急倾斜煤层条带开采地表移动与变形规律研究——以许岗煤矿为例.pdf

中图分类号婴呈箜1 2 学科分类号 煎堑 Y 8 9 ‘二2 论文编号 丝 密级垒珏 安徽理工大学 硕士学位论文 急倾斜煤层条带开采地表移动与变形规律研究 一以许岗煤矿为例 作者姓名 王羞 专业名称 盘地测量堂皇测量王程 研究方向变丝些捌盆抚皇亟测 导师姓名王到垩副教援 导师单位资遂皇巫境王程丕 答辩委员会主席笤妊丛 论文答辩日期2 0 0 6 年6 月7 日 安徽理工大学研究生处 2 ∞6 年6 月7 日 摘要 摘要 本文采用理论分析、相似材料模拟实验和数值计算相结合的技术路线，讨谨 了急倾斜煤层条带开采引起的地表沉陷问题。 通过萧县许岗煤矿拟采工作面的相似材料模拟实验，揭示了该矿地质采矿条 件下急倾斜煤层开采引起的上覆岩层的破坏过程、破坏范围和地表移动与变形期 律，并获得了概率积分法预计参数。由于观测值中不可避免地存在粗差或异值点， 采用最小二乘法求参数时，会出现迭代结果发散的现象。为此，本文采用现代势 据处理理论中的抗差估计方法，建立了求取概率积分法预计参数的抗差估计数学 模型，确保了参数结果的可靠性。 本文阐述了条带开采的基本概念，讨论了采留比和条带煤柱稳定性等关键性 问题。为了合理开采许岗煤矿煤炭资源及保护地面工广有关设施，根据该矿的具 体地质采矿条件，提出了两种条带开采方案。经过综合分析，最终选取采宽3 0 皿， 留宽2 5 m 的定采留比方案。 为了解决概率积分法预计条带开采地表移动和变形误差偏大的问题，本文采 用了郭增长教授提出的预计条带开采地表沉陷的方法，把传统的概率积分法和正 态分布函数结合起来，并进一步地完善了条带开采沉陷的预计模型。 采用可视化编程语言Ⅵs u a lB a s i c 6 ．0 ，编制了求取概率积分法预计参数程序和 条带开采地表移动与变形的预计程序。 最后以萧县许岗煤矿为例，通过程序计算，得出了该矿急倾斜煤层条带开采 地表移动与变形规律。本文的研究成果对其它具有相似地质采矿条件的矿区具有 一定的借鉴意义。 图【5 9 】表【1 6 】参【5 6 】 关键词急倾斜煤层；条带开采；地表移动与变形相似材料模拟抗差估计 概率积分法；预计 分类号 T D 3 2 5 安徽理工大学硕士论文 A L b s t r a c t T h ep a p e rd i s c u s s e ss u r f a c em o V e m e n ta n dd e f o m a t i O nc a u s e db ys t r i pm i n i n g w i t ht h et e c h n i q u eo fc o m b i n i n gt h e o r e t i ca n a l y s i s 、e q u i V a l e n tm a t e r i a ls i m u l a t i o na n d c o m p u t a t i o n ． B yt e s to fe q u i V a l e n tm a t e r i a ls i Ⅱl u l a t i o n ，t h ep r o c e d u r ea n dr a n g eo ft h ec o v e r e d _ r o o kd a m a g ea n dt h et u l e sO fs u d ’a c em O V e m e n ta n dd e f o r m a t i o nc a u s e db ym i n i n g s t e 印c o a ls e a l l la r ed i s d o s e d ，t h ep r o b a b i l i t y - i n t e g r a lp a r a m e t e rc a nb ew o r k e do u t a l s o ．F o r t h ea b n o 皿a lV a l u e so rg r o s se Ⅱo ri si n e v i t a b l ed u r i n gt h eo b s e n ，a t i o n ，t h e e m a n a t j V er e s u l to fp a r 唧e t e ro f t e nc o m e sf o n hb yp r o b a b i l i t y - i n t e g r a lm e t h o d ．