考慮 的因素不夠全面，如條帶開采的地表下沉系數(shù)與采厚有關(guān)，而現(xiàn)有計算公式均未 能體現(xiàn)采厚對下沉系數(shù)的影響。 （5）多煤層條帶開采問題研究相對不足 多煤層條帶開采問題研究相對不足，地表移動和變形預(yù)計理論及預(yù)計模型尚不 夠完善，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果與實際觀測存在較大的差異，阻礙了條帶開采的優(yōu)化設(shè)計 和效益的提高，在保證地面建筑物不損害或少量損害的條件下，提高資源回收率 已成為當(dāng)前條帶開采設(shè)計與實踐中的重要問題。 針對以上問題，本文在大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，為了提高煤炭資源的回收率，提出 了對條帶開采技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，也就是充分考慮地表建筑物安全的前提下，盡 量加大采出條帶的寬度，確定條帶開采參數(shù)。 1.2 主要研究內(nèi)容及研究思路 條帶開采的研究涉及巖石力學(xué)（包括巖石及煤的強度，煤柱應(yīng)力的變化及煤 柱的穩(wěn)定等）、開采沉陷學(xué)（包括條帶開采的沉陷機理、地表移動與變形的計算、 條帶參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計等）和回采工藝三大領(lǐng)域 [5] 。本文主要研究以下三個方面： （1）條帶開采技術(shù)及參數(shù)設(shè)計的優(yōu)化方法 羅列了條帶開采地表與巖層移動機理方面的假說，提出了條帶開采地表移動 參數(shù)的取值方法，闡述了幾種煤柱設(shè)計理論，提出了條帶開采參數(shù)優(yōu)化的方法。 （2）條帶開采地表移動參數(shù)的影響因素與作用規(guī)律研究 主要對地下煤層由條帶開采出來以后，影響地表移動的參數(shù)因素及其作用規(guī) 律進(jìn)行簡單的介紹和研究。 （3）條帶開采的效果分析 查詢相關(guān)文獻(xiàn)，分析了如干礦區(qū)采用條帶開采后的效果，其相應(yīng)理論研究有 待更深入。 研究思路：以大量文獻(xiàn)為基礎(chǔ)，本論文采用了文獻(xiàn)綜述、理論分析、資料檢 中國礦業(yè)大學(xué) 2009 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 93 頁 索等多種研究方法相結(jié)合的綜合研究路線進(jìn)行研究。 2 條帶開采技術(shù)及參數(shù)設(shè)計的優(yōu)化方法 2.1 條帶開采概述 2.1.1 條帶開采基本概念及類型 條帶開采是一種部分開采方法，它是將要開采的煤層區(qū)域劃分為比較正規(guī)的 條帶形狀，采一條、留一條，使留下的條帶煤柱足以支撐上覆巖層的重量，而地 表只產(chǎn)生較小的移動和變形。與全部垮落法開采不同，條帶開采的資源回收率偏 低，一般僅在保護(hù)地表建（構(gòu)）筑物、水體及鐵路的情況下才應(yīng)用，是煤礦“綠 色技術(shù)體系”中的重要措施之一。它具有以下特點：地表不形成明顯破浪形狀， 而呈現(xiàn)單一平緩的下沉盆地；地表的移動和變形主要來源于煤柱的壓縮和煤柱向 頂?shù)装宓膲喝?，條帶開采的地表下沉值一般不超過采厚的30%；開采總面積和保 留煤柱總面積之比一般小于3；覆巖破壞特征與通常采用的全面開采以下簡稱全 采有明顯不同，采用冒落條帶法開采，在采出條帶上方成拱形冒落或不冒落, 形 成以煤柱為支座的連續(xù)拱，冒落拱上方為裂縫帶，再上為彎曲帶。 根據(jù)條帶開采煤柱的長軸方向，條帶開采可分為走向條帶開采、傾斜條帶開 采和偽斜條帶開采三種。 （1）走向條帶開采的條帶長軸方向沿煤層走向布置，多用于水平或緩傾斜 煤層，當(dāng)煤層傾角較大時，走向條帶煤柱穩(wěn)定性差，但它的優(yōu)點是工作面搬家次 數(shù)少，工作面推進(jìn)長度大。 （2）傾斜條帶開采的條帶長軸方向沿煤層傾斜方向布置，多用于傾斜煤層， 煤柱的穩(wěn)定性較好，其適應(yīng)性強，應(yīng)用較廣泛，它的缺點是工作面搬家次數(shù)頻繁。 （3）偽斜條帶開采即條帶長軸方向與煤層走向斜交，多用于傾角大于 35 o 的煤層。 近水平煤層條件下，既可以沿走向劃分條帶，也可以沿傾向劃分條帶，條帶 工作面既可以沿走向推進(jìn)，也可以沿傾斜推進(jìn)，在這種條件下條帶劃分主要考慮 如何有利于生產(chǎn)和利用原有生產(chǎn)系統(tǒng)以及減少工作面的搬家次數(shù)，以提高生產(chǎn)效 率。 按頂板管理方式條帶開采可分為冒落條帶開采和充填條帶開采；按條帶開采 的布置方式可分為正規(guī)條帶開采、非正規(guī)條帶開采。 2.1.2 條帶開采適用條件及遵循原則 條帶開采與一般長壁式采煤法相比，有采出率低、掘進(jìn)率高、采煤工作面搬 家次數(shù)多等缺點。但它的突出優(yōu)點是開采后引起的圍巖移動量小、地表沉陷小。 條帶開采法適合于以下條件的采煤: （1）地面為密集建筑群、結(jié)構(gòu)復(fù)雜建筑物或紀(jì)念性建筑物下采煤； （2）難以搬遷或無處搬遷的村莊壓煤； 中國礦業(yè)大學(xué) 2009 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 94 頁 （3）鐵路橋梁、隧道或鐵路干線下采煤； （4）水體下采煤以及受巖溶承壓水威脅的煤層開采；地面排水困難； （5）煤層埋藏深度一般在 500 m 以內(nèi)，單一煤層，厚度比較穩(wěn)定，頂?shù)装? 巖層和煤層較硬，斷層少。 在具體的地質(zhì)采礦條件下，在保證采動引起的地表移動與變形不影響地面建 筑物安全使用的前提下，應(yīng)最大限度地提高煤炭資源回收率。但地表移動和變形 值的大小與煤炭回收率直接相關(guān)。開采條帶寬度太大，留設(shè)煤柱太小，則煤柱不 能支撐覆巖載荷，煤柱被壓垮，增大地表的移動和變形值，地面建筑物得不到有 效保護(hù)。