地表巖移實施方案

1、淺埋深大采高地表巖移規(guī)律研究實施方案承擔單位：鄂爾多斯市轉龍灣煤炭有限公司協作單位：山東科技大學項目負責人：張學相起止時間：2017.4-2018.3 2017 年 6 月12 日目 錄一、項目的必要性（一）研發(fā)的必要性、目的及意義1. 現狀分析2. 目的及意義（二）國內外同類技術發(fā)展狀況及發(fā)展趨勢1. 目前國內外同類技術發(fā)展狀況2. 發(fā)展趨勢 二、研究開發(fā)內容 三、目標及主要經濟技術指標 四、關鍵技術及創(chuàng)新點 五、項目技術路線 六、現有基礎及技術條件 七、對安全、環(huán)境、健康的影響性分析 八、經濟、社會效益分析 九、項目實施進度計劃 十、經費概算十一、項目負責人、項目組成員及分工一、項目的必要

2、性（一）研發(fā)的必要性、目的及意義1. 現狀分析轉龍灣煤礦井田范圍43.46Km²，主采煤層為II-3煤層，其平均厚度為4.3m，煤層厚度穩(wěn)定，傾角較?。?2°）,煤層埋深為200m左右。根據鉆孔資料顯示，井田范圍內，頂板巖性差異較大。目前23103、23102、23303工作面已回采完畢，23101、23302工作面正在進行回采。23103工作面由東華建設有限公司進行了首采面地表巖移觀測，觀測數據及相關參數已在報告中給出，通過該參數計算23102工作面地表各類數據與實測數據基本一致。但23303工作面通過實測發(fā)現，差異較大，通過分析認為，231采區(qū)各工作面頂板砂巖巖性相似，

3、數據基本一致，但233采區(qū)與231采區(qū)頂板砂巖巖性差異較大，造成233采區(qū)預測與實測值差異性較大。另外，通過轉龍灣煤礦監(jiān)測資料發(fā)現，礦井薄基巖淺埋深大采高開采覆巖形變、破斷，地表移動規(guī)律以及顯現特征與其它淺部開采礦井相比有明顯的差異性，若仍以淺部開采沉陷預計理論指導轉龍灣礦井各類建（構）筑物及井巷保護煤柱留設、開采損害評價等方面會出現較大誤差，給安全生產帶來不利影響。因此，本課題正是針對龍灣礦井開采過程中地表沉陷變形存在的問題，在前期研究的基礎上，對不同條件下（主要考慮松散層影響因素）開采覆巖應力、應變場演化規(guī)律、地表沉陷特征的特殊性進行研究，掌握采動覆巖體的運動規(guī)律，建立符合轉龍灣開采的巖層

4、及地表沉陷預測模型及參數求取方法，能準確預測地面沉降，并結合覆巖運移特征，提出適合轉龍灣礦井工作面布置的設計方法，有效減少煤炭資源的滯留，降低地面沉降災害的影響，為轉龍灣礦井“三下”安全開采提供新的理論基礎。2. 目的及意義本項目研究的目的在于：（1）通過對采動地表沉陷影響因素的分析，確定松散層、巖石力學性質對地表沉陷的影響規(guī)律；（2）通過地表移動變形觀測的研究，確定相關的沉陷參數；（3）確定下沉數據與巖性的關系及動態(tài)下沉參數；（4）建立地表沉陷模型，進行地表沉陷預計；（5）研究地表移動變形規(guī)律，為沉陷治理提供依據。課題研究研究成果不但對地表沉陷治理，防治沉陷事故具有指導意義，而且可以準確計算

5、各類保護煤柱，節(jié)省資源，提高煤礦的經濟效益，保證礦井的可持續(xù)發(fā)展。總之，該課題的研究，不論對企業(yè)發(fā)展還是對環(huán)境保護都具有十分重要的現實意義。（二）國內外同類技術發(fā)展狀況及發(fā)展趨勢1. 目前國內外同類技術發(fā)展狀況 礦山開采沉陷學(也稱巖層與地表移動)是研究開采沉陷及其引起的有關工程問題的一門學科。其主要研究內容包括:開采沉陷機理、巖層和地表移動規(guī)律、觀測方法、預計方法、模擬方法研究等。作為工程應用， “三下一上”(建筑物下、鐵路下、水體下、承壓含水層上)采煤、井筒煤柱開采技術和保護措施等也是其研究的重要課題。 早在十九世紀中葉以來，由于采礦業(yè)的發(fā)展，采礦引起地表塌陷給地面建(構)筑物和農業(yè)帶來嚴