F o r t h a f ，f h ea u t h o r s e t u par o b u s t e s t j m a t i o nm o d e 】o fg e t “n gp m b a b i l i t y i n t e g r a l p a r a m e t e rb yr O b u s te s t i m a t i o nt h e o r y ，w h i c hm a k e ss u r ct h a tt h er e s u I tO fp a r 锄e t e r a f er e l i a b l e ． T h ec o n c e p to fs t r i p m i n i n gi se x p o u n d e d ，t h ep i V o t a lp r o b l e m sa b o u tt h e p r o p o r t i o n o fm i n 抽gw i d t ha I l dr e s e Ⅳe dp i l l a r ’sw i d t ha n dt h er e s e r v e d p i I l a r ’s s t a b i l i t ya r ed i s c u s s e di nt h ep a p e LF o rX uG a n gM i n e ’sc o a l r e s o u r c ec a Ⅱb em i n e d r e a s o n a b l ya n dt h ee s t a b l i s h m e n t so n t h es u r f a c ec a nb ep r o t e c t e d ，t w op r o j e c t so fs t r i p m i n i n ga r es e tu pa c c o r d i n gt ot h em i n e ’sf a c t ．A tl a s t ，ar a t i o n a lm i n i n gp r o j e c ti s a d o p t e db a s e do ns y n t h e t i c a la n a l y s i s ．T h ea d o p t i v ep 玎o j e c ti st h a tt h em i n i n gw i d t hi s 3 0 m ，t h er e s e r v e dp i l l a ri s2 5 m ． ． F O rr e s o l V i n gt h ep m b l e mt h a tt h ee Ⅱo ri st o og r e a tu s i n gp r o b a b i l i t y - i m e g r a l m e t h 9 dp r e d i c tt h es u I f a c es u b s i d e n c ec a u s e db ys t r i pm i n i n g ，t h ep a p a e ra d o p t st h e m e t h o dt h a tD L G u oZ e n g z h a n gb m u 曲tf o r w a r d ，∞m b i n i n gt h et r a d i t i o n a lp r o b a b i l i t y i m e g r a t i o nm e t h o da n dn o 瑚a lf I l n c t i o n ，a n dm a k e st h es u b s i d e Ⅱc ee s t i m a t i o nm o d e l m o r ep e e c t ． U S i n gt h eV i s u a lp r o g 阳加l a n g u a g e Ⅵs u a lB a s i c 6 ．