開采條帶寬度太小，留設(shè)煤柱太大，回收率低，經(jīng)濟(jì)上不合理。有時如 留設(shè)煤柱寬度不當(dāng)，可能造成地表波浪形下沉，這對保護(hù)地面建筑物也極為不利。 一般情況下，條帶開采設(shè)計時應(yīng)遵循以下原則： （1）地表允許變形原則，即條帶采出后，地表能夠形成單一均勻的下沉盆 地，而不出現(xiàn)波浪式下沉。地表產(chǎn)生的變形值要小于保護(hù)地面建筑物允許的變形 值。 （2）煤柱穩(wěn)定性原則，即保證留設(shè)條帶煤柱有足夠的強度支撐覆巖的載荷， 并且能夠保持長期穩(wěn)定。 （3）回采率原則，即在滿足地表允許變形原則和煤柱穩(wěn)定性原則的前提下， 回采率應(yīng)盡量大，采出條帶盡量寬。 2.2 條帶開采巖層與地表移動理論和規(guī)律 條帶開采由于開采方式的特殊性，其巖層與地表移動機理截然不同于長壁式 全部開采。主要表現(xiàn)為：條帶開采通過煤柱支撐頂板，覆巖破壞范圍較長壁式全 陷法開采較??；條帶巖層與地表移動主要是以開采區(qū)域上方巖層彎曲和煤柱壓入 為主，長壁全陷法開采以下部巖石的冒落、斷裂及上部巖層的彎曲變形為主，兩 者移動機理存在顯著的差異。在條帶開采地表與巖層移動機理方面提出的假說主 要有以下幾種 [6,7] ： 2.2.1 煤柱的壓縮與壓入說 該假說是基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)法而提出的，認(rèn)為條帶開采上覆巖層與地表的沉 陷是由煤柱的壓縮、煤柱壓入底板和煤柱壓入頂板三部分組成。煤柱的壓縮量按 單向彈性壓縮處理，其作用的應(yīng)力為煤柱平均應(yīng)力。煤柱壓入頂?shù)琢考俣褐? 平均應(yīng)力作用在半無限平板上，按彈性理論給出計算公式。 2.2.2 巖梁假說 該假說是根據(jù)一些礦井的地質(zhì)條件，在條帶開采區(qū)域上覆巖層中存在一層或 幾層厚度較大、強度較高的巖層，在條帶開采時該巖層為起控制作用的巖梁，或 者如同一個受煤柱和冒落拱局部支撐而彎曲下沉的彈性地基梁，然后按線彈性理 論給出了應(yīng)力和位移的計算公式。 中國礦業(yè)大學(xué) 2009 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 95 頁 2.2.3 托板理論 在巖梁假說的基礎(chǔ)上，吳立新、王金莊提出了托板理論 [10] 。托板理論認(rèn)為條 帶開采地表最大下沉量是由煤柱壓入底板量、煤柱壓縮量、巖柱壓縮量、承重層 壓縮量和托板撓度所組成。該理論認(rèn)為頂板巖層內(nèi)存在一層強度相對較大的堅硬 厚巖層，它的作用類似于托板，可以減緩或減小地表的下沉。托板理論把條采工 程巖體視為“準(zhǔn)三維”介質(zhì)，在模型上是一大進(jìn)步，但托板的位置、托板的斷裂 準(zhǔn)則、托板的邊界條件等還需進(jìn)一步完善（圖 2-1）。 2.2.4 波浪消失說 該理論認(rèn)為條帶采出以后，采出條帶頂板巖層類似于兩端固定約束巖梁，因彎曲 下沉直接頂與上位巖層分離，在巖梁端部上表面最先出現(xiàn)倒八字裂縫，裂縫斜向 開采條帶上方，直接頂出現(xiàn)初次斷裂或周期性斷裂，最終形成上窄下寬的等腰梯 形。位于煤柱上方的巖層為壓縮變形，其下沉值由下往上逐漸增大；采空區(qū)上方 的巖體為拉伸變形，因巖體膨脹或出現(xiàn)離層，其下沉值由下往上逐漸減小，在某 一高度，二者的下沉趨于一致，在此高度之上為均勻下沉。并且總結(jié)出波浪下沉 傳播高度與條帶開采寬度和煤柱寬度有關(guān)。 條帶開采地表移動和變形的特點有：地表下沉系數(shù)?。恢饕绊懻行?；水 平移動系數(shù)隨采深的增加而減少；地表移動期短，與長壁開采相比，條帶開采引 起地表移動時間約為長壁開采的 40%。 此外，關(guān)鍵層理論認(rèn)為在上覆巖層中存在一層至數(shù)層厚硬巖層，在采場上覆 巖層活動中起主要控制作用。對認(rèn)識條帶開采上覆巖層與地表移動機理以及形成 以關(guān)鍵層理論為支撐條件的條帶開采設(shè)計方法具有重要的意義。 圖 2-1 條帶開采托板理論原理圖 中國礦業(yè)大學(xué) 2009 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 96 頁 2.3 條帶開采地表移動和變形預(yù)計參數(shù) 條帶開采地表移動參數(shù)是條帶開采地表移動和變形預(yù)計時的關(guān)鍵性參數(shù)，其 取值的準(zhǔn)確性直接影響到地表移動和變形預(yù)計結(jié)果的精度。無論采用哪一種預(yù)計 方法，如果預(yù)計參數(shù)選不準(zhǔn)，都不可能得出符合實際的預(yù)計結(jié)果。因此，條帶開 采地表移動和變形預(yù)計參數(shù)的準(zhǔn)確選取對提高預(yù)計精度至關(guān)重要。 我國學(xué)者在分析條帶開采實測資料的基礎(chǔ)上，對條帶開采地表移動和變形預(yù) 計參數(shù)選取及其與地質(zhì)采礦條件的關(guān)系進(jìn)行了研究。耿德庸在資料分析和有限元 計算的基礎(chǔ)上，得出條帶開采下沉系數(shù)、水平移動系數(shù)、主要影響角正切和拐點 偏距與全采的關(guān)系，建立了一套經(jīng)驗公式，該公式考慮了采寬、留寬和采深等因 素 [8] （見表 2-1 公式（一））袁禮明、王金莊等采用邊界元法分析了條帶開采地 表移動參數(shù)與采出率、采深和采寬的關(guān)系，結(jié)合國內(nèi)部分條帶開采的實測資料采 用回歸分析方法得出了求取這些參數(shù)的另一套經(jīng)驗公式 [9,10] ，有些參數(shù)只考慮了 采深或采出率等少量因素（見表 2-1 公式（二））。這兩套求取條帶開采地表移動 參數(shù)的經(jīng)驗公式均建立了條帶開采與全采參數(shù)之間的關(guān)系，是目前進(jìn)行條帶開采 地表移動和變形預(yù)計求取參數(shù)的主要方法。 