6、重損害，引起了人們的關注。最早的地表移動觀測站建立于二十世紀初，從此開始對地表移動進行系統(tǒng)觀測。 開采沉陷發(fā)展至今已有近170多年的歷史了，可將其發(fā)展過程概括為三個階段，自1838年對比利時列口城下開采所引起的地表塌陷的認識開始到二戰(zhàn)前夕屬于開采沉陷的初步認識和研究階段；二戰(zhàn)以后至二十世紀60年代末期，屬于開采沉陷理論形成時期；二十世紀70年代至今為開采沉陷現代理論研究階段。開采沉陷理論歸納起來主要有早期理論、幾何理論、連續(xù)介質理論、非連續(xù)介質理論，以及開采沉陷預計方法等。1949德國學者Niemczyk出版了開采沉陷的第一本有代表性的著作Bergschadenkunde，該書根據實測資料系統(tǒng)

7、地分析了地表移動規(guī)律并用移動變形曲線表示。 (1)早期理論 1858年，以觀測資料為基礎，比利時人哥諾(Gonot)提出了“法線理論”，認為采空區(qū)上下邊界開采影響范圍可用相應點的層面法線確定。1876年，德國人依琴斯凱(Jicinsky)提出了“二等分線理論”。1882年，耳西哈教授提出“自然斜面理論”，與現在的移動角概念頗為相似，這是關于開采沉陷與巖性關系的最早研究成果。二十世紀二十年代，大規(guī)模地開展了水平移動觀測，在此基礎上，開采沉陷理論得到了發(fā)展，19231932年斯奇米茨(Sohmitz)、凱因霍斯特(Keinhost)和巴斯(R.Bal S)研究了開采影響的作用面積及分帶，并提出了連

8、續(xù)影響分布的概念。 (2)幾何理論1950年，波蘭學者克諾特(Knothe)提出了幾何理論，并選用高斯曲線作為影響曲線 式中: 表示主要影響半徑; 一表示最大下沉值。 布德雷克(Budryk)解決了克諾特提出的下沉盆地中的水平移動及水平變形問題，這一理論現在稱為布德雷克一克諾特理論。 (3)非連續(xù)介質理論 1954年，波蘭學者李特維尼申(J.Litwiniszy)把巖層移動過程作為一個隨機過程，推證下沉服從柯爾莫哥羅夫(KorMoropoB)方程，這一理論被稱為隨機介質理論。我國學者劉寶深、廖國華將隨機介質理論發(fā)展為在我國廣泛應用的概率積分法。1981何國清等從隨機觀點研究碎塊體移動規(guī)律，得出

9、用威布爾分布形式表征地表下沉盆地。郝慶旺引入了空隙擴散和空源等概念，建立了空隙擴散微分方程，并初步研究了該方程在開采沉陷中的應用。這是對隨機介質理論的補充和發(fā)展。 (4)連續(xù)介質力學理論 幾十年來，國內外學者以連續(xù)介質力學方法為基礎建立了各種力學模型對巖層移動與地表沉陷進行研究。1953年波蘭學者薩武斯托維奇(A. Salustowicz)利用彈性基礎梁理論得出了波動下沉剖面方程。我國學者李增琪(1983, 1985)，將開挖引起的地表移動看成是層間既滿足力學平衡條件又滿足幾何接觸條件的多層橫觀各向同性介質的彈性力學平面問題，采用富氏積分變換方法計算巖層和地表移動。 (5)開采沉陷現代理論 隨

