許廠煤礦180萬噸新井設(shè)計【含CAD圖紙+文檔】,含CAD圖紙+文檔,煤礦,萬噸新井,設(shè)計,cad,圖紙,文檔 專 題 部 分 “三下”壓煤開采技術(shù)研究 摘要：建筑物下、鐵路下、水體下開采，簡稱“三下”開采。 據(jù)目前不完全統(tǒng)計，我國國有骨干大中型礦井“三下”壓煤量達(dá)到140億噸以上，其中建筑物下壓煤占整個“三下”壓煤量的60%以上，水體下（包括承壓廢巖水上）壓煤占28%左右，鐵路下壓煤占12%左右，然而，到目前為止，我國僅從“三下”采出的煤炭約有10億噸，只占整個“三個”壓煤量的7%左右。 關(guān)鍵詞：“三下”開采；理論；措施 0引言 據(jù)目前不完全統(tǒng)計，我國國有骨干大中型礦井“三下”壓煤量達(dá)到140億噸以上，其中建筑物下壓煤占整個“三下”壓煤量的60%以上，水體下（包括承壓廢巖水上）壓煤占28%左右，鐵路下壓煤占12%左右，然而，到目前為止，我國僅從“三下”采出的煤炭約有10億噸，只占整個“三個”壓煤量的7%左右。 1國內(nèi)外現(xiàn)狀 1.1建筑物下采煤 波蘭，從1950年起開始進(jìn)行建筑物下采煤試驗，到1980年，已從各種煤柱中采出近7000萬t左右，占產(chǎn)量的40％一42％。 英國在建筑物下開采只對井筒和絞車房留保安煤柱，其它一律不留保安煤柱進(jìn)行開采。 德國對城市和建筑物下采煤研究最早，從1902年就開始用水沙充填法回采重要建筑物下的保安煤柱。例如埃森采了九個煤層總厚達(dá)10.2m。 1.2鐵路下采煤 鐵路下開采系指鐵路干線與支線下所壓煤層的開采，礦區(qū)專用線下開采已不存在問題，故不包括在內(nèi)。過去對鐵路的保護(hù)也是采用留設(shè)礦柱的方法，目前對鐵路礦柱的開采已取得了足夠的經(jīng)驗。如波蘭在卡托維茨通往沃波雷省的干線和具托姆車站下進(jìn)行了開采、采厚達(dá)20m，車站普遍下沉了3m，最多達(dá)3.7m。 我國礦區(qū)專用線下開采，在技術(shù)上已完全過關(guān)，所以鐵路下開采不包括專用線下開采；支線下開采效果良好，如焦李、三萬、薛棗、婁鄧等；干線下開采的不多。在雞西麻山、滴道兩礦的林口——密山干線下開采獲得成功、本溪局在沈陽——丹東的干線下試采。還有棗莊局在鄒塢車站下，阜新局在露天剝離站下。開灤及平頂山、漣邵在鐵路橋下，南桐局在二萬線的板塘隧道下開采都取得成功。 1.3水體下采煤 水體下開采的實質(zhì)是如何確定防水和防砂礦柱的高度，此上限到地面的垂高，就是安全開采深度。 水體下開采主要是防止覆水和泥砂潰人井下，有時還要保護(hù)地面水體，如水庫、堤壩等。水體下開采通常用疏干、排放、隔離等措施，使資源盡量采出，還要減少排水費用。 前蘇聯(lián)已在一些較大河流下來出了干百萬噸的煤炭；日本、英國、加拿大和智利等國家海下開采經(jīng)驗豐富。 我國在淮河下、微山湖下、資江河漫灘下來煤也取得了不少的經(jīng)驗。 2.地表移動變形的基本規(guī)律 2.1巖體采動引起的圍巖及地表變化 根據(jù)巖層移動的特征和破壞形態(tài)，如下面一組圖所示。 圖2-1巖體移動分帶 圖2-2開采水平礦層充分采動時的地表移動盆地示意圖 圖2-3開采傾斜礦層時的地表移動盆地示意圖 圖2-4巖層與地表移動中常用的幾種角 2.2地表移動與變形參數(shù)的分類及計算 圖2-5主斷面內(nèi)地表點移動示意圖 2.2.1變形參數(shù) （1）傾斜：地表相鄰兩點的下沉由于不均勻，便在地表產(chǎn)生連點間的相對位移，出現(xiàn)傾斜變形。通常用T表示，單位為mm/m, （2）曲率：如果地表相鄰兩點的傾斜也不均勻，則地表將出現(xiàn)彎曲。因此，單位長度內(nèi)的傾斜變化就為曲率，用K表示，單位用/m或mm/,。 （3）水平變形：它是由于相鄰兩點的水平移動不均勻而產(chǎn)生的。在外緣區(qū)產(chǎn)生拉伸變形，在內(nèi)邊緣區(qū)產(chǎn)生壓縮變形。通常用表示，單位為mm/m。 圖2-6傾斜礦層非充分采動時主斷面內(nèi)地表移動和變形分布規(guī)律 移動變形曲線間的函數(shù)關(guān)系 下沉曲線 = 傾斜曲線 = 曲率曲線 = 圖2-7急傾斜礦層非充分采動時主斷面內(nèi)地表移動和變形規(guī)律 水平移動曲線 =B 水平變形曲線 =B 2.3主斷面地表移動變形的計算 2.3.1概述 單元開采圖 圖1-3-1指開采的范圍無限小的單位開采，其體積為1×1×1的無限小單元。