第八章地面沉降问题的工程地质分析

河南理工大学精品课程教学组§8条带开采技术§8.1概述§8.2条带开采基本理论与方法§8.3条带开采实例§8.1概述一、条带开采的基本概念条带开采是一种部分开采方法，它是将要开采的煤层区域划分为比较正规的条带形状，采一条、留一条，使留下的条带煤柱足以支撑上覆岩层的重量，而地表只产生较小的移动和变形。与全部跨落法开采不同，条带开采的资源回收率偏低，一般仅在保护地表建（构）筑物、水体及铁路的情况下才应用，是煤矿绿色开采技术（GreenMiningTechnology）体系中的重要技术措施之一。绿色开采技术体系岩层移动排放矸石瓦斯卸压流动、瓦斯事故、排放瓦斯污染环境煤炭采出占用土地污染环境地下水流失及突水事故地表塌陷、土地与建筑物损坏保护水资源煤与煤层气共采条带开采、充填开采(土地复垦)少出矸石与煤巷支护(矸石利用)煤炭地下气化绿色开采技术体系关键层理论二、条带开采的类型根据条带开采的布置方式，条带开采可分为走向条带开采、倾斜条带开采和伪斜条带开采三种。（1）走向条带开采的条带长轴方向沿煤层走向布置，多用于水平或缓倾斜煤层，当煤层倾角较大时，走向条带煤柱稳定性差，但它的优点是工作面搬家次数少，工作面推进长度大；（2）倾斜条带开采的条带长轴方向沿煤层倾斜方向布置，多用于倾斜煤层，煤柱的稳定性较好，其适应性强，应用较广泛，它的缺点是工作面搬家次数频繁；（3）伪斜条带开采即条带长轴方向与煤层走向斜交，多用于倾角大于35º的煤层。近水平煤层条件下，既可以沿走向划分条带，也可以沿倾向划分条带，条带工作面既可以沿走向推进，也可以沿倾斜推进，在这种条件下条带划分主要考虑如何有利于生产和利用原有生产系统以及减少工作面的搬家次数，以提高生产效率。三、优缺点及适用条件条带开采与一般长壁式采煤法相比，有采出率低、掘进率高、采煤工作面搬家次数多等缺点。但它的突出优点是开采后引起的围岩移动量小、地表沉陷小。条带开采法适合于以下条件的采煤：（1）地面为密集建筑群、结构复杂建筑物或纪念性建筑物下采煤；（2）难以搬迁或无处搬迁的村庄压煤；（3）铁路桥梁、隧道、或铁路干线下采煤；（4）水体下采煤以及受岩溶承压水威胁的煤层开采；（5）地面排水困难；（6）煤层埋藏深度在400～500m以内，单一煤层，厚度比较稳定，顶底板岩层和煤层较硬，断层少；四、条带开采地表沉陷规律（1）地表下沉系数（q）很小。一般情况，q=0.03～0.15。（2）水平移动系数（b）较小。一般情况，b=0.2～0.3。（3）主要影响角正切（tanβ）较小。一般情况，tanβ=1.2～2.0。（4）地表移动期较短。五、条带开采的应用我国是一个产煤大国，每年有近十几亿吨煤炭从地下采出，开采所引起的地表沉陷及其环境灾害问题日益突出。而这些矿区的地表多属建（构）筑物、水体、铁路、农田、公路、桥涵等设施的分布区。例如，我国村庄下压煤量超过亿吨的省份就有9个，见表8-1。全国“三下”压煤量达140亿吨，仅全国建筑物下压煤量就达87.6亿吨，占“三下”压煤总量的63.5％，居“三下”压煤量之首。建筑物下压煤开采已成为矿区面临的主要问题。建筑物下采煤问题的关键是控制地表沉陷，控制地表沉陷的方法主要有充填开采、条带开采、离层注浆等。由于充填开采成本高等原因，目前在我国应用较少。离层注浆是近年来发展起来的新方法，尚处于试验研究阶段，在国内应用也不广泛。条带开采由于能有效地控制上覆岩层和地表沉陷，保护地表建筑物和生态环境，在我国煤矿被广泛采用。目前已成为我国村庄下、城镇建筑物下及不宜搬迁建筑物下等压煤开采的有效途径。因此，利用条带开采解放“三下”压煤，充分合理利用深部煤炭资源，提高深部资源采出率、减轻采动损害、保护地表建（构）筑物及矿区生态环境具有重要意义。条带开采在“三下“压煤开采中具有广阔的推广应用前景。