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维普资讯 第 3 期 矿山测量 2 0 0 3年 9月 研究岩层 与地 表移 动规律及 建筑物 下采煤 的试验 工作 ， 数十年如一 日，一直坚 持至今。我们 的研究方法是 以实 地观测资料和现场试验 为基础 ，辅 以相似材料模拟 、数 值模拟和理论 分析进行研究 ，研究 工作紧密结合生产 实 际 ，为煤矿生产服务 。 下面仅简要介绍我们的一些研究成果 。 1 地表移动规律研究 】 与峰峰矿务局合作 ，在峰峰矿区建立了 3 0 余个地 表 移动观测站 ，获得 了丰富的实地 观测 资料 ，通过综合分 析取得了以下成果 1 峰峰矿区地表移动参数和地表移动规律 ； 2 求 出适合 峰峰 矿 区 的地 表 移 动变 形预 计 方法 典型曲线法 。 3 在 我 国首次系统地 研究 了动态地 表移 动规律 ， 求 出了动态地表移动变形预计方法。 在上述成果的基础上 ，制定 了峰峰矿务 局建筑物保 护规程 ，积极开展建筑物和铁路下压煤 的开 采技术试验 工作。据不完全统计 ，3 0余年来 ，峰峰矿务 局共从 建筑 物下 、铁路下采出煤炭约 5 0 0 0万 t ，占总产量的 2 4 ％，取 得了巨大的经 济效 益、社会效益 和环境效益。上 述研究 成果分别被编人 1 9 8 5年出版和 2 0 0 0年再版 由煤炭工业部 制定的 建筑物 、水体 、铁路 及主要井巷煤柱 留设 与压 煤开采规程 【 4 J 。许多专著和教材也多次引用。一些成果 和参数对类似条件的矿区也有参考价值 。 该项成果 1 9 8 4 年获河北省科技进步二 等奖 ，伙同煤 炭科学研究院及有关矿务局 1 9 8 5年获 国家科技进步二等 奖 。以此项 目研究成果为基础 ，1 9 9 5年出版了专著 矿 山开采沉陷及其损害防治 【 5 J 。 2 巨厚松散层条件下开采地表移动规律 】 以邢台矿 区地 表移动实地观测 资料为基础 ，参 考其 它矿 区部分实测资料 ，辅 以室 内相似材料模拟试验 及数 学模拟等手段 ，较 全面 、系统地 研究 了邢台矿 区巨厚松 散层下采煤岩层及地表移动规律 、岩层及地表移动机理。 并对采动沉陷模型等方面进行 了较为深人的分析研究。 1 提 出了厚松散层条件下 采煤采动沉陷双层 介质 下沉模型 理论研究 和生产 实践表明 ，地 表沉陷主要取决 于上 覆岩层的物理力学性质及地质采矿条件 。松散层与基 岩 力学性质差别 很大 ，其 移动和变形特点各不 相同。过 去 人们研究地表移动沉陷规律时 ，为解决 问题方便而将上 覆岩层过分简 化 ；或 者看成单 一的松散介质 ；或者看成 纯粹的弹性介质 ；或者采用所 谓 的 “ 综合 系数” 。因此 ， 预计值与实测 值差别很大 ，巨厚松散层 时，这种差别更 2 。 实测资料和模型试验 表明 ，在厚松散 层条件下 ，地 下开采形成采空区后 ，首先在基岩体内产 生移 动和破坏 ； 在基岩与松散层 交接面上形成下沉盆地 ；可 以认 为是采 空区向上传播的结 果。由于松散层结构松散 ，抗 弯能力 差，抗弯强度小 ，与基岩相 比，属于软弱层 ，而基 岩对 地表移动起控制作 用。因此 ，建立 采动沉陷模 型时 ，应 把基岩和松散层看做两种不 同的介质处理 。基岩除具有 弹性性质外 ，还具有塑性性 质 ，长 时间加力还表现 出与 时间有关的粘性性 质。因此 ，可将上覆 岩梁视为粘 弹性 梁 ，运用梁的理论 ，从 流变学 的观点 出发研究岩梁 的弯 曲过程。我们采 用 了由胡克体 弹性元件 、圣 维南体 塑性元件和麦克斯威尔体并联 而成 的模型进 而推导出 基岩顶面的移动方程。松散层 由于其结构 特点，更接 近 随机介质模型，单元开采的随介质模 型一 般采用克诺特 使用的高斯 函数 ，鉴于厚松散层下沉盆地 收敛 较慢 的特 点 ，我们选用双 曲函数法 的单元下沉盆地 ，双曲 函数法 与概率积分法类似 ，但是盆地边缘收敛慢。 