o ，出ea u t h o rp m g m m m e st h e p r o g r a m o fg e t t i n g p m b a b i l i t y i n t e 铲a lp a r a m e t e r s a n dt h e p r o g r a mo fs u r f a c e m o V e m e n ta n dd e f o m a t i O nc a u s e db ys t r i pm i n i n g ． A tl a s t ，t a Ⅺn gX uG a n gM i n ea sa ne x a m p l e ，t h em l eo fs u r f a c em o v e m e n ta 1 1 d d e f o 册a t i o nc a u s e db ys t r j pm i n i n gc a nb eg a i n e db yc o m p u t i n g ．I ti sv a l u a b l et h a tt h e p r o d u c t i o no ft h i sp a p e rt oo t h e rc o a lm i n e sw h i c hh a v es i m i l a rg e o l o g i c a la n dm i n i n g c o n d i t i o n ． ．I I ． 摘要 F i g u r e 【5 9 】t a b l e [ 1 6 】r e f e r e n c e 【5 6 】 K e y W o r d s s t e e ps e 锄，s t r i pm i n i n g ，s u r f a c em o V e m e n ta n dd e f o r m a t i o n ，e q u i V a l e n t m a t c r i a Is i m u l a t i O n ，r o b u s te s t i m a t i o n ，p r o b a b i l j t y - i m e g r a lm e t h o d C h i n e s eb o o k sc a t a l o g T D 3 2 5 I Ⅱ 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞徽堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文串作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名毯 日期旦￡年一石月里日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安徽翌王太堂有保留、使用学位论 文的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞堂堡王态堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞徽堡王太堂可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密 后适用本授权书 。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰 写的文章一律注明作者单位为安徽理工大学。 学位论文作者签名 王菇 导师签名王剔午 签字日期oi 年占月3 日签字日期D 6 年∥月孑日 引言 我国的煤炭资源分布区域广大，建 构 筑物、铁路、水体下压煤量大，如 何将“三下”压煤开采出来，且不会对地表产生破坏性的影响，一直是煤矿生产 中面临的难题之一。 本文以萧县许岗煤矿为例，研究了急倾斜煤层条带开采的地表沉陷规律。该 矿可采煤层属于急倾斜煤层，可采煤层上方地表有重要建筑物，拟采用条带法开 采工广煤柱。研究急倾斜煤层开采引起的地表沉陷规律，为条带开采方案设计提 供理论依据，是本论文的主要研究内容。 目前，国内外对于急倾斜煤层条带开采方面的研究相对还比较少，由于急倾 斜煤层开采沉陷机理及地表沉陷的预计方法是较复杂的问题，地表移动的表现形 式取决于各矿的地质采矿条件，研究的规律性差、涉及的学科多，所以至今仍无 大家公认的统一预计方法。 本文采用了理论分析、相似村料模拟和数值计算相结合的技术路线。首先分 析了许岗煤矿的地质采矿条件和地表移动观测站资料，通过拟采工作面相似材料 模拟实验，揭示了急倾斜煤层开采覆岩的破坏形态和规律，并获得了地表沉陷的 预计参数。 