深部大采宽条带开采地表移动的预计.pdf

第33卷第4期煤 炭 学 报Vol . 33 No. 4 2008年4月JOURNAL OF CH I NA COAL SOCIETYApr . 2008 文章编号 0253 - 9993 2008 04 - 0368 - 05 深部大采宽条带开采地表移动的预计 郭 文 兵 河南理工大学 能源科学与工程学院,河南 焦作 454003 摘 要以概率积分法模型为基础,分析了现有条带开采几种计算预计参数的方法及其预计结 果,探讨了这些方法用于深部大采宽条带开采预计存在的问题及优缺点.研究结果表明现有条 带开采几种计算预计参数的方法,其预计结果均不能很好地描述深部大采宽条带开采的地表移动 和变形规律.提出了全采多工作面叠加预计方法与用文中公式3计算预计参数的预计方法相 结合的方法,能更准确地进行深部条带开采地表移动和变形预计. 关键词深部开采;条带开采;地表移动和变形;“ 三下 ”采煤 中图分类号TD82316 文献标识码 A 收稿日期 2007-04-25 责任编辑柴海涛 基金项目河南省杰出青年科学基金资助项目0612002100 ;河南省重点科技攻关项目072102290004 作者简介郭文兵1969 , 男,河南宁陵人,教授,博士.E - mailguowbhpu1edu1cn Surface movement predicting problem s of deep strip pillar m in ing GUO Wen2bing School of Energy Science and Engineering,Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000,China Abstract Based on themodelofprobability integral, the current calculatingsofpredicting perime2 ters and theirpredicted resultswere studied through a typical case. The problemsof these s and their advan2 tages and disadvantageswere discussed when they were used to predict surface movement and defor mation of deep strip mining .The results demonstrate that the results of all of these s cannot describe perfectly the surface movement and deation of deep strip pillar mining .The combined by equations 3 in this paper and multi2face predicting using full extraction parameterswas put forward.This can predict the surface movement and deation of deep strip pillarmining accurately . Key words deep mining; strip pillarmining; surface movement and deation; mining under builolings,rail2 ways and water2bodies 随着浅部煤炭资源逐渐减少和枯竭,矿井地下开采深度越来越大 [1, 2 ]. 同时,开采煤炭资源对地表建 构筑物造成了严重损害,采动损害问题日益突出.由于煤层埋藏深度增大,地表各类建构筑物保 护煤柱尺寸随采深的增大而增大.因此,深部 “ 三下 ”建筑物、水体、铁路压煤量占矿区煤炭储量的 比例更大.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 [3～9 ]. 我国学者对条带开采地表移动预计方法进行了较多的研究.吴立新等 [10]提出了基于托板 理论的预计方法;邹友峰 [11 ]提出了条带开采地表沉陷预计的三维层状介质理论 ;郭增长 [12 ]提出了适合极 不充分开采的概率密度函数法,并推广到条带开采地表沉陷预计.但在实际应用中,目前主要是根据全采 与条带开采地表移动预计参数关系的经验公式,通过修正预计参数,采用概率积分法进行预计. 第4期郭文兵深部大采宽条带开采地表移动的预计 随着矿井深度的增加,目前条带开采已打破仅适合于埋藏深度在500 m以内的条件限制,在深部采用 大采宽条带开采技术,深部大采宽条带开采在生产实践中逐步得到应用.