10、著科學技術的發(fā)展和研究手段的進步，開采沉陷理論得到進一步發(fā)展。特別是隨著計算機技術的迅速發(fā)展，數值模擬方法(有限元、邊界元、離散元等)、人工智能技術等在開采沉陷中得到了廣泛的應用。由于數值方法能夠考慮巖體固有屬性，且適應于不同特征的巖體采動沉陷研究，能夠有效地反映出采動巖體沉陷狀態(tài)，因此學者們投入了大量的研究，特別是近十多年來取得了許多有價值的成果。如張玉卓的模糊內時有限元法和位錯邊界元法，謝和平的損傷非線性有限元法，何滿潮的非線性非光滑有限元法，鄧喀中的損傷有限元法，高延法的粘塑性有限元法，麻鳳海的離散元法等均對巖體開采沉陷的狀況進行了很好的模擬。近年來，巖體力學理論迅速發(fā)展，推動了開采沉陷

11、理論的研究。人們將損傷理論應用于開采沉陷的研究，得出了一些有益的力學模型的數值計算方法。鄧喀中采用斷裂力學、損傷力學相結合的方法，分析了節(jié)理對巖層及地表移動的影響，采用彈性梁、板理論推出了巖體內部移動新的計算式。于廣明從相似材料模型入手研究了節(jié)理巖體采動沉陷規(guī)律模型的損傷張量計算及沉陷量的統(tǒng)計損傷分析。李云鵬、王芝銀提出了開采沉陷粘彈塑性損傷模型，并進行了實例分析。 (6)開采沉陷預計方法 開采沉陷預計方法主要有:基于實測資料的經驗方法;影響函數法;理論模擬法。經驗方法基于實測資料，通過大量實測資料的數據處理，建立各種數學模型對地表沉陷盆地進行擬合。國內外應用較廣的有典型曲線法和剖面函數法。

12、影響函數法 影響函數法的實質是描述微小單元開采對巖層或地表的影響(以影響函數表示)程度。通過影響函數對開采面積的積分計算地表的移動和變形。影響函數法主要有:巴爾斯法，別耶爾(Beyer)法，扎恩(sann)法，埃爾哈爾特一佐埃爾(Ehrhardt-Sauer)法和克諾特(Knothe)一布德雷克(Budryk)法。其中最具有代表性的有克諾特一布德雷克方法，該法選用高斯曲線作為影響曲線，對近水平煤層的下沉描述非常成功。 理論模擬法 把巖體抽象為某個理論模型，按照這個模型計算受開采影響巖體產生的移動、變形和應力分布情況。 近年來，采動地表移動變形規(guī)律研究方面主要成果還有：(l)魏秉亮等人對淺埋近水

13、平煤層采動地面變形規(guī)律以及淺埋近水平煤層采動巖移與塌陷機理進行了研究；(2)西安礦業(yè)學院侯忠杰、石平五教授對厚沙層下煤層覆巖破壞機理以及淺埋煤層礦壓顯現與巖層控制進行了研究，研究表明厚風積沙層下，當頂板基巖不厚時，采后覆巖“三帶合一”。在不能形成任何承載結構的厚風積沙層下，頂板薄基巖是沿全厚的整體切落破壞，具有沖擊性。另有研究表明，薄基巖在厚沙覆蓋層作用下的整體切落是頂板破斷運動的主要方式，指出保證足夠的初撐力和采空區(qū)一定充填狀況是控制要點。(3)西安科技大學王貴榮教授對厚黃土層薄基巖地區(qū)開采沉陷規(guī)律進行探討得到，在厚黃土層覆蓋地區(qū)，地下開采引起的地表沉陷是由上覆基巖和黃土層雙層介質變形、移動

14、疊加作用所致，基巖是黃土層地表沉陷的控制層。黃土層垂直節(jié)理發(fā)育，決定了其沉陷變形有別于其他巖土層，地表出現臺階狀斷陷，典型的“三帶式”破壞形式變?yōu)椤岸健?。地形起伏對地表沉陷有一定影響，地表變形最大值出現在地表坡角較大的采空區(qū)上方。(4)安徽理工大學宣以瓊等人對榆陽煤礦覆巖破壞移動規(guī)律進行研究總結得出:受沉積環(huán)境的影響，淺埋煤層頂板巖層微觀結構特征為石英含量較高，黏土礦物含量較低，具有典型脆性材料的特點，表現為易裂、抗擾動能力差和再生隔水能力弱等破壞移動演化特征。實踐表明，采用采空區(qū)滯后控水、煤水分流、控制風機巷附近采高；物探預測地質弱面和富水區(qū)域預先加固疏放，是淺埋煤層防止突水潰砂行之有效