在实际观测中，由于各种因素的影响，观测值中不可避免地存在粗差，采用 最小二乘法拟合求参时，会出现结果偏差较大甚至结果发散现象，采用抗差估计 方法求取概率积分法预计参数能有效地避免粗差的干扰。 在条带开采沉陷预计方法中，根据郭增长教授的理论，将每一个开采条带看 作是独立的，条带开采引起的地表沉陷为多个单一条带开采沉陷的叠加。在郭增 长教授的条带开采沉陷预计模型的基础上，作者进一步完善了条带开采的预计模 型。 采用自编的求参和预计程序，求取了全采概率积分法预计参数，计算结果与 实测资料相符，经过修正获得条带开采概率积分法预计参数，最后得到了许岗煤 矿急倾斜煤层条带开采的地表沉陷规律。因此，本文建立的急倾斜煤层条带开采 预计模型和编制的条带开采预计系统，对于具有相似地质采矿条件下的矿井开采 沉陷预计具有一定的借鉴意义。 安徽理工大学硕士论文 1 绪论 有用矿物被采出以后，开采区域周围的岩体的原始应力平衡状态受到破坏， 应力重新分布，达到新的平衡。在此过程中，使岩层和地表产生连续的移动、变 形和非连续的破坏 开裂、冒落等 ，这种现象称为“开采沉陷” M i n i n gS u b s i d e n c e 。 开采沉陷改变了原有的地形、地貌，对矿区环境和经济发展造成了严重的影响， 有些矿区每年为此支付的赔偿达数千万元。众所周知，煤炭是我国最主要的能源， 占全国一次性能源总构成7 4 ．2 ％ 1 9 9 0 年统计 ，对国民经济的发展起着举足轻重 的作用。随着我国经济建设的飞速发展，对产量的要求使得矿山的开采范围不断 扩大，从而使许多煤矿开采引起的地表沉陷的问题日益突出【1 】【2 1 。目前，由于地 质条件的复杂性和采煤方法的多样性，这些问题还没有得到很好的解决。因此， 开采沉陷的研究无疑是非常重要的。 1 ．1 开采沉陷研究的必要性和意义 矿山资源的大规模开发和利用，既给人类带来了巨大的经济效益和社会效益， 也对人类生存环境产生了一系列影响，其中，矿山开采沉陷对环境的影响就是一 个重要方面。矿山开采引起的地表移动和变形将影响位于下沉盆地范围内的建筑 物、河流、铁路、管道及其它构筑物，改变它们原有的状态，甚至破坏。地表沉 陷也会引起地形、地貌产生变化和破坏，影响农业耕种、影响景观，影响矿区地 面生态环境【引。开采沉陷使东部平原矿区耕地大量破坏，西部矿区水土流失和沙 漠化不断加剧，南部和西南部矿区造成山体滑坡等现象。这一系列问题不仅给国 家和企业带来了巨大损失，而且还对区域生态环境产生较大的负面影响。因此， 开采沉陷的防治是一项极其重要的、刻不容缓的工作。 开采沉陷的防治问题不仅关系到煤炭企业能否持续发展，而且也直接影响到 我国国民经济可否持续发展的重要问题。因此，进行煤炭开采沉陷的研究，将具 有重要的理论意义和现实意义。 我国有丰富的煤炭资源，煤炭储量居世界前列，大小煤田遍布于全国各地【“。 数量众多的地面建 构 筑物、铁路、水体下 以下简称“三下” 压有大量的 煤炭资源。根据1 9 9 3 年全国统配煤炭不完全统计，全国的“三下”压煤约为1 3 7 ．6 4 亿t ，其中建筑物下9 4 ．6 8 亿t ，铁路下2 3 ．9 1 亿t ，水体下1 9 ．0 5 亿t 【“。其中建筑物 下压煤占“三下”压煤总量的6 8 ．9 ％，居“三下”压煤之首。其中人口密集、建筑 物更为集中的河北、河南、山东、山西、辽宁、黑龙江、山西、安徽八省建筑物 一2 ． 1 绪论 下压煤量达6 4 ．7 亿t ，占全国建筑物下总压煤量的8 4 ．7 ％f 3 ] 。为了解决“三下”采 煤问题，充分利用地下资源、延长矿井寿命，同时避免煤矿开采对地表建筑物造 成的严重破坏，必须在开采前根据己知的地质采矿条件，进行大量的研究工作， 包括现场实际观测研究、实验室物理模拟研究和理论研究，选择合适的采煤方法， 尽量的减少岩层和地表的移动，使“三下”压煤安全地解放出来。 1 ．2 国内外开采沉陷的研究历史、现状及发展方向 1 ．2 ．1 国外开采沉陷的研究历史与现状[ 1 】_ [ 1 8 】 开采沉陷对人类的生产、生活影响较突出的和较早被人们认识的应该算是地 表移动和地下水的流失。地表移动可能导致财产损失、人员伤亡和一些不可预期 的灾害，例如高速公路、铁路的断裂、倾斜、扭曲变形，隧道的塌陷以及山体滑 坡或导致水库水体的渗漏流失，河流的决堤。