許廠煤礦1.8 Mta新井設(shè)計(jì)含5張CAD圖.zip
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“三下”壓煤開采技術(shù)研究
摘要:建筑物下、鐵路下、水體下開采,簡(jiǎn)稱“三下”開采。
據(jù)目前不完全統(tǒng)計(jì),我國(guó)國(guó)有骨干大中型礦井“三下”壓煤量達(dá)到140億噸以上,其中建筑物下壓煤占整個(gè)“三下”壓煤量的60%以上,水體下(包括承壓廢巖水上)壓煤占28%左右,鐵路下壓煤占12%左右,然而,到目前為止,我國(guó)僅從“三下”采出的煤炭約有10億噸,只占整個(gè)“三個(gè)”壓煤量的7%左右。
關(guān)鍵詞:“三下”開采;理論;措施
0引言
據(jù)目前不完全統(tǒng)計(jì),我國(guó)國(guó)有骨干大中型礦井“三下”壓煤量達(dá)到140億噸以上,其中建筑物下壓煤占整個(gè)“三下”壓煤量的60%以上,水體下(包括承壓廢巖水上)壓煤占28%左右,鐵路下壓煤占12%左右,然而,到目前為止,我國(guó)僅從“三下”采出的煤炭約有10億噸,只占整個(gè)“三個(gè)”壓煤量的7%左右。
1國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
1.1建筑物下采煤
波蘭,從1950年起開始進(jìn)行建筑物下采煤試驗(yàn),到1980年,已從各種煤柱中采出近7000萬t左右,占產(chǎn)量的40%一42%。
英國(guó)在建筑物下開采只對(duì)井筒和絞車房留保安煤柱,其它一律不留保安煤柱進(jìn)行開采。
德國(guó)對(duì)城市和建筑物下采煤研究最早,從1902年就開始用水沙充填法回采重要建筑物下的保安煤柱。例如埃森采了九個(gè)煤層總厚達(dá)10.2m。
1.2鐵路下采煤
鐵路下開采系指鐵路干線與支線下所壓煤層的開采,礦區(qū)專用線下開采已不存在問題,故不包括在內(nèi)。過去對(duì)鐵路的保護(hù)也是采用留設(shè)礦柱的方法,目前對(duì)鐵路礦柱的開采已取得了足夠的經(jīng)驗(yàn)。如波蘭在卡托維茨通往沃波雷省的干線和具托姆車站下進(jìn)行了開采、采厚達(dá)20m,車站普遍下沉了3m,最多達(dá)3.7m。
我國(guó)礦區(qū)專用線下開采,在技術(shù)上已完全過關(guān),所以鐵路下開采不包括專用線下開采;支線下開采效果良好,如焦李、三萬、薛棗、婁鄧等;干線下開采的不多。在雞西麻山、滴道兩礦的林口——密山干線下開采獲得成功、本溪局在沈陽——丹東的干線下試采。還有棗莊局在鄒塢車站下,阜新局在露天剝離站下。開灤及平頂山、漣邵在鐵路橋下,南桐局在二萬線的板塘隧道下開采都取得成功。
1.3水體下采煤
水體下開采的實(shí)質(zhì)是如何確定防水和防砂礦柱的高度,此上限到地面的垂高,就是安全開采深度。
水體下開采主要是防止覆水和泥砂潰人井下,有時(shí)還要保護(hù)地面水體,如水庫(kù)、堤壩等。水體下開采通常用疏干、排放、隔離等措施,使資源盡量采出,還要減少排水費(fèi)用。
前蘇聯(lián)已在一些較大河流下來出了干百萬噸的煤炭;日本、英國(guó)、加拿大和智利等國(guó)家海下開采經(jīng)驗(yàn)豐富。
我國(guó)在淮河下、微山湖下、資江河漫灘下來煤也取得了不少的經(jīng)驗(yàn)。
2.地表移動(dòng)變形的基本規(guī)律
2.1巖體采動(dòng)引起的圍巖及地表變化
根據(jù)巖層移動(dòng)的特征和破壞形態(tài),如下面一組圖所示。
圖2-1巖體移動(dòng)分帶
圖2-2開采水平礦層充分采動(dòng)時(shí)的地表移動(dòng)盆地示意圖
圖2-3開采傾斜礦層時(shí)的地表移動(dòng)盆地示意圖
圖2-4巖層與地表移動(dòng)中常用的幾種角
2.2地表移動(dòng)與變形參數(shù)的分類及計(jì)算
圖2-5主斷面內(nèi)地表點(diǎn)移動(dòng)示意圖
2.2.1變形參數(shù)
(1)傾斜:地表相鄰兩點(diǎn)的下沉由于不均勻,便在地表產(chǎn)生連點(diǎn)間的相對(duì)位移,出現(xiàn)傾斜變形。通常用T表示,單位為mm/m,
(2)曲率:如果地表相鄰兩點(diǎn)的傾斜也不均勻,則地表將出現(xiàn)彎曲。因此,單位長(zhǎng)度內(nèi)的傾斜變化就為曲率,用K表示,單位用/m或mm/,。
(3)水平變形:它是由于相鄰兩點(diǎn)的水平移動(dòng)不均勻而產(chǎn)生的。在外緣區(qū)產(chǎn)生拉伸變形,在內(nèi)邊緣區(qū)產(chǎn)生壓縮變形。通常用表示,單位為mm/m。
圖2-6傾斜礦層非充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律
移動(dòng)變形曲線間的函數(shù)關(guān)系
下沉曲線 =
