山东科技大学矿业工程硕士答辩

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1、,论文答辩题目： 建筑物下多煤层条带开采技术研究 姓名：xx 专业：矿业工程 指导老师：xx,论文主要内容 里彦煤矿条带开采可行性分析 里彦煤矿岩石力学实验研究 多煤层条带开采合理采出率研究 多煤层条带开采合理采留宽分析 煤柱位置关系研究,研究路线如下图,里彦煤矿条带开采可行性分析 主要内容 里彦煤矿地质概况 里彦煤矿开采技术条件 条带开采理论分析,里彦煤矿多煤层条带开采可行性分析 1.1 里彦煤矿地质概况 1.1.1 地理位置和交通,里彦煤矿位于山东省邹城市太平镇境内，东距京沪铁路邹城车站18km，西北距兖新铁路孙氏店车站14km，兖州矿区至济东矿区铁路穿过本矿井中部，距井口1km，邹济公路

2、穿过太井南缘，距井口1km。煤矿井田东北为马家楼区断层与南屯煤矿分界，东南以里69号、里51号孔断层深部延长线与落陵矿相邻；西南至第18层煤露头，西部以里18、里35、里38、里77号孔的连线与太平矿为界；深部以皇甫区断层与辛集井田毗连。井田东西长5.4km，南北宽4.5km，面积约22.24km2。里彦煤矿白马河码头距井口4km，货轮可进入该码头，铁路、公路、水运交通十分方便。,1.1.2 矿井生产概况,该矿于1995年建井，1999年建成投产。经过9年的开采，3煤大部分已被开采，16煤和17煤部分块段已被开采，15煤仅试采两个面。3煤采空区呈东南西北向展布，西到6勘探线煤层风氧化带，东至3

3、勘探线煤层风氧化带，采空区面积115.1万m2，开采标高-180m至-240m；16煤采空区分东西两个块段，西块段分布在7勘探线和8勘探线之间，东块段分布5勘探线和6勘探线之间，采空区总面积109.6万m2，开采标高-160m至-260m；17煤采空区分布5勘探线和6勘探线之间，采空区面积47.6万m2，开采标高-160m至-200m。截止到2007年12月31日，该矿累计动用资源量869.6万t。矿井历史最高产量为82.2万t/a，最低产量为32.8万t/a。,（1）井型及服务年限 矿井设计生产能力60万t/a，主要开采3、16、17煤层，服务年限51a，第一水平设在-235m位置，服务年限

4、为31a。 （2）开拓方式 煤矿采用一对立井生产，两个水平开拓、通风方式为中央并列抽出式。井口标高为+41.3 m，第一水平标高-235 m，第二水平向下100m，第一水平由三条暗斜井延至第二水平。 （3）采煤方法与通风运输 矿井主采煤层采用走向长壁后退式采煤法，采用全部冒落法管理顶板；15煤为螺旋钻采煤法。厚煤层采区回采率为80，薄煤层为85。 矿井为中央并列式通风，大巷运输采用600m轨距、一吨固定箱式矿车、平板车运输材料。,1.2 里彦煤矿开采技术条件 1.2.1 井田构造特征 本井田构造复杂程度属简单偏中等，井田内主要有三个大断层。 1.2.2 可采煤层顶底板条件 井田可采煤层主要为3

5、煤、16上煤和17煤，局部可采煤层主要为6煤、15上煤和18煤。 15煤层顶板多为石灰岩，厚度为0.102.50m，平均0.87m ，底板以中砂岩 、细砂岩及粗砂岩为主，厚0.7016.74m,16煤层顶板为稳定的厚层石灰岩，厚度为3.339.08m，平均5.03m ；底板除161、里17孔见有中砂岩及粉、细砂岩互层外，其余均为粘土岩，厚0.711.97m 。 17煤层顶板为石灰岩（十一），厚度较薄且不稳定，厚01.80m ；底板为粘土岩，厚0.903.04m，仅里20孔见有0.18m的炭质砂岩伪底 。 综上所述，15、17煤层顶板为不稳定顶板，16为中等稳定稳定顶板；15煤层底板为中等稳定底

6、板，16、17煤层为不稳定底板。,1.3 条带开采理论分析 里彦井田地处邹城与济宁之间，地面建筑物密集且建筑结构复杂，建筑用途多种多样。主要建筑物包括居民住宅（平房和部分楼房）、里彦电厂、办公楼、工厂构筑物、学校、商场等。所有建筑中平房和二层楼房占有较大比重，部分建筑物为3层。除建筑密集外，部分村庄还具有管网，如供水管路、排污管网、供电系统、通讯网路等。由此可见，村庄建筑及其配套设施，不允许有大的变形，否则，里彦煤矿将负担高额的赔付费用。 条带开采具有技术简单的优点，且可以通过控制采出率和采留尺寸满足地面建筑物的保护要求，具有很高的可靠性。该采煤方法投资低，管理方便，特别是在构造复杂的情况下，