在地下采出一個單元立方體（1×1×1）（圖2-8）后，在Z水平形成一個單元下沉盆地，其面積為 =，這一下沉事件的發(fā)生，等于以下兩個事件同時發(fā)生：在剖面B-B上x處的一段巖石條內(nèi)有下沉發(fā)生，同時在D-D剖面上y處的一段巖石條。 內(nèi)有下沉發(fā)生。因此，發(fā)生下沉這件事的概率即為發(fā)生次二事件的概率之積： == 式中平方是由對稱性所致。 令單元下沉為，則在走向剖面上： = 在傾斜剖面上： = 在空間條件下，開采面積與采高皆為一個微小單元時： = 圖2-8單元開采引起的巖層下沉的概率 2.4水平礦層半無限開采地表移動與變形計算 2.4.1 移動變形曲線函數(shù)式 （1）下沉曲線函數(shù) 如圖2-9，采深為H，采厚為m,坐標(biāo)原點通過開采邊界，設(shè)在s距離處采出寬度的一段礦層，在其上方水平形成單元下沉盆地其表達(dá)式為： dW=qm(x-s) dW=qm 當(dāng)?shù)V層自s=0采到s=∞時，地表（z=H）穩(wěn)定后的下沉盆地表達(dá)式為： =qm 則 = 這就是隨機介質(zhì)理論法下沉曲線的積分表達(dá)式，是克諾泰1937年首先提出的。 圖2-9下沉盆地剖面方程 （2）傾斜曲線 = （3-2） 傾斜曲線最大值： = 其中 h=,r叫主要影響半徑 為了弄清h與r間的關(guān)系，如圖1-4-2所示： 在圖中，做下沉曲線拐點處的切線，與及=的水平線分別交于1點和2點，則得到這兩點的水平距離，以r表示。此切線的斜率就是相應(yīng)曲線的最大斜率（當(dāng)斜率角>時就不相切了）。 tg===, 即= 因此： h= 通過對礦區(qū)實測資料的分析，在地表移動盆地的邊緣區(qū)，在拐點兩側(cè)各一個r的范圍內(nèi)，地表變形值較大，在外邊緣區(qū)一個r的位置下沉值為0.0063，在內(nèi)邊緣區(qū)的一個r的位置，下沉值為0.9937，所以在此區(qū)域內(nèi)是對地面建筑破壞最嚴(yán)重的，因此把r叫做主要影響半徑，或主要影響范圍。主要影響范圍也可以由角圈定。如圖2-10所示，可知： th= 角叫做主要影響范圍角，簡稱主要影響角。r及均由巖層性質(zhì)決定。 圖2-10參數(shù)h與主要影響半徑r的含義 將h=帶入（3-2）式： = （3-3） 當(dāng)x=0時，=，帶入（3-3）式： = （3-4） （3）曲率曲線 傾斜的變化便產(chǎn)生曲率，使地面彎曲，故斜率是傾斜的導(dǎo)數(shù)： == （3-5） 求極值：令=0，得x=0.4r，帶入（3-5）式： =1.52=1.52 （4）水平移動曲線 水平移動曲線的分布與傾斜曲線相似，二者為線性關(guān)系。 =B=B 令b=,b也叫做水平移動系數(shù)，代入上式： =b (3-6) 求極值：令=0，x=0,則=b,帶入（3-6）式： = （5）水平變形曲線 ==- 求極大值：令=0，得x=0.4r ==1.52b 表2-1列出了移動變形的基本表達(dá)式，以及各自的最大值和最大值的位置。 表2-1 2.4.2實用計算表 將移動變形曲線表達(dá)式進(jìn)行變換，化為無因次的量： = 上式的左邊表示各分布值相當(dāng)于最大值的量，叫做分布函數(shù)。每個式中都有，都是的函數(shù)，這樣，取不同的值，即可得到相應(yīng)分布系數(shù)值。因次，把作為橫坐標(biāo)，按百分之一取值，計算出相應(yīng)的分布函數(shù)、……值，作為縱坐標(biāo)，可以做出地表移動和變形的無因次曲線（如圖2-11） 圖2-11移動及變形分布函數(shù) 3.“三下”采煤技術(shù)的發(fā)展 3.1建筑物下采煤及地表保護(hù)措施 （1）充填法 （2）部分開采法 部分開采法包括兩個方面的內(nèi)容：一是條帶開采法，即在開采范圍內(nèi)開采一條，保留一條，用保留條帶煤柱支撐頂板，以達(dá)到減少地表下沉的目的。 3.1.1留寬與采寬的計算 一、采寬b的確定 1、在保證地表不出現(xiàn)波浪形的條件下，以水平變形=2mm的臨界值，對建筑物不產(chǎn)生破壞的前提下，主要影響半徑與采高之比r/m應(yīng)大于20，用諾模圖（如圖3-1，圖3-2）來確定采寬b。圖中的陰影部分為可選取范圍。 2、根據(jù)經(jīng)驗。采寬按來選取，如采寬較大，應(yīng)在頂板初次周期來壓之前結(jié)束工作面。采寬選定后，再計算留寬a。 圖3-1確定采寬b的諾模圖 3、要考慮頂板初次來壓和周期來壓。