毕业设计(论文)-专题部分-建筑物下采煤技术研究现.doc
《毕业设计(论文)-专题部分-建筑物下采煤技术研究现.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《毕业设计(论文)-专题部分-建筑物下采煤技术研究现.doc(36页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、中国矿业大学2008届毕业生设计(论文) 第142页专题部分建筑物下采煤技术研究现状摘 要:通过三种计算地表移动和变形的科学方法,研究分析采空区地表沉陷机理;并在此基础上,针对目前我国建筑物下采煤面临的实际困难,提出了具体的解决方案。重点分析了采煤技术的改进和建筑物的防止变形及建筑物的纠偏,条带采煤法和膏体充填采煤法是目前应用最为广泛和最有发展前景的物下采煤法;同时对相关政策及其实际解决也提出了解决方案。关键词:条带开采;似膏体充填;建筑物保护;建筑物纠偏1 建筑下采煤目前存在的问题村庄、建筑物下开采煤炭资源是当前很多煤炭企业都面临的问题。据1994 年初的统计, 全国“三下”压煤量已达122
2、 亿t , 其中村庄、建筑物下压煤7813 亿t , 铁路下压煤1419 亿t 。一些煤炭企业“三下”压煤量占可采储量的50 %60 % , 且随着生产的推进和地面建筑物的增加, 这一比例还在不断增加。这个问题涉及到工农业双方的利益,是一个敏感的问题。目前我国因地下采煤引起的地表沉陷已达200km2/ a 。当采空区上方为建筑群时, 过去一般需搬迁, 或地下留设保安煤柱, 民用房屋下压煤制约着煤矿正常生产, 成为煤矿当前迫切需要解决的难题, 对矿区可持续发展构成严峻挑战。国内外很多专家学者对开采沉陷这一领域进行过深入研究, 目前这一学科仍在不断发展中。研究者探索以物理机制为基础的理论; 发展岩
3、体移动和地表移动相结合, 位移和应力分析相结合的方法,努力提高预测精度; 对复杂地质和开采条件下岩层移动计算提高适应能力。更为重要的是, 人们越来越重视地表沉陷的控制, 发展了多种技术体系, 以地面较少的代价换取地下煤炭资源。1.1 技术上的问题 适用于“三下”采煤的开采方法有: 房柱式、条带式、充填法管理顶板和分层间歇开采方法等。减轻地表下沉的充填方法有:水砂充填法、矸石自溜充填法和离层带注浆等。这些方法都需要考虑可操作性和经济代价。如水砂充填法, 据以往统计, 吨煤成本比垮落法管理顶板高20 %左右; 煤矸石充填井巷法吨煤费用约34 元,且只能充填1/ 4 左右(没有更多的材料) , 如果
4、加电厂粉煤灰, 也仅能充填采空区的1/ 2 左右, 离层带注浆吨煤成本约215 元。 从目前我国煤炭企业的现状看, 控制地表下沉的技术所付出的经济代价偏高, 企业难以承受。廉价且实用的充填法材料的缺乏以及充填技术的不完善, 阻碍了大规模充填开采。 1.2 赔偿、征地、搬迁中存在的问题 村庄及建筑物下采煤将破坏地面上的建筑物及生产用地,也会造成地面农作物减产甚至绝产。为了赔偿开采造成的地面损失, 企业需向当地农民支付农作物减产赔偿金。如农作物绝产, 企业还需支付绝产征地费用。当需要搬迁村庄、工厂、学校时, 需企业支付搬迁费用, 并由企业负责选址。为此煤炭企业需支付高昂费用。一些地方政府和当地农民
5、从自身利益出发, 故意在即将开采的井田上方, 大量抢建乡镇企业及各种简易建筑物, 向煤炭企业索取高额的搬迁、征地费用。煤炭企业迫于生产的压力, 只好就范。农作物减产赔偿和绝产征地价格过高, 煤炭企业承担不起。在某些地区, 绝产征地后, 土地的使用权仍然属于当地农民, 企业只有治理土地和复垦土地的义务, 而没有使用土地的权利, 如果在同一地区厚煤层实行分层开采, 则企业需重复治理、重复付费。这样挫伤了企业治理土地、复垦土地的积极性。2 地表沉陷的机理及预计方法以长壁采煤工作面为代表的大面积均匀开采, 覆岩移动变形与破坏具有较好的规律性。当地下煤层被采出后, 采空区直接顶板岩层在自重力及其上覆岩层
