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1、浅埋深大采高地表岩移规律研究实施方案承当单位：鄂尔多斯市转龙湾煤炭XX协作单位：科技大学工程负责人：学相起止时间：2017.4-2018.32017年6月12日目录一、工程的必要性一研发的必要性、目的及意义1. 现状分析2. 目的及意义二国外同类技术开展状况及开展趋势1. 目前国外同类技术开展状况2. 开展趋势二、研究开发容三、目标及主要经济技术指标四、关键技术及创新点五、工程技术路线六、现有根底及技术条件七、对平安、环境、安康的影响性分析八、经济、社会效益分析九、工程实施进度方案十、经费概算卜一、工程负责人、工程组成员及分工一、工程的必要性一研发的必要性、目的及意义1. 现状分析转龙湾煤矿井
2、田围43.46Km2，主采煤层为II-3煤层，其平均厚度为4.3m，煤层厚度稳定，倾角较小12,煤层埋深为200m左右。根据钻孔资料显示，井田围，顶板岩性差异较大。目前23103、23102、23303工作面已回采完毕，23101、23302工作面正在进展回采。23103工作面由东华建立XX进展了首采面地表岩移观测，观测数据及相关参数已在报告中给出，通过该参数计算23102工作面地表各类数据与实测数据根本一致。但23303工作面通过实测发现，差异较大，通过分析认为，231采区各工作面顶板砂岩岩性相似，数据根本一致，但233采区与231采区顶板砂岩岩性差异较大，造成233采区预测与实测值差异性较
3、大。另外，通过转龙湾煤矿监测资料发现，矿井薄基岩浅埋深大采高开采覆岩形变、破断，地表移动规律以及显现特征与其它浅部开采矿井相比有明显的差异性，假设仍以浅部开采沉陷预计理论指导转龙湾矿井各类建构筑物及井巷保护煤柱留设、开采损害评价等方面会出现较大误差，给平安生产带来不利影响。因此，本课题正是针对龙湾矿井开采过程中地表沉陷变形存在的问题，在前期研究的根底上，对不同条件下主要考虑松散层影响因素开采覆岩应力、应变场演化规律、地表沉陷特征的特殊性进展研究，掌握采动覆岩体的运动规律，建立符合转龙湾开采的岩层及地表沉陷预测模型及参数求取方法，能准确预测地面沉降，并结合覆岩运移特征，提出适合转龙湾矿井工作面布
4、置的设计方法，有效减少煤炭资源的滞留，降低地面沉降灾害的影响，为转龙湾矿井“三下平安开采提供新的理论根底。2. 目的及意义本工程研究的目的在于：1通过对采动地表沉陷影响因素的分析，确定松散层、岩石力学性质对地表沉陷的影响规律；2通过地表移动变形观测的研究，确定相关的沉陷参数；3确定下沉数据与岩性的关系及动态下沉参数；4建立地表沉陷模型，进展地表沉陷预计；5研究地表移动变形规律，为沉陷治理提供依据。课题研究研究成果不但对地表沉陷治理，防治沉陷事故具有指导意义，而且可以准确计算各类保护煤柱，节省资源，提高煤矿的经济效益，保证矿井的可持续开展。总之，该课题的研究，不管对企业开展还是对环境保护都具有十
5、分重要的现实意义。二国外同类技术开展状况及开展趋势1. 目前国外同类技术开展状况矿山开采沉陷学（也称岩层与地表移动）是研究开采沉陷及其引起的有关工程问题的一门学科。其主要研究容包括:开采沉陷机理、岩层和地表移动规律、观测方法、预计方法、模拟方法研究等。作为工程应用，“三下一上（建筑物下、铁路下、水体下、承压含水层上）采煤、井筒煤柱开采技术和保护措施等也是其研究的重要课题。早在十九世纪中叶以来，由于采矿业的开展，采矿引起地表塌陷给地面建（构）筑物和农业带来严重损害，引起了人们的关注。最早的地表移动观测站建立于二十世纪初，从此开场对地表移动进展系统观测。开采沉陷开展至今已有近170多年的历史了，可
