条带开采地表沉陷的主控因素.pdf

条带开采地表沉陷的主控因素焦作矿业学院中国矿业大学北京研究生部邹友峰马伟民摘要本文利用条带开采地表沉陷预计的层状介质理论.在敏感性分析的基础 上.给出了条带开采地表沉陷预 计的主柱因素为:煤层 附近几 十米岩层的 分层厚度和分层弹性模量、采出条带宽度和保 留条带宽度,当采区尺寸 较小时.还有采区的长度和宽度。关键词条带开采王控巴素敏感性分析l前言条带开采法具有对围岩扰动轻、地表变形 小 的特点,已U益成 为建筑 物下采煤的一种有效的采矿方法口然而.由于条带开采影响因素繁多.对地表沉陷的机 理并不十分明确.因而条带开采地表沉陷的主控因索并不完全清楚。例如,在现有的地表沉陷预计方法中.地表最大下沉值为采厚与下沉 系数的乘积,即地表下沉与采厚成正比,然而事实并非 如此。木文将利用条带开采地表沉陷预计的三维层状介质理论及其相应 的预计分析系统L一J,来探讨条带开采地 表沉陷的主控因素。条带开采地表沉 陷的影响因素如 图1所 示,影 响条带开 采地表沉陷的因素有:工 程岩体的物理 力学参数、矿柱的强 度和物理力学参数、环境应力及其开采几何尺寸。环境应力(即地 应力)对矿 柱的稳定 性和条带 长轴的 布局具 有较 大影响,在 条带 开采的优化设 计中应 加以考虑。本文未分析其对地 表沉 陷 的影响。工程宕体(卜菠岩体和下岩体的 分层厚度场岩体的分层容屯凡1条带呼地“!沉陌的 篓“”“伏岩体)。勺 物J喂力学参数)岩体。分层弓单。上模缝肠岩体的分层泊松比l 1*(单轴杭汪强度尺矿柱的强度参数K矿柱的内摩擦角犷 矿柱的粘聚力矿柱的容垂y t矿柱变形参数矿一柱的弹性模觉拭召柱的泊松L匕片l之、!矿柱的物理力学参数采深了I采厚八I采宽内留宽“采区长度l-减!寸尺何.r了采刀环境 应力t采区宽度L地应力的方向l侧应力系数几图1条带开采地表沉陷的影响因素矿山压力 与顶板管理l,()6.划l3工程岩体物理力学参数的敏感性分析在进 行敏感 性分 析时,工程岩体物理 力字参数和开采 几何尺寸的变化 范 围列于表l中,以地表最大下沉值认认作为某影响因素敏感性 的评定准则。当进行某一影响因素的敏感性分析时,其它影响因素取为基础数据。基础数据(表2)取:表1影响因素的变化范围蒸鬓共蒸侧一卿一一细一一约卜顶板底饭骗六(入11】亚)11吸j趁川汀。Ml,a)厂(、11饭)11一逮、t、_-一一-一-一.*,。.1。卜一-二-一顶板底坂一兀-一一一汁一.,卜气11上)之)l决 井+器+等士几不十不,卜丽十二=一一 一一 一一一 一一斗一一一一一一叫一一一一一顶底板下工程岩休的理物力学参数1笼13屯)(片了e112)一一产下份一丫了一十一,一十一份了份;1.b;三.贬JZ。1艺。吕13。卜-一一一柱卜一.人仁M伙、,飞_一_一-习_了丈L,()f】28(川l.1 0叹).2,塑 牛仁缨8 0,”03。在)通0哎)4。1 1 11Ln 飞)IUO O O3(川川50 0 0 0 0 0 0 0入入I(m)1.0 0 03.0 0 05.0 0 0 0 0 0 0少少(m)1)3)5 5 5 5 5 5 5 5 50 0 0 0 0 0 0a a a(nl)l l l 5O O O O O O O 3)l l l(m)9)331)5 7 0 0 0 0 0 0 0乙乙(m)Zt)sf)160 0 02It 2 8()表2基础数据取值范围艺(顶底 板)了(顶底板)z(顶底板)/l、顶底 板)Z矿柱)式(矿柱)八(矿柱)100入jPa2.6gzem30.252臼n l艺.日g/c n护23t一.MI a(:90:l)om二。Unl工程岩体的力学 参 数弹性 模量乙和热.它们与认:,之间的关系如图4和 图5所示。图4中不仅给出了整个条采工程岩体弹性模量 的变化 对地表下沉影响(点划线).而 且还给出了上毅 岩体 单独改变弹性模量,而 下 伏岩体弹性模量 取 基本数据 时.认:,的变化规律(实线),以及下伏岩体弹性模量单独改 变时mm)n l)n 1洲3()你体W.(n 飞n l)7 86 82 8(kN/n l,-八68 8亡J,Ig J图2认几,与容重乙之问的关 系;9 96.