因此，巨厚松散层下采煤引起地表移动可视为基岩和松 散层双层介质的叠加 ， 根据单元开采影响和叠加原理，推导 出了地表下沉曲线方程 ， 给出了预计公式和参数求法。 2 地表移动特征 a 地表下沉盆地纵 向发育程度与基岩 的采动程度 及松散层厚度有关 ，采动过程 中松散 层呈整体移 动，松 散层 内不 出现离层裂缝 ，因此 ，松散层厚则 下沉系数偏 大 。 b 在同一地质采矿 条件 下，采动程度 是决 定地 表 盆地纵向发育程度的关键 因素 。通过实测资料 和移动机 理分析说 明，在厚松散层 条件下采煤 ，采动程度计算 中 不应用开采深度 H而应用基岩厚度 不包括松散层厚度 更为合理。更准确的计算还应考虑到松散层厚度的影 响。 C 地表移动活跃期剧烈且集中， 初始期和活跃期二者 约占总移动时间的 4 3 ％，而下沉量却占 9 8 ％，衰退期较长， 占总移动期的 5 7 ％，而下沉量只占总下沉量的 2 ％。 3 块段 开 采条 件 下覆 岩移 动机 理 及地 表 移 动变 形计 算[ 。 9 】 以连续介质弹塑性 和薄板小挠度理论 为基 础 ，考虑 覆岩中某层厚而坚硬 的控 制层为托板 ，结合现场岩层 内 部及地表实测 资料 、室 内相似材料模 型试 验和有 限元数 值分析成果 ，研究 了块段开 采条件下覆岩移 动机理 、煤 柱上方岩体及煤 柱下方底板 的应 力、应变规律 ，取得 了 以下成果 1 首次对块段 开采条件下覆岩移 动机理进行 了研 究 维普资讯 第 3 期 矿 山测量 2 0 0 3年 9月 块段开采条件 下覆 岩沉降 机理不 同于全 陷法开 采 ， 由于单元开采面积小 ，每个开采单元 上方顶板垮 落不充 分 ，断裂带上方某个厚 硬岩层处于悬空稳 定状态 ，其上 方直到 地表 的岩土层 包 括它 本身 重量 将 向四周转 移 ， 由下覆岩体来 承担 ，这 就改 变 了下覆岩 体 的受力状 态。 垂直应力增加使得这些岩体产生压缩 变形 ，这种 压缩变 形导致覆岩沉降 ，由于 叠加作用 ，使得 覆岩下沉量 由下 往上逐渐增加 ，至地表 沉降量为最大 。我们称覆岩 中那 层起控制作用的厚而坚硬的岩层 为 “ 托板” 。托板的作用 是 ， 一方 面阻止覆 岩垮落 、断裂 及弯 曲变形 向上发 展 ， 另一方面又支撑住 其上方直至地表 的岩 土层 。只有 当开 采范围达到某一 特定临界组合尺寸 时，该厚硬岩层 悬露 面积达到极限时 ，才垮 断失稳 ，导致 其上方岩 土层 因失 去支撑而随动沉陷。 ． 2 块段 开采条件下地表最大下沉量 r 岫 由以下五 部分组成 自下而上依次为煤柱压入底板量 、 煤柱压缩 量 、 岩柱压缩量 、 承重岩层压缩量 W 4和托板挠度 w5 。 5 jl 3 基于托板理论求 出了地表移动变形计算公式。 4 基于托板理论给 出了条带开采采宽优 化设计方 法 。 5 研究 了煤柱 的稳定性 ，给 出了条 带 留宽 的设计 方法。 研究成果 峰峰 矿 区建 筑物 下条带 开采 试验研 究 ， 1 9 9 4 年获煤炭部科技进步 三等奖 ；条带开采优化 设计及 地表沉陷托板控制技术 2 O 0 0年获教育部科技进步二等奖 ； 专著 建 构 筑物下 压煤条带 开采理论 与实 践2 0 0 O 年获 国家煤炭局科技进 步二等奖。 发表 的论 文多篇 被 Ⅱ 和 S C I 收录。博士论文 2 O O 0年被评为全国优秀论文。 4 极不充分开采地表移动变形预计方法 】 实践说 明，在 同一地质采矿 条件下 ，开采 的充分性 一 般我们称之为采动程度 采宽 L与采深 H之 比是影 响岩层 与地表移动 的关键 因素。采 动程度小 ，地 表移动 平缓 ，反之地表移动剧烈。