6、将其开展过程概括为三个阶段，自1838年比照利时列口城下开采所引起的地表塌陷的认识开场到二战前夕属于开采沉陷的初步认识和研究阶段；二战以后至二十世纪60年代末期，属于开采沉陷理论形成时期；二十世纪70年代至今为开采沉陷现代理论研究阶段。开采沉陷理论归纳起来主要有早期理论、几何理论、连续介质理论、非连续介质理论，以及开采沉陷预计方法等。1949德国学者Niemczyk出版了开采沉陷的第一本有代表性的著作？Bergschadenkunde骸书根据实测资料系统地分析了地表移动规律并用移动变形曲线表示。（1用期理论1858年，以观测资料为根底，比利时人哥诺（Gonot）提出了“法线理论，认为采空区上下
7、边界开采影响围可用相应点的层面法线确定。1876年，德国人依琴斯凯（Jicinsky提出了“二等分线理论。1882年，耳西哈教授提出“自然斜面理论，与现在的移动角概念颇为相似，这是关于开采沉陷与岩性关系的最早研究成果。二十世纪二十年代，大规模地开展了水平移动观测，在此根底上，开采沉陷理论得到了开展，19231932年斯奇米茨（Sohmitz、凯因霍斯特（Keinhost）和巴斯（R.BalS硼究了开采影响的作用面积及分带，并提出了连续影响分布的概念。（2）几何理论1950年，波兰学者克诺特（Knothe）提出了几何理论，并选用高斯曲线作为影响曲线2maxf（x）exp式中：一表示主要影响半径；
8、max一表示最大下沉值。布德雷克（Budryk）W决了克诺特提出的下沉盆地中的水平移动及水平变形问题，这一理论现在称为布德雷克一克诺特理论。（3RE连续介质理论1954年，波兰学者特维尼中(J.Litwiniszy把岩层移动过程作为一个随机过程，推证下沉服从柯尔莫哥罗夫(KorMoropoB)方程，这一理论被称为随机介质理论。我国学者宝深、廖国华将随机介质理论开展为在我国广泛应用的概率积分法。1981何国清等从随机观点研究碎块体移动规律，得出用威布尔分布形式表征地表下沉盆地。郝庆旺引入了空隙扩散和空源等概念，建立了空隙扩散微分方程，并初步研究了该方程在开采沉陷中的应用。这是对随机介质理论的补充
9、和开展。(4)连续介质力学理论几十年来，国外学者以连续介质力学方法为根底建立了各种力学模型对岩层移动与地表沉陷进展研究。1953年波兰学者萨武斯托维奇(A.Salustowicz利用弹性根底梁理论得出了波动下沉剖面方程。我国学者增琪(1983,1985，将开挖引起)的地表移动看成是层间既满足力学平衡条件又满足几何接触条件的多层横观各向同性介质的弹性力学平面问题，采用富氏积分变换方法计算岩层和地表移动。(5)开采沉陷现代理论随着科学技术的开展和研究手段的进步，开采沉陷理论得到进一步开展。特别是随着计算机技术的迅速开展，数值模拟方法(有限元、边界元、离散元等)、人工智能技术等在开采沉陷中得到了广泛
10、的应用。由于数值方法能够考虑岩体固有属性，且适应于不同特征的岩体采动沉陷研究，能够有效地反映出采动岩体沉陷状态，因此学者们投入了大量的研究，特别是近十多年来取得了许多有价值的成果。如玉卓的模糊时有限元法和位错边界元法，谢和平的损伤非线性有限元法，何满潮的非线性非光滑有限元法，邓喀中的损伤有限元法，高延法的粘塑性有限元法，麻凤海的离散元法等均对岩体开采沉陷的状况进展了很好的模拟。近年来，岩体力学理论迅速开展，推动了开采沉陷理论的研究。人们将损伤理论应用于开采沉陷的研究，得出了一些有益的力学模型的数值计算方法。邓喀中采用断裂力学、损伤力学相结合的方法，分析了节理对岩层及地表移动的影响，采用弹性梁、