十九世纪以前人类的开采活动规模 较小，完全没有必要考虑开采建筑物、铁路和水体下的矿藏，因而不存在或很少 有开采沉陷问题。十九世纪末至今，随着能源需求量的增加，矿区开采范围逐步 扩大，“三下”采矿问题被提到采矿的议事日程，如何最大限度地开采地下矿藏， 同时又能有效地保护目标，成为人们日益关注的课题。纵观开采沉陷的发展和形 成过程，可将其分成三个阶段 第一阶段开采沉陷在人类开始开采地下资源时就被观察到了。早在1 5 世纪， 关于允许开采深度的问题就已被比利时人写进了法律。．1 8 世纪下半叶，人们已经 能够对移动范围进行估计，这就是“法线理论”和“自然斜面理论”，同时D u m o n t 提出了一个下沉量w 的算式，即∥ 肌c o s a m 为采厚，a 为煤层倾角 。上世纪 2 0 一3 0 年代，史米茨 s c h m i t z ，凯因霍尔斯特 K e i n h o s t 和巴尔斯 B a l s 等 人研究了开采影响的作用面积及分带，提出和发展了开采影响分布的几何理论， 这就是影响函数法的雏形。值得指出的是，凯因霍尔斯特 K e i n h o s t 首先提出 了水平移动的算法，即u ；豫妒 妒为地表点开采中心的连线与铅垂线的夹角 。 第二阶段第二次世界大战后，工业革命的迅速发展和对煤炭需求的增加， 采矿业成为工业国家重要的基础产业。由于受当时开采技术和装备的限制，多在 浅部开采，因而，开采沉陷问题非常突出。这一问题受到了政府和国民的重视， 许多学者开始对开采沉陷计算进行了深入探索。 1 9 4 7 年，前苏联学者阿维尔辛应用塑性理论和经验方法提出了下沉剖面方程 呈指数函数形式，并提出了水平移动与地面倾斜成正比的著名观点，这一观点已 ．3 ． 安徽理工大学硕士论文 被许多资料证实。 1 9 5 0 年以后，波兰学者克诺特 K Ⅱo t h e 提出了几何理论，布德雷克解决了 克诺特 K n o t h e 提出的下沉盆地中的水平移动和水平变形问题，这一理论现被 称为布德雷克和克诺特理论，其高斯型的影响曲线对近水平煤层的下沉描述十分 成功。另一波兰学者李特维尼申 I j t w i n i s z y n 在1 9 5 4 年对岩层移动计算进行了 深入研究。他把开采沉陷过程视为一个随机过程，提出了开采沉陷的随机介质理 论。 2 0 世纪6 0 年代初，英国学者贝里 B e 玎v 和W a l e s 根据弹性理论讨论了均质岩层 平面和横观各向同性平面以及三维条件下的地表移动表达式。在此期问英国大量 研究和发展了应用典型曲线计算地表移动变形的方法。美国学者萨拉蒙 s a l a m o n 1 9 6 0 对地表移动也有一些研究，他几乎与B e r r y 同时期研究弹性理论求解地表移 动。 第三阶段随着计算机技术的发展，岩层与地表移动计算的数学模型和技术 发展很快。从上世纪7 0 年代至今，人们将经典理论 第二阶段发展的理论 的算法 编成计算机程序，使得过去难于计算的问题成为可能。有限元、边界元、离散元 等三种数值方法均在开采沉陷中得到广泛的应用，开采沉陷计算正在向着自动化、 智能化、可视化的方向发展，计算结果能以各种图形方式给出、直观可视。 1 ．2 ．2 我国开采沉陷的研究历史与现状 我国开采沉陷的研究工作是在新中国成立以后开始的。开滦、峰峰和淮南矿 区在5 0 年代初期即建立了地表移动观测站，开始了我国开采沉陷科学研究的仪器 观测工作。5 0 年代后期，我国的一些主要矿区，如开滦、淮南、峰峰、新汶、阳 泉、本溪、鹤岗、抚顺、阜新等矿区，先后制定了开展地表移动观测的规划，有 计划地建立观测站。经过3 0 多年的实地仪器观测，积累了大量的实测资料。经过 综合分析，初步提出了移动与变形的计算公式，以及选定有关参数的方法。在借 鉴外国先进技术、经验基础之上，再加上工程技术人员的创新改进，我国也逐渐 形成了具有中国特色的且完全符合我国实际的一套开采沉陷理论【引。 1 9 6 3 年周国铨等根据实测资料分析，建立了地表下沉盆地的负指数剖面函数。 1 9 6 5 年刘宝琛、廖国华在煤炭地表移动基本规律一书中将波兰学者李特威尼 申fJ ．“t w i n s z v n 的随机介质理论进一步完善、改进，形成了地表移动预计的概率 积分法。目前已成为我国较成熟的、应用最为广泛的开采沉陷预计方法之一。1 9 8 1 年何国清【1 】和吴戈分别给出了地表下沉盆地剖面的偏态表达式“威布尔分别”和 ．