6、的作用下, 产生向下的移动和弯曲。当其内部拉应力超过岩层的抗拉强度极限时, 直接顶首先断裂、破坏, 并冒落下来。而老顶岩层则以某种梁弯曲的形式沿层理面法线方向移动、弯曲, 进而产生裂隙、离层。随着工作面的向前推进, 受采动影响的岩层范围不断扩大。当开采范围足够大时, 岩层移动发展到地表, 在地表形成一个下沉盆地。计算地表移动和变形的方法有很多种,这里简单介绍经验方法、影响函数法和数学力学法等3 种。2.1 经验方法这种方法基于实测资料, 通过对大量实测资料的数据处理, 确定预计各种移动和变形值的函数形式(解析公式、曲线或表格)和计算预计经验公式。目前, 应用较广且具有代表性的经验计算和预计方法
7、主要有剖面函数法和典型曲线法。2.1.1剖面函数法根据地表下沉盆地剖面形状来选择描述下沉盆地剖面的相应函数, 作为计算地表移动和变形的公式。剖面函数形式以曲线拟合或最优化方法确定, 并常表示为与地质采矿条件数据有关的经验公式, 以预计时采用。剖面函数的形式很多, 前苏联、波兰等国都有各自适用的剖面函数计算方法。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。负指数函数法是用负指数来表示下沉剖面函数的方法, 它适用于近似矩形工作面开采时的地表移动和变形的预计。其经验公式为:式中 Wx地表移动盆地主断面上任意点的下沉值,mm;W0地表最大下沉值,mm;L下沉盆地的半长,
8、m;x地表下沉盆地主断面上任意点到最大下沉点的距离,m;a,n待定系数,可根据矿区的实测资料求得。有了下沉曲线函数式, 根据下沉与其它移动和变形的关系式, 可得出相应移动和变形的计算公式。2.1.2典型曲线法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采区的地表移动和变形预计。典型曲线可以用诺谟图或分布系数表示。我国常用的、具有代表性的典型曲线法主要有: 峰峰矿区和平顶山矿区的典型曲线。国外, 如前苏联、英国也有典型曲线法的应用。2.2 影响函数法影响函数描述微小单元开采面积对地表影响的特性和程度。通过影响函数对开采面积的积分计算地表的
9、移动和变形。影响函数法主要有: 巴尔斯法、别耶尔法、扎恩法和埃尔哈尔特- 佐埃尔法等, 我国应用比较成熟的影响函数法是概率积分法。概率积分法可适用于工作面任意形状、任意充分开采程度、地表任意点的移动和变形。其下沉公式可表示为:其中 ; 式中:m 煤层采厚,m;下沉系数;煤层倾角;l沿煤层走向开采宽度,m;L沿煤层倾向开采宽度,m;r煤层走向方向主要影响半径;2.3 连续介质力学方法以连续介质力学方法为基础的岩层移动与地表沉陷模型能够较好地反映这一力学发展过程的本质。迄今应用的理论主要包括弹性理论、塑性理论、粘弹塑性理论、断裂理论等。研究认为, 模型应在反映主要力学特征的基础上尽量简化。对于岩层
10、移动模型,其主要力学特征应当是层状特性, 可简化为正交各向异性或横观各向同性模型。模型参数是重点要解决的难点。基于这一观点, 建立了五参数的三维模型。求解模型参数要充分利用现有实测资料。全国已有200 多个观测站资料, 在求取概率积分法参数的基础上, 应逐步取得力学参数的估计值或建立力学参数和已有参数的经验关系。作者建立的一个初步关系式如下: 式中 E1,E2岩石弹性模量; G岩石剪切模量;b水平移动参数;,岩石泊松比。3 解决村庄、建筑物下采煤的技术政策既不用迁村又能解放村庄下的煤炭资源是一种比较理想的状态,所以,探索村下采煤的新途径一直被国内外专家所关注,他们都在研究以物理机制为基础的理论
11、,寻找更为科学合理的方式,力争最大限度地控制地表移动,以地面较少的代价换取地下宝贵的煤炭资源。煤炭系统应注重技术进步, 加大对村庄、建筑物下采煤的技术研究, 结合企业实际采用适合企业的开采方法和充填技术。有以下几方面的工作可做: 3.1 条带开采法3.1.1条带开采的应用现状 条带开采法是一种特殊的开采方法,是把要开采的煤层划分成比较正规的条带进行开采, 采一条, 留一条, 利用保留的煤柱支撑上覆岩层, 从而减少覆岩沉陷, 控制地表的移动和变形, 达到地面保护目的的部分开采方法。从条带的布置形式及开采方法上包括: 水砂充填条带、矸石充填条带、冒落条带、分层冒落条带、近距煤层群条带、变采留比条带