傾斜曲線 =
曲率曲線 =
圖2-7急傾斜礦層非充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)和變形規(guī)律
水平移動(dòng)曲線 =B
水平變形曲線 =B
2.3主斷面地表移動(dòng)變形的計(jì)算
2.3.1概述
單元開采圖
圖1-3-1指開采的范圍無限小的單位開采,其體積為1×1×1的無限小單元。在地下采出一個(gè)單元立方體(1×1×1)(圖2-8)后,在Z水平形成一個(gè)單元下沉盆地,其面積為 =,這一下沉事件的發(fā)生,等于以下兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生:在剖面B-B上x處的一段巖石條內(nèi)有下沉發(fā)生,同時(shí)在D-D剖面上y處的一段巖石條。
內(nèi)有下沉發(fā)生。因此,發(fā)生下沉這件事的概率即為發(fā)生次二事件的概率之積:
==
式中平方是由對(duì)稱性所致。
令單元下沉為,則在走向剖面上:
=
在傾斜剖面上:
=
在空間條件下,開采面積與采高皆為一個(gè)微小單元時(shí):
=
圖2-8單元開采引起的巖層下沉的概率
2.4水平礦層半無限開采地表移動(dòng)與變形計(jì)算
2.4.1 移動(dòng)變形曲線函數(shù)式
(1)下沉曲線函數(shù)
如圖2-9,采深為H,采厚為m,坐標(biāo)原點(diǎn)通過開采邊界,設(shè)在s距離處采出寬度的一段礦層,在其上方水平形成單元下沉盆地其表達(dá)式為:
dW=qm(x-s)
dW=qm
當(dāng)?shù)V層自s=0采到s=∞時(shí),地表(z=H)穩(wěn)定后的下沉盆地表達(dá)式為:
=qm
則 =
這就是隨機(jī)介質(zhì)理論法下沉曲線的積分表達(dá)式,是克諾泰1937年首先提出的。
圖2-9下沉盆地剖面方程
(2)傾斜曲線
= (3-2)
傾斜曲線最大值:
=
其中 h=,r叫主要影響半徑
為了弄清h與r間的關(guān)系,如圖1-4-2所示:
在圖中,做下沉曲線拐點(diǎn)處的切線,與及=的水平線分別交于1點(diǎn)和2點(diǎn),則得到這兩點(diǎn)的水平距離,以r表示。此切線的斜率就是相應(yīng)曲線的最大斜率(當(dāng)斜率角>時(shí)就不相切了)。
tg===, 即=
因此: h=
通過對(duì)礦區(qū)實(shí)測(cè)資料的分析,在地表移動(dòng)盆地的邊緣區(qū),在拐點(diǎn)兩側(cè)各一個(gè)r的范圍內(nèi),地表變形值較大,在外邊緣區(qū)一個(gè)r的位置下沉值為0.0063,在內(nèi)邊緣區(qū)的一個(gè)r的位置,下沉值為0.9937,所以在此區(qū)域內(nèi)是對(duì)地面建筑破壞最嚴(yán)重的,因此把r叫做主要影響半徑,或主要影響范圍。主要影響范圍也可以由角圈定。如圖2-10所示,可知:
th=
角叫做主要影響范圍角,簡(jiǎn)稱主要影響角。r及均由巖層性質(zhì)決定。
圖2-10參數(shù)h與主要影響半徑r的含義
將h=帶入(3-2)式:
= (3-3)
當(dāng)x=0時(shí),=,帶入(3-3)式:
= (3-4)
(3)曲率曲線
傾斜的變化便產(chǎn)生曲率,使地面彎曲,故斜率是傾斜的導(dǎo)數(shù):
== (3-5)
求極值:令=0,得x=0.4r,帶入(3-5)式:
=1.52=1.52
(4)水平移動(dòng)曲線
水平移動(dòng)曲線的分布與傾斜曲線相似,二者為線性關(guān)系。
=B=B
令b=,b也叫做水平移動(dòng)系數(shù),代入上式:
=b (3-6)
求極值:令=0,x=0,則=b,帶入(3-6)式:
=
(5)水平變形曲線
==-
求極大值:令=0,得x=0.4r
==1.52b
表2-1列出了移動(dòng)變形的基本表達(dá)式,以及各自的最大值和最大值的位置。
表2-1
2.4.2實(shí)用計(jì)算表
將移動(dòng)變形曲線表達(dá)式進(jìn)行變換,化為無因次的量:
=
上式的左邊表示各分布值相當(dāng)于最大值的量,叫做分布函數(shù)。每個(gè)式中都有,都是的函數(shù),這樣,取不同的值,即可得到相應(yīng)分布系數(shù)值。因次,把作為橫坐標(biāo),按百分之一取值,計(jì)算出相應(yīng)的分布函數(shù)、……值,作為縱坐標(biāo),可以做出地表移動(dòng)和變形的無因次曲線(如圖2-11)
圖2-11移動(dòng)及變形分布函數(shù)
3.“三下”采煤技術(shù)的發(fā)展
3.1建筑物下采煤及地表保護(hù)措施
(1)充填法
(2)部分開采法
部分開采法包括兩個(gè)方面的內(nèi)容:一是條帶開采法,即在開采范圍內(nèi)開采一條,保留一條,用保留條帶煤柱支撐頂板,以達(dá)到減少地表下沉的目的。
3.1.1留寬與采寬的計(jì)算
