采矿07《煤矿特殊开采方法》讲稿多媒体.docx

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采矿07《煤矿特殊开采方法》讲稿多媒体

煤矿特殊开采方法

主讲人：

廖学东

硕士生导师

高级工程师

绪论

一、什么是特殊开采

特殊开采是研究某些特殊条件下开采煤层所采用的特殊开采技术和方法。

二、特殊开采的研究内容

（一）岩层与地表移动

岩层与地表移动是指由于地下开采引起的岩层与地表的移动，也称为“开采沉陷”。

（二）建筑物下采煤

建筑物下采煤是指从技术上、经济上、使用要求上不适合搬迁的建筑物、构筑物等所压煤层的开采。

（三）铁路下采煤

铁路下采煤主要是指国家一、二级铁路干线和重要的铁路支线（国家三级铁路）下所压煤层的开采。

（四）水体下采煤

水体下采煤是指受水患威胁的地面水体和可采煤层以上的地下水体所压煤层的开采。

地面水体

松散含水层

基岩含水层

（五）水体上采煤

水体上采煤是指受基盘或底板岩溶承压水威胁煤层的安全开采，又称岩溶承压水体上采煤。

奥陶纪灰岩茅口灰岩栖霞灰岩

底板灰岩水

（六）其它特殊条件下开采

三、特殊开采的发展概况

1、建筑物下采煤方面

2、铁路下采煤方面

3、水体下采煤方面

4、水体上采煤方面

四、学习特殊开采的意义

第一章矿山岩层与地表移动

第一节岩层移动的基本规律

岩层移动：

地下煤层采出后，在岩体内部形成一个空洞，使围岩原有的应力平衡状态受到破坏，引起应力的重新分布，直至达到新的平衡，这一复杂的现象和过程称为岩层移动。

采空区上覆岩层移动示意图

一、岩层移动的基本形式

1、弯曲

2、开裂（裂缝）

3、垮落

4、滑移及滑落

滑移：

指煤层顶板沿层理面方向的移动。

岩层滑移

滑落：

指煤层底板向采空区方向的整体移动。

岩层滑落

二、采空地区岩层移动规律

（一）岩层移动的竖向分带

1、上覆岩层

岩层移动竖向分带示意图

1冒落带，2裂缝带，3弯曲下沉带，4层向裂隙带，5弹性影响带

①冒落带

直接与煤层接触的顶板发生冒落的那部分岩层。

冒落带的特点：

a、岩层发生粉碎性破坏；b、下段岩层呈杂乱无章堆积，碎胀系数大，上段岩层有可能出现似层状堆积，碎胀系数小；c、具有很强的连通性、导水性、透气性，甚至还能透泥、透砂。

②裂缝带

位于冒落带上方、以产生裂缝为主要特征的那部分岩层。

裂缝带特点：

a、岩层仍保持原有层状；b、岩层内产生竖向裂缝（垂直于煤层层面）和离层裂缝（平行于煤层层面），这些裂缝可相互沟通，具有一定的连通性、导水性、透气性，但一般不具透泥、透砂能力。

