地表岩移实施计划方案.docx
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地表岩移实施计划方案
浅埋深大采高地表岩移规律研究
实施方案
承担单位：
鄂尔多斯市转龙湾煤炭
协作单位：
科技大学
项目负责人：
学相
起止时间：
2017.4-2018.3
2017年6月12日
一、项目的必要性
（一）研发的必要性、目的及意义
1.现状分析
2.目的及意义
（二）国外同类技术发展状况及发展趋势
1.目前国外同类技术发展状况
2.发展趋势
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、项目技术路线
六、现有基础及技术条件
七、对安全、环境、健康的影响性分析
八、经济、社会效益分析
九、项目实施进度计划
十、经费概算
十一、项目负责人、项目组成员及分工
一、项目的必要性
（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（1~2°）,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工作面正在进行回采。
23103工作面由东华建设进行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基本一致。
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，数据基本一致，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，若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，给安全生产带来不利影响。
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，在前期研究的基础上，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行研究，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”安全开采提供新的理论基础。
2.目的及意义
本项目研究的目的在于：
（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，进行地表沉陷预计；（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，保证矿井的可持续发展。
总之，该课题的研究，不论对企业发展还是对环境保护都具有十分重要的现实意义。
（二）国外同类技术发展状况及发展趋势
1.目前国外同类技术发展状况
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，由于采矿业的发展，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，从此开始对地表移动进行系统观测。
开采沉陷发展至今已有近170多年的历史了，可将其发展过程概括为三个阶段]，自1838年对比利时列口城下开采所引起的地表塌陷的认识开始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》，该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）早期理论
1858年，以观测资料为基础，比利时人哥诺（Gonot）提出了“法线理论”，认为采空区上下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，在此基础上，开采沉陷理论得到了发展，1923～1932年斯奇米茨（Sohmitz）、凯因霍斯特（Keinhost）和巴斯（R.BalS）研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
式中:
—表示主要影响半径;
一表示最大下沉值。
布德雷克（Budryk）解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。
（3）非连续介质理论
1954年，波兰学者特维尼申（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、廖将随机介质理论发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和发展。
（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基础建立了各种力学模型对岩层移动与地表沉陷进行研究。
1953年波兰学者萨武斯托维奇（A.Salustowicz）利用弹性基础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
随着科学技术的发展和研究手段的进步，开采沉陷理论得到进一步发展。
特别是随着计算机技术的迅速发展，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，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行了很好的模拟。
近年来，岩体力学理论迅速发展，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、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，并进行了实例分析。
（6）开采沉陷预计方法
开采沉陷预计方法主要有:
基于实测资料的经验方法;影响函数法;理论模拟法。
①经验方法
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行拟合。
国外应用较广的有典型曲线法和剖面函数法。
②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）法，扎恩（sann）法，埃尔哈尔特一佐埃尔（Ehrhardt-Sauer）法和克诺特（Knothe）一布德雷克（Budryk）法。