7、可以通过调整设计使得断层保护煤柱同时作为条带煤柱保留，有效减少煤柱损失。根据上述里彦煤矿地质条件及建下压煤状况，综合分析确定为多煤层条带法开采。,2 里彦煤矿15、16、17煤顶底板岩石力学实验 本节实验针对里彦煤矿15、16、17煤三层煤及其顶底板岩石进行单轴实验和三轴实验，得出各层煤岩的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、单轴抗拉强度、粘聚力、内摩擦角等力学参数以及相应的全应力应变曲线。 2.1 岩样制备及实验设备 实验采用山东科技大学从美国引进的世界先进的MTS815.03电液伺服岩石伺服系统上进行单轴压缩实验、单轴拉伸实验、三轴压缩实验。本次实验取样是在15、16、17煤顶底板（工作面或巷

8、道中）打钻取得。,2.1.1试样制备 现场取岩芯后，为尽可能保证与现场相同的湿度和含水率，取样后尽快运抵实验室，取自现场的大块煤岩试块运回实验室后，在实验室内经过切、磨，加工成标准岩石试件，其平整度、垂直度均能达到岩石实验规范标准。 本次实验中，共进行了86块标准试件的实验，其中用于单轴压缩实验29块、单轴拉伸实验34块、三轴压缩实验23块。,2.2 岩石力学实验结果 （1）煤岩力学实验为煤柱设计理论分析及其数值模拟计算提供了泊松比、弹性模量、抗压强度等准确的力学参数。 （2）单轴压缩条件下里彦煤矿煤样单轴抗压强度依次为15煤11.24Mpa、16煤13.16Mpa、17煤17.26 Mpa，

9、弹性模量依次平均为15煤1985Mpa、16煤2009 Mpa、17煤2783 Mpa，泊松比依次平均为15煤0.31、16煤0.342、17煤0.325。3层煤的顶板均是灰岩，抗压强度平均高达72.69 Mpa，弹性模量平均高达11615 Mpa，属于坚硬顶板；17煤底板为粘土岩，硬度较小，近似煤样。 （3）在本次实验中，煤样的破坏均为以拉伸破坏为主的拉伸剪切组合破坏，表明煤样内聚力较小；顶板岩样均为以剪切为主的剪切劈裂破坏，表明岩样内聚力较大。,不同倾角断面 岩样三轴承载能力,常规煤岩单轴压缩 全应力应变曲线图,3多煤层条带开采合理采出率的确定 主要内容 3.1 理论研究及其结果 3.2

10、数值模拟及其结果 3.3 合理采出率的确定,3.1 理论研究及其结果 3.1.1 多煤层条带开采地表移动变形规律研究 地表移动变形的基本形式 基本形式主要有地表连续性变形、裂缝和台阶、塌陷坑这三种，并分别对其进行一一介绍。 地表移动盆地 分为充分采动下沉盆地和非充分采动下沉盆地 地表移动变形参数 这些参数分别为下沉、水平移动 、倾斜 、曲率 、水平变形,地表移动变形规律 分别对地表移动5个变形参数进行解析说明：,下沉曲线（对应图中曲线1） 下沉曲线分布规律：在采空区中央上方O点处地表下沉值最大，从盆地中心向采空区边缘下沉逐渐减小；在盆地边界点A，B处下沉为零，下沉曲线以采空区中央对称。 倾斜曲

11、线（对应图中曲线2） 地表移动变形倾斜曲线变化规律：地表移动盆地边界到拐点之间倾斜幅度越来越大，从地表变形曲线拐点到地表最大下沉点之间倾斜幅度逐渐减小，在地表最大下沉点位置倾斜大小为零；在地表曲线拐点处倾斜值最大，并且会出现方向相反大小相等的最大倾斜值。 曲率曲线（对应图中曲线3） 地表下沉盆地曲率曲线的特点：盆地边缘区为正曲率区，盆地中部为负曲率区；地表下沉盆地曲率曲线共有三个极值，其中有两个曲率曲线大小相等方向相反，位于边界点和拐点之间，最大负曲率位于最大下沉点；边界点和拐点处曲率为零。,水平变形曲线（对应图中曲线4） 地表水平变形曲线的分布规律特点：与曲率曲线的分布规律相似，盆地边缘区域