一、采寬b的確定
1、在保證地表不出現(xiàn)波浪形的條件下,以水平變形=2mm的臨界值,對(duì)建筑物不產(chǎn)生破壞的前提下,主要影響半徑與采高之比r/m應(yīng)大于20,用諾模圖(如圖3-1,圖3-2)來確定采寬b。圖中的陰影部分為可選取范圍。
2、根據(jù)經(jīng)驗(yàn)。采寬按來選取,如采寬較大,應(yīng)在頂板初次周期來壓之前結(jié)束工作面。采寬選定后,再計(jì)算留寬a。
圖3-1確定采寬b的諾模圖
3、要考慮頂板初次來壓和周期來壓。當(dāng)采寬不太大時(shí),b應(yīng)不超過頂板的初次來壓步距,工作面不受初次來壓影響。b如較大,則應(yīng)不大于初次來壓步距與周期來壓步距之和以保證在周期來壓之前結(jié)束工作面,應(yīng)避免剛發(fā)生過周期來壓就結(jié)束工作面。
二、留寬a的確定。
確定留寬a的原則應(yīng)能使礦柱承受的載荷比礦柱實(shí)際承受的載荷要大,這時(shí)礦柱的安全系數(shù)K>1,表明礦柱是穩(wěn)定的。在一般情況下,為了提高回采率,安全系數(shù)K取1,即礦柱能承受的載荷等于實(shí)際承受的載荷。
另外,礦柱的承載能力與礦柱的形狀有關(guān),礦柱的形狀一般有方形、矩形和長(zhǎng)條形。下面分別列出礦柱留寬a0.1mH時(shí)以上三種形狀礦柱能承受的極限載荷值的公式:
圖3-2確定采寬b的諾模圖
(r/b=1.5;r/b=2.0)
方礦柱:
(t)
矩形礦柱:
(t)
長(zhǎng)礦柱:
(t)
計(jì)算礦柱實(shí)際承受的載荷值公式:
方礦柱:
(t)
矩形礦柱:
(t)
長(zhǎng)礦柱:
(t/m)
式中 、、——分別為方形、矩形、長(zhǎng)條形礦柱能承受的極限載荷;
、 、——分別是方形、矩形、、長(zhǎng)條形礦柱實(shí)際承受的載荷;
d——保留條帶礦柱的長(zhǎng)度;
、——分別為沿礦層走向方向和傾斜方向礦柱之間的采出值。
現(xiàn)以K=1為條件,推導(dǎo)出計(jì)算保留條帶礦柱留寬的公式,在設(shè)計(jì)時(shí),大部分按寬礦柱中的長(zhǎng)礦柱進(jìn)行計(jì)算:
長(zhǎng)礦柱的留寬:
為了長(zhǎng)壁工作面搬家運(yùn)設(shè)備材料的方便,在保留礦柱的中部開一聯(lián)絡(luò)巷,此時(shí)應(yīng)按矩形礦柱進(jìn)行計(jì)算。
矩形礦柱的留寬:
采出率驗(yàn)算:
回收率s可依開采條件確定。
設(shè)礦層傾角水平,埋深為H(cm),開采之前,作用于礦層的垂直應(yīng)力等于:
=rH
式中 r——礦層覆巖平均容重(kg/)。
當(dāng)條帶開采后,礦柱上所承受的垂直平均應(yīng)力將增加為:
==rH (6—1)
而必須小于礦柱的許可抗壓強(qiáng)度,礦柱才能不被壓壞,即:
我們?nèi)〉忍?hào),并帶入(6—1)式中,得:
S=1-
這樣,只要知道,就可以算出s了。我們令礦柱極限抗壓強(qiáng)度為,強(qiáng)度備用系數(shù)為n,則:
=
式中 ——礦樣單向抗壓強(qiáng)度;
n——強(qiáng)度備用系數(shù),對(duì)于充填條帶法n=1.5,對(duì)于冒落條帶法n=2.0。
由此,回采率s可表示為:
S=1- (6—2)
由上式可以看出,礦層深度小,強(qiáng)度大,覆巖平均容重小,用充填條帶法開采時(shí),回采率就高。
單向受力狀態(tài)下留寬a的計(jì)算用下式:
a=
式中的S由(6—2)式求得即可。
進(jìn)而可以計(jì)算出條帶開采時(shí)的極限開采深度:
3.1.2消除或減少開采影響的疊加
當(dāng)幾個(gè)煤層(或厚煤層幾個(gè)分層)或同一煤層的幾個(gè)部分同時(shí)開采時(shí),如果采區(qū)邊界布置不合理,或者采面推進(jìn)的時(shí)間、方向不適當(dāng),就會(huì)造成開采影響的疊加,從而使地表移動(dòng)變形值增加,如圖3-1-3所示。
圖3-3
在同時(shí)開采兩個(gè)煤層(或分層)時(shí),如圖2-3-1(a),開采影響的疊加可能是推進(jìn)著的工作面上方地表移動(dòng)與變形的疊加(即采面同時(shí)由左向右推進(jìn)時(shí)的情形),也可能是開采邊界(或停止推進(jìn)的工作面)上方地表移動(dòng)與變形的疊加。圖2-3-2(b)表示同一煤層兩個(gè)部分同時(shí)開采時(shí)地表移動(dòng)變形的疊加。在這種情況下,不管1,2兩部分采面如何推進(jìn)(采煤面相對(duì)、相背或相平行),在煤柱上方地表的移動(dòng)和變形都要經(jīng)受開采過程中的疊加,以及采動(dòng)以后煤柱做為兩個(gè)開采邊界的地表移動(dòng)變形疊加。這些都說明地表移動(dòng)變形的疊加與采面推進(jìn)的時(shí)間和開采邊界的位置有關(guān),即與時(shí)間和空間因素有關(guān)。為了減少或消除開采影響的疊加,可以采用以下措施:
(1)順序開采
就是要一層一層或一個(gè)分層一個(gè)分層地進(jìn)行開采,并要求兩層或兩個(gè)分層的開采間隔時(shí)間要足夠長(zhǎng)。
(2)合理布置各煤層或分層開采邊界的位置
地下開采對(duì)地表的有害影響,主要在開采邊界的兩側(cè)。為了減小或消除開采邊界及附近地表移動(dòng)變形值的疊加,可將各個(gè)煤層的開采邊界彼此錯(cuò)開一定的距離,讓它們不重疊,一個(gè)垂直剖面內(nèi)(如圖6-2)。
(3)干凈回采
(4)正確安排工作面推進(jìn)方向
開采建筑物和構(gòu)筑物保護(hù)煤柱時(shí),一般采用由煤柱一側(cè)向另一側(cè)推進(jìn)的方法,即采用單翼開采方法。
3.1.4協(xié)調(diào)開采
協(xié)調(diào)開采就是數(shù)個(gè)煤層和分層同時(shí)進(jìn)行開采,使所產(chǎn)生的地表拉伸變形和壓縮變形互相抵消,以達(dá)到減少開采對(duì)地表的影響。
協(xié)調(diào)開采的主要方法有以下幾種:
(1)數(shù)個(gè)煤層協(xié)調(diào)開采
兩個(gè)或多個(gè)煤層同時(shí)開采時(shí),如果將這些煤層的工作面互相錯(cuò)開一定距離,使開采一個(gè)煤層所產(chǎn)生的地表壓縮變形區(qū)準(zhǔn)確地位于開采另一個(gè)煤層開采所產(chǎn)生的地表拉伸變形區(qū)內(nèi)。這樣,地表的變形值就可以抵消一部分,從而減少對(duì)建筑物和構(gòu)筑物的有害影響。
(2)數(shù)個(gè)煤層分層協(xié)調(diào)開采
若將厚煤層的數(shù)個(gè)分層同時(shí)開采,各分層工作面之間錯(cuò)開一定距離,同樣可以使地表變形抵消一部分。
圖3-4
兩個(gè)分層工作面錯(cuò)開的距離由下式計(jì)算:
式中:r——主要影響半徑;
H——開采深度。
3.1.5消除開采邊界的影響
開采對(duì)地表影響最嚴(yán)重的地區(qū)是開采邊界兩側(cè)附近上方地表移動(dòng)盆地的邊緣區(qū)。消除開采邊界影響的主要措施是使受采動(dòng)的建筑物下采煤范圍不出現(xiàn)開采邊界和不使工作面長(zhǎng)期停頓。主要措施有:
(1)長(zhǎng)工作面開采
當(dāng)用一個(gè)工作面開采時(shí),要確定合理的工作面長(zhǎng)度,應(yīng)盡可能使被保護(hù)的建筑物位于開采后的地表均勻下沉區(qū)。
(2)連續(xù)開采
即一個(gè)工作面接著一個(gè)工作面,一個(gè)采區(qū)接著一個(gè)采區(qū),一個(gè)小階段(或水平)接著一個(gè)小階段(或水平)開采下去,中間不能間隔時(shí)間過長(zhǎng)。
(3)聯(lián)合開采
如果保護(hù)煤柱范圍內(nèi)是分屬于幾個(gè)礦進(jìn)行開采,則必須由幾個(gè)礦聯(lián)合進(jìn)行協(xié)調(diào)開采,以避免產(chǎn)生開采邊界。
3.1.6提高回采速度
在已經(jīng)穩(wěn)定的地表移動(dòng)盆地區(qū),最大變形值出現(xiàn)在盆地邊緣區(qū),盆地中間區(qū)的地表變形值較小,但是在開采過程中地表點(diǎn)都要經(jīng)過拉伸、壓縮到穩(wěn)定的過程,其動(dòng)態(tài)變形值的大小與回采速度(工作面的推進(jìn)速度)有密切的關(guān)系。工作面的推進(jìn)速度愈大,動(dòng)態(tài)變形值愈小。但提高工作面推進(jìn)速度會(huì)造成地表下沉速度和變形速度增加,而建筑物較易適應(yīng)地表的緩慢變形,如變形速度很快往往也會(huì)導(dǎo)致建筑物的損壞。因此,擬提高開采速度時(shí),應(yīng)綜合考慮各方面的因素。
3.2水體下采煤
3.2.1覆巖破壞規(guī)律
一、影響覆巖破壞規(guī)律的因素
在近水體采礦時(shí)覆巖破壞規(guī)律是指導(dǎo)水裂縫帶的分布形態(tài)和最大高度。影響覆巖破壞 規(guī)律的因素如下:
1、覆巖力學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)的影響
2、采礦方法和頂板管理方法的影響
采礦方法和頂板管理方法對(duì)覆巖破壞的影響主要表現(xiàn)在開采空間大小、巖體冒落、斷裂的充分程度以及垮落巖體的運(yùn)動(dòng)形式。
3、煤層傾角的影響