通過建立條帶開采地表移動觀測站進(jìn)行實測或采用其他研究方法，基本掌握 了條帶開采地表沉陷的主控因素，以及煤層和上覆巖層的強度、結(jié)構(gòu)對條帶開采 地表移動和變形的影響。 我國實測資料表明：條帶開采的下沉系數(shù)為全部垮落開采下沉系數(shù)的 4.8%～26.8%，冒落條帶開采下沉系數(shù)為 0.02～0.336，大多數(shù)小于 0.2；水砂充 填條帶開采的下沉系數(shù)在 0.009～0.04 之間。 統(tǒng)計資料表明：條帶開采的地表下沉系數(shù)與條帶開采的采出率關(guān)系密切，隨 采出率的增加而增加，見表 2-2。 中國礦業(yè)大學(xué) 2009 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 97 頁 表 2-1 條帶開采地表移動參數(shù)計算公式 表 2-2 條帶開采地表下沉系數(shù)與采出率的關(guān)系 近年來，隨著開采深度的增加，地表采動程度減小，引起地表移動參數(shù)發(fā)生 變化，國內(nèi)外學(xué)者對采動程度影響參數(shù)的問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，取得了一些有 價值的成果，已基本能滿足工程的需要，但對深部條帶開采時的地表移動參數(shù)尚 需進(jìn)—步研究。 參 數(shù) 計算公式 公式（一） 公式（二） 下 沉 系 數(shù) 水 平 移 動 系 數(shù) 主 要 影 響 角 正 切 拐 點 偏 距 采出率/% 堅硬巖層中 硬巖層 軟弱巖層 70 0.14~0.17 0.21~0.27 0.27~0.33 60 0.09~0.11 0.13~0.17 0.17~0.21 50 0.05~0.06 0.08~0.10 0.10~0.12 40 0.026~0.03 0.03~0.05 0.05~0.06 30 0.011~0.014 0.016~0.022 0.022~0.026 中國礦業(yè)大學(xué) 2009 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 98 頁 2.4 條帶開采煤柱的穩(wěn)定性 條帶開采煤柱的穩(wěn)定與否是條帶開采成敗的關(guān)鍵。我國學(xué)者在國外學(xué)者研究 的基礎(chǔ)上，對條帶開采煤柱穩(wěn)定性進(jìn)行了較多的研究，給出了多種有關(guān)煤柱塑性 區(qū)寬度計算的理論公式。但多是從傳統(tǒng)的強度觀點出發(fā)，建立了多種煤柱載荷、 強度計算的理論和經(jīng)驗公式及分析方法。目前，我國在條帶開采煤柱載荷計算中 普遍采用的是英國 A.H.Wilson 的兩區(qū)約束理論，分別計算條帶煤柱的極限承載 能力和實際承受的載荷，然后計算煤柱的安全系數(shù)來評價煤柱的穩(wěn)定性。國內(nèi)外 對煤柱設(shè)計理論的研究非常活躍，大體可分為以下幾種 [11,12] 。 2.4.1 有效區(qū)域理論 該理論假定各煤柱支撐著上部及與所鄰煤柱平分的上部巖層的重量，因此， 只能在開采面積較大、煤柱尺寸和間隔相同、分布均勻的情況下使用。如果開采 面積較小，有效區(qū)域理論公式得出的煤柱應(yīng)力值會偏低。庫克和胡德（1978）指 出，其理想的情況是采區(qū)寬度大于采深。斯格蘭格(1982)指出由于煤柱邊緣的破 裂和松動引起的煤柱有效承載面積的減少，煤柱應(yīng)力系數(shù)應(yīng)增加為 1.1。 2.4.2 壓力拱理論 該理論主要用于地表沉陷的控制。用該理論設(shè)計屈服煤柱或隔離煤柱時，煤 柱尺寸根據(jù)上覆巖層的厚度來確定。它認(rèn)為由于在采空區(qū)上方壓力拱的形成，上 覆巖層的載荷只有很少一部分作用到直接頂板上，其他部分的覆巖重量會向采空 區(qū)兩側(cè)的煤柱（拱腳）轉(zhuǎn)移。壓力拱的內(nèi)寬主要受上覆巖層厚度即采深的影響， 壓力拱的外寬則受覆巖內(nèi)部組合結(jié)構(gòu)的影響。如果采寬大于壓力拱的內(nèi)寬，則負(fù) 載分布會變得很復(fù)雜，即一個拱腳在邊側(cè)實體煤上，另一個拱腳在采空區(qū)上，此 時壓力拱不穩(wěn)定，可能崩潰并伴隨大量的覆巖沉陷。 2.4.3A.H.威爾遜理論 A.H.威爾遜（wilson，1972）在假設(shè)的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出了方煤柱、長方煤柱和 長煤柱在有核區(qū)或無核區(qū)承載能力與分擔(dān)載荷的計算公式以及煤柱屈服帶寬度 的計算公式，在實踐中得到了廣泛的應(yīng)用。 威爾遜的三向應(yīng)力法給出的矩形煤柱和長煤柱極限荷載計算公式分別為： P 極距=40γH[ad-4.92(a+d)M H×10 -3 +32.28M 2 H 2 ×10 -6 ]，kN (2-1) P 極長=40γH(a-4.92MH×10 -3 )，kN/m (2-2) 矩形煤柱和長煤柱保留煤柱實際承受的荷載按下式計算： P 實距=10γH[Ha+b/2(2H-b/0.6)]，kN (2-3) P 實長=10γ[Ha+b/2(2H-b/0.6)]，kN/m (2-4) 上式中，H 為采深；a、b 為條帶的采寬和留寬。 我國學(xué)者在研究了 A.H.Wilson 煤柱設(shè)計公式后認(rèn)為 A.H.威爾遜經(jīng)驗公式存 在因簡化而帶來的問題：即將煤體的內(nèi)摩擦角取固定值 36 o ，簡化了煤體極限強 中國礦業(yè)大學(xué) 2009 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 99 頁 度的計算式，而煤體內(nèi)摩擦角對極限強度的影響很大，不應(yīng)該用一個定值簡化計 算。通過實驗分析對屈服帶寬度表達(dá)式以及寬厚條帶煤柱穩(wěn)定性的計算公式等進(jìn) 行了改進(jìn)。 