12、、不规则条带及古小窑老空区下条带等。尽管条带开采采出率低、资源损失严重, 但由于我国矿区村庄密集, 搬迁费用巨大, 为解放村庄下压煤, 条带开采作为一种减少地表沉降的特殊采煤法, 近几年各矿区都应用条带开采进行了建筑物下采煤实践。条带开采源于房柱式开采, 条带开采的关键是确定合适的采留比。实践表明,条带开采采出率一般为40 %60 % ,下沉系数不超过013。日本、波兰、英国都有成功的先例。我国自抚顺胜利矿1967 年利用充填条带法进行市区下采煤以来, 先后在抚顺、阜新、蛟河、峰峰、鹤壁、平顶山、徐州等矿区进行了多个条带开采的试验与实践, 创造了巨大的社会和经济效益, 取得了一些有益成果。据文
13、献报导, 10 多年来有20 多个工作面(或采区) 采用条带法进行了回采。 3.1.2条带开采的研究现状 条带开采的研究涉及岩石力学(包括岩石及煤的强度, 煤柱应力的变化及煤柱的稳定等) 和开采沉陷学(包括条带开采的沉陷机理、地表移动与变形的计算、开采方案的设计等) 两大领域。对条带开采的研究主要分3 个方面: 现场试验与观测、模型试验和数值计算分析研究(包括力学的理论计算) , 模型试验以相似材料试验为主, 条带开采的大部分研究成果基于模型试验结果和数值分析结果。 尽管对条带开采的研究较多, 但大部分研究是针对条带煤柱的稳定性和条带开采尺寸的确定。评价煤柱稳定性主要考虑: 作用于煤柱的荷载;
14、 煤柱内部的应力分布; 煤柱的强度以及煤柱与顶底板的相互作用。在条带开采设计中仍采用传统的极限强度理论分析方法, 首先计算煤柱的载荷, 其次分析煤柱的承载能力, 最后设计煤柱的宽度。煤柱荷载指煤柱实际承受的载荷, 主要与地层厚度和开采尺寸有关。提出的计算方法有: 有效面理论、压力拱理论和A1H1Wilson 两区约束理论。实际计算中普遍采用的是两区约束理论, 该理论认为在采空区一侧距煤壁013 H 处, 采空区矸石承受H 的荷载, 且在该处与煤壁之间应力按线性分布计算。 P = ( a + b)H - b2/ 112 式中, P 为条带煤柱的荷载, a , b 分别为留设与开采煤柱的宽度, 为
15、覆岩的平均密度, H 为开采深度, 当b 016 H 时, 取b = 016 H。 煤柱强度是煤柱所能承受的最大荷载, 它是煤柱稳定性分析的基础。煤柱的强度与诸多因素有关, 包括煤自身的强度、煤柱的尺寸、煤柱的内部构造、煤柱的表面、煤柱与顶、底板界面的磨擦和粘结力、围压及采场动态因素, 较具代表性的有Obert , Salamon 和Wilson 等3 个煤柱强度计算公式,都是根据实验室试验、现场调查和现场煤柱观测总结得出的。我国在条带设计中普遍采用的是Wilson强度计算公式, 他认为煤柱两侧有0100492mH 宽的屈服区( m 为煤层的开采厚度) , 屈服区内为核区, 核区的承载能力为4
16、H。 P极= 4H( a - 0100492mH) 近几年随着条带开采实际应用的增加, 我国对条带开采也进行了多项研究, 包括相似材料的模拟试验, 数值计算分析与现场的实际观测, 在这些研究的基础上提出了自己的观点。如波浪下沉传播高度与条带开采宽度a 和留设煤柱宽度b 有关; 煤柱两侧应力集中程度随煤层倾角增大而发生变化, 其塑性区也随倾角增大而增加; 侧限压力对煤柱有较大的作用, 较软弱和裂隙发育的煤柱, 部分充填可大幅度提高煤柱的稳定性或煤炭采出率; 多煤层条带开采时, 层间距较大时相互影响轻微, 层间距较小时两层煤相互影响较大; 地表移动变形不一定随采出率增加而增大, 而与采宽有关等。但
17、条带开采地表与岩层移动的机理目前仍处于推测、探索阶段, 提出的假说有: (1) 煤柱的压缩、压入假说条带开采后的地表下沉由煤柱的压缩、煤柱压入顶板和煤柱压入底板3 部分组成。 (2) 岩梁及其托板假说条带开采时, 在裂隙带上方存在着1 层或几层厚度较大、强度较高的坚硬岩层, 它对上部岩层和地表的移动起控制作用,地表的下沉由煤柱的压缩、煤柱压入底板、岩柱压缩、承重岩层压缩及托板挠度5 部分组成。 (3) 波浪消失说条带开采后, 采出条带顶板岩层类似于两端固定的约束岩梁, 靠近煤层的上覆岩层将出现波浪下沉, 达到某一高度后, 波浪消失, 在此高度之上为均匀下沉。在条带开采的实际预计计算中, 大部分