我国在条带开采生产实践方面，先后在全国10多个省、100多个条带工作面进行了条带开采，取得了丰富研究成果和实际观测资料。国内外条带开采的部分实例，见表8-2，表8-3。我国条带开采多采用冒落法管理顶板，采深一般小于400m，开采厚度在6m以下，采出率一般在40%－78.6%之间。除少数由于重复采动、煤体强度低、采出率偏大等特殊原因影响，使下沉系数偏大之外，我国条带开采地表下沉系数一般小于0.2。另外，我国已对包括急倾斜煤层在内的各种倾角的煤层、大采深煤层进行了条带开采试验研究。§8.2条带开采基本理论与方法一、条带开采设计的原则（1）地表允许变形原则：即条带采出后，地表能够形成单一均匀的下沉盆地，而不出波浪式下沉。地表产生的变形值要小于保护地面建筑物允许的变形值。（2）煤柱稳定性原则：即保证留设条带煤柱有足够的强度支撑覆岩的载荷，并且能够保持长期稳定。（3）回采率原则：即在满足地表允许变形原则和煤柱稳定性原则前提下，回采率应尽量大，采出条带尽量宽。二、条带开采岩层与地表移动机理与规律为研究条带开采引起的岩层与地表移动规律，采用现场实测、理论分析等多种方法对此进行研究。通过条带开采的实测资料，认为条带开采地表移动和变形规律与全采相似。但是普遍认为，条带开采的岩层与地表移动机理截然不同于长壁式全采。1．煤柱的压缩与压入说煤柱的压缩与压入说是基于连续介质力学法而提出的，认为条带开采上覆岩层与地表的沉陷是由煤柱的压缩、煤柱压入底板和煤柱压入顶板三部分组成。煤柱的压缩量按单向弹性压缩处理，其作用的应力为煤柱平均应力。煤柱压入顶底量假定煤柱的平均应力作用与半无限平板上，按弹性理论给出计算公式。2．岩梁假说岩梁假说是根据一些矿井的地质条件，在条带开采区域上覆岩层中存在一层或几层厚度较大、强度较高的岩层（即关键层）。在条带开采时该岩层为起控制作用的岩梁，或者如同一个受煤柱和冒落拱局部支撑而弯曲下沉的弹性地基梁，然后按线弹性理论给出了应力和位移的计算公式。3．托板理论托板理论是在岩梁假说的基础上，提出了托板理论，托板理论认为地表的最大下沉量是由煤柱压入底板量、煤柱压缩量、岩柱压缩量、承重岩层压缩量和托板挠度所组成。该理论认为顶板岩层内存在一层强度相对较大的坚硬厚岩层，它的作用类似于托板，可以减缓或减小地表的下沉。托板理论把条采工程岩体视为“准三维”介质，在模型上是一大进步，但托板的位置、托板的断裂准则、托板的边界条件等还需进一步完善。4．波浪消失说波浪消失说认为条带采出以后，采出条带顶板岩层类似于两端固定约束岩梁，因弯曲下沉直接顶与上位岩层分离，在岩梁端部上表面最先出现倒八字裂缝，裂缝斜向开采条带上方，直接顶出现初次断裂或周期性断裂，最终形成上窄下宽的等腰梯形。位于煤柱上方的岩层为压缩变形，其下沉值由下往上逐渐增大；采空区上方的岩体为拉伸变形，因岩体膨胀或出现离层，其下沉值由下往上逐渐减小，在某一高度，二者的下沉趋于一致，在此高度之上为均匀下沉。并且总结出波浪下沉传播高度与条带开采宽度和煤柱宽度有关。三、条带开采地表移动和变形预计方法通过条带开采的实测资料表明条带开采地表移动和变形规律与全采相似。因次，目前普遍采用的预计方法是通过建立全采与条采地表移动预计参数关系的经验公式，修正预计参数，采用全部开采地表移动与变形预计方法进行预计。包括，经验方法，影响函数法，连续介质力学方法和数值模拟方法等。四、条带开采地表移动和变形预计条带开采设计是一个不断优化的过程。1.根据条带开采的经验和煤矿生产的要求，初步选取条带采出宽度和保留宽度；2.条带开采工程岩体（煤柱、顶板和底板）稳定性分析；3.条带开采的预计参数的计算；4.上覆岩层及地表移动变形进行预计；5.不断调整采出条带和保留条带的宽度，直到既满足条带开采工程岩体的稳定和地表移动变形值小于保护地面建筑物允许的变形值，又便于煤炭生产，而且煤炭的采出率最高为止。