2.4.4 核區(qū)強度不等理論 在該理論中，格羅布拉爾法把煤柱核區(qū)強度與實際應(yīng)力聯(lián)系在一起，從而確 定核區(qū)內(nèi)不同位置的強度，提出了用于長條煤柱破壞包絡(luò)面計算的通用公式。格 羅布拉爾法在某種程度上與威爾遜的兩區(qū)約束理論極為相似，但由于建立的常數(shù) 復(fù)雜，降低了其實用性。 2.4.5 大板裂隙理論 白矛（1982）將采空區(qū)沿走向剖面視為邊界作用均布載荷的無限大板中的一 個很扁的橢圓孔口，利用彈性斷裂理論推導(dǎo)出孔口端部煤柱距煤壁任一距離的應(yīng) 力計算公式。 2.4.6 極限平衡理論 該理論研究了承載煤柱與頂?shù)装宓慕佑|面上有整體內(nèi)聚力條件下的任意三 邊尺寸比值的煤柱應(yīng)力狀態(tài)，并得到規(guī)則煤柱的頂面和中性面所受鉛直應(yīng)力的分 布狀態(tài)。此外，在條帶煤柱穩(wěn)定性分析方面，謝和平等在研究了條帶煤柱穩(wěn)定性 理論和分析方法的基礎(chǔ)上，認(rèn)為煤柱的破壞失穩(wěn)是典型的非線性過程。胡炳南從 煤柱強度分析出發(fā)，導(dǎo)出任意方向弱面剪力強度安全系數(shù)計算式 [13] 。崔希民、繆 協(xié)興應(yīng)用從屬面積法外析原理，得出傾斜煤層條帶煤柱應(yīng)力表達(dá)式，認(rèn)為剪應(yīng)力 對煤柱強度和穩(wěn)定性有影響。高緯通過極限平衡法分析了煤層傾角對煤柱穩(wěn)定性 的影響 [14] 。郭文兵、柴一言分析了影響走向條帶煤柱穩(wěn)定性的主要因素，并通過 光彈性模擬實驗得出了條帶煤柱、采場圍巖應(yīng)力分布隨煤層傾角變化而變化的規(guī) 律；任建華、康建榮等提出了條帶煤柱使用錨桿、化學(xué)加固方法以提高條帶開采 回采率；鄧喀中給出了含節(jié)理（弱面）煤層在單向和三向受力狀態(tài)下條帶煤柱的 留設(shè)方法；上述所有方法均未考慮煤層傾角、煤柱剝落、煤柱蠕變、煤柱內(nèi)瓦斯 抽放、水和濕度、采區(qū)（工作面）幾何形狀對煤柱的影響，對這些影響因素是通 過加大煤柱設(shè)計寬度和增大安全系數(shù)的方法來解決。 條帶開采采出率能否提高與條帶煤柱的穩(wěn)定性直接相關(guān)，在條帶開采中要求 條帶煤柱的寬高比大于等于 2（充填條采）或大于等于 5（冒落條采）。要求條帶 煤柱要有足夠的強度和穩(wěn)定性，從而能長期有效地支撐上覆巖層的載荷。在抗滑 穩(wěn)定性方面，主要是傾斜煤層開采條件下，煤柱在上覆巖層的作用下沿底板滑動， 從而使煤柱失穩(wěn)，導(dǎo)致煤柱破壞。解決的主要辦法是將走向條帶改為傾斜條帶或 偽傾斜條帶，以增加條帶的穩(wěn)定性，具體在什么條件下煤柱會滑移，目前研究不 多，一般認(rèn)為：當(dāng) α≥20 o 時，煤柱可能滑移，布置傾向或偽斜條帶；當(dāng) α≤20 o 時， 煤柱不滑移，布置走向條帶。 中國礦業(yè)大學(xué)2009屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第100頁 2.5 條帶開采優(yōu)化設(shè)計 條帶開采尺寸設(shè)計是一個不斷優(yōu)化的過程，首先要根據(jù)條帶開采的經(jīng)驗和礦 山生產(chǎn)的要求，初步選取采出條帶寬度和保留條帶寬度，然后進(jìn)行強度穩(wěn)定性、 抗滑穩(wěn)定性（傾斜煤層走向條采）和變形穩(wěn)定性分析。不斷調(diào)整采出條帶和保留 條帶的寬度，直到既滿足穩(wěn)定性要求，又便于煤炭生產(chǎn)且采出率最高為止。 條帶開采尺寸設(shè)計一般認(rèn)為有幾個基本準(zhǔn)則：條帶煤柱有足夠的強度和穩(wěn)定 性，從而能長期有效支撐上覆巖層的載荷；條帶采寬應(yīng)限制在不使地表出現(xiàn)波浪 下沉盆地而呈現(xiàn)單一平緩的下沉盆地。通常條帶煤柱尺寸根據(jù)采深、采厚、采寬 以及煤層和上覆巖層的力學(xué)性質(zhì)等因素確定，采寬根據(jù)采深和上覆巖層的巖性確 定。根據(jù)條帶開采的經(jīng)驗，條帶采寬應(yīng)不使地表出現(xiàn)波浪下沉盆地面呈現(xiàn)單一平 緩的下沉盆地，采出條帶寬度一般為 H/4～H/10（H 為采深）。 當(dāng)煤層頂板堅硬，煤柱尺寸按單向受力狀態(tài)計算，采寬尺寸可按壓力拱曲線 理論計算，單向應(yīng)力法留設(shè)條帶開采尺寸的基本原理為煤柱的單向抗壓強度應(yīng)大 于礦體實際承受的荷載，礦體實際承受的荷載可按“分截面積法”確定，見圖 2-2。 圖 2-2 分截面積法圖 圖中（a+b）陰影部分為煤柱分載的面積，即條帶開采后采出條帶上方巖體 的自重全部轉(zhuǎn)移到煤柱上，因此有： P 礦=0.01γH(a+b)/a (2-5) 式中 γ——上覆巖體的平均體積力，10 4 N/m 3 ； a——保留條帶（煤柱）寬度，m； b——采出條帶寬度，m； P 礦——煤柱上實際出現(xiàn)的平均荷載，MPa。 礦體的三向抗壓強度可用在實驗室內(nèi)測定的礦塊單軸抗壓強度及礦體所在 位置處的側(cè)應(yīng)力，按胡克布朗的節(jié)理化強度準(zhǔn)則來確定，即 σ1=σ3+(mσcσ3+sσc 2 ) 1/2 (2-6) 中國礦業(yè)大學(xué)2009屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第101頁 式中 σ1——礦體的三軸抗壓強度，MPa； σ3——礦體所在位置處的側(cè)應(yīng)力，MPa； σc——礦塊試樣的單軸抗壓強度，MPa； m、s——經(jīng)驗常數(shù)，可參照有關(guān)文獻(xiàn)選取。 若取 σc=0，則可求得礦體的單軸抗壓強度為 Rc：Rc=s 1/2 σc 此外，礦體的強度還可按其他經(jīng)驗公式來確定，如南非的沙拉蒙（Salamon） 經(jīng)驗公式為： Rc=7.18a 0.46 M -0.66 （2-7） 式中：a——煤柱的寬度，m； M——煤柱的高度，m。 煤層開采后采空區(qū)若被冒落矸石密實充填或充填法管理頂板時，煤柱尺寸應(yīng) 按三向受力狀態(tài)計算。