15、的調控保障技術措施。(5)河南理工大學宋常勝等人對厚松散層薄基巖條帶采動地表移動變形規(guī)律研究得出，煤系地層中的關鍵層對條帶開采的地表沉陷起著控制作用，含水松散層的固結變形機理表明巨厚松散層并非隨基巖整體下沉。通過建立巨厚松散層下條帶開采巖土層移動的復合介質模型，對煤系地層中的上位巖土層巨厚松散層和下位巖層關鍵層分別加以研究，認為可以用此模型較好地解釋巨厚松散層下條帶開采的機理和地表沉陷規(guī)律。(6)西安科技大學趙兵朝在對淺埋煤層條件下基于概率積分法的保水開采識別模式研究的基礎上，結合已有的研究成果和現場調研情況，得出淺埋煤層條件下采用不同基采比所導致的礦壓顯現特征不同的結論，進而以基采比為關鍵參

16、數，結合基載比來進一步分析研究淺埋煤層條件下的礦壓顯現特征與地表移動變形規(guī)律。另外還有很多學者對厚松散層薄基巖地表沉陷破壞規(guī)律進行了相關的研究。綜上所述，針對轉龍灣煤礦煤層埋深200m左右，平均厚度4.3m這樣地質條件的地表移動變形規(guī)律研究的還很少，需要進一步的研究。2. 發(fā)展趨勢理論與實踐的結合是開采沉陷理論發(fā)展的基礎，通過對不同地質條件的數據觀測及研究，能不斷豐富開采沉陷理論，而且可為類似地質條件開采沉陷預計提供依據。（三）相關技術專利檢索分析情況通過關鍵字“地表沉陷”的檢索，共檢索相關專利22項，通過關鍵字“地表巖移”檢索，共檢索相關專利3項，沒有與本課題密切相關的專利，本課題的研究能為

17、礦井安全、高效開采提供了設計依據，而且豐富了特殊地質條件巖移理論方面的研究，具有較好的理論創(chuàng)新性，所研究內容不涉及侵犯其他知識產權，不存在知識產權風險。二、研究開發(fā)內容1）減少地面監(jiān)測點，優(yōu)化地表觀測站設計。根據實測地表移動觀測資料,研究淺埋深大采高礦山煤層開采地表沉陷特征。研究轉龍灣礦井不同開采條件下地表移動變形沉陷盆地特征等，對比分析與其他淺部礦井地表變形之間的差異性，對由基巖厚度增加造成的影響進行分析；研究地表移動變形動態(tài)演化規(guī)律、靜態(tài)演化規(guī)律，建立適合轉龍灣礦井開采的地表預計參數求取模型；研究優(yōu)化礦井工作面尺寸、推進速度等對地面的采動影響，對減少地表移動變形的機理進行分析。2）研究轉龍

18、灣礦井開采覆巖破壞、應力分布特征及壓力拱分布形態(tài)，解析開采過程中支承壓力、覆巖運動及地表沉陷之間的關系，提出礦井開采采場空間結構模型，建立非充分采動階段支承壓力計算模型，分析覆巖應力場轉移及發(fā)展過程，建立基于應力場轉移的覆巖形變沉陷模型，并給出地表沉陷各特征參量的確定方法。 3）轉龍灣礦井開采預計參數研究研究礦井開采過程中覆巖體內動態(tài)移動形變規(guī)律及對地表的影響，確定覆巖體內主要影響半徑及基本變形指標，推導出與地表移動變形各參數、賦存深度之間的關系式；研究可靠的覆巖體等效力學參數反演方法，解決模擬試驗巖層參數選取困難問題；分析在不同采礦條件下（考慮松散層影響）采深、采寬、開采范圍等對概率積分法主