经过大量实测 资料分析发现 ， 在采动程度很小 的情况下 ，地表最 大下沉值很小 ，一般 小于充分采动时地表最大下沉 的十分之一。当采动程度 超过某一临界值时 ，地 表最大下沉 急剧增大 ，采 动程度 的这一临界值我们称之为 临界采 动程度 系数。对于 中硬 岩层，临界采动程度 系数约为 1 ／ 3 。小于 临界采动程度系 数的采动称为极不充分采动 或极不充分开采 。 我国通用的概率积分法 主要 适用于水平和倾 斜煤 层 半无限开采 充分 采动 条 件下 的地 表移 动变形 计算 。 对于非充分采动情况 ，采用调整参 数方法进行修 正，实 践说明 ，存在较大偏 差。随着采 动程度 的减小 ，预计 偏 差越大 ，对于极不充分开采条件 ，预计偏差更大。 在分析研究 了大量极不充 分开采条件下 实测 地表移 动分布规律基础上 ，分析 了离散介质碎块体移 动概率分 布。认为有限开采时 ，随开采深 度的增加 ，碎块体 移动 概率可应用正态分布的概率密度 函数进行近似计算 。在 此基础上提出了适合 极不充分开采 的地表移 动和变形计 算方法概率密 度函数法。建 立了极不充分 开采 地表 移动和变形预计公式。预计结 果与现场实测结 果对 比说 明概率密度函数法适合于极不充分开采地表移 动和变形 预计 。 条带法开采可视 为极不充分开采 ，因此 ，可将 概率 密度函数 法推广应用 到条 带开采地 表移 动和变 形预计 。 建立 了适合条带开采地表移动变形 预计公式 ，可 以应用 概率密度函数法进行条带开采地表移动变形预计。 根据极不充分 开采理论 提出 了建筑 物下深部压煤 开采综合开采技术 。该技术现正在开滦 矿务局和峰峰矿 务局进行现场试验 ，已取得初步成 果。我 们认 为该项研 究成果对我 国矿区建筑物下深部压煤开采具有重要 意义。 研究成果 2 0 0 2 年获煤炭工业协会科学技术二等奖。 5 基于倾角变化的开采沉陷模型研究[ 1 2 , 1 3 】 大倾角 急倾斜 煤层 开采地表移 动预计是开采沉 陷领域国内外 尚未解决 的难题之一 。 目前 尚无公认的方 法可用 。实践中一般是在传统 的预计方法基础上 ，通过 修改模型使其对大倾角具有一定 的适应性 ，或者根据实 测资料建立大倾角煤层开采 的剖 面函数 ，这些 模型都未 突破传统方法 以水平煤层 为出发 点的建模思想 ，引入 的 参数意义不甚 明确且离散性大 ，关于非 连续 变形问题 国 内外更少有人研究 。针对上述 问题 ，我们进行 了 以下两 方面的研究工作 1 建立了基于倾角变化的开采沉陷模型 ； 提出了基于倾 角变化 的建模 思想 ，视 大倾角为闭 区 间 【 ， 9 ， 。 ]上的一个子域 ，建立 了适用于各级 别倾角 煤层开采 沉陷 的统一 模 型和 预计方 法一矢量预 计法 。 矢量法不仅适应于大倾 角，而且也可用 于小倾角煤层开 采地表移动预计。 ① 以任一倾 角煤层开采 为建模 出发点 ，视倾斜面积 微元为可按空间等量原则进行投影 分解 的微元矢 量。依 据随机介质理论分别建立水平分量 和垂 直分量的开采影 响函数 ，按叠加原 理并 考虑采动层面效应 构建倾斜面积 微元的单元下沉盆地 ，通过对开采 区域 的积分建立基于 倾角变化的开采沉陷基本模型。 3 维普资讯 第3期 矿山测量 2 0 ∞ 年 9月 ②以 O 。 和 9 0 煤层开采最大下沉与开采空间的关 系为 基础推证和建 立基于倾 角变化 的最大 下沉值 计算公 式 ， 把最大下沉值计算统一 于一个 既满足边 界条件又具有普 遍性 的公共模型。 2 通过相似材料模型试验 、数值计算和现场实验 ， 揭示了大倾 角煤层开采岩层移动规律和地表非连续 变形 机理 。建立了急倾斜煤层开采层 间弱面条件下地表 非连 续变形的计算方法。 该项研究成果 1 9 9 9 年获煤炭部科技进步三等奖 ，发 表的论文 1 篇被 S c I 收录 ， 6 篇被 Ⅱ 收录。