d ． 1 绪论 “r 分布”。1 9 8 5 年李增琪采用F o u r i e r 变换推导出了岩层与地表移动的弹性力学的 表达式。于广明、谢和平等 1 9 9 4 ～1 9 9 7 研究了开采沉陷的非线性机理和规律， 以及分形、损伤等在开采沉陷中的应用【刀。提出了以理想散体移动模型为基础的 采动覆岩与地表下沉的概率密度函数。栾元重【8 】提出了煤矿地表移动三维力学预 计模型。 近年来，由于数学、力学、建筑、计算机等学科新成果不断地引入到开采沉 陷学科中来，从而形成了许多新方法和理论。 李文秀、张玉卓[ 9 1 将模糊数学引入随机介质理论中。中国矿业大学的学者们 通过对地层结构的研究，提出了托板及关键层理论，形成了一种独特的研究方法。 在数值分析方面，王泳嘉【1 0 l 把离散元应用于沉陷研究；邹友峰编制了条带开 采沉陷预计的三维层状介质计算机程序；锹乾生、疏开生应用非线性三维有限元 模拟了开采沉陷的岩层移动。 1 ．2 ．3 开采沉陷学的发展方向 岩层与地表移动的科学研究正处于向纵深发展的阶段，从研究水平和缓倾斜 煤层的地表沉陷规律，发展到研究倾斜和急倾斜煤层；从研究简单地质条件，到 研究复杂地质条件的移动和变形规律；从研究最终稳定的静态移动和变形，发展 到研究开采过程中动态移动和变形分布规律；从研究二维平面模型到研究三维立 体模型【1 l l 。 1 ．3 开采沉陷的预计方法 开采沉陷预计是矿山开采沉陷学科的核心内容之一，利用预计的结果可以定 量地研究受采动影响的岩层与地表移动在时间上和空间上的分布规律。预计对指 导“三下”的开采实践具有重要的作用[ 1 2 】。 开采沉陷预计的方法有多种，按计算手段可分为 1 解析法； 2 图解法； 3 电子计算机法。按计算时采用的函数分为 1 剖面函数法； 2 影响函数法。 按建立计算方法的途径分为三类 1 经验方法 2 分布函数法； 3 理论模型法。 下面仅对常用的预计方法作一介绍。 1 _ 3 ．1 基于实测资料的经验方法 经验方法是通过对大量的开采沉陷实测资料的数据处理，确定预计各种变形 值的函数形式 解析公式、曲线或表格 和预计参数经验公式。目前，应用较广 ．5 一 安徽理工大学硕士论文 且具有代表性的经验计算和预计方法主要有典型曲线法和剖面函数法。 1 ．剖面函数法 根据开采工作面形状，剖面函数法利用公式或数表来预报下沉盆地指定断面 的地表移动与变形值，通常指定的是沿工作面走向或倾向断面。该法通常适用于 矩形工作面条件。剖面函数法的优点是使用方便和直观，许多国家在这方面做了 大量的工作，我国许多矿区使用过多种剖面函数法，应用最多或有代表性的主要 是负指数函数法1 1 3 】。 2 ．典型曲线法【1 】【3 】 典型曲线法是用无因次的典型曲线表示移动盆地主断面上的移动和变形曲线 的一种方法，它适用于矩形或近似矩形的采区的地表移动变形预计。典型曲线的 基本原理和剖面函数完全相同，只是剖面函数是通过解析函数的形式来表述地表 的下沉和预计点位置的函数关系。 典型曲线法由于其分布和参数均是直接基于实测资料，预计误差小。不足之 处是在实测资料不足或者形状不规则的工作面开采预计时误差较大，而且典型曲 线法是针对某个矿区建立的，其他矿区不可随便套用，因为矿区之间的地质采矿 条件一般是不同的。 1 ．3 ．2 影响函数法 影响函数法实质是根据理论研究或其他方法确定微小单元开采对岩层或地表 的影响 以影响函数法表示 ，把整个开采对岩层和地表的影响看作采区内所有 微小单元开采影响的总和，并据此计算整个开采引起的岩层与地表移动变形。 影响函数法的主要优点在于它能够预报任意形状工作面开采条件下的地表任 意点的沉陷量。该法构成了开采沉陷的预报基础，而由适当影响函数确定的积分 格网法是最常见的图解法。 1 ’3 - 3 随机介质理论 1 ．概率积分法 随机介质理论首先由波兰学者李特威尼申 J ．“t w i n s z y n 于5 0 年代引入岩层 移动研究，应用非连续介质力学中的颗粒体介质力学来研究岩层及地表移动问题， 认为开采引起的岩层和地表移动的规律与作为随机介质的颗粒介质模型所描述的 规律在宏观上相似。1 9 6 5 年由我国学者刘宝琛、廖国华在煤矿地表移动基本规 律专著中将这一理论进一步改进完善，将其发展成为概率积分法。目前已成为 1 绪论 我国较成熟的、应用最为广泛的预计方法之一【1 】【5 1 。