然而,随着条带开采深度的增 大,现有各种方法的预计结果存在较大差别,已明显不能满足工程需要.我国以前的条带开采绝大多数采 深在500 m以内,故对条带开采而言,采深大于500 m时可定义为深部条带开采.研究深部条带开采地表 移动和变形预计问题,对保护地表建筑物及生态环境具有重要意义. 1 条带开采预计方法及其参数 如前所述,地表移动和变形的预计方法有多种,但概率积分法是我国应用最为广泛的开采沉陷预计方 法 [13 ]. 其预计结果的精度主要取决于预计参数的可靠性.正确选取条带开采预计参数对于提高地表移动 和变形值的预计精度、合理进行条带开采设计具有十分关键的作用.然而,目前预计参数给不准的问题已 表1 条带开采地表移动参数计算公式 Table 1 The equations of surface movement parameters of strip pillar m i n ing 参 数 计算公式 公式1公式2 下沉系数 qt H- 30 5 000a /b- 2 000qq qt H45 1 250 - 1 450 b ab 013 0112 b H qq 水平移动系数 bt 1 129 - 01002 6Hbqbt 10 000 10 750 716H bq 主要影响角正切 tanβt 1 1076 - 01001 4Htanβqtanβt tanβq- 01574 lnH2134 拐点偏移距 St 1156bH a 0 101H30 St 1 4 - 317ρ Sq 成为条带开采设计与决 策的瓶颈之一.我国学 者曾在分析实测资料的 基础上,对条带开采预 计参数选取及其与地质 采矿条件的关系进行了 研究 [14, 15 ]. 得出了条 带开采下沉系数qt、水 平移动系数bt、主要影 响角正切tanβt和拐点 偏距St与全采时下 标为 “q”的 关 系, 见表1.这些公式是进 行条带开采求取预计参数的主要方法. qt qq 01266 3e -01575 3mb a b 21688 7 ln bH a 01033 6, bt bq -01000 2 H a b b 01878 6, tanβt tanβq 01784 7e -01001 2PH , St01067 3 b 2 H a a b 21564.3 表1公式及式3中,H为采深, m;a,b分别为留宽和采宽, m;ρ 为设计采出率;m为采厚.随 着条带开采的广泛应用,新的条带开采的现场实测数据逐渐增多.在补充新的观测站资料的基础上,文献 [15 ]经过现场调研及资料检索,获得了大量新的实测数据,建立了新的条带开采地表移动预计参数的经 验公式 3. 实践表明表1中公式存在以下主要问题①即使是中浅部条带开采,对于同一个煤矿、同一地质 采矿条件下条带开采预计参数的计算结果差异很大,如下沉系数经验公式2的计算结果一般是公式 1计算结果的3倍.②当采深大于500 m时,公式1计算的水平移动系数为负值.基于上述问题, 结合一预计实例,探索深部大采宽条带开采地表移动合理的预计方法. 2 地表移动和变形预计分析 以如下地质采矿条件为例进行预计对比分析平均采深H520 m,采宽b100 m 约为采深的1 /5 , 留宽a80 m,采出率为56 ,采厚215 m,煤层倾角α10,开采区域范围700 m640 m,并建立坐标 系如图1所示. 上覆岩层岩性综合评价系数P0175.全采时的参数下沉系数01800,水平移动系数01300,拐点 963 煤 炭 学 报 2008年第33卷 图1 预计范围及坐标系统 Fig11 Predicting areas and reference frame 偏移距S0108H,主要影响角的正切为21600.根据全采时 的预计参数,分别按上述公式 1 , 2和式3计算条 带开采的预计参数,结果见表2. 根据表中的参数,对上述深部大采宽条带开采进行预 计.首先采用全采时的预计参数,按4个工作面开采影响的 叠加进行计算以下称 “ 叠加法 ” , 然后再应用条带开采的 参数进行预计.为便于比较分析,分别预计走向主断面、倾 斜主断面和地表一定范围内任一点的移动和变形值. 表2 地表移动和变形预计参数 Table 2 The predicti ng parameters of surface movement and deation 计算方法下沉系数水平移动系数主要影响角正切拐点偏移距 全采时01800013002160041160 公式101196- 010190190528181 条带开采时公式201328012041135010196 公式301094012071127826187 211 走向与倾斜主断面地表移动和变形预计 走向主断面x方向与倾斜主断面y方向的移动和变形最大值见表3.下沉和水平移动曲线如图2所示. 