19、導變形預計參數下沉系數、拐點偏移距的影響，建立地表移動參數、概率積分法預計參數與地質采礦條件之間的關系。三、目標及主要經濟技術指標（一）目標1）得出轉龍灣礦井開采過程中支承壓力、覆巖運動及地表沉陷之間的關系，建立基于應力場轉移的覆巖形變沉陷模型，確定出地表移動各特征參量。2）掌握轉龍灣礦井采場覆巖體內的移動變形規(guī)律，確定出覆巖體內主要影響半徑及基本變形指標，給出與地表移動變形各參數、賦存深度之間的關系式。3）建立轉龍灣礦井開采地表沉陷預計模型，獲取優(yōu)化礦井工作面尺寸、推進速度的方法。（二）主要經濟技術指標1）確定啟動距、超前影響角、最大下沉速度滯后角、邊界角、移動角、裂縫角和充分采動角。2）確

20、定下沉數據與巖性之間的關系。3）確定地表概率積分預計參數。4）確定地表移動變形規(guī)律。四、關鍵技術及創(chuàng)新點（一）關鍵技術1）應用沉陷理論、非線性理論等分析轉龍灣礦井開采過程中地表移動變形特征、覆巖破壞及受力與形變之間的關系、地表移動變形中的突變。2）應用MTS伺服實驗機等研究巖石高圍壓狀態(tài)下的強度特性，構建覆巖體承載力學模型。3）采用相似材料模擬與機械物理模擬相結合的方式，研究采動巖層動態(tài)形變規(guī)律及支承壓力演化規(guī)律，分析覆巖體內形變指標與地表移動各參數之間的關系。4）井下對覆巖受力破壞進行監(jiān)測，對比地面沉陷監(jiān)測數據，研究地表移動變形動態(tài)演化規(guī)律、沉陷盆地特征等。5）應用三維數值模擬軟件，結合室內

21、試驗和現場測試結果，研究采動覆巖應力場轉移及發(fā)展過程，地表沉陷與覆巖運動發(fā)展間相互聯系的量化確定。（二）創(chuàng)新點1）首次采用不設置正規(guī)地表觀測站（非直線或散點），實現獲得轉龍灣礦井可靠的地表移動規(guī)律與參數，大大減少原來地表移動觀測的工作量及難度，提高了分析的可靠性。2）研發(fā)的淺埋深大采高合理的工作面布置尺寸、推進速度等優(yōu)化技術，達到國內領先水平。五、項目技術路線本課題擬采用現場實測和理論分析相結合的研究方法進行研究。主要技術路線如圖1所示。在對地表移動變形影響因素分析的基礎上，進行23201及23302區(qū)域地表巖移觀測：為保證設計方案的正確及指導轉龍灣煤礦以后的建構筑物下采煤工作，應在23302

22、和23201工作面開采時，建立地表移動觀測站進行觀測，以取得實際觀測資料，并通過實際觀測成果可對采動地表移動變形進行必要的評價，確保礦井開采的順利實現。常規(guī)的地表移動觀測站布置以走向和傾向主斷面布置，以取得地表移動計算參數和動態(tài)地表移動觀測成果，但由于觀測受實際情況的影響，很難達到設計的觀測要求，且由于時間周期較長，往往造成點位的破壞，難以取得完整的數據，達到理想的效果?，F隨著計算理論的完善和計算技術的發(fā)展，地表移動觀測站設置可根據地形地物的變化，以取得主要參數進行相關的設計，既要便于觀測點的保護，又要便于日常觀測工作的進行。根據23302和23201工作面開采的地面特點，上方可設置二個相互獨

23、立的觀測站（線），以取得可以相互對比的成果和資料。開采工作面地表巖移測點應該采用預制混凝土樁，特別控制點應預制混凝土樁（其它觀測點也可根據情況采用其它方式設立）；地表巖移控制測點用預制樁，其余測點可用預制樁或木樁。埋設測點時，挖坑前先把點位引到1m外的四個臨時十字樁上，坑底搗實，先鋪一層0.1m厚的混凝土后放預制樁，同時由十字樁接線指示測點位置，控制測點的偏心不要大于1cm，工作測點偏心不要大于5cm。標志澆灌深度在本區(qū)域冬土線一下0.5m左右，標志周圍填緊土石，和凍土隔離，以防測點受凍結影響。要定期進行從水準基點到觀測站的水準測量，保證觀測站控制點的穩(wěn)定。地表移動觀測站的觀測工作可分為：觀測