煤層傾角對(duì)覆巖破壞高度的影響主要表現(xiàn)在破壞形態(tài)上的不同。開采水平及緩傾斜礦層(α=0~35°)時(shí),垮落巖體不產(chǎn)生再次移動(dòng),就地堆積、壓實(shí),但由于工作面邊界存在懸頂現(xiàn)象,使冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶呈中間低兩端高的馬鞍形 (見圖3-5) 。開采傾斜礦層 (α =36~54°)時(shí),由于垮落巖體在自重的作用下向采空區(qū)下邊界滑動(dòng),使下邊界巖體垮落不充分,上邊界巖體垮落超限,從而在傾斜方向上,使冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶的形態(tài)呈拋物線型分布。開采急傾斜礦層(α=55~90°)時(shí),上邊界覆巖的破壞高度更高,下邊界覆巖的破壞高度更低,破壞范圍由拋物線型逐漸變?yōu)闄E圓形(見圖3-6)。
圖3-5傾斜礦層開采覆巖破壞形態(tài) 圖3-6急傾斜礦層開采覆巖破壞形態(tài)
4、開采厚度和采空區(qū)面積的影響
5、時(shí)間的影響
6、重復(fù)采動(dòng)的影響
由于初次開采使巖體產(chǎn)生破裂,巖體的性質(zhì)發(fā)生變化,重復(fù)采動(dòng)時(shí),覆巖破裂的高度與累積開采厚度不成正比例關(guān)系,而是逐次重復(fù)采動(dòng)時(shí)破壞高度增長(zhǎng)率分別為1/6、1/12、1/20、 1/30、……。
二、覆巖破壞高度計(jì)算
1、冒落帶高度的計(jì)算: 冒落帶高度主要與采動(dòng)破裂巖體的碎脹性、覆巖的移動(dòng)量以及采動(dòng)次數(shù)有關(guān)。
(1)開采單一礦層時(shí),冒落帶高度(Height of Caved Zone)計(jì)算
式中,——冒落帶的高度,m;
M——礦層開采厚度,m;
W——冒落工程中頂板的下沉值,m;
K——冒落巖石的碎脹系數(shù),一般為1.10~1.40;
α——礦層傾角。
(2)厚礦層分層開采冒落帶最大高度為:
堅(jiān)硬巖層(=40~80Mpa) :
中硬巖層(=20~40Mpa) :
軟弱巖層(=10~20Mpa) :
極軟弱巖層(<10Mpa) :
式中,∑M——礦層累積厚度。
2、導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算(α=0~54°)
導(dǎo)水裂縫帶高度(Height of( Leaking WaterFractured Zone)計(jì)算具有兩組公式,具體為:
(1)經(jīng)驗(yàn)公式一:
堅(jiān)硬巖層:
中硬巖層:
軟弱巖層:
極軟弱巖層:
(2)經(jīng)驗(yàn)公式二
堅(jiān)硬巖層:
中硬巖層:
軟弱巖層:
以上經(jīng)驗(yàn)公式適用范圍為:?jiǎn)螌硬珊?~3m,累計(jì)采厚小于 15m。
3、開采急傾斜礦層(α=55~90 )時(shí),冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算
(1)導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算
堅(jiān)硬巖層:
中硬、軟弱巖層:
式中,h—回采階段垂高,m;
M—礦層的法向厚度,m。
(2)冒落帶高度計(jì)算
堅(jiān)硬巖層:
=(0.4~0.5)
中硬、軟弱巖層:
=(0.4~0.5)
式中,H 導(dǎo)—為對(duì)應(yīng)巖性的導(dǎo)水裂縫帶高度。
4、煤層群開采時(shí) Hm 和 Hli 的計(jì)算
在近距礦層開采時(shí),其冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度的計(jì)算較為復(fù)雜,需要考慮上、下礦層開采的相互影響,即
圖3-7近距礦層開采導(dǎo)水裂縫帶和冒落帶高度計(jì)算
(1)上、下兩礦層的垂距h 大于回采下層礦層引起的冒落帶最大高度時(shí),下層冒落帶對(duì)上層開采的影響很小,可按上下礦層開采分別各自的導(dǎo)水裂縫帶高度,取其中標(biāo)高最高者作為兩礦層的導(dǎo)水裂縫帶高度。冒落帶高度取上層礦層的冒落帶高度(圖3-5a)。
(2)下層礦層的冒落帶接觸到或完全進(jìn)入上層礦層時(shí),上層礦層的導(dǎo)水裂縫帶高度按本層的厚度計(jì)算,下層礦層的導(dǎo)水裂縫帶最大高度則采用上、下礦層的綜合開采厚度計(jì)算,取其中標(biāo)高最大者作為兩層礦層的導(dǎo)水裂縫帶最大高度(圖3-6b) 。
上下兩礦層的綜合厚度按下式計(jì)算:
式中:、───礦層的厚度,m;
───礦層間的間距,m;
───下層礦層的冒高采厚比。
(3)層間距很小時(shí),綜合開采厚度取兩層煤厚度之和。
3.2.2水體下采煤的技術(shù)措施
水體下采礦的安全技術(shù)措施有:留設(shè)安全煤巖柱、處理水體和采取安全措施。有時(shí)單純采用一種方法不能解決問題,而必須多種方法聯(lián)合使用。
一、留設(shè)安全煤巖柱
根據(jù)保護(hù)目的不同,安全煤巖柱可分為:防水安全煤巖柱、防砂安全煤巖柱和防塌安全煤巖柱。