當(dāng)采寬不太大時，b應(yīng)不超過頂板的初次來壓步距，工作面不受初次來壓影響。b如較大，則應(yīng)不大于初次來壓步距與周期來壓步距之和以保證在周期來壓之前結(jié)束工作面，應(yīng)避免剛發(fā)生過周期來壓就結(jié)束工作面。 二、留寬a的確定。 確定留寬a的原則應(yīng)能使礦柱承受的載荷比礦柱實際承受的載荷要大，這時礦柱的安全系數(shù)K>1，表明礦柱是穩(wěn)定的。在一般情況下，為了提高回采率，安全系數(shù)K取1，即礦柱能承受的載荷等于實際承受的載荷。 另外，礦柱的承載能力與礦柱的形狀有關(guān)，礦柱的形狀一般有方形、矩形和長條形。下面分別列出礦柱留寬a0.1mH時以上三種形狀礦柱能承受的極限載荷值的公式： 圖3-2確定采寬b的諾模圖 （r/b=1.5;r/b=2.0） 方礦柱： （t） 矩形礦柱： （t） 長礦柱： （t） 計算礦柱實際承受的載荷值公式： 方礦柱： （t） 矩形礦柱： （t） 長礦柱： （t/m） 式中 、、——分別為方形、矩形、長條形礦柱能承受的極限載荷； 、 、——分別是方形、矩形、、長條形礦柱實際承受的載荷； d——保留條帶礦柱的長度； 、——分別為沿礦層走向方向和傾斜方向礦柱之間的采出值。 現(xiàn)以K=1為條件，推導(dǎo)出計算保留條帶礦柱留寬的公式，在設(shè)計時，大部分按寬礦柱中的長礦柱進(jìn)行計算： 長礦柱的留寬： 為了長壁工作面搬家運設(shè)備材料的方便，在保留礦柱的中部開一聯(lián)絡(luò)巷，此時應(yīng)按矩形礦柱進(jìn)行計算。 矩形礦柱的留寬： 采出率驗算： 回收率s可依開采條件確定。 設(shè)礦層傾角水平，埋深為H（cm），開采之前，作用于礦層的垂直應(yīng)力等于： =rH 式中 r——礦層覆巖平均容重（kg/）。 當(dāng)條帶開采后，礦柱上所承受的垂直平均應(yīng)力將增加為： ==rH （6—1） 而必須小于礦柱的許可抗壓強度，礦柱才能不被壓壞，即： 我們?nèi)〉忍?，并帶入?—1）式中，得： S=1- 這樣，只要知道，就可以算出s了。我們令礦柱極限抗壓強度為，強度備用系數(shù)為n，則： = 式中 ——礦樣單向抗壓強度； n——強度備用系數(shù)，對于充填條帶法n=1.5，對于冒落條帶法n=2.0。 由此，回采率s可表示為： S=1- （6—2） 由上式可以看出，礦層深度小，強度大，覆巖平均容重小，用充填條帶法開采時，回采率就高。 單向受力狀態(tài)下留寬a的計算用下式： a= 式中的S由（6—2）式求得即可。 進(jìn)而可以計算出條帶開采時的極限開采深度： 3.1.2消除或減少開采影響的疊加 當(dāng)幾個煤層（或厚煤層幾個分層）或同一煤層的幾個部分同時開采時，如果采區(qū)邊界布置不合理，或者采面推進(jìn)的時間、方向不適當(dāng)，就會造成開采影響的疊加，從而使地表移動變形值增加，如圖3-1-3所示。 圖3-3 在同時開采兩個煤層（或分層）時，如圖2-3-1(a)，開采影響的疊加可能是推進(jìn)著的工作面上方地表移動與變形的疊加（即采面同時由左向右推進(jìn)時的情形），也可能是開采邊界（或停止推進(jìn)的工作面）上方地表移動與變形的疊加。圖2-3-2(b)表示同一煤層兩個部分同時開采時地表移動變形的疊加。在這種情況下，不管1，2兩部分采面如何推進(jìn)（采煤面相對、相背或相平行），在煤柱上方地表的移動和變形都要經(jīng)受開采過程中的疊加，以及采動以后煤柱做為兩個開采邊界的地表移動變形疊加。這些都說明地表移動變形的疊加與采面推進(jìn)的時間和開采邊界的位置有關(guān)，即與時間和空間因素有關(guān)。為了減少或消除開采影響的疊加，可以采用以下措施： （1）順序開采 就是要一層一層或一個分層一個分層地進(jìn)行開采，并要求兩層或兩個分層的開采間隔時間要足夠長。 （2）合理布置各煤層或分層開采邊界的位置 地下開采對地表的有害影響，主要在開采邊界的兩側(cè)。為了減小或消除開采邊界及附近地表移動變形值的疊加，可將各個煤層的開采邊界彼此錯開一定的距離，讓它們不重疊，一個垂直剖面內(nèi)（如圖6-2）。 （3）干凈回采 （4）正確安排工作面推進(jìn)方向 開采建筑物和構(gòu)筑物保護(hù)煤柱時，一般采用由煤柱一側(cè)向另一側(cè)推進(jìn)的方法，即采用單翼開采方法。 