博士论文被评 为中国矿业大学 北京 优 秀博士论文。 6 曲面分布形式煤层开采地表移动预计方法研究[ 1 4 , 1 5 ] 该项研究 以随机介质理论为基础 ，将复杂 的褶 曲构 造煤层按轴线划分为单斜构造煤层 ，采用 曲面积分 法进 行研究 。 该项研究取得 以下几个方面成果 1 根据数学力学原理建 立 了褶 曲构造煤层 三维空 间开采时地表单元下沉盆地和单元 水平移动表达式 ，推 导出地表任意点在任意方 向的地表移动和变形计算公式 ， 并分析 了预计公式中参数 的变化规律 ，推导出求参公式 。 2 建立了便于使用的工作面坐标系统，划分 了煤 层开采 区域的积分区 间，确定 了计算 坐标 的的数学表达 式 ，利用曲线积分方法解 决 了任意形状工作 面开采时 的 积分区域问题 。 3 确定了曲面分 布煤层和任意形状工作 面开采时 计算煤层开采 面积的方法 ，并给 出了具体 的算 法和计算 公式。 4 改变了现行预计方 法 中的近似处理部分 ，利用 曲面积分方法代替平 面积分方法 ，利用 曲面积分方法取 代 了处理任意形状工作 面的矩形 分割方法 ，提 高了地表 移动与变形的预计精度。 5 采用数值计算 方法解决 了一些 复杂烦琐 的数学 公式求值问题和不能求出原 函数的重积分值的问题。 对于矩形 工作面 ，水 平煤层 或倾斜煤层 ，就相 当于 把积分 区间、拐点平移距 、主要影 响半径 、煤层 倾角及 开采影响传播 角取为常数 ，则该方法 的计算 公式就 与概 率积分法 的公式相同。 该项研究 1 9 9 8 年获煤炭部科技进步三等奖。发 表的 论 3 ． 篇被 Ⅱ 收录。博士论文被评 为中国矿业大学 北京 优秀博士论文。 一 个热 门课题 。有 硕士 、博士 以此 为题进行研 究 ，撰 写 论文 ；学校和科研单位立 项研究 ；有 的局矿在现场进行 试验。从发表的硕 士论文 、博士论文 、现场试 验总结及 相应的学术论文 看出，所有这些论文 和试 验报告 多数都 认为此技术是解 决村庄 下压煤开采 的好技术 ，认 为减 沉 效果可达 3 6 ％ 一 6 5 ％，有 的达 到了 8 3 ％，理论研究 甚至 可达到 8 8 ％。有 了这样好 的研究试验结果 ，为什 么至今 还不能在村庄 下应用此技 术进行开采 呢这就给我们提 出了一个不可回避的尖锐问题 ，这些成果的可信度如何 本着科学的精神 ，我 们从理论上 ，从 实际试验数据 和减沉效果评价方法等方面进行 了分析研究 ，得 出如下 几点看法 1 该项技术研究重点应研究 回采工作 面推进 过程 中上覆岩层 中离层 的发 生 、发展 、和 闭合 的时空规 律。 这一研究 只有 以实测资料为基础得 出的结 论可信 ，模 拟 研究的成果只有经实测 资料验证后方有 可信 度。 目前模 拟技术水平难 以求 出定量成果。我国前一段 的研究 中还 没有见到岩层 内部离层 发生 、发 展和 闭合 的实测研 究 ， 因此 ，尚未见到令人信服的覆岩内部离层发展规律成果。 2 已有离层注浆 减沉试验都 是采深大 ，倾斜 长度 小 ，属极不充分 采动。根据这 种条件下 的试验成 臬评 价 减沉效果 ，是导 致求曲 的减 沉率偏 大 的重要 原 因之一。 正确 的方法应是用充分采动或采动程度较 大情况 下的试 验评价减沉效果。 3 减沉效果评价方法 应科学 、合理 。我们提 出了 三种评价 方法下沉盆地体 积减沉率 、断 面减沉率和 平均减沉率法 。经分析说 明，用断面减沉率 法评 价减沉 效果更真实可靠 。选 用的评价方法不 当也是 导致求 出减 沉率偏大的重要原因之一 。 4 准确 的评价注浆减 沉效果应是 根据 同一采区注 浆后 的实测地表下沉与未实施注浆 的实测地 表下沉相互 比较而定。