12、为拉伸区，盆地中部为受压缩区域；地表水平变形曲线有三个极值，其中两个正值，一个负值。正值即为拉伸最大值，负值即为压缩最大值；两个拉伸最大值位于边界点和拐点之间，压缩最大值位于下沉最大点处；而在地表曲线边界点和地表曲线拐点处水平变形为零。 水平移动曲线（对应图中曲线5） 地表水平移动曲线的分布规律特点：和地表倾斜曲线规律相似，地表下沉盆地边界与地表曲线拐点间水平移动量增加，地表移动拐点到地表下沉最大点间水平移动量逐渐减小，在地表下沉最大点处水平移动量为零；在地表下沉曲线拐点处水平移动量最大，有两个正反的最大水平移动量值；地表移动盆地内各点的水平移动方向都指向盆地中心。,3.2 多煤层条带开采地表

13、移动变形预计 3.2.1 研究内容 地表移动和变形预计研究的内容主要有最大值的预计、主断面上地表移动和变形的预计、地表上任意点的移动和变形值的预计、多工作面或多煤层开采时地表移动和变形预计。 最大值的预计：预计地表具体位置的下沉量、倾斜值、曲率大小、水平移动量和地表水平变形的最大值，建立相应的计算公式。地表任意位置的移动以及地表变形值的预计。研究预计地面沿地表下沉盆地内任一位置的下沉值大小和在改位置的倾斜值、曲率大小、地表水平移动量和水平变形值。多工作面或煤层群开采下的地表移动和变形预计。地表移动和变形预计时主要考虑到其受重复采动的综合影响。,3.2.2 变形预计方法 本节根据概率积分法，利用

14、前人建立的基本公式进行预计计算，然后评价各工作面对地面建筑物的影响程度。 3.2.3 应用实例 根据里彦煤矿实际地质条件，结合概率积分法相关理论计算公式，进行多煤层条带开采的地表移动变形预计研究 3.2.4 理论研究结果 根据砖石结构建筑物破坏等级划分标准以及里彦煤矿对地表村庄保护等级的要求，确定地面建筑物破坏允许的范围。根据上述结果分析可知，里彦煤矿条带开采三层煤时，当采出率为40%、50%时，地面处于级破坏范围内；当采出率为55%时，仅在个别地点出现倾斜值略超过I级破坏，其余指标均在I级破坏之内；当采出率达到60%时，部分区域倾斜值和水平变形值均超过级破坏的范围（imax=4.78mm/m

15、），达到了II级破坏，且已超过了部分地面构筑物及工程管网的允许变形值。因此，根据本块段村庄（邵庄、大边庄）下压煤条带开采保护要求，在保护地表不受破坏影响的前提下，尽可能提高经济效益，里彦煤矿15、16、17煤开采的最大采出率应为55%。,3.3 里彦煤矿不同采出率数值模拟研究结果 根据理论计算结果，设计模拟方案，采出率为20%、30%、40%、50%、55%、60%进行模拟，其他参数按里彦煤矿实际开采情况选取 。对比垂直位移等值线图和水平位移等值线图以及塑性区状态变化图综合分析可知，煤层开采合理采出率为55%，与理论计算结果相符（以下为部分模拟图）,15#煤层开采后竖直方向位移等值线图,20%

16、,30%,40%,60%,55%,50%,20%,40%,55%,30%,50%,60%,15#煤层开采后水平方向应力等值线图,15#煤层开采后不同采出率与地表移动沉降关系图,采出率不同时部分塑性区状态图,10%,60%,55%,3.4 合理采出率的确定 （1）本章对里彦煤矿开采煤层不同采出率从地表移动变形规律、变形预计等方面进行理论分析，根据砖石结构建筑物破坏等级划分标准以及里彦煤矿对地表村庄保护等级的要求，确定地面建筑物破坏保护范围，分析得出合理采出率为55%； （2）采用数值模拟不同采出率开采引起的地表移动沉降特征及塑性区变化特征对比分析，可知煤层开采采出率在55%时，即能有效控制了地表沉陷保护地表建筑物，又实现了煤炭资源的最大利用。 （3）根据理论分析结果和数值模拟综合可知里彦煤矿煤层开采采出率为55%时，即满足了地表建筑物保护要求，又能最大限度的开采煤炭资源。,4 多煤层条带开采合理采留宽的确定 主要研究内容 4.1 理论分析及其