③弯曲下沉带

位于裂缝带上方、直至地表的那部分岩层。

弯曲下沉带特点：

a、以弯曲下沉为基本特征；b、岩层仍保持原有层状；c、可能出现少量的竖向裂缝（地表盆地边缘）和离层裂缝，这些裂缝一般不沟通，所以一般不具连通性、导水性、透气性。

2、下伏岩层

①层向裂隙带

位于煤层下方紧贴煤层的那部分岩层。

层向裂隙带特点：

a、以大量层向裂隙为主要特征，同时在采空区边缘附近还会产生剪切裂缝，这些裂缝可能相互沟通；b、该带波及下方水体，会成为底板承压水突水的通道。

②弹性影响带

位于层向裂隙带以下、采动影响所能波及的那部分岩层。

弹性影响带特点：

a、不产生层向裂隙和其它裂隙，不具导水性；b、能传递矿山压力，会诱导底板突水或瓦斯突出。

3、竖向分带的变异

（1）实行充填或条带开采时，一般不会出现冒落带，仅有裂缝带和弯曲下沉带。

（2）采厚小、顶板坚韧时（如石灰岩），顶板会出现缓慢下沉，不出现冒落带，裂缝带亦不明显，只出现弯曲下沉带。

（3）采深小、采厚大时，可能是冒落带、裂缝带直达地表，而无弯曲下沉带。

（4）急倾斜煤层开采时，不但顶板发生冒落破坏，而且底板易产生滑动（倾角>55°时易发生），各带不明显。

（5）地质构造复杂或采用非正规采煤法时，岩层会出现杂乱无章的破坏，地表出现非连续变形，甚至产生抽冒和切冒等非均衡破坏。

（二）岩层移动的空间分区

走向剖面倾斜剖面

压缩区剪切区膨胀区剪切区压缩区

1、上覆岩层

（1）充分采动区

受采动影响充分的地区（图中OAB、0CD）。

充分采动区特点：

a、岩层层面上各点只有下沉，没有变形，下沉值达到了该地质采矿条件下的最大值，且各点的移动矢量一致；b、岩层移动结束，除冒落带以外，岩层层面仍保持原有产状。

充分采动角：

充分采动区的边界线与煤层层面的交角（锐角），用ψ（扑赛）表示。

充分采动角

（2）非充分采动区

受采动影响不够充分的地区（图中OAEFBO、0CGHDO）。

非充分采动区特点：

a、岩层层面上各点不仅发生下沉，而且还有变形，下沉值没有达到该地质采矿条件下的最大值，各点的移动矢量不同；b、岩层移动结束，岩层层面原有的产状发生变化。

2、下伏岩层

（1）膨胀区

位于采空区下方的底板区域。

膨胀区特点：

岩层处于卸压状态，以向上臌胀为基本特征，为层向裂隙带的主要部分。

（2）压缩区

位于采空区四周煤柱下方的区域。

压缩区特点：

受支承压力的影响，岩层处于压缩状态。

（3）剪切区

位于膨胀区与压缩区之间的底板区域。

剪切区特点：

岩层处于剪切状态，产生明显的剪切裂缝，是底板突水的主要通道。

三、岩层移动的时间过程

1、初始阶段

2、初次来压阶段

3、正常推进阶段

4、稳定阶段

第二节地表移动的基本规律

地表移动：

因采矿引起的岩层移动波及到地表，使地表产生移动、变形、破坏的现象和过程称为地表移动。

一、地表移动的形式

1、地表移动盆地

由于采矿引起岩层移动波及到地表，在地表形成的沉陷区域称为地表移动盆地，又称为地表下沉盆地，在矿区经常称之为塌陷区。

2、裂缝及台阶

开采急倾斜煤层时地表移动特征

3、塌陷坑（塌陷漏斗）

地表塌陷漏斗

二、地表移动盆地的基本特征、类型及边界参数（角量参数）

（一）地表移动盆地的基本特征

走向剖面倾斜剖面

地表移动盆地示意图

1、盆地面积大于采空区面积，盆地是岩层移动波及的最大范围（地下范围小）；

2、盆地一般呈椭圆形，长轴和短轴分别与采空区主要延展方向和宽度相对应（即与工作面长度和宽度相对应）；

3、开采水平煤层，盆地面积与采空区面积处处对称；开采有倾角煤层，盆地面积与采空区面积在走向方向对称，在倾斜方向不对称，盆地向下山方向偏移，煤层倾角越大，偏离越严重。