24、站的連接測量，全面觀測，單獨進行的水準測量，地表破壞的測定和編錄等。在埋好測點并待其穩(wěn)定后（一般觀測點埋好1015天點位固結），要與本礦已知測點進行平面和高程連測以便測定各測點和測線位置。為了準確地確定工作測點在地表移動開始前的空間位置，在連測后地表開始移動之前，應獨立進行兩次全面觀測，全面觀測的內容，包括測定各測點的平面位置和高程，各測點間的距離等。邊長測量要用鋼尺，支距測量可用水平支距尺直接放在測點上進行，也可用經緯儀往返測角后計算支距，開采影響前的水準測量按三等水準要求進行，對采中和采后按四等水準的精度施測。在活躍期（月下沉值較大），每半月進行一次加密水準測量，同時要進行一次全面觀測。在

25、每次地表觀測同時，在井下測定工作面位置、煤厚和采高等。工作面采完，地表移動穩(wěn)定后，即半年內下沉不超過30mm時，作最后的全面觀測。觀測順序、內容及時間匯總可參考表2程序進行。為了保證所獲得觀測資料的準確性，每次觀測應在盡量短的時間內完成，特別是在移動活動階段，水準測量必須在一天內完成，并力爭做到高程測量和平面測量同時進行。觀測線的最終觀測成果和采動前的初次觀測成果列于表2，每次觀測之后均應及時的進行移動、變形計算。觀測時間及內容匯總 表1序號觀測內容時間1預制測點并埋設受采動影響前2連接測量及采前全面觀測采動影響前完成3巡視水準測量地表點下沉10mm開始，每月一次4加密水準測量活躍期（每月下沉

26、大于25mm），每半月一次5活躍期全面觀測活躍期內進行， 6穩(wěn)定后全面觀測地表移動穩(wěn)定后，地表移動、變形綜合成果表 表2測點編號標高m下沉mm下沉差mm傾斜mm/m傾斜變化mm/m曲率10-3/m線段線段長水平變形水平移動mm第一次觀測第n次觀測第一次觀測第一次觀測絕對值mm相對值mm/m在以上觀測數據的基礎上，進行數據分析，并建立地表預計模型，研究采動地表移動變形規(guī)律及地表沉陷特征。圖1 技術路線圖六、現有基礎及技術條件 兗礦集團轉龍灣煤炭有限公司在地測方面做了大量的前期工作，取得了一大批關于地表沉陷方面的科學數據。山東科技大學多年來一直從事地表沉陷的理論研究及塌陷治理工作。近五年，學校承擔

27、各級各類科研項目4300項，計劃與合同經費11.47億元。其中，縱向項目2391項、計劃經費5.89億元，橫向項目2009項、合同經費5.58億元；獲上級科技獎勵772項，其中國家級科技獎勵3項、省部級科技獎勵238項。擁有教育部礦山災害預防與控制實驗室和山東省"礦業(yè)安全工程與環(huán)境保護"重點實驗室擁有先進的實驗設備和實驗場所，試驗室設備、計算機齊全，為完成本課題提供了一定的人員和儀器保障。因此，無論從人員構成，還是技術水平及前期工作，為本課題的完成提供了必要的條件。課題組具備該課題研究的基礎和技術條件。七、對安全、環(huán)境、健康的影響性分析通過本項目的研究成果的實施，能夠提供巖移的相關參數及沉陷預計模型，為保護煤柱的留設提供依據，同時，可減少地面的塌陷與滑坡事故，保護地面建筑、道路等設施，另外，通過對地表裂縫的研究，可以減少地表水進入井下，減少對地表水的破壞，保護地表植被。總之，研究結果對于礦區(qū)煤