18、仍采用概率积分法, 只是在计算参数上依据采出率按经验数据进行一定的修正。数值计算法虽应用广泛, 但在条带设计中, 仍只是一种定性的分析方法, 这主要是因为计算参数的不确定性及岩性参数与岩体参数的差异造成的。在实际条带应用中, 由于要保证地面的安全, 往往具有一定的安全系数, 因此尚未见有极限条带开采宽度的试验报导。 3.1.3条带开采的观测现状 众所周知, 地表移动的观测数据是研究开采沉陷的基础。我国自50 年代以来, 建立的地表移动观测站(不完全统计) 已达200 多个, 为开展地表移动的计算研究工作提供了丰富的实际观测数据。条带开采的观测不仅涉及地表的移动观测, 还涉及煤柱的应力与变形观测
19、, 上覆岩层的移动、变形、破坏观测, 随着数值计算方法的大量应用, 岩体性质参数的实地测定也成为进行条带开采研究的重要数据, 目前我国也已积累了一些实际观测成果。 峰峰矿务局一矿在工人村下进行条带开采期间, 进行了较为全面的地表移动观测站观测, 得出在该地质条件下, 留设煤柱不大于H/ 3 , 开采条带小于H/ 315 的情况下, 地表不会出现波浪下沉;条带开采的地表移动期较短, 开采工作结束12个月后地表最大下沉为地表稳定后最大下沉的95 %; 并取得了实测的条带开采地表移动计算参数。 蒲白矿务局马村矿在白水河下条带开采期间设置了地表网状观测站, 对地表下沉的整个盆地进行了观测并在煤柱内进行
20、了应力观测, 取得了在该地质条件下条采一侧煤体应力超前距最大为6316m ,形成煤柱后应力超前距最大为10910m , 条采一侧煤体应力滞后距最大为7410m , 形成煤柱后应力滞后距最大3115m 的条带开采过程中煤柱应力变化的实测数据。 峰峰矿务局二矿在工业广场区域进行条带开采期间, 不仅设置了地表移动观测站, 还进行了煤柱压力的观测和利用上层工作面的回风巷打钻进行了顶板沉降的观测, 取得了开始阶段附加应力占15 % , 两侧开采期间占64 % , 滞后稳定阶段占20 %的应力观测结果, 并实测出该条件下的煤柱塑性区为2m , 采空区上方为拉伸变形, 煤柱上方为压缩变形; 取得了条带开采重
21、复采动的地表移动实测数据, 得出条带开采的地表下沉同样与开采面积有关的结论。 峰峰矿务局三矿在条带开采中从地面打钻进行了岩体内部移动的观测, 确定了采动裂隙的垂直分布规律, 得出了在局部薄层、软层容易产生离层的结论; 徐州沛城煤矿、鹤壁矿务局九矿等也进行了条带开采地表移动或煤柱应力的观测, 取得了一些观测数据。尽管在条带开采观测上已做了大量的工作, 但由于地质条件的差异, 其观测数据远不能满足现在研究的需求。 3.1.4条带开采的发展趋势 条带开采作为一种特殊的采煤方法有其自身的优势和缺点, 最大的优点是不改变采煤工艺的前提下, 较大幅度地减少地表沉降, 在无法采取其它措施的条件下采出部分建筑
22、物下压煤, 而其最大缺点是条带开采采出率低、资源损失严重, 且生产效益较低。因此, 在保护地面建筑物的目的下, 如何提高条带开采的采出率、提高条带开采的生产效益是条带开采中必须解决的关键问题, 近几年在这方面已进行了一些有益的尝试。 枣庄矿务局田陈煤矿在村庄下压煤开采中, 充分利用其煤层的开采深度, 进行了宽条带(采出宽度135m) 开采, 共开采3 个工作面, 地表最大下沉为298mm , 这一开采条带既利用了窄工作面下沉系数减小的优势, 又实现了不降低生产效率的条带开采, 保证了地面建筑不产生破坏。峰峰矿务局九龙煤矿在村庄搬迁过程中, 利用宽条带进行了2 个工作面的开采(工作面宽度分别为1
23、20m , 160m) ,实测地表最大下沉为185mm 和469mm (两工作面迭加) , 地表水平变形最大为110mm/ m , 平均月产达415 万t 。通过工作面开采顺序的改变, 保证了采区的按计划开采, 也保证了地面的安全使用, 为搬迁争取了时间。平顶山矿务局十矿在化工厂下开采期间, 利用宽条带实现了煤柱的全柱式开采, 使整个开采过程中地面房屋的最大变形影响降低了50 %。另一方面, 利用条带开采的设计在理论上也进行了提高条带开采采出率的研究。变采留比条带在不增加地表变形的条件下, 充分利用地表下沉盆地的空间, 可提高条带开采采出率10 %20 % (取决于条带开采的面积) 。由于顶板
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 毕业设计 论文 专题 部分 建筑物 采煤 技术研究
链接地址:https://www.31doc.com/p-3943866.html