史矿山压力 与顶板管理图3环认与分层厚度坑之间的关系对环认的 影响(虚线)。当其它影响因素不变仅工程岩体的容重和分层厚度改变时,认认的变化分别绘于 图2和 图3中。此外.还将整个工程岩体分层厚 度 的变化与最 大下 沉值环认之间 的关系(虚线)进行了 比较,二者非常接近,但后者的认公总是小于前者的H飞,。这说明对地表沉陷影响较大的是煤层附近几十米的顶底板岩层的分层 厚度,而 不是整个条采工程岩体的分层厚度。从图中可以看出;容重乙与环公成正 比,h。与代。成幂函数关系。在本文给定的条件下,其剧烈影响范围在3 0m之 内,即当分层厚度大于3 0m时,其分层效应可以忽略。以得出结论:对 地表 下沉具有较大 影响 的仅为煤层附近几十米顶 底板岩层的弹性模量.而 不是整个工程岩体的弹性模量。4开采几何尺寸的敏感性分析开采 几何尺寸 中采宽b、留宽a、采深H、采厚盯、采区的长度l和宽度L,它们与地表最大下沉值代,之 间的关系分别列于图6图1 1中。从图中可以看 出:地表下沉代,对采出条带宽度b非常敏感,它们之间呈 抛物线关系随着b的增大以迅速 增加;斌,对保留条带宽度也比较敏感,呈双曲线关系,随着a的增大 而减 小,但 当d达 到一 定宽 度后,其对地表沉陷的影啊消失。W,(n l n l)八J六Unn仙口Jn甘勺1 1nm匹卜瓜认换50 0 0 00口06 n-乏弓注里二乖二91120E.(10含MPa)图4饥与分层弹性模量三之间 的关系一 0203 0刁05060。而)图6、玩与采出条 带宽度乃之间 的关 系W一(mm)Wm(n lm)9 O8 0nl1 1一O01nb勺0.200.300.40声.图5呱与分层泊松比热之间的关系102030405060a(n、)由图 可知:泊松比凡对地表下沉不敏感,但岩体的弹性模量对地表下 沉非常敏感,由于实线与虚线几乎 重合,且与点划 线相关较大,说明上覆岩体和下伏岩体对地表下沉均有较大影响。经过进一步的分析计算,可图7环几与保留条带宽度a之间 的关系当采区长度Z和宽度L较小 时,Z、L对地表沉陷的影 响较大,毗,随其增大而迅速增大。但当达 到一 定尺寸(充分采动)时,认认矿山压力与顶板管理19 96.塑l2 9保持定值,此时 地表下 沉 比,对l、L不敏感。图8表明,对不同的采深均使地表 达到允分采 动,则 比,与采深H成线性 关 系。而地表下沉对采 厚 M不敏感(图9).这 是 由于力学模型中假定矿柱完 全处于弹性状态所致。的弹性 核区。图9虽然看不出采厚盯对 比。的影响但不同的采出条带度b、保留条带宽度“和采厚盯,将在矿柱上出现不同宽度的屈服带.从而将 使得 条带开采中采出条带和保留条带 的计算宽度发生变化,间接地影响地表 的下沉 值。科,。(n、n 一)W.(nlm)0n U臼U工JJ.口,.月行卜日日.自U八曰J叨Q 山L(m)040801201602002402 8 01002 003004005 00图l lU二与L之问的关系图81认,与采深月之阳l的关系W.(n lm)采J早盯 对u认。的影响.应与矿柱的物理力学参数 的影响进行综合考虑,这将另文讨论其结论 为:地表下沉值认认对矿柱的单轴抗压强度尺敏感.对矿柱 的内摩擦角少较敏感.而 对其它参数不分敏感。M(nl)图9认认一与采厚M之问的关系“。(nln l)尸扫日日卜八Un月J乙今rl 八1 1决内矛一n八曰J 口d一nJ一八Un.门飞六曰图1。环二,与l之间 的关系事实上,条带开采后,由于应力的集中,将矿柱 边缘 附近 出现一定宽度 的屈服带,在屈服带之内为弹性核区。在条带开采尺寸设计时,应保证条 带开 采后矿柱具有足够 宽度301996.劝1矿山压 力 与顶板管理5地表沉陷的主控因素根据各影响因索的敏感性分析可将各参数的敏感程度 划分为非常敏感、敏感、较敏感和不 敏感。同时我们还 根据进 行条带开采尺寸设计 和地 表沉陷预计时,确定各参数 的难 易程度,将其 划分为容易、较容易、较难、难。由于 目前 充分采 动评定 准则和条采优化尺寸的设计方法 不分明 确,认为b、“、z、L较 难确定。具体结果列表3中。