通過對目前條帶開采實例的分析：條帶開采煤層厚度最大 16.6 m（充填條采）、5.1 m（冒落條采）；條帶開采寬度變化在 10～160 m 之間， 寬深比變化在 0.043～0.347 之間，即為采深的 1/2.9～1/23；條帶煤柱寬高比為 5.3～16 （冒落條帶），一般為 8～10。 在相同采出率的條件下，增大條帶開采的寬度可提高條帶開采的效率。建筑 物下壓煤的開采一般要經(jīng)歷一個較長的時間過程，開采范圍內(nèi)的地表建筑要經(jīng)歷 單一工作面的最大影響變形，從而有利于地表建筑物的保護(hù)。據(jù)此提出了允許地 表非統(tǒng)一下沉盆地的寬條帶設(shè)計理念。寬條帶開采技術(shù)充分利用了盆地范圍使變 形分散，實現(xiàn)在控制變形的條件下提高條帶開采寬度的目的。在此基礎(chǔ)上，還提 出了寬條帶全柱開采技術(shù)。大采寬條帶開采由于采寬加大，地表移動變形機理已 不同于小尺寸條帶開采，采用小尺寸條帶開采的預(yù)測方法已不適宜。但由于寬深 比較小，地表屬極不充分開采，采用充分開采的概率積分預(yù)測方法也不適合，造 成了目前采用條帶開采的地表移動預(yù)測方法求出的地表移動值小于實測值，而采 用似充分采動的概率積分法預(yù)測出的值大于實測值的現(xiàn)象。有關(guān)文獻(xiàn)將開采沉陷 學(xué)與工程巖體力學(xué)、彈塑性力學(xué)、流變學(xué)相結(jié)合，論述了條帶開采采寬、留寬優(yōu) 化設(shè)計原則和方法。此外還有將巖層控制的關(guān)鍵層理論、專家系統(tǒng)、連續(xù)介質(zhì)力 學(xué)理論等用于條帶開采設(shè)計。 在多煤層條帶開采研究方面，相關(guān)文獻(xiàn)提出了煤層條帶開采中選擇開采煤層 的最小采動影響原則、層間條帶煤柱的對齊原則等。多煤層條帶開采當(dāng)層間距較 小時，應(yīng)使上、下煤柱在法向方向?qū)R；當(dāng)上下煤層間距大于煤層采厚的 30~60 倍時，可以不對齊。在采用彈朔性有限元法模擬的基礎(chǔ)上，得出了多煤層條帶空 間位置與巖層及地表移動間的關(guān)系，但多煤層條帶開采優(yōu)化設(shè)計問題的研究還相 對不足。 3 條帶開采地表移動參數(shù)的影響因素與作用規(guī)律研究 地下煤層開采出來以后，必然會引起地表的下沉和移動，而影響地表下沉和 移動的因素又是錯綜復(fù)雜的，本論文主要對地下煤層由條帶開采出來以后，影響 中國礦業(yè)大學(xué)2009屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第102頁 地表移動的參數(shù)因素及其作用規(guī)律進(jìn)行簡單的介紹和研究。 3.1 條帶開采地表移動參數(shù)的影響因素 3.1.1 下沉系數(shù)的影響因素 條帶開采地表下沉系數(shù)是表征條帶開采地表移動規(guī)律的重要參數(shù)，也是條帶 開采地表移動和變形預(yù)計時的關(guān)鍵性參數(shù)，其取值的準(zhǔn)確與否直接影響到地表移 動和變形預(yù)計結(jié)果的精度以及條帶開采的方案設(shè)計。因此，國內(nèi)外學(xué)者對條帶開 采下沉系數(shù)的研究都非常重視，曾建立了多個條帶開采地表移動觀測站進(jìn)行現(xiàn)場 實測研究。理論研究方面，有關(guān)文獻(xiàn)將條帶開采地表沉陷的影響因素劃分為工程 巖體的物理力學(xué)參數(shù)、礦柱的強度和物理力學(xué)參數(shù)、環(huán)境應(yīng)力及開采幾何尺寸等 四類。實測資料及理論研究已證實，條帶開采地表下沉系數(shù)主要與下面地質(zhì)采礦 因素有關(guān)。 （1）采寬 b 條帶開采寬度是地表沉陷的主控因素。根據(jù)托板理論，采寬 b 決定了托板 的穩(wěn)定性，從而影響到地表下沉系數(shù)。國內(nèi)外大量的條帶開采實例表明，采寬 b 在（1/4～1/10）H 時地表一般不會出現(xiàn)波浪式下沉。 （2）留寬 a 條帶開采保留煤柱寬度決定了條帶煤柱的穩(wěn)定性。條帶煤柱能否支撐上覆巖 層的載荷是條帶開采成敗的關(guān)鍵問題之一，條帶煤柱尺寸過小，承載能力不足， 必然使地表下沉系數(shù)增大。 （3）采深 H 全采時地表下沉系數(shù)有隨采深增大而減小的趨勢。條帶開采由于客觀上的多 種因素影響以及地表沉陷機理與全采不同，目前國內(nèi)外普遍認(rèn)為條帶開采下沉系 數(shù)與采深之間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系。通過數(shù)值模擬分析得出條帶開采下沉系數(shù) 隨采深的增大而增大。 （4）采厚 M 采厚對條帶開采地表沉陷的影響一方面反映在采厚大、煤柱高度大，則條帶 煤柱的極限強度小、承載能力和穩(wěn)定性差。另—方面．由于條帶開采與全采引起 采動沉陷的機理不同，條采下沉系數(shù)隨采厚的增大有減小的趨勢。通過數(shù)值計算 分析得出條帶開采下沉系數(shù)隨采厚的增大而減少。 （5）采出率 條帶開采的采出率對下沉系數(shù)的影響很大，采出率越大，下沉系數(shù)就越大， 采出率太高，條帶煤柱可能會壓垮。數(shù)值模擬結(jié)果為：隨采出率的增大，地表下 沉系數(shù)呈冪指數(shù)關(guān)系增大。 （6）采煤方法與頂板管理方法 采煤方法主要指條帶煤柱的布置方式和采煤工藝，條帶煤柱布置方式不 同．煤柱的穩(wěn)定性程度不同；不同的采煤方式對條帶煤柱的采動影響程度不同。 國內(nèi)外條帶開采實例表明：條帶開采的頂板管理方法主要有全部冒落法和水砂充 中國礦業(yè)大學(xué)2009屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第103頁 填法。充填對條帶開采地表下沉系數(shù)起著至關(guān)重要的作用。不同的頂板管理方法 下沉系數(shù)差別很大。 （7）上覆巖層結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì) 上覆巖層結(jié)構(gòu)以及覆巖強度對煤層開采以后上覆巖層及地表的下沉值起著 重要作用。統(tǒng)計規(guī)律表明：全采的下沉系數(shù)與上覆巖層的性質(zhì)密切相關(guān)，上覆巖 層越堅硬，下沉系數(shù)越??；覆巖越軟弱，下沉系數(shù)越大。有關(guān)文獻(xiàn)指出，在 α<50 o 的條件下，堅硬巖層(覆巖平均普氏系數(shù) f >6)q＝0.4～0.65，中硬巖層(f＝3～6)q ＝0.6～0.85；軟弱巖層(f<3)q＝0.85～1.0。地層結(jié)構(gòu)及其物理力學(xué)性質(zhì)也是影響 條帶開采地表沉陷的重要因素，堅硬巖層在上覆巖層中所占的比例越大，下沉系 數(shù)就越小。實踐中可以來用覆巖綜合評價系數(shù) P 來描述上覆巖層的軟硬程度。無 論是關(guān)鍵層理論還是托板理論都強調(diào)了地層結(jié)構(gòu)及性質(zhì)對地表沉陷的作用。 （8）煤柱及頂?shù)装鍑鷰r的力學(xué)性質(zhì) 煤柱的壓縮與壓入說認(rèn)為條帶開采的地表沉陷主要由條帶煤柱壓縮量、煤柱 對頂?shù)装宓膲喝肓考绊敯鍘r層的彎曲下沉量三部分組成。當(dāng)煤層和頂?shù)装鍘r層松 軟時，在相同外力作用下，會產(chǎn)生較大的煤柱壓縮和煤柱對頂?shù)装鍘r層的壓入量。 所以，地表開采沉陷量變大。相反，對于彈性模量大的堅硬煤層和頂?shù)装鍘r層， 煤柱壓入頂?shù)装辶繙p少，地表下沉值就會相應(yīng)減小。 在條帶開采中，如果頂板松軟破碎，采出條帶內(nèi)頂板會產(chǎn)生冒落，并形成煤 柱上方的雙向應(yīng)力狀態(tài)下的巖柱，也在一定程度上加大了開采沉陷量。在相對煤 柱較為堅硬的頂?shù)装鍡l件下，堅硬的頂?shù)装鍖⑼ㄟ^摩擦效應(yīng)限制煤柱的水平變形， 從而使煤柱的強度和穩(wěn)定性得以增強。相反，對于松軟圍巖情況，其頂?shù)装宓乃? 平變形比煤柱大，使煤柱內(nèi)產(chǎn)生水平拉力，削弱煤柱強度和穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致煤 柱的拉斷破壞。煤柱本身的力學(xué)性質(zhì)不僅影響到條帶煤柱的穩(wěn)定性，而且煤柱本 身的壓縮量以及煤柱壓入頂?shù)装辶烤菞l帶開采地表沉陷的重要因素。堅硬的煤 柱壓縮量小，韌性好的煤柱不易產(chǎn)生片幫。但煤柱的力學(xué)性質(zhì)如強度等與煤柱的 幾何尺寸有關(guān)，因此，煤柱的物理力學(xué)性質(zhì)對地表下沉系數(shù)的影響可以體現(xiàn)在煤 柱的幾何尺寸上。 （9）條帶開采區(qū)域面積 條帶開采時的地表移動與變形規(guī)律與全采時近似。在具體的地質(zhì)采礦條件下， 全部開采時開采區(qū)域面積達(dá)到一定范圍后，地表沉陷達(dá)到該地質(zhì)采礦條件下的最 大值，即地表最大下沉值不再隨開采區(qū)域面積增大而繼續(xù)增大。條帶開采一般是 在長壁工作面內(nèi)進(jìn)行的，因此，也存在是否是充分采動的問題。當(dāng)條帶開采區(qū)域 面積較小時，地表沉陷不能達(dá)到充分采動，非充分采動時地表最大下沉值與兩方 向的采動程度系數(shù)有關(guān)。 （10）重復(fù)采動 全采時由于上覆巖層在受到初次采動時已破裂、離層而“軟化”，使得重復(fù) 采動時巖體的碎脹量減小，或者重復(fù)采動引起老采空區(qū)的“活化”，地表移動變 形增大，重復(fù)采動時的下沉系數(shù)一般大于初次采動時的下沉系數(shù)。資料分析表明： 中國礦業(yè)大學(xué)2009屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第104頁 重復(fù)采動時條帶開采地表下沉系數(shù)大于初次采動時的下沉系數(shù)。 （11）煤層傾角 煤層傾角對上覆巖層及地表的移動形態(tài)有一定影響，并且地表最大下沉值與 煤層傾角有關(guān)。條帶開采時煤層傾角對沿走向布置的條帶煤柱的穩(wěn)定性有明顯的 影響。 綜上所述，本論文將影響條帶開采地表下沉系數(shù)的地質(zhì)采礦因素歸納為采寬 b、留寬 a、采深 H、采厚 M、采出率 ρ、采煤方法與頂板管理方法、上覆巖層結(jié) 構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)、煤柱及頂?shù)装鍑鷰r的力學(xué)性質(zhì)、條帶開采區(qū)域面積、重復(fù)采 動、煤層傾角 α 等。此外，在不同的地質(zhì)采礦條件下，影響條帶開采下沉系數(shù)的 因素可能還有地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、地形條件、表土層厚度以及巖體的節(jié)理 效應(yīng)等。 3.1.2 水平移動系數(shù)的影響因素 全采時地質(zhì)采礦條件對水平移動系數(shù)的影響不太明顯。根據(jù)目前對水平移動 系數(shù)的研究，對全采時影響水平移動系數(shù)的地質(zhì)采礦因素總結(jié)如下： 由于沖積層的蠕變特性加大了水平移動系數(shù)，并隨沖積層的厚度增大而增大， 但變化幅度較小。 一般情況下，水平移動系數(shù)隨煤層傾角的增大而增大。傾斜煤層和水平煤層 的水平移動系數(shù) b 傾斜 和 b 水平 之間有如下關(guān)系： b 傾斜=(1+0.0086α)b 水平 （3-1） 有關(guān)文獻(xiàn)研究了全采時巖體節(jié)理對地表水平移動系數(shù)的影響，當(dāng)節(jié)理面抗拉 強度 σt＝0 時，隨節(jié)理長度的增加，地表水平移動系數(shù) b 增大，當(dāng)節(jié)理面抗拉強 度 σt＞0 時，隨節(jié)理長度的增加，地表水平移動系數(shù) b 減小。