3.1.4協(xié)調(diào)開采 協(xié)調(diào)開采就是數(shù)個煤層和分層同時進(jìn)行開采，使所產(chǎn)生的地表拉伸變形和壓縮變形互相抵消，以達(dá)到減少開采對地表的影響。 協(xié)調(diào)開采的主要方法有以下幾種： （1）數(shù)個煤層協(xié)調(diào)開采 兩個或多個煤層同時開采時，如果將這些煤層的工作面互相錯開一定距離，使開采一個煤層所產(chǎn)生的地表壓縮變形區(qū)準(zhǔn)確地位于開采另一個煤層開采所產(chǎn)生的地表拉伸變形區(qū)內(nèi)。這樣，地表的變形值就可以抵消一部分，從而減少對建筑物和構(gòu)筑物的有害影響。 （2）數(shù)個煤層分層協(xié)調(diào)開采 若將厚煤層的數(shù)個分層同時開采，各分層工作面之間錯開一定距離，同樣可以使地表變形抵消一部分。 圖3-4 兩個分層工作面錯開的距離由下式計算： 式中：r——主要影響半徑； H——開采深度。 3.1.5消除開采邊界的影響 開采對地表影響最嚴(yán)重的地區(qū)是開采邊界兩側(cè)附近上方地表移動盆地的邊緣區(qū)。消除開采邊界影響的主要措施是使受采動的建筑物下采煤范圍不出現(xiàn)開采邊界和不使工作面長期停頓。主要措施有： （1）長工作面開采 當(dāng)用一個工作面開采時，要確定合理的工作面長度，應(yīng)盡可能使被保護(hù)的建筑物位于開采后的地表均勻下沉區(qū)。 （2）連續(xù)開采 即一個工作面接著一個工作面，一個采區(qū)接著一個采區(qū)，一個小階段（或水平）接著一個小階段（或水平）開采下去，中間不能間隔時間過長。 （3）聯(lián)合開采 如果保護(hù)煤柱范圍內(nèi)是分屬于幾個礦進(jìn)行開采，則必須由幾個礦聯(lián)合進(jìn)行協(xié)調(diào)開采，以避免產(chǎn)生開采邊界。 3.1.6提高回采速度 在已經(jīng)穩(wěn)定的地表移動盆地區(qū)，最大變形值出現(xiàn)在盆地邊緣區(qū)，盆地中間區(qū)的地表變形值較小，但是在開采過程中地表點都要經(jīng)過拉伸、壓縮到穩(wěn)定的過程，其動態(tài)變形值的大小與回采速度（工作面的推進(jìn)速度）有密切的關(guān)系。工作面的推進(jìn)速度愈大，動態(tài)變形值愈小。但提高工作面推進(jìn)速度會造成地表下沉速度和變形速度增加，而建筑物較易適應(yīng)地表的緩慢變形，如變形速度很快往往也會導(dǎo)致建筑物的損壞。因此，擬提高開采速度時，應(yīng)綜合考慮各方面的因素。 3.2水體下采煤 3.2.1覆巖破壞規(guī)律 一、影響覆巖破壞規(guī)律的因素 在近水體采礦時覆巖破壞規(guī)律是指導(dǎo)水裂縫帶的分布形態(tài)和最大高度。影響覆巖破壞 規(guī)律的因素如下： 1、覆巖力學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)的影響 2、采礦方法和頂板管理方法的影響 采礦方法和頂板管理方法對覆巖破壞的影響主要表現(xiàn)在開采空間大小、巖體冒落、斷裂的充分程度以及垮落巖體的運動形式。 3、煤層傾角的影響 煤層傾角對覆巖破壞高度的影響主要表現(xiàn)在破壞形態(tài)上的不同。開采水平及緩傾斜礦層（α=0～35°）時，垮落巖體不產(chǎn)生再次移動，就地堆積、壓實，但由于工作面邊界存在懸頂現(xiàn)象，使冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶呈中間低兩端高的馬鞍形 （見圖3-5） 。開采傾斜礦層 （α =36～54°）時，由于垮落巖體在自重的作用下向采空區(qū)下邊界滑動，使下邊界巖體垮落不充分，上邊界巖體垮落超限，從而在傾斜方向上，使冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶的形態(tài)呈拋物線型分布。開采急傾斜礦層（α=55～90°）時，上邊界覆巖的破壞高度更高，下邊界覆巖的破壞高度更低，破壞范圍由拋物線型逐漸變?yōu)闄E圓形（見圖3-6）。 圖3-5傾斜礦層開采覆巖破壞形態(tài) 圖3-6急傾斜礦層開采覆巖破壞形態(tài) 4、開采厚度和采空區(qū)面積的影響 5、時間的影響 6、重復(fù)采動的影響 由于初次開采使巖體產(chǎn)生破裂，巖體的性質(zhì)發(fā)生變化，重復(fù)采動時，覆巖破裂的高度與累積開采厚度不成正比例關(guān)系，而是逐次重復(fù)采動時破壞高度增長率分別為1/6、1/12、1/20、 1/30、……。 