1、防水安全煤巖柱
防水安全煤巖柱的高度等于預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂縫帶最大高度加上適當(dāng)?shù)谋Wo(hù)層厚度。
如果上覆巖層無松散層覆蓋或采深較小,在留設(shè)防水安全煤巖柱時(shí)還應(yīng)考慮地表裂縫的深度,即:
式中,──地表裂縫的深度,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。
如果松散層為強(qiáng)或中等含水層,且直接與基巖接觸,而基巖風(fēng)化帶也含水,在留設(shè)防水
安全煤巖柱時(shí)應(yīng)考慮基巖風(fēng)化帶的深度,則有
式中,──基巖風(fēng)化帶厚度,m,根據(jù)勘探資料確定。
2防砂安全煤巖柱
其作用是防止冒落帶進(jìn)入或接近松散層,確保泥砂不潰入井下,但可允許一部分導(dǎo)水裂縫帶進(jìn)入松散層中的弱含水層。礦井的涌水量可能會(huì)增加,但不會(huì)發(fā)生潰水、潰砂事故。防砂安全煤巖柱等于冒落帶高度加上保護(hù)層厚度 ,即
式中,──冒落帶高度,按本節(jié)前述公式計(jì)算。
在開采急傾斜礦層時(shí),一般只留設(shè)防水安全煤巖柱。只有在十分有利的條件下,才留設(shè)防砂安全煤巖柱,并且在留設(shè)時(shí)一定要考慮礦層本身的抽冒及重復(fù)采動(dòng)的影響。
3、防塌安全煤巖柱
在松散粘土層和已經(jīng)疏干的松散含水層底界面與礦層開采上限之間為防止泥砂潰入采 空區(qū)而保留的礦層和巖層塊段稱為防塌安全煤巖柱。防塌安全煤巖柱也稱煤皮煤柱, 留設(shè)防塌安全煤巖柱時(shí)是允許導(dǎo)水裂縫帶和冒落帶波及松散弱含水層底部,礦井的涌水量會(huì)增大。 防塌安全煤巖柱的垂高接近或等于冒落帶高度(圖3-6) ,即
二、處理水體
處理水體是水體下采礦的一項(xiàng)有效而又不得已的措施。主要包括兩方面:疏降水體和處理水體補(bǔ)給來源。
1、疏降水體措施
疏降水體的方法有鉆孔疏降、巷道疏降、聯(lián)合疏降、回采疏降和多礦井分區(qū)排水聯(lián)合疏降。
聯(lián)合疏降是根據(jù)地質(zhì)采礦條件、含水層特點(diǎn),采用巷道、鉆孔聯(lián)合疏降水體。具體為先 掘進(jìn)疏水巷道和石門,然后再在其中打鉆孔穿過含水層放水進(jìn)行疏降。
回采疏降就是通過開采離含水層遠(yuǎn)的工作面,使含水層水通過這些工作面的采動(dòng)影響緩 慢流出,以降低含水層水位,達(dá)到疏降的目的?;夭墒杞颠m合于弱含水層和補(bǔ)給來源有的限 含水層。
多礦井分區(qū)排水聯(lián)合疏降是根據(jù)地下水連通的特點(diǎn),采用多個(gè)礦井排水聯(lián)合疏降,以達(dá)到快速疏水的目的。
2、處理水體補(bǔ)給來源
處理水體補(bǔ)給來源就是在回采前用水文地質(zhì)、工程地質(zhì)的方法對(duì)補(bǔ)給水體的主要來源進(jìn)行處理。
四、開采技術(shù)措施
采用開采措施的目的是減小頂?shù)装鍘r體的破壞范圍,以達(dá)到安全采礦的目的。開采措施 主要有:試探開采、充填開采、柱式開采、分區(qū)開采、間歇式開采、協(xié)調(diào)開采等,下面分別敘述。
1、試探開采
生產(chǎn)實(shí)踐表明,試探開采是水體下開采的一個(gè)重要技術(shù)原則。試探開采就是先采遠(yuǎn)離水體、后采近鄰水體下面的煤層;先采隔水層厚、后采隔水層薄的煤層;先采地質(zhì)條件簡(jiǎn)單、后采地質(zhì)條件復(fù)雜的煤層;先采較深部,后采較淺部的煤層。通過先易后難地試探性開采, 逐步接近水體。
2、充填開采
3、部分開采
部分開采包括條帶開采、房柱式開采、刀柱式開采等短壁開采方法。
4、分區(qū)開采
分區(qū)開采是水體下開采減少災(zāi)害損失的一個(gè)重要措施。分區(qū)開采有兩種方法,一是在同一礦井(或井田)內(nèi)隔離采區(qū)進(jìn)行開采;二是建立若干單獨(dú)礦井同時(shí)開采或分別開采。方該 法的目的就是使各采區(qū)相互獨(dú)立, 防止礦井突水時(shí)淹沒整個(gè)礦井。 在淺部開采和水源補(bǔ)給充足的條件下常采用此方法。
5、分層(分階段)間歇開采
分層間歇開采是將厚礦層分成幾個(gè)分層進(jìn)行開采的方法。從前面的冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算式中可見,冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度隨礦層采動(dòng)次數(shù)的增加,其增加幅度逐漸減小。
6、協(xié)調(diào)開采