隨節(jié)理密度的增大， 水平移動系數(shù) b 增大，當(dāng)節(jié)理密度達(dá)到一定值時 b 不再變化，而趨于定值。 實測資料分析表明：條帶開采水平移動系數(shù)與采出率有一定的關(guān)系，隨采出 率的增大呈增大趨勢，但變化幅度較小。 綜合以上分析表明：影響條帶開采水平移動系數(shù)的主要因素有：①采深，隨 采深的增大而減??；②采出率，隨采出率的增大而增大。此外，在不同的地質(zhì)采 礦條件下，影響條帶開采水平移動系數(shù)的因素還有煤層傾角、沖積層厚度、采動 程度、巖體綜合變形模量、開采厚度以及巖體的節(jié)理效應(yīng)等。 3.1.3 主要影響角正切的影響因素 主要影響角正切 tanβ 是開采工作面的深度與主要影響半徑之比。全采時 tanβ 值的大小主要與下列因素有關(guān)。 （1）上覆巖層巖性 上覆巖層巖性越硬，主要影響角正切 tanβ 越小，tanβ 的變化幅度為 1.2～ 3.54。堅硬巖層(覆巖平均普氏系數(shù) f>6)tanβ＝1.2～1.6；中硬巖層(f＝3～6)tanβ ＝1.4～2.2；軟弱巖層(f<3)tanβ＝1.8～2.6。隨著硬巖層在上覆巖層中所占比例的 增大，tanβ 有減小的趨勢。 中國礦業(yè)大學(xué)2009屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第105頁 （2）沖積層厚度 δ 沖積層作為與基巖韌性差異較大的介質(zhì)，不僅對基巖起載荷作用，本身還以 流動方式充填基巖的沉陷空間。沖積層的流變特性使地表移動范圍增大，并且沖 積層厚度越大，地表移動范圍也越大，這是厚沖積層礦區(qū)主要影響角正切 tanβ 值 小的主要原因。 （3）采深 H 根據(jù)部分資料研究認(rèn)為 tanβ 值隨著采深的增大而增大，按指數(shù)關(guān)系變化。 通過對實測資料的分析研究發(fā)現(xiàn)，條帶開采與全采條件下主要影響角正切的 關(guān)系與上覆巖層的巖性系數(shù)(含松散層厚度)還有一定關(guān)系。因此，影響條帶開采 與全采條件下主要影響角正切關(guān)系的因素主要有采深、覆巖綜合評價系數(shù)等，與 重復(fù)采動、煤層傾角、煤層厚度、條帶開采尺寸、采出率等因素的關(guān)系尚不完全 清楚。 3.1.4 拐點偏距的影響因素 在進(jìn)行地表移動和變形預(yù)計時，拐點偏移距是一個重要的參數(shù)，它不僅直接 影響到各種移動和變形值的計算精度，而且決定了地表移動盆地的形狀和范圍。 全采時影響拐點偏移距的因素包括上覆巖層巖性、巖層層位、采深、松散層厚度、 工作面尺寸、煤層傾角、采厚、采動程度、重復(fù)采動、采煤方法和頂板管理方法 等。覆巖巖性和采深是影響拐點偏移距的主要因素，隨上覆巖層強度的增加而增 加，隨采深的增加而增加。我國一般的礦區(qū) s 值約在(0.05～0.43)H 之間。 （1）覆巖巖性的影響 上覆巖層巖性越硬，s/H 越大，s/H 的變化幅度為 0.05～0.2。堅硬巖層(覆巖 平均普氏系數(shù) f>6)s/H＝0.15～0.20；中硬巖層(f＝3～6)s/H＝0.10～0.15；軟弱巖 層(f<3)s/H＝0.05～0.10。一般認(rèn)為隨著硬巖層比例的增加 s/H 也逐漸增加，硬巖 層對拐點偏移距的影響較大。 （2）采深 H 的影響 s 值一般隨采深的增加呈線性增加，上覆巖層軟弱時，s 的變化緩慢，層堅 硬時，s 的變化顯著。 （3）采動程度的影響 當(dāng)采動程度系數(shù) n＜1 時，拐點偏移距隨采動程度的增大而降低，當(dāng)工作面 尺寸達(dá)到充分采動以后，拐點偏移距穩(wěn)定在某一值。采動程度越小，上覆巖層的 破壞越小，頂板冒落不充分，因此拐點偏移距就越大。 綜合上述分析表明；影響條帶開采的拐點偏移距 s 條的主要因素有采深、采 出率、采寬、煤柱留寬、上覆巖層綜合評價系數(shù)等。此外，條帶開采的拐點偏移 距 s 條與松散層厚度、條帶開采區(qū)域面積(采動程度)、煤層傾角、采厚、重復(fù)采 動、采煤方法和頂板管理方法等有一定的關(guān)系。 3.2 條帶開采地表移動參數(shù)分析 我國自 1967 年開始應(yīng)用條帶法開采“三下”壓煤以來，先后在全國多個省 中國礦業(yè)大學(xué)2009屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第106頁 市的數(shù)百個條帶工作面進(jìn)行了條帶開采，其中部分建立了地表移動觀測站進(jìn)行現(xiàn) 場實測。為條帶開采地表移動參數(shù)的研究提供了重要的數(shù)據(jù)；而且通過對條帶開 采地表移動參數(shù)進(jìn)行過分析研究，得出一些經(jīng)驗公式并被廣泛應(yīng)用。但近十幾年 來，隨著條帶開采的廣泛應(yīng)用，新的條帶開采的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)逐漸增多，同時以 前的經(jīng)驗公式對于同一煤礦、同一地質(zhì)采礦條件下條帶開采預(yù)計參數(shù)的計算結(jié)果 差異很大。因此，有必要在補充新的觀測站資料的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步研究。郭文兵 [15] 等人通過現(xiàn)場調(diào)研與資料檢索，通過分析建立了新的條帶開采地表移動預(yù)計參 數(shù)的經(jīng)驗公式。 （1）下沉系數(shù) 首先分析條帶開采下沉系數(shù)和全采條件下下沉系數(shù)的比值qt/qq 與各主要相 關(guān)單因素之間的關(guān)系, 然后綜合分析與各個因素的關(guān)系。分析表明:qt/qq隨采厚M 的增加而減小;隨采深H的增加而增大;隨著采出率ρ 的增大, 條帶開采的下沉系 數(shù)顯著增大;隨開采寬度b 的增大而增大; 隨留寬a 的增大而減小。經(jīng)驗公式為 （3-2） （2）水平移動系數(shù) 根據(jù)對影響條帶開采水平移動系數(shù)的主要因素的分析，水平移動系數(shù)隨采深 H 的增大而減??