概率积分法计算走向主断面 内地表下沉的公式为 缈“ ％r 知 一疗学渺 式中 ％充分采动条件下地表的最大下沉，％ 耳m - c o s 口 q 下沉系数 D 开采长度； r 主要影响半径，，旦 堰p H 一开采深度； r p 一开采厚度5 口煤层倾角； 由于概率积分法有一定的理论基础，预计的参数完全可以通过实测资料求得， 而且对于一个矿区参数相对稳定，参数变化遵循一定的规律。同时概率积分法适 用于任何形状的工作面、地表任意点的移动和变形预计。因此，概率积分法在我 国得到了广泛的应用。特别是在我国最新修订的建筑物、水体、铁路及主要井 巷煤柱留设与压煤开采规程中更是将概率积分法作为预计地表移动和变形的方 法加以详细的论述【1 3 】，可见概率积分法在我国开采沉陷预计中起到相当重要的作 用。 2 ．w e b e r 分布法1 1 】 该方法由何国清教授提出，是以碎块体理论为基础，岩层与地表移动的基本 微分方程为 掣。心z 掣哪纠掣啦批帆一 p b ，o 6 G 其特解 心㈡ 鲁b 妒。～唧 一譬 式中p 、c 、d 是与z 有关的参数。 ．7 ． 安徽理工大学硕士论文 1 ．4 国内外条带开采的研究历史与应用 条带开采是一种部分开采方法，就是将被开采的煤层划分成若干条带，开采 一条 即采出条带 ，保留一条 即保留煤柱 ，用留下的不采煤柱支撑顶板，以 达到减小地表移动和变形的目的。它能控制冒落带、裂隙带的发育，减少地表沉 陷，有利于安全生产【“。 1 ．4 ．1 条带开采在国外的研究与应用【4 ] 【1 4 】 欧洲的主要采煤国如波兰、前苏联、英国等在本世纪5 0 年代开始应用这种方 法开采建筑物下尤其是村镇、城市下压煤，已取得了较丰富的实践经验。他们应 用条带开采法采深一般小于5 0 0 m ，个别采深近千米；煤层采厚大多数为2 m 左右， 表1 国外部分条采实例‘9 1 T a b l e lS o m ee x a m p l e so fs t r i pm i n i n gi ns o m eo v e r s e a sc o a lm i l l e s 少数为4 m 以上，个别达到1 6 m ；回采率一般为4 0 ％～6 0 ％；条采下沉系数一般小于 0 ．1 0 ，仅个别深部条采的下沉系数达到O ．1 6 ，顶板管理方法一般为全部冒落法， 仅波兰在回采厚5 ．9 m 以上的煤层时采用了水砂填充；因采深及煤层厚度不同，全 部冒落法管理顶板时条带煤柱的宽度比为2 ．5 ～8 3 ．7 不等，而采用水砂充填法管理 顶板时，条带煤柱宽度比为1 ．2 ～5 ．1 。国外部分条带开采实践见表1 。这些国家对 条带开采虽然从实践上做了不少工作，但有关条带开采地表移动机理、条带开采 优化设计、条带开采地表移动变形预计等方面的研究尚不充分。 1 ．4 ．2 条带开采在我国的研究与应用 采用条带法开采回收建筑物下压煤，一般吨煤成本不增加或增加减少，而且 技术简单、生产管理也不复杂。它的最大特点是能保证建筑物正常使用，采后基 ．8 ． 1 绪论 本不需维修或仅需少量维修。因此，近年来条带开采法己成为解决我国村庄下、 重要建筑物及不宣搬迁的建筑物下压煤开采的有效途径。 我国自1 9 6 7 年开始应用条带开采解放建筑物下、铁路下、水体下压煤，迄今 己在全国1 0 省的1 5 个矿区近4 0 个条带开采试验区进行了研究，其中主要用冒落条 带法回采工业广场、农村村庄及工厂建筑物下所压永久煤柱，初步掌握了条带开 采的地表沉陷规律及其对建筑物、构筑物等被保护对象的影响【列。采用冒落条带 法开采，其采深一般小于4 0 0 m ，采厚6 m 以下；回采率一般在4 0 ％～7 8 ．6 ％之间，除 个别实例由于重复采动、煤体强度低、回采率偏大等特殊原因影响，使得下沉系 数较大之外，条带开采地表下沉系数一般小于0 ．2 。国内条带开采实践见表2 。 我国已对0 。～7 5 。各种倾角的煤层进行了条带开采试验研究，为我国条带开 采的进一步应用打下了基础。 表2 国内部分条采实例【3 】 T 曲1 e 2s o m ee x a m p k so fs t r i pm i n i Ⅱgj ns o m ei n t e m a lc o a lm i n e s 1 ．5 论文的选题背景及研究内容 1 ．5 ．