主断面：

通过地表移动盆地最大下沉点沿煤层走向方向或倾斜方向的垂直剖面称为主断面。

（二）地表移动盆地的类型及构成

1、地表移动盆地的类型

充分采动：

当充分采动区顶点超出地表，地表形成盘形（平底）移动盆地，这样一种地表移动的形态。

刚达到充分采动时的地表移动盆地超充分采动时地表的移动盆地

非充分采动：

当充分采动区顶点未超出地表，地表形成碗形移动盆地，这样一种地表移动的形态。

2、地表移动盆地的构成

（1）外边缘区

位于边界煤柱上方地表。

（2）内边缘区

位于边界煤柱和采空区中部之间上方部分。

（3）中央区

位于采空区正上方地表。

（三）地表移动盆地的边界参数（角量参数）

边界角、移动角和裂缝角

1、边界角

在充分采动或接近充分采动条件下，移动盆地主断面上的边界点和采空区边界点的连线与水平线在煤壁一侧的夹角。

2、移动角

在充分采动或接近充分采动条件下，移动盆地主断面上最外侧的临界变形值点和采空区边界点的连线与水平线在煤壁一侧的夹角。

3、裂缝角

在充分采动或接近充分采动条件下，移动盆地主断面上地表最外侧的一条裂缝和采空区边界点的连线与水平线在煤壁一侧的夹角。

4、最大下沉角

在移动盆地倾斜主断面上，采空区中点和地表最大下沉点在地表水平线上投影点的连线与水平线在下山方向的夹角。

最大下沉角

（a）非充分采动或充分采动条件下；（b）超充分采动条件下

三、地表移动变形的基本参数

1、下沉

指地表点沿铅垂方向向下移动。

2、水平移动

指地表点沿水平方向发生移动。

3、倾斜

指地表单位长度内下沉的差值。

4、曲率

指地表单位长度内倾斜的差值。

5、水平变形

指地表单位长度内水平移动值的差值。

四、地表移动变形曲线及函数关系

（一）地表移动变形曲线

1、有限盆地走向主断面的移动变形曲线

1—下沉曲线；2—倾斜曲线；3—曲率曲线；4—水平移动曲线；5—水平变形曲线

2、半无限盆地接近充分采动时走向主断面的移动变形曲线

1—下沉曲线；2—倾斜曲线；3—曲率曲线；4—水平移动曲线；5—水平变形曲线

3、半无限盆地超充分采动时走向主断面的移动变形曲线

1—下沉曲线；2—倾斜曲线；3—曲率曲线；4—水平移动曲线；5—水平变形曲线

4、倾斜煤层（15°<α<55°）倾向主断面移动变形曲线

1—下沉曲线；2—倾斜曲线；3—曲率曲线；4—水平移动曲线；5—水平变形曲线

（1）一般沿倾斜方向达不到充分采动。

（2）各种移动变形曲线对采空区都失去了对称性，皆向下山方向偏移。

（3）下沉曲线的上山部分比下山部分要陡，范围要小。

（4）水平移动曲线的最大水平移动点位于下山方向。

（5）水平变形曲线的最大拉伸变形在下山方向，最大压缩变形在上山方向。

5、急倾斜煤层（α>55°）倾向主断面移动变形曲线

1—下沉曲线；2—倾斜曲线；3—曲率曲线；4—水平移动曲线；5—水平变形曲线

（1）下沉盆地形态的非对称性十分明显。

（a）非对称的瓢形盆地；（b）比较对称的碗形盆地

（2）随着煤层倾角的增大，最大下沉点位置逐渐移向煤层上山方向。

（3）在松散层较薄的情况下，可能只出现指向上山方向的水平移动。

（4）当开采厚度大、开采深度小时，开采后易使地表煤层露头处出现塌陷坑，使各种移动变形曲线在地表出现不连续。

1—下沉曲线；2—水平移动曲线；3—水平变形曲线；4—地表塌陷坑

（二）地表移动变形的函数关系

设x是地表点的位置，则：

1、下沉：

W=f（x），下沉是计算其它各函数关系的基础。

2、倾斜：

倾斜为下沉的一阶导数，所以i=i（x）=f′（x）

3、曲率：

由微积分可知K=y〃/（1+y′2）3/2，

在此，y′=f′（x），y〃=f〃（x）

由于移动盆地的倾斜值很小，y′2更小可忽略，所以：

K=K（x）≈f〃（x）

4、水平移动：

根据大量的实测资料分析表明，水平移动与倾斜形态相似，变化规律相同，所以：

u=u（x）=Bi（x）=Bf′（x），B——相似系数。

5、水平变形：

由于水平变形为水平移动的一阶导数，所以：

ε=ε（x）=u′（x）=Bf〃（x）

由此，水平变形和曲率曲线也是形态相似，变化规律相同。

若已知下沉曲线的函数关系W=f（x），则：

i=f′（x）

K=f〃（x）

u=Bf′（x）

ε=Bf〃（x）

五、地表移动的时间过程

（一）地表开始移动时间

1、用时间表示：

就是用工作面自开切眼开始回采到地表开始发生移动（地表下沉10mm的点）时的时间间隔来表示。

2、用起动距表示：

就是用工作面自开切眼开始推进到地表开始发生移动时的推进距离来表示。

（二）地表移动的超前影响

工作面推进过程中的超前影响

1、超前影响角

工作面前方地表开始移动的点（下沉10mm的点）与工作面的连线与水平线在煤柱一侧的夹角，用ω表示，见上图。

2、超前影响距

工作面前方地表开始移动的点到工作面的水平距离称为超前影响距，用l表示，见上图。

（三）地表移动的滞后性——地表下沉速度

工作面推进过程中的下沉速度曲线和滞后影响

1，2—非充分采动时的下沉速度曲线；3，4—充分采动时的下沉速度曲线

1、最大下沉速度滞后角

移动盆地最大下沉速度点与工作面连线与水平面在采空区内侧的夹角，用φ表示，φ一般为70°—80°.

2、最大下沉速度滞后距

移动盆地最大下沉速度点与工作面的水平距离，用L表示。

（四）地表移动盆地的形成过程

下沉盆地形成阶段图

1、有限盆地阶段

2、尖底半无限盆地阶段

3、平底的半无限盆地阶段

（五）地表移动持续时间

所谓地表移动持续时间就是从地表开始移动到停止的整个时间过程，也就是地表移动盆地形成的总时间，用T来表示。

地表移动持续时间或地表移动过程总时间T，分为三个阶段（V为地表下沉速度）：

（1）开始阶段T1：

10mm/月

或10mm/月45°）

（2）活跃阶段T2：

V>50mm/月（α<45°）

或V>30mm/月（α>45°）

（3）衰退阶段T3：

V<50mm/月（α<45°）

或V<30mm/月（α>45°）