表3 走向与倾斜主断面地表移动和变形最大值 Table 3 Maxi mum values of surface movement and deation of ma in cross section along strike and dip 主断面预计方法 最大下沉值 /mm 最大水平移动值 /mm 最大倾斜值 / mmm - 1 最大水平变形值 压缩/ mmm - 1 叠加法1991559161100144 走向主断面公式1288183019015- 条带开采公式272012150191180158 公式31941141180150122 叠加法2081559161140180 倾斜主断面公式12901493180160110 条带开采公式272012198101190180 公式31941755110150120 212 地表任一点的移动和变形预计 预计地表范围为1 300 m1 250 m,叠加法和公式3预计的地表下沉盆地立体图如图3所示,横 坐标为沿走向和倾向方向上的距离,地表移动和变形最大值同表3. 213 预计结果分析 深部开采时,概率积分法模型仍然适用.深部大采宽条带开采预计,采用全部开采的预计参数,多个 单一工作面开采影响的叠加进行计算,由于不需要进行预计参数的转换,预计参数相对准确,因此,预计 结果的可靠性高.但由于非充分采动问题,对拐点偏移距敏感.由表2可知,深部条带开采采用公式 1计算的水平移动系数为负值,由此预计的水平移动和水平变形值已不符合地表移动和变形的基本规 律,但对下沉值和倾斜值没有影响.说明该公式已不能用于深部条带开采的地表移动和变形预计.采用公 式2计算得出的预计参数进行预计时,其最大下沉值与其它3种方法相比明显偏大图2, 3 ,最大 下沉值是全采叠加预计方法的315倍左右.主要原因是下沉系数偏大,采深520 m时,计算的下沉系数达 073 第4期郭文兵深部大采宽条带开采地表移动的预计 到01328 表2.水平移动系数和主要影响角正切结果与公式3较为接近.预计的倾斜值和变形值相 对接近于全采叠加预计方法的结果,但也大于其结果.采用公式3计算的预计参数进行预计时,其最 大下沉值与全采叠加预计方法非常接近,水平移动值与公式 2 , 3相比也最为接近图2, 3 a 和表3 ,倾斜值与公式1较为接近.但水平变形值相对全采叠加预计方法偏小,主要原因是条带开采 的主要影响角正切小,主要影响半径偏大的缘故.此外,全采叠加预计方法给出的下沉盆地中间有微小的 波浪图2, 3 a ,下沉盆地范围小,其它预计方法不可能出现波浪下沉无论采、留宽度如何变 化 , 盆地范围大而平缓图3 b . 综上所述,深部大采宽条带开采预计可以采用全采的预计参数,用多工作面叠加进行预计;公式 1已不能用于深部条带开采的地表移动和变形预计;公式2结果明显偏大,公式3移动值较好, 变形值偏小.因此,采用全采叠加预计方法与公式3相结合能更好地进行深部大采宽条带开采预计. 3 结 论 深部大采宽条带开采预计问题,可以采用全部开采的预计参数,用多个单一工作面开采影响的叠加进 行预计.由于不需要进行预计参数的转换,预计参数相对准确,因此,预计结果的可靠性高.但由于非充 分采动问题,该方法地表移动和变形值对拐点偏移距选取敏感.用公式1计算给出的参数预计,水平 移动和水平变形值已不符合地表移动和变形的基本规律.因此,该公式不能用于深部条带开采的地表移动 和变形预计.采用公式2计算得出的预计参数进行预计时,其地表移动值明显偏大.采用公式3 173 煤 炭 学 报 2008年第33卷 给出的参数进行预计,可以克服全采叠加预计方法对拐点偏移距选取敏感的不足,全采叠加预计方法可以 克服公式3变形值偏小的不足.因此,采用两者相结合的方法能更准确地进行深部大采宽条带开采预 计. 参考文献 [1] 赵生才.深部高应力下的资源开采与地下工程 香山会议第175次综述[J ].地球科学进展, 2002, 4 2 295～297. 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[15 ] 郭文兵,邓喀中,邹友峰.条带开采地表移动参数研究[J ].煤炭学报, 2005, 30 3 182～186. 重要启事 近几年,煤炭学报 收到的论文越来越多,为了刊出更多的优秀论文,缩短出版周期, 2007年, 煤炭学报 由双月刊改为月刊;JOURNAL OF COAL SCIENCE ENGI NEER I NG CH I NA 煤炭学 报 英文版由半年刊改为季刊,欢迎大家踊跃投稿. 本刊编辑部已安装远程稿件处理系统,该系统已于2007 - 01 - 01正式启用,可实现作者网上投稿、 查稿、上传修改稿、专家网上审稿等.自2007 - 01 - 01编辑部不再接收邮寄和E - mail投稿,谢谢合作 详情请登陆本刊网站http/ /www1mtxb1com1cn 本刊编辑部 273