我国 已有 的实践 中未 实施 注浆 的地表 下沉 ， 没有一个实测资料 ，都是通过 预计求得。由于预计参数 选取不当，未考虑采动 程度 的影响 ，因而 预计下沉值均 比实际偏大 ，这也是导致求出的减沉率偏大的重要原 因。 5 覆岩离层注浆 减缓地 表沉 降是一种新技 术 ，但 其减沉效果是有 限的。经过我们对某一现场 实测资料认 真分析 ，其减沉率一般超不过 3 o ％。单靠离层注浆一种 技术解决矿区村庄下采煤问题是困难的。 发表 的论文 l 篇被 Ⅱ 收录。 8 开采沉陷预测分析 系统 MS A S 的开发研究 7 关于 离 地表沉降 理与在建筑物下采 开采沉陷预测分析系统 h I s A S 是在上述理论研究 煤 应 用 中 的 问 曩 探 讨 n 的 基 过 诗 士 生 硕 士 生 不 的 开 发 、 补 充 近十余年来 ，覆岩离层注浆 减缓地表沉 陷研究 成 了 和完善 ，并经过生产实 践应用 和检验 而逐渐形成 的。它 维普资讯 第 3期 矿 山测量 2 0 0 3 年 9月 为理论研究和实 际应 用提供 了有效的分析手段 。该系统 主要功能是 1 可进行各级 别倾角煤层开采 岩层和地表移动变 形计算 ； 2 可进行任意 点 、任意 剖面、任意 断面岩层和地 表移动变形计算 ； 3 可进行地面建 构 筑物 的采动影响分析 ； 4 可进行地表移动 等值线 、移 动变形 曲线 绘制和 可视化图表 的形成 。 该系统 以 G I S 软件作平 台，采用 C和 F o r t r a n 作 为基 础编程语言 ，数据共 用 ，集 中调用 ，使系统既 具有整体 良好的人机对话模式 ，各个组件 又具有相对独立 性 ，便 于更新 和移植 。 该系统经过多年 的实际应用 ，取得 了良好的效果 。 9 今后工作展望 1 对 已取得 的成果 ，通过理论研 究 、生 产实践和 实测资料进一步的深化 、补充 、完善 。使之更符合 实际， 更好的为建筑物下压 煤开采 、矿 区环境 保护和治理等生 产实践服务。 2 在已有 的理论成果基础上 ，进一步研究 a 、建 立基于倾角变化的矢量法模型 ；b 、建立基 于开采充分性 变化的开采沉陷模型 ；C 、建立基于时间过 程与空间过程 的地表移动 预计模 型。通过上述研 究 ，构建 矿山开采沉 陷学更加完整的理论体系。 3 研究断层对岩层和地表移动变形 的影响 。 4 研究开采沉 陷引起 的水文地质 条件改变对地 面 沉陷和建筑物 的影响。 5 在 理论研究 成果 的基础 上与有关 矿务局 合作 ， 积极探索和试验我 国建 构筑物 特别是村庄 下压 煤开采的切实可行 的途径。 参 考文献 [ 1 ] N i e m e z y k ． O． B e r g s e h a d e n k u n d e ． E S S E N G l c k u f ． 1 9 4 9 ． [ 2 J A a e p mm ． C ． F ． H I4 e mp r m t x n o p o z I I p H I I O ] I ] e M H b IX p a 6 o r K a x y T 删H a T ． Mo c ha ．1 947 1 9 5 9年 北京 矿业学院矿山测量教研室译为中文． 删MH．Q删 0 哪H e r o p H b I X n o p o H 3 e M I -I O ITI n o n e p x H O C T H．yr J 暇 啪l册T ． M c lc Iq 阻．1 9 5 8 ． 建筑物、水体、铁路及主要 井巷煤柱 留设与压煤开 采规程 [ M]． 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rL r L rL rL rL 维普资讯
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