協(xié)調(diào)開采是水體上采礦減小底板采動(dòng)破壞的有效方法。其目的就是通過適當(dāng)?shù)夭贾脙傻V層的工作面,以減小采動(dòng)的支承壓力和底板巖體破壞的深度。
3.3鐵路下采煤
3.3.1地下開采對(duì)路基及上部建筑的影響
鐵路線路主要由路基、道床、軌枕和鋼軌組成,如圖3-3-1所示。
圖3-8鐵路橫斷面圖
1-路基;2-道床;3-軌枕;4-鋼軌
一、路基的移動(dòng)和變形
1、路基的下沉過程及其分布特征
地下煤層開采后,采空區(qū)上覆巖層的移動(dòng)從下至上逐漸發(fā)展到地表,使位于采動(dòng)影響范圍內(nèi)的路基開始下沉。當(dāng)下沉值很小時(shí),地表就已達(dá)到較大的下沉范圍。隨著工作面的推進(jìn),路基的下沉量和下沉范圍逐漸增大。一般情況下,路基的移動(dòng)范圍比其下方采空區(qū)的范圍要大得多,從移動(dòng)邊界到最大下沉點(diǎn)之間的下沉分布是連續(xù)漸變的。
如果路基在下沉過程中在豎直方向上產(chǎn)生拉伸變形,將引起路基本身的松動(dòng),還可能在不同土質(zhì)的介面上產(chǎn)生脫層現(xiàn)象,從而影響路基的承載能力。但科研人員通過工程實(shí)踐表明,路基在下沉過程中,在豎直方向上不產(chǎn)生拉伸變形,也不會(huì)發(fā)生松動(dòng)、脫層等病害。
2、路基的水平移動(dòng)和變形
路基下沉的同時(shí)伴隨有水平方向的移動(dòng)。垂直于路基軸線的橫向水平移動(dòng),將使路基原來的方向發(fā)生變化.其具體變化情況主要取決于線路與采空區(qū)之間的相對(duì)位置關(guān)系。長(zhǎng)期的實(shí)地觀測(cè)結(jié)果表明,路基的橫向水平移動(dòng)也具有大范圍、連續(xù)漸變的特征,且產(chǎn)生橫向水平移動(dòng)的范圍與地表下沉的范圍基本相同。
沿路基縱向的水平變形,使其受到拉伸和壓縮,在拉伸變形區(qū),路基的密實(shí)度降低,孔隙度增大,以至產(chǎn)生裂經(jīng)。在壓縮變形區(qū),路基的密實(shí)度增大。由于土質(zhì)路基有一定的孔隙度,能夠吸收地下開采引起的壓縮變形。
在拉伸變形區(qū)內(nèi),路基孔隙率的增量很小,而且是在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)由小到大緩慢發(fā)展的。在此期間,路基還會(huì)被列車的動(dòng)荷載壓實(shí)。因此,路基在采動(dòng)過程中始終具有足夠的強(qiáng)度。
如果路基上產(chǎn)生裂縫,一般也只是出現(xiàn)在局部地段,且要經(jīng)歷一個(gè)較緩慢的發(fā)育過程,在列車動(dòng)荷載的作用下,裂縫發(fā)展到道床內(nèi)會(huì)被壓實(shí)。但是,如果出現(xiàn)了未被壓實(shí)的較大裂縫,則必須進(jìn)行填充并夯實(shí)。
二、線路上部建筑的移動(dòng)和變形
線路上部建筑由鋼軌、軌枕、道床、聯(lián)接零件、道岔以及防爬設(shè)備等組成。鋼軌是線路上部建筑最主要的組成部分.它直接承受列車的荷載,并通過軌道和道床將荷載傳給路基,此外,它還起著列車運(yùn)行的導(dǎo)向作用。
地表移動(dòng)和變形通過路基傳遞給上部建筑,由此導(dǎo)致線路上部建筑產(chǎn)生移動(dòng)和變形。線路的移動(dòng)可分解為三個(gè)分量:豎直方向上的下沉、水平方向上的橫向移動(dòng)和縱向移動(dòng)。由于這三種移動(dòng)量的不均勻,就使線路產(chǎn)生坡度的變化、豎曲線形狀的變化、兩條鋼軌水平的變化、線路方向的變化、軌距的變化以及軌縫的變化。
1、線路垂直移動(dòng)和變形的影響
鐵路下采煤的實(shí)測(cè)資料表明,在正常條件下,鐵路的線路移動(dòng)量與地表移動(dòng)量基本相同。在不出現(xiàn)突然下沉的條件下,鐵路路基是隨著地表下沉而下沉的,線路上部建筑是緊貼著路基下沉的。因此,線路軌面的下沉量與地表下沉量是基本一致的。
在鐵路下采煤時(shí),軌面隨地表下沉而下沉,這將引起線路的坡度、豎曲線的形狀以及兩軌道水平的變化。
A.線路坡度的變化
移動(dòng)盆地內(nèi)沿線路方向的地表傾斜使線路原有的坡度發(fā)生變化。當(dāng)?shù)乇韮A斜的方向與線路坡度方向一致時(shí),線路坡度將增大;反之將減小,甚至出現(xiàn)反坡。
線路坡度的增減使下沉盆地內(nèi)有的區(qū)段列車運(yùn)行阻力增加,而有的區(qū)段運(yùn)行阻力減小。在采動(dòng)影響期間,必須保持增加后的阻力不超過該線路的允許阻力。線路的允許阻力是按鐵路的級(jí)別采用限制坡度的辦法來控制的。所以,在鐵路下來煤時(shí),只要采動(dòng)后線路的坡度不超過其限制坡度,就不會(huì)引起列車超載運(yùn)行。
B.豎曲線形狀的變化