综合 考虑各影响因素的敏感性和确 定时的难易 难度.我们可认 为地表沉陷的 主控因索为:煤层附近几米岩层的弹性模量八和分层厚度h*;采出条带宽 度b和保留条带宽度,I:矿柱的单轴抗压强度R:当采区尺寸较小(非 充分采动)时.还有采区的尺寸l、IJ,其次为开采深度H、矿柱的内摩擦角犷和容重乙。最后为开采厚度刀,位“柱 的枯 聚力和变形参数Z、三、召,侧应 力系数爪泊松比欢表3各影响因素的敏感性和确定的难易程度参参数类型:参数数敏感性!难易性性,-州州分层厚度场场l卜常敏感感较难难工工*、:体体的物 分层容巫乙乙敏感感较容易易理理力学 参参数 分层弹性模址公公非常敏感感堆堆分分分层泊松比产产不徽感感较容易易矿矿柱的的单钠考介,书弓吊冷尺尺幼咸咸班班物物理力力力力力力力力力力力力力力力力力力力力力力力力力力力力力力力力力力力力学学参数数王 n忿l一配一山冷应亿e e e令乍翻今万戈戈靡靡 斤.上二Jr邵十”、用r r r,沪、,、月益r r rn n n n n.去卜右性,金上 茸纬J,.了了白l,r称称称 脚1二“认 11 1月,J.、呀毛 二洛号号几价价!,;、.,、,。、1 吞目口d沙沙l桔六曰曰叨叨叨了 上月戈 于里,f f f,、尾 笼1乡乡刁义f 护勿勿-,JL.日睁睁.J卜卜l l l l l似仕日寸拓策刀c一一小暇恐恐带带征征任R寸了H松比八八小暇思思农谷易易:采深11 1 1!敬感一一容 易易卜卜卜一一.采采厚31 1 1不敏感感参考文献1邹友峰等.条带开采地表移动 变形预i卜的 空l司分层介质力学法.焦作矿业学院学报.19叹.32邹友峰、何满潮.条带开采地表沉陷预计的 新理论.水文地质工程地质.1 9 94.23何满潮.邹友峰.陈宜金.开采沉陷预计 分析系统.矿 山压力与顶板管理.19 9一鑫.2l邹友峰.条带开采地表沉 陷预计新方法三维层状介质理论的研究.中国矿业大学北京研究生部博l论文.1”趁(责任编辑尤里)作者简介邹友峰,1 9 6 1年生,副教授1 9 9 4年在中国 矿业大学北京研究生部获工学博士学位现任焦作矿业学院测量工程系副系主任从事开采沉陷方面的教学和科研工作。完成科研和技术服务8项.出版教材和专著两部发表论丈2 0余篇卜-尺寸!留宽“敏感堆卜一一一一一一一一一一一州一一一一一止圣坠型一粤竺全绎 单鬓仁 举-一一牛卫华掣华翌二塑半竺_!地应力 的方向!一1 权t各,J矛 户苦!-曰一一侧应力系数几不敏感难“赵各庄矿深部巷道矿压与支护”通过技术鉴定6结论(1)工 程岩体的物理力学参数中.煤层附 近几 十米岩层 的分层 厚度和弹性 模量 对地表卜沉非常敏感,且 其参数也难以确定。(2)矿柱 的单轴抗压 强度和内摩擦 角 对地表下 沉具有一 定的影响。(3)采出条带宽度、保留条带宽度、采区尺寸及采深 对地表下沉的 影响非常显著,在条带开采尺寸设计时,应考虑地应 力 对矿柱稳定性 的影响。(4)条带开采地 表沉陷的主控因素为:煤层附近 几一米岩层 的弹性模量 和分层 厚度采出条带的宽度和保留条带的宽度,矿柱 的单轴抗压强度和采区尺寸。其次 为采深、容重 和矿柱的内摩擦角。开滦矿务局赵各庄矿是我国井工开采深度最深的矿井之一生产开拓已全部进入”深部开采”范畴随着开采深度的增 加巷道地压增 大,巷道 支 护困难增加,由开滦矿务局与中国 矿业大学共同承担 的“赵各庄矿深部巷 进 矿压与支护技长研究”以巷道围岩松动圈理i仑为指 导采用松动 1 图厚度作为深 部围岩分类和 加 固设计的定量依据通过对 不同深度巷道!f j I岩 松 动圈厚度 测 试.相似模拟试验和新 支护 设计工业试验.历时 抓 个月.得出 了锚喷网支护可以适应深部岩巷支护要求的结沦取得了较好的 支 护效果.新 的支护加固 方法较传统的 锚喷支 护巷道 总变形童减 少1.。1.5倍,变形周期缩 短一倍,保证r巷j互 断而不需进行掘后或采后套 修,为赵各庄矿节省了大量钢材和维 修费用。鉴定委员会认为:该方法是解决深部巷进支护的一种经济、实用、行之有效的好方法.其技术理沦先进、研究方法合理.在技术上达到r国内领先水平可在同类矿井打目应用。(余泳梅)矿山压力 与顶饭管理19 96.N匀3 1