二、覆巖破壞高度計算 1、冒落帶高度的計算： 冒落帶高度主要與采動破裂巖體的碎脹性、覆巖的移動量以及采動次數(shù)有關(guān)。 （1）開采單一礦層時，冒落帶高度（Height of Caved Zone）計算 式中，——冒落帶的高度，m； M——礦層開采厚度，m； W——冒落工程中頂板的下沉值，m； K——冒落巖石的碎脹系數(shù)，一般為1.10～1.40; α——礦層傾角。 （2）厚礦層分層開采冒落帶最大高度為： 堅硬巖層（=40～80Mpa） ： 中硬巖層（=20～40Mpa） ： 軟弱巖層（=10～20Mpa） ： 極軟弱巖層（＜10Mpa） ： 式中，∑M——礦層累積厚度。 2、導(dǎo)水裂縫帶高度計算（α=0～54°） 導(dǎo)水裂縫帶高度（Height of（ Leaking WaterFractured Zone）計算具有兩組公式，具體為： （1）經(jīng)驗公式一： 堅硬巖層： 中硬巖層： 軟弱巖層： 極軟弱巖層： （2）經(jīng)驗公式二 堅硬巖層： 中硬巖層： 軟弱巖層： 以上經(jīng)驗公式適用范圍為：單層采厚1～3m，累計采厚小于 15m。 3、開采急傾斜礦層（α=55～90 ）時，冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度計算 （1）導(dǎo)水裂縫帶高度計算 堅硬巖層： 中硬、軟弱巖層： 式中，h—回采階段垂高，m； M—礦層的法向厚度，m。 （2）冒落帶高度計算 堅硬巖層： =（0.4～0.5） 中硬、軟弱巖層： =（0.4～0.5） 式中，H 導(dǎo)—為對應(yīng)巖性的導(dǎo)水裂縫帶高度。 4、煤層群開采時 Hm 和 Hli 的計算 在近距礦層開采時，其冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度的計算較為復(fù)雜，需要考慮上、下礦層開采的相互影響，即 圖3-7近距礦層開采導(dǎo)水裂縫帶和冒落帶高度計算 （1）上、下兩礦層的垂距h 大于回采下層礦層引起的冒落帶最大高度時，下層冒落帶對上層開采的影響很小，可按上下礦層開采分別各自的導(dǎo)水裂縫帶高度，取其中標(biāo)高最高者作為兩礦層的導(dǎo)水裂縫帶高度。冒落帶高度取上層礦層的冒落帶高度（圖3-5a）。 （2）下層礦層的冒落帶接觸到或完全進(jìn)入上層礦層時，上層礦層的導(dǎo)水裂縫帶高度按本層的厚度計算，下層礦層的導(dǎo)水裂縫帶最大高度則采用上、下礦層的綜合開采厚度計算，取其中標(biāo)高最大者作為兩層礦層的導(dǎo)水裂縫帶最大高度（圖3-6b） 。 上下兩礦層的綜合厚度按下式計算： 式中：、───礦層的厚度，m； ───礦層間的間距，m； ───下層礦層的冒高采厚比。 （3）層間距很小時，綜合開采厚度取兩層煤厚度之和。 3.2.2水體下采煤的技術(shù)措施 水體下采礦的安全技術(shù)措施有：留設(shè)安全煤巖柱、處理水體和采取安全措施。有時單純采用一種方法不能解決問題，而必須多種方法聯(lián)合使用。 一、留設(shè)安全煤巖柱 根據(jù)保護(hù)目的不同，安全煤巖柱可分為：防水安全煤巖柱、防砂安全煤巖柱和防塌安全煤巖柱。 1、防水安全煤巖柱 防水安全煤巖柱的高度等于預(yù)計的導(dǎo)水裂縫帶最大高度加上適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)層厚度。 如果上覆巖層無松散層覆蓋或采深較小，在留設(shè)防水安全煤巖柱時還應(yīng)考慮地表裂縫的深度，即： 式中，──地表裂縫的深度，根據(jù)經(jīng)驗確定。 如果松散層為強或中等含水層，且直接與基巖接觸，而基巖風(fēng)化帶也含水，在留設(shè)防水 安全煤巖柱時應(yīng)考慮基巖風(fēng)化帶的深度，則有 式中，──基巖風(fēng)化帶厚度，m，根據(jù)勘探資料確定。 2防砂安全煤巖柱 其作用是防止冒落帶進(jìn)入或接近松散層，確保泥砂不潰入井下，但可允許一部分導(dǎo)水裂縫帶進(jìn)入松散層中的弱含水層。礦井的涌水量可能會增加，但不會發(fā)生潰水、潰砂事故。防砂安全煤巖柱等于冒落帶高度加上保護(hù)層厚度 ，即 式中，──冒落帶高度，按本節(jié)前述公式計算。 在開采急傾斜礦層時，一般只留設(shè)防水安全煤巖柱。只有在十分有利的條件下，才留設(shè)防砂安全煤巖柱，并且在留設(shè)時一定要考慮礦層本身的抽冒及重復(fù)采動的影響。 