11、板理论推出了岩体部移动新的计算式。于广明从相似材料模型入手研究了节理岩体采动沉陷规律模型的损伤量计算及沉陷量的统计损伤分析。云鹏、王芝银提出了开采沉陷粘弹塑性损伤模型，并进展了实例分析。（6）开采沉陷预计方法开采沉陷预计方法主要有:基于实测资料的经历方法;影响函数法;理论模拟法。经历方法基于实测资料，通过大量实测资料的数据处理，建立各种数学模型对地表沉陷盆地进展拟合。国外应用较广的有典型曲线法和剖面函数法。影响函数法影响函数法的实质是描述微小单元开采对岩层或地表的影响（以影响函数表示）程度。通过影响函数对开采面积的积分计算地表的移动和变形。影响函数法主要有：巴尔斯法，别耶尔（Beyer）S,扎
12、恩（sann）&,埃尔哈尔特-佐埃尔（Ehrhardt-Saue祛和克诺特（Knothe）布德雷克（Budryk越。其中最具有代表性的有克诺特一布德雷克方法，该法选用高斯曲线作为影响曲线，对近水平煤层的下沉描述非常成功。理论模拟法把岩体抽象为某个理论模型，按照这个模型计算受开采影响岩体产生的移动、变形和应力分布情况。近年来，采动地表移动变形规律研究方面主要成果还有：（l）魏秉亮等人对浅埋近水平煤层采动地面变形规律以及浅埋近水平煤层采动岩移与塌陷机理进展了研究；(2)矿业学院侯忠杰、石平五教授对厚沙层下煤层覆岩破坏机理以及浅埋煤层矿压显现与岩层控制进展了研究，研究说明厚风积沙层下，当顶板基岩不厚
13、时，采后覆岩“三带合一。在不能形成任何承载构造的厚风积沙层下，顶板薄基岩是沿全厚的整体切落破坏，具有冲击性。另有研究说明，薄基岩在厚沙覆盖层作用下的整体切落是顶板破断运动的主要方式，指出保证足够的初撑力和采空区一定充填状况是控制要点。(3)科技大学王贵荣教授对厚黄土层薄基岩地区开采沉陷规律进展探讨得到，在厚黄土层覆盖地区，地下开采引起的地表沉陷是由上覆基岩和黄土层双层介质变形、移动叠加作用所致，基岩是黄土层地表沉陷的控制层。黄土层垂直节理发育，决定了其沉陷变形有别于其他岩土层，地表出现台阶状断陷，典型的“三带式破坏形式变为“二带式。地形起伏对地表沉陷有一定影响，地表变形最大值出现在地表坡角较大
14、的采空区上方。(4)理工大学宣以琼等人对榆阳煤矿覆岩破坏移动规律进展研究总结得出:受沉积环境的影响，浅埋煤层顶板岩层微观构造特征为石英含量较高，黏土矿物含量较低，具有典型脆性材料的特点，表现为易裂、抗扰动能力差和再生隔水能力弱等破坏移动演化特征。实践说明，采用采空区滞后控水、煤水分流、控制风机巷附近采高；物探预测地质弱面和富水区域预先加固疏放，是浅埋煤层防止突水溃砂行之有效的调控保障技术措施。(5)理工大学宋常胜等人对厚松散层薄基岩条带采动地表移动变形规律研究得出，煤系地层中的关键层对条带开采的地表沉陷起着控制作用，含水松散层的固结变形机理说明巨厚松散层并非随基岩整体下沉。通过建立巨厚松散层下
15、条带开采岩土层移动的复合介质模型，对煤系地层中的上位岩土层巨厚松散层和下位岩层关键层分别加以研究，认为可以用此模型较好地解释巨厚松散层下条带开采的机理和地表沉陷规律。(6)科技大学兵朝在对浅埋煤层条件下基于概率积分法的保水开采识别模式研究的根底上，结合已有的研究成果和现场调研情况，得出浅埋煤层条件下采用不同基采比所导致的矿压显现特征不同的结论，进而以基采比为关键参数，结合基载比来进一步分析研究浅埋煤层条件下的矿压显现特征与地表移动变形规律。另外还有很多学者对厚松散层薄基岩地表沉陷破坏规律进展了相关的研究。综上所述，针对转龙湾煤矿煤层埋深200m左右，平均厚度4.3m这样地质条件的地表移动变形规律研究的还很少，需要进一步的研究。2. 开展趋势理论与实践的结合是开采沉陷理论开展的根底，通过对不同地质条件的