；隨采出率ρ的增大而增大.所以用H/ρ 的關(guān)系來描述兩者對bt/bq 的影響，bt/bq 與采深H 和采出率ρ=b/(a+b) 的綜合關(guān)系為： （3-3） (3)主要影響角正切 條帶開采主要影響角正切tanβt 的主要因素有采深H和上覆巖層綜合評價系 數(shù)P。隨著采深H 的增大，tanβt/tanβq 減??；tanβt/tanβq 隨上覆巖層綜合評價系 數(shù)P的增大而減小。所以用PH的關(guān)系來描述兩者對tanβt / tanβq 的影響。參數(shù) tanβt/tanβq 與采深H 和上覆巖層綜合評價系數(shù)P 的總關(guān)系式為 =017847e -010012PH （3-4） (4)拐點偏移距 分析表明，影響條帶開采的拐點偏移距st的主要因素有采深H、采出率ρ、采 寬b、煤柱留寬a、上覆巖層綜合巖性等。條帶開采的拐點偏移距st隨采深H及開 采寬度b 的增大而增大，隨留寬a 的增大而減小，故采用bH/a的組合來分析與拐 點偏移距st的關(guān)系。此外，拐點偏移距隨采出率的增大而增大。建立的經(jīng)驗公式 為： st=0.0673b 2 H/a(a+b)+2.564 （3-5） 通過郭文兵 [15] 等人的分析研究，得出了條帶開采地表移動和變形預(yù)計參數(shù) 中國礦業(yè)大學(xué)2009屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第107頁 qt/qq，bt/bq，tanβt/tanβq，st 的計算公式。這些公式相對現(xiàn)有的計算公式而言，考 慮的影響因素更為全面。主要體現(xiàn)在以下方面： （1）在q條/q全 的計算公式中，不僅考慮了采深、采寬、留寬三個因素的影響， 而且考慮了煤層開采厚度M的影響。條帶開采下沉系數(shù)與煤層開采厚度有關(guān)已被 實踐所證實，因此，計算公式中考慮煤層開采厚度M的影響則會更接近于實際。 其結(jié)果特別對厚煤層條帶開采地表移動和變形預(yù)計參數(shù)的選取則更有實用價值。 （2）現(xiàn)有普遍采用的計算條帶開采b條/b全 的方法中，僅與采深H有關(guān)，沒有 考慮采出率(采寬、留寬)的影響，本論文研究中考慮了該因素的影響，雖然其影 響不十分顯著，但公式中反映了其影響關(guān)系。同時，該公式避免了現(xiàn)有公式當(dāng)H ＞500m 時b條計 算為負(fù)值的不合理現(xiàn)象。 （3）在tanβ條/tanβ全 的計算公式中，不僅考慮了采深的影響，而且考慮了上 覆巖層巖性的影響(用上覆巖層綜合評價系數(shù)P 表示)。現(xiàn)有普遍采用的計算條帶 開采tanβ條/tanβ全 的方法中，僅與采深H 有關(guān)，本論文中考慮了覆巖巖性的影響。 （4）在條帶開采拐點偏移距s條的計算公式中，綜合考慮了采出率、采深、 采寬、留寬等因素的影響。理論和實踐已證實，條帶開采拐點偏移距s條與上述 因素有關(guān)。由于受實測數(shù)據(jù)樣本的限制，公式中考慮的影響因素可能還不夠全面， 但本論文給出的計算公式較以往的公式考慮的因素更為全面。 （5）雖然本論文給出的條帶開采地表移動參數(shù)計算公式考慮的因素較為全 面，但仍保留了以往經(jīng)驗公式簡便的特點。具體表現(xiàn)在公式中的參數(shù)均容易確定， 計算方便，可操作性強。 4 條帶開采的效果分析 [16] 眾所周知, 地表移動的觀測數(shù)據(jù)是研究開采沉陷的基礎(chǔ)。我國自50 年代以 來，建立的地表移動觀測站(不完全統(tǒng)計) 已達(dá)200多個，為開展地表移動的計算 研究工作提供了豐富的實際觀測數(shù)據(jù)。條帶開采的觀測不僅涉及地表的移動觀測， 還涉及煤柱的應(yīng)力與變形觀測，上覆巖層的移動、變形、破壞觀測, 隨著數(shù)值計 算方法的大量應(yīng)用，巖體性質(zhì)參數(shù)的實地測定也成為進(jìn)行條帶開采研究的重要數(shù) 據(jù), 目前我國也已積累了一些實際觀測成果。 峰峰礦務(wù)局一礦在工人村下進(jìn)行條帶開采期間，進(jìn)行了較為全面的地表移動 觀測站觀測得出，在該地質(zhì)條件下，留設(shè)煤柱不大于H/3開采條帶小于H/3.5的情 況下, 地表不會出現(xiàn)波浪下沉；條帶開采的地表移動期較短, 開采工作結(jié)束1～2 個月后地表最大下沉為地表穩(wěn)定后最大下沉的95%；并取得了實測的條帶開采地 表移動計算參數(shù)。 蒲白礦務(wù)局馬村礦在白水河下條帶開采期間設(shè)置了地表網(wǎng)狀觀測站，對地表 下沉的整個盆地進(jìn)行了觀測并在煤柱內(nèi)進(jìn)行了應(yīng)力觀測, 取得了在該地 質(zhì)條件下條采一側(cè)煤體應(yīng)力超前距最大為63.6 m，形成煤柱后應(yīng)力超前距最大為 109 m，條采一側(cè)煤體應(yīng)力滯后距最大為74 m , 形成煤柱后應(yīng)力滯后距最大31.5 m 的條帶開采過程中煤柱應(yīng)力變化的實測數(shù)據(jù)。 中國礦業(yè)大學(xué)2009屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第108頁 峰峰礦務(wù)局二礦在工業(yè)廣場區(qū)域進(jìn)行條帶開采期間，不僅設(shè)置了地表移動觀 測站，還進(jìn)行了煤柱壓力的觀測和利用上層工作面的回風(fēng)巷打鉆進(jìn)行了 頂板沉降的觀測, 取得了開始階段附加應(yīng)力占15%，兩側(cè)開采期間占64%，滯后 穩(wěn)定階段占20%的應(yīng)力觀測結(jié)果, 并實測出該條件下的煤柱塑性區(qū)為2 m，采空區(qū) 上方為拉伸變形，煤柱上方為壓縮變形；取得了條帶開采重復(fù)采動的地表移動實 測數(shù)據(jù)得出條帶開采的地表下沉同樣與開采面積有關(guān)的結(jié)論。 峰峰礦務(wù)局三礦在條帶開采中從地面打鉆進(jìn)行了巖體內(nèi)部移動的觀測，確定