3、防塌安全煤巖柱 在松散粘土層和已經(jīng)疏干的松散含水層底界面與礦層開采上限之間為防止泥砂潰入采 空區(qū)而保留的礦層和巖層塊段稱為防塌安全煤巖柱。防塌安全煤巖柱也稱煤皮煤柱， 留設(shè)防塌安全煤巖柱時是允許導(dǎo)水裂縫帶和冒落帶波及松散弱含水層底部，礦井的涌水量會增大。 防塌安全煤巖柱的垂高接近或等于冒落帶高度（圖3-6） ，即 二、處理水體 處理水體是水體下采礦的一項有效而又不得已的措施。主要包括兩方面：疏降水體和處理水體補給來源。 1、疏降水體措施 疏降水體的方法有鉆孔疏降、巷道疏降、聯(lián)合疏降、回采疏降和多礦井分區(qū)排水聯(lián)合疏降。 聯(lián)合疏降是根據(jù)地質(zhì)采礦條件、含水層特點，采用巷道、鉆孔聯(lián)合疏降水體。具體為先 掘進(jìn)疏水巷道和石門，然后再在其中打鉆孔穿過含水層放水進(jìn)行疏降。 回采疏降就是通過開采離含水層遠(yuǎn)的工作面，使含水層水通過這些工作面的采動影響緩 慢流出，以降低含水層水位，達(dá)到疏降的目的?；夭墒杞颠m合于弱含水層和補給來源有的限 含水層。 多礦井分區(qū)排水聯(lián)合疏降是根據(jù)地下水連通的特點，采用多個礦井排水聯(lián)合疏降，以達(dá)到快速疏水的目的。 2、處理水體補給來源 處理水體補給來源就是在回采前用水文地質(zhì)、工程地質(zhì)的方法對補給水體的主要來源進(jìn)行處理。 四、開采技術(shù)措施 采用開采措施的目的是減小頂?shù)装鍘r體的破壞范圍，以達(dá)到安全采礦的目的。開采措施 主要有：試探開采、充填開采、柱式開采、分區(qū)開采、間歇式開采、協(xié)調(diào)開采等，下面分別敘述。 1、試探開采 生產(chǎn)實踐表明，試探開采是水體下開采的一個重要技術(shù)原則。試探開采就是先采遠(yuǎn)離水體、后采近鄰水體下面的煤層；先采隔水層厚、后采隔水層薄的煤層；先采地質(zhì)條件簡單、后采地質(zhì)條件復(fù)雜的煤層；先采較深部，后采較淺部的煤層。通過先易后難地試探性開采， 逐步接近水體。 2、充填開采 3、部分開采 部分開采包括條帶開采、房柱式開采、刀柱式開采等短壁開采方法。 4、分區(qū)開采 分區(qū)開采是水體下開采減少災(zāi)害損失的一個重要措施。分區(qū)開采有兩種方法，一是在同一礦井（或井田）內(nèi)隔離采區(qū)進(jìn)行開采；二是建立若干單獨礦井同時開采或分別開采。方該 法的目的就是使各采區(qū)相互獨立， 防止礦井突水時淹沒整個礦井。 在淺部開采和水源補給充足的條件下常采用此方法。 5、分層（分階段）間歇開采 分層間歇開采是將厚礦層分成幾個分層進(jìn)行開采的方法。從前面的冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度計算式中可見，冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度隨礦層采動次數(shù)的增加，其增加幅度逐漸減小。 6、協(xié)調(diào)開采 協(xié)調(diào)開采是水體上采礦減小底板采動破壞的有效方法。其目的就是通過適當(dāng)?shù)夭贾脙傻V層的工作面，以減小采動的支承壓力和底板巖體破壞的深度。 3.3鐵路下采煤 3.3.1地下開采對路基及上部建筑的影響 鐵路線路主要由路基、道床、軌枕和鋼軌組成，如圖3-3-1所示。 圖3-8鐵路橫斷面圖 1－路基；2－道床；3－軌枕；4－鋼軌 一、路基的移動和變形 1、路基的下沉過程及其分布特征 地下煤層開采后，采空區(qū)上覆巖層的移動從下至上逐漸發(fā)展到地表，使位于采動影響范圍內(nèi)的路基開始下沉。當(dāng)下沉值很小時，地表就已達(dá)到較大的下沉范圍。隨著工作面的推進(jìn)，路基的下沉量和下沉范圍逐漸增大。一般情況下，路基的移動范圍比其下方采空區(qū)的范圍要大得多，從移動邊界到最大下沉點之間的下沉分布是連續(xù)漸變的。 如果路基在下沉過程中在豎直方向上產(chǎn)生拉伸變形，將引起路基本身的松動，還可能在不同土質(zhì)的介面上產(chǎn)生脫層現(xiàn)象，從而影響路基的承載能力。但科研人員通過工程實踐表明，路基在下沉過程中，在豎直方向上不產(chǎn)生拉伸變形，也不會發(fā)生松動、脫層等病害。 2、路基的水平移動和變形 路基下沉的同時伴隨有水平方向的移動。