1、条带开采宽度的确定条带的采宽b和留宽a是密切相关、相互制约的。在同时满足地表允许变形原则和煤柱稳定性原则的前提下，求采宽和留宽的最优值。方法一：采宽b＝（1/4～1/10）H区间法：保证地面不出现波浪形下沉，而只出现单一平缓的下沉盆地。方法二：b≤2.25（H/20＋6.1）压力拱法：采宽应该不大于0.75倍的压力拱内宽。方法三：b＝0.104H下沉系数法：在采出率为50%左右时，此宽深比时煤柱稳定性较高。2、条带煤柱留设宽度a的确定条带的采宽b和留宽a是密切相关、相互制约的。在同时满足地表允许变形原则和煤柱稳定性原则的前提下，求采宽和留宽的最优值。方法一：单向应力计算法：采出条带和保留煤柱上方岩层的载荷不超过保留煤柱的允许强度。方法二：安全系数法：根据A.H.威尔逊理论，选取一个煤柱安全系数，计算出煤柱留宽1Hba煤HKKbmHbKHa42.101968.0223、煤柱稳定性的验算方法：安全系数法：根据A.H.威尔逊理论，计算煤柱安全系数大于1.5可以满足要求。6.022101092.4403bHbHamHaHK4条带开采预计参数的确定5、综合分析确定条带开采布置回采工作面的尺寸等具体条件，判断地表移动和变形预计结果是否合乎要求。8.3条带开采实例万年矿设计区域的地质采矿条件，地表标高为+220～+230m，煤层底板标高为在-10～-170m之间，煤层埋藏深度230～400m，平均埋藏深度为320m。取平均开采深度为320m。煤层平均厚度4.0m，煤层倾角平均为8°。一、预计方案为了保证预测结果的准确性和科学性，依据设计范围内的地质采矿条件，充分考虑各设计工作面间采深、断层、巷道等影响因素，预计时设计了三个方案：方案一：预计Fx断层以西设计工作面开采后地表移动变形；方案二：预计Fx断层以东设计工作面开采后地表移动变形；方案三：预计整个条采区域开采后地表移动变形。下沉等值线倾向水平移动等值线倾向倾斜等值线倾向水平变形等值线二、效果分析：庄宴村下条带开采设计，设计范围内条带开采的面积采出率在43.9%～44.4％之间，平均采出率约为44.4％。F19断层以北，共设计了七个条带工作面，可以采出煤量合计41.1万吨。三、条带开采技术措施及注意事项1．地质构造。包括水文地质构造和工程地质构造（如断层、裂隙的发育情况等）。因此，开采区域内遇到断层必须研究断层的特征，然后采取必要措施如留设断层保护煤柱等，条带煤柱布置应尽量避开构造复杂的区域。2．煤柱的抗压强度3．采深及上覆岩层容重4．条带煤柱的宽高比。实验表明，在其它条件不变时，煤柱的稳定性随宽高比的增大而增大，随宽高比的减小而减少。5．煤层倾角6．采出率7．煤层顶、底板岩性。如煤层顶板容易冒落，并且碎涨系数比较大，条带煤柱可能处于三向应力状态，对煤柱的稳定性比较有利。8．地下开采方法。地下开采方法对煤柱稳定性的影响表现在对条带煤柱的扰动方面，如爆破落煤可能引起煤柱尺寸的变化、条带煤柱内节理、裂隙的扩张等。采掘方面如在煤柱内穿切巷道也会降低煤柱的稳定性。条带开采的技术措施和注意事项1.由于可能存在不可预见的因素，为防止意外，建筑物下采煤应该经过试采，并建立观测站定期观测，然后根据地表移动情况决定下一步的开采计划。2.在条带开采中应该严格控制开采宽度，不得随意缩小保留煤柱尺寸，以避免减少条带煤柱的有效支撑面积，使得煤柱安全性降低，地表下沉系数增大。3.尽量不在条带煤柱中穿切巷道，以免破坏条带煤柱的完整性，从而降低条带煤柱的整体强度和稳定性。在钻孔爆破时，应该尽量减少对条带煤柱的影响，以免使得节理裂隙扩展或煤柱片帮。4.条带开采时，地表移动期显著缩短，条带采完以后，地表移动期将很快趋于稳定。逐条开采时，为了不使条带在预定盆地底部形成短期盆地边缘，应当保持连续开采，尽量不使得采掘失调。5.条带开采时，要控制开采厚度，即使遇到局部煤层变厚，最大开采厚度也要控制在4.0m以内。