1 论文的选题背景 皖北矿区是我国重要的煤炭储存地区，地势开阔，地形平坦，人口相对密集， 村庄、厂矿密布。大量的煤炭资源压在各类建筑物下，严重的制约了皖北各煤矿 的可持续发展。萧县许岗煤矿位于淮北闸河煤田西北部，该煤矿于1 9 9 3 年5 月破土 动工，1 9 9 4 年5 月正式投产，原设计年产3 万吨，1 9 9 7 年进行技术改造，将矿井生 产能力扩大至9 万吨。该井田含煤层1 5 ～2 0 层，总厚1 2 m 。1 0 一1 煤层为本井田主要 可采煤层，8 煤层次之。矿井深度为3 0 0 m ，煤层平均倾角5 0 。，属于急倾斜煤层。 矿井目前开采3 0 0 m 以上水平，一3 0 0 m 水平以下煤层瓦斯较高，由于矿方受经济技 术等条件的限制，开采水平难以向深水平延伸，为保证矿井的生产能力，只能在 ．9 ． 安徽理工大学硕士论文 一3 0 0 m 以上水平进行挖潜，拟合理有序开采工广煤柱。 为合理开采许岗煤矿煤炭资源及保护地面工广有关设旌，实现该矿资源的可 持续发展，急需对该矿急倾斜煤层开采地表沉陷规律进行研究。 1 ．5 ．2 论文的研究内容 本文针对萧县许岗煤矿1 0 煤的具体情况，采用相似材料模拟实验与数值计算 相结合的方法，对急倾斜煤层条带开采引起的地表沉陷规律进行了研究。其主要 内容有． 1 根据该矿的地质采矿条件，进行拟采工作面相似材料模拟实验，揭示出 岩层破坏和移动的形式，研究急倾斜煤层开采的地表沉陷规律。 2 应用抗差估计理论求取开采沉陷预计参数，建立概率积分法预计参数的 抗差估计模型。 3 根据条带开采理论，合理的确定急倾斜煤层条带开采的采宽和留宽的尺 寸，选取条带开采的预计参数，推导条带开采地表移动与变形预计的数学模型。 4 编写求取概率积分法预计参数和条带开采地表移动与变形预计程序。 ．1 0 ． 2 急倾斜煤层开采相似材料模拟实验 2 急倾斜煤层开采相似材料模拟实验 2 ．1 引言 相似材料模拟实验是以相似理论为依据，通过用一定的相似材料构造物理参 数与工程相似的模型来研究时间工程问题的实验方法。广泛应用于采矿、地质、 水利、铁道等部门。 相似材料模拟方法的实质是，根据相似理论将矿山岩层以一定的比例缩小， 用相似材料作为模型，然后在模型上模拟煤层开采，观测模型上岩层的移动和破 坏情况。根据模型上出现的情况，分析、推测实地岩层所发生的情况。通过相似 模拟实验，能够在短期内从一定程度上较为全面的反映岩土工程力学过程和变形 形态，具有条件容易控制、岩层及地表移动直观等特点。本次模拟实验是根据萧 县许岗煤矿1 0 一1 煤层的具体条件设计的，取得了理想的效果【1 6 l 。 2 ．2 相似材料模拟实验的原理[ 1 】 2 ．2 ．1 相似三定理 在同一特征的现象中，如表征现象的所有物理量在空间上所对应的各点，在 时间上对应的瞬间各自成一定的比例，则现象相似。相似理论可以用以下三个定 理来表示。 1 ．相似第一定理 相似正定理 相似第一定理可以表述为“相似的现象，其相似指标等于1 ”。或者说“相 似的现象，其相似准数的数值相同”。 根据以上所述可确定参加系统的各对应物理量和相似常数的关系，并由此可 以求出其相似准数。 所谓单值条件，就是将一个具体现象与同类现象相区别的具体条件，它包括 1 几何条件表示进行该过程的物体的形状和大小； 2 介质条件表示物体及介质的物理性质； 3 边界条件许多具体现象所受周围条件或情况的影响，物体表面所受的 外力、给定的位移及温度等； 4 初始条件指现象开始时，物体表面某些部分所给定的位移和速度以及 物体内部的初应力等。 2 ．相似第二定理 Ⅱ定理 安徽理工大学硕士论文 相似第二定理可表述为设某一现象有n 个物理量，其中k 个物理量的量纲是 相互独立的，那么这n 个物理量之间的关系，可表示成相似准数码，石，⋯⋯仃。之 间的函数关系，写成准数方程式的形式，即 ，缸1 ，石2 ，⋯⋯石m O 3 ．相似第三定理 相似逆定理 对于同一类物理现象，如果单值条件相似，而且由单值条件组成的相似准数 的数值相等，则现象相似。 相似第三定理明确规定了两现象相似的条件，是判断两现象相似的重要定理。 2 ．2 ．2 相似条件 进行相似模拟实验时，若使模型与原型相似，必须保证以下三个方面的相似 1 ．几何相似 几何相似要求模型与原型的几何形状相似，二者的尺寸 包括长、宽、高 均保持一定比例，即 f q 2 Z 式中 口，几何相似常数，也称模型比例尺； 卜一