垂直于路基軸線的橫向水平移動，將使路基原來的方向發(fā)生變化．其具體變化情況主要取決于線路與采空區(qū)之間的相對位置關(guān)系。長期的實地觀測結(jié)果表明，路基的橫向水平移動也具有大范圍、連續(xù)漸變的特征，且產(chǎn)生橫向水平移動的范圍與地表下沉的范圍基本相同。 沿路基縱向的水平變形，使其受到拉伸和壓縮，在拉伸變形區(qū)，路基的密實度降低，孔隙度增大，以至產(chǎn)生裂經(jīng)。在壓縮變形區(qū)，路基的密實度增大。由于土質(zhì)路基有一定的孔隙度，能夠吸收地下開采引起的壓縮變形。 在拉伸變形區(qū)內(nèi)，路基孔隙率的增量很小，而且是在較長時間內(nèi)由小到大緩慢發(fā)展的。在此期間，路基還會被列車的動荷載壓實。因此，路基在采動過程中始終具有足夠的強度。 如果路基上產(chǎn)生裂縫，一般也只是出現(xiàn)在局部地段，且要經(jīng)歷一個較緩慢的發(fā)育過程，在列車動荷載的作用下，裂縫發(fā)展到道床內(nèi)會被壓實。但是，如果出現(xiàn)了未被壓實的較大裂縫，則必須進(jìn)行填充并夯實。 二、線路上部建筑的移動和變形 線路上部建筑由鋼軌、軌枕、道床、聯(lián)接零件、道岔以及防爬設(shè)備等組成。鋼軌是線路上部建筑最主要的組成部分．它直接承受列車的荷載，并通過軌道和道床將荷載傳給路基，此外，它還起著列車運行的導(dǎo)向作用。 地表移動和變形通過路基傳遞給上部建筑，由此導(dǎo)致線路上部建筑產(chǎn)生移動和變形。線路的移動可分解為三個分量：豎直方向上的下沉、水平方向上的橫向移動和縱向移動。由于這三種移動量的不均勻，就使線路產(chǎn)生坡度的變化、豎曲線形狀的變化、兩條鋼軌水平的變化、線路方向的變化、軌距的變化以及軌縫的變化。 1、線路垂直移動和變形的影響 鐵路下采煤的實測資料表明，在正常條件下，鐵路的線路移動量與地表移動量基本相同。在不出現(xiàn)突然下沉的條件下，鐵路路基是隨著地表下沉而下沉的，線路上部建筑是緊貼著路基下沉的。因此，線路軌面的下沉量與地表下沉量是基本一致的。 在鐵路下采煤時，軌面隨地表下沉而下沉，這將引起線路的坡度、豎曲線的形狀以及兩軌道水平的變化。 A．線路坡度的變化 移動盆地內(nèi)沿線路方向的地表傾斜使線路原有的坡度發(fā)生變化。當(dāng)?shù)乇韮A斜的方向與線路坡度方向一致時，線路坡度將增大；反之將減小，甚至出現(xiàn)反坡。 線路坡度的增減使下沉盆地內(nèi)有的區(qū)段列車運行阻力增加，而有的區(qū)段運行阻力減小。在采動影響期間，必須保持增加后的阻力不超過該線路的允許阻力。線路的允許阻力是按鐵路的級別采用限制坡度的辦法來控制的。所以，在鐵路下來煤時，只要采動后線路的坡度不超過其限制坡度，就不會引起列車超載運行。 B．豎曲線形狀的變化 線路縱斷面上的坡度變更點處均設(shè)有豎曲線，以保證列車運行的安全。地下開采引起的地表的正曲率變形可使線路原凸曲線的半徑變小，線路原凹豎曲線的半徑變大，長坡道變成凸形豎曲線。地表的負(fù)曲率變形可使線路原凸豎曲線的半徑變大，線路原凹豎曲線的半徑變小，長坡道變成凹形豎曲線。 豎曲線半徑變小和長坡道變成豎曲線，都不利于列車的運行，但只要適時地進(jìn)行維修，使其不超過有關(guān)規(guī)定，均不會造成行車事故。 實際上，盡管地表的曲率變形能改變線路縱斷面的形狀，但由于地表曲率變化緩慢，只要采取相應(yīng)的維修措施，附加的曲率變形可以消除，上述有關(guān)規(guī)定能夠得到滿足。 C.兩軌水平的變化 垂直于線路方向的地表傾斜，可使直線路段的兩股鋼軌原有水平狀態(tài)發(fā)生變化，可使曲線段改變外軌與內(nèi)軌的超高度。如果兩軌高度的變化超過允許值，尤其是當(dāng)曲線段部分出現(xiàn)反超高現(xiàn)象時，將對列車運行產(chǎn)生較大影響。 但是，在正常條件下，地表的傾斜變形也是連續(xù)的漸變的，可以通過維修將其對兩軌水平的影響控制在允許范圍之內(nèi)。 a.線路水平移動和變形的影響 在地表水平移動的影響下，線路會因橫向位移而改變方向，會因縱向位移而出現(xiàn)爬行或發(fā)生軌縫的變化。 線路直線段發(fā)生橫向移動時，會逐漸變成為半徑很大的曲線，使原有方向發(fā)生變化，其具體的變化情況決定于線路與采空區(qū)之間的相對位置關(guān)系。如圖3-9所示。 