線路縱斷面上的坡度變更點(diǎn)處均設(shè)有豎曲線,以保證列車運(yùn)行的安全。地下開采引起的地表的正曲率變形可使線路原凸曲線的半徑變小,線路原凹豎曲線的半徑變大,長(zhǎng)坡道變成凸形豎曲線。地表的負(fù)曲率變形可使線路原凸豎曲線的半徑變大,線路原凹豎曲線的半徑變小,長(zhǎng)坡道變成凹形豎曲線。
豎曲線半徑變小和長(zhǎng)坡道變成豎曲線,都不利于列車的運(yùn)行,但只要適時(shí)地進(jìn)行維修,使其不超過有關(guān)規(guī)定,均不會(huì)造成行車事故。
實(shí)際上,盡管地表的曲率變形能改變線路縱斷面的形狀,但由于地表曲率變化緩慢,只要采取相應(yīng)的維修措施,附加的曲率變形可以消除,上述有關(guān)規(guī)定能夠得到滿足。
C.兩軌水平的變化
垂直于線路方向的地表傾斜,可使直線路段的兩股鋼軌原有水平狀態(tài)發(fā)生變化,可使曲線段改變外軌與內(nèi)軌的超高度。如果兩軌高度的變化超過允許值,尤其是當(dāng)曲線段部分出現(xiàn)反超高現(xiàn)象時(shí),將對(duì)列車運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。
但是,在正常條件下,地表的傾斜變形也是連續(xù)的漸變的,可以通過維修將其對(duì)兩軌水平的影響控制在允許范圍之內(nèi)。
a.線路水平移動(dòng)和變形的影響
在地表水平移動(dòng)的影響下,線路會(huì)因橫向位移而改變方向,會(huì)因縱向位移而出現(xiàn)爬行或發(fā)生軌縫的變化。
線路直線段發(fā)生橫向移動(dòng)時(shí),會(huì)逐漸變成為半徑很大的曲線,使原有方向發(fā)生變化,其具體的變化情況決定于線路與采空區(qū)之間的相對(duì)位置關(guān)系。如圖3-9所示。
圖3-9線路方向變化與工作面相對(duì)位置的關(guān)系
1-線路原始方向;2-煤層開采后線路移動(dòng)方向;
3-停采后線路最終方向;4-開切眼;5-停采線
不在下沉盆地主斷上的線路,其橫向移動(dòng)總是指向采空區(qū)。當(dāng)線路與采空區(qū)邊界斜交時(shí),線路將由直線變?yōu)椤癝”形的曲線(圖3-10)。
圖3-10采空區(qū)邊界斜交時(shí)其方向的變化
1-下沉盆地平底區(qū);2-采空區(qū);3-地表移動(dòng)邊界
2.3.2鐵路下采煤的技術(shù)措施
1、滿足一定的采深與采厚比。
長(zhǎng)壁垮落法開采時(shí),鐵路下方開采煤層的深度和厚度之比要滿足《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》規(guī)定的數(shù)值,且最小深度中的基巖厚度必須大于垮落帶高度。
2、防止地表突然下沉或塌陷。
在下列條件下,地表可能發(fā)生突變性的下沉或塌陷:淺部的近水平、緩斜或中傾斜煤層;頂板堅(jiān)硬、煤層露頭附近的急傾斜煤層;淺部有采空區(qū)積水、巖溶和充水裂隙帶空間,礦井深部疏水后。開采淺部的近水平、緩傾斜和中傾斜厚煤層時(shí),應(yīng)采用分層采煤法,并適當(dāng)減少第一和第二分層開采厚度。開采急傾斜煤層時(shí),在露頭附近,當(dāng)煤層頂板堅(jiān)硬,不易冒落時(shí)要采用人工強(qiáng)制放頂,并要留有足夠尺寸的煤柱,且應(yīng)防止采空區(qū)上部煤柱抽冒。對(duì)于淺部有采空區(qū)積水,或煤層上方覆巖為石灰?guī)r含水層或充水裂隙帶空間時(shí),要防止采動(dòng)時(shí)疏干淺部積水造成地表突然塌陷。
3、減少地表下沉。
減少地震下沉最有效的方法是采用全部充填法,采用條帶采煤法。
4、消除和減輕地表變形的疊加影響。
采用無煤柱開采、順序開采及協(xié)調(diào)開采等方法,可減少和減輕地表變形的疊加,減少地表變形對(duì)鐵路的影響。采用協(xié)調(diào)開采時(shí),常因幾個(gè)工作面同時(shí)開采,使地表下沉速度增大,要全面考慮協(xié)調(diào)開采的利弊。
5、合理布置工作面。
應(yīng)盡量將開采區(qū)域布置在鐵路的正下方,使線路處于移動(dòng)盆地的主斷面上,且工作面推進(jìn)方向與鐵路線路平行,以減少線路的橫向水平移動(dòng)和變形。6、留設(shè)好鐵路煤柱。
7、采取地面維修技術(shù)措施。
在開采過程中,隨著線路的下沉和橫向移動(dòng),對(duì)路基要進(jìn)行階段性的抬高與加寬,使其盡量恢復(fù)到開采前的狀態(tài)。采用起道和順坡的方法消除線路下沉,使線路縱斷面恢復(fù)到原有狀態(tài)。采用撥道和改道的方法消除橫向水平移動(dòng)對(duì)線路的影響。線路縱向移動(dòng)主要反映在軌縫的變化上,因此,必須調(diào)整軌縫,消除其有害影響。
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