圖3-9線路方向變化與工作面相對位置的關(guān)系 1－線路原始方向；2－煤層開采后線路移動方向； 3－停采后線路最終方向；4－開切眼；5－停采線 不在下沉盆地主斷上的線路，其橫向移動總是指向采空區(qū)。當(dāng)線路與采空區(qū)邊界斜交時，線路將由直線變?yōu)椤癝”形的曲線(圖3-10)。 圖3-10采空區(qū)邊界斜交時其方向的變化 1－下沉盆地平底區(qū)；2－采空區(qū)；3－地表移動邊界 2.3.2鐵路下采煤的技術(shù)措施 1、滿足一定的采深與采厚比。 長壁垮落法開采時，鐵路下方開采煤層的深度和厚度之比要滿足《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》規(guī)定的數(shù)值，且最小深度中的基巖厚度必須大于垮落帶高度。 2、防止地表突然下沉或塌陷。 在下列條件下，地表可能發(fā)生突變性的下沉或塌陷：淺部的近水平、緩斜或中傾斜煤層；頂板堅硬、煤層露頭附近的急傾斜煤層；淺部有采空區(qū)積水、巖溶和充水裂隙帶空間，礦井深部疏水后。開采淺部的近水平、緩傾斜和中傾斜厚煤層時，應(yīng)采用分層采煤法，并適當(dāng)減少第一和第二分層開采厚度。開采急傾斜煤層時，在露頭附近，當(dāng)煤層頂板堅硬，不易冒落時要采用人工強制放頂，并要留有足夠尺寸的煤柱，且應(yīng)防止采空區(qū)上部煤柱抽冒。對于淺部有采空區(qū)積水，或煤層上方覆巖為石灰?guī)r含水層或充水裂隙帶空間時，要防止采動時疏干淺部積水造成地表突然塌陷。 3、減少地表下沉。 減少地震下沉最有效的方法是采用全部充填法，采用條帶采煤法。 4、消除和減輕地表變形的疊加影響。 采用無煤柱開采、順序開采及協(xié)調(diào)開采等方法，可減少和減輕地表變形的疊加，減少地表變形對鐵路的影響。采用協(xié)調(diào)開采時，常因幾個工作面同時開采，使地表下沉速度增大，要全面考慮協(xié)調(diào)開采的利弊。 5、合理布置工作面。 應(yīng)盡量將開采區(qū)域布置在鐵路的正下方，使線路處于移動盆地的主斷面上，且工作面推進(jìn)方向與鐵路線路平行，以減少線路的橫向水平移動和變形。6、留設(shè)好鐵路煤柱。 7、采取地面維修技術(shù)措施。 在開采過程中，隨著線路的下沉和橫向移動，對路基要進(jìn)行階段性的抬高與加寬，使其盡量恢復(fù)到開采前的狀態(tài)。采用起道和順坡的方法消除線路下沉，使線路縱斷面恢復(fù)到原有狀態(tài)。采用撥道和改道的方法消除橫向水平移動對線路的影響。線路縱向移動主要反映在軌縫的變化上，因此，必須調(diào)整軌縫，消除其有害影響。 ??????? 參考文獻(xiàn) [1]郭寶華，涂敏.淺談我國大采高綜采技術(shù).中國礦業(yè)，2003, 12(10), 40-42 [2]劉濤.厚煤層大采高綜采技術(shù)現(xiàn)狀.煤炭工程，2002 (2)，4-8 [3]武建國.大采高綜采工作面與巷道圍巖控制技術(shù)研究.太原理工大學(xué)碩士學(xué)位學(xué)問論文，2004 [4]夏均民.大采高綜采圍巖控制與支架適應(yīng)型研究.山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004 [5]弓培林，靳鐘銘.大采高采場覆巖結(jié)構(gòu)特征及運動規(guī)律研究.煤炭學(xué)報，2004,29 (1)，7-11 [6]郝海金，吳健，張勇等.大采高開采上位巖層平衡結(jié)構(gòu)及其對采場礦壓顯現(xiàn)的影響.煤炭學(xué)報，2004, 29 (2)，137-141 [7]郝海金，張勇，陸明心.緩傾斜厚煤層大采高開采工作面礦壓研究.煤，2002,12 (2)，11-13 [8]王貴虎，周更廷.大采高傾斜長臂綜采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究.礦業(yè)安全與環(huán)保，2005，32 (3)，67-70 [9」劉錦榮，何富連.大采高綜采工作面支架一圍巖系統(tǒng)穩(wěn)定性探討.煤礦開采，1995 (3)，36-40 [10]川姜福興，王同旭，潘立友等。礦山壓力與巖層控制.北京:煤炭工業(yè)出版社，2004 [11]錢鳴高，石平五.礦山壓力及其控制.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003 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