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。
③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）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行了研究；
（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行了研究，研究表明厚风积沙层下，当顶板基岩不厚时，采后覆岩“三带合一”。
在不能形成任何承载结构的厚风积沙层下，顶板薄基岩是沿全厚的整体切落破坏，具有冲击性。
另有研究表明，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行探讨得到，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行研究总结得出:
受沉积环境的影响，浅埋煤层顶板岩层微观结构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。
实践表明，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表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基础上，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行了相关的研究。
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.发展趋势
理论与实践的结合是开采沉陷理论发展的基础，通过对不同地质条件的数据观测及研究，能不断丰富开采沉陷理论，而且可为类似地质条件开采沉陷预计提供依据。
（三）相关技术专利检索分析情况
通过关键字“地表沉陷”的检索，共检索相关专利22项，通过关键字“地表岩移”检索，共检索相关专利3项，没有与本课题密切相关的专利，本课题的研究能为矿井安全、高效开采提供了设计依据，而且丰富了特殊地质条件岩移理论方面的研究，具有较好的理论创新性，所研究容不涉及侵犯其他知识产权，不存在知识产权风险。
二、研究开发容
1）减少地面监测点，优化地表观测站设计。
根据实测地表移动观测资料,研究浅埋深大采高矿山煤层开采地表沉陷特征。
研究转龙湾矿井不同开采条件下地表移动变形沉陷盆地特征等，对比分析与其他浅部矿井地表变形之间的差异性，对由基岩厚度增加造成的影响进行分析；研究地表移动变形动态演化规律、静态演化规律，建立适合转龙湾矿井开采的地表预计参数求取模型；研究优化矿井工作面尺寸、推进速度等对地面的采动影响，对减少地表移动变形的机理进行分析。
2）研究转龙湾矿井开采覆岩破坏、应力分布特征及压力拱分布形态，解析开采过程中支承压力、覆岩运动及地表沉陷之间的关系，提出矿井开采采场空间结构模型，建立非充分采动阶段支承压力计算模型，分析覆岩应力场转移及发展过程，建立基于应力场转移的覆岩形变沉陷模型，并给出地表沉陷各特征参量的确定方法。
3）转龙湾矿井开采预计参数研究
研究矿井开采过程中覆岩体动态移动形变规律及对地表的影响，确定覆岩体主要影响半径及基本变形指标，推导出与地表移动变形各参数、赋存深度之间的关系式；研究可靠的覆岩体等效力学参数反演方法，解决模拟试验岩层参数选取困难问题；分析在不同采矿条件下（考虑松散层影响）采深、采宽、开采围等对概率积分法主导变形预计参数—下沉系数、拐点偏移距的影响，建立地表移动参数、概率积分法预计参数与地质采矿条件之间的关系。
三、目标及主要经济技术指标
（一）目标
1）得出转龙湾矿井开采过程中支承压力、覆岩运动及地表沉陷之间的关系，建立基于应力场转移的覆岩形变沉陷模型，确定出地表移动各特征参量。
2）掌握转龙湾矿井采场覆岩体的移动变形规律，确定出覆岩体主要影响半径及基本变形指标，给出与地表移动变形各参数、赋存深度之间的关系式。
3）建立转龙湾矿井开采地表沉陷预计模型，获取优化矿井工作面尺寸、推进速度的方法。
（二）主要经济技术指标
1）确定启动距、超前影响角、最大下沉速度滞后角、边界角、移动角、裂缝角和充分采动角。
2）确定下沉数据与岩性之间的关系。
3）确定地表概率积分预计参数。
4）确定地表移动变形规律。
四、关键技术及创新点
（一）关键技术
1）应用沉陷理论、非线性理论等分析转龙湾矿井开采过程中地表移动变形特征、覆岩破坏及受力与形变之间的关系、地表移动变形中的突变。
2）应用MTS伺服实验机等研究岩石高围压状态下的强度特性，构建覆岩体承载力学模型。
3）采用相似材料模拟与机械物理模拟相结合的方式，研究采动岩层动态形变规律及支承压力演化规律，分析覆岩体形变指标与地表移动各参数之间的关系。
4）井下对覆岩受力破坏进行监测，对比地面沉陷监测数据，研究地表移动变形动态演化规律、沉陷盆地特征等。
5）应用三维数值模拟软件，结合室试验和现场测试结果，研究采动覆岩应力场转移及发展过程，地表沉陷与覆岩运动发展间相互联系的量化确定。
（二）创新点
1）首次采用不设置正规地表观测站（非直线或散点），实现获得转龙湾矿井可靠的地表移动规律与参数，大大减少原来地表移动观测的工作量及难度，提高了分析的可靠性。
2）研发的浅埋深大采高合理的工作面布置尺寸、推进速度等优化技术，达到国领先水平。
五、项目技术路线
本课题拟采用现场实测和理论分析相结合的研究方法进行研究。
主要技术路线如图1所示。
在对地表移动变形影响因素分析的基础上，进行23201及23302区域地表岩移观测：
为保证设计方案的正确及指导转龙湾煤矿以后的建构筑物下采煤工作，应在23302和23201工作面开采时，建立地表移动观测站进行观测，以取得实际观测资料，并通过实际观测成果可对采动地表移动变形进行必要的评价，确保矿井开采的顺利实现。
常规的地表移动观测站布置以走向和倾向主断面布置，以取得地表移动计算参数和动态地表移动观测成果，但由于观测受实际情况的影响，很难达到设计的观测要求，且由于时间周期较长，往往造成点位的破坏，难以取得完整的数据，达到理想的效果。
现随着计算理论的完善和计算技术的发展，地表移动观测站设置可根据地形地物的变化，以取得主要参数进行相关的设计，既要便于观测点的保护，又要便于日常观测工作的进行。
根据23302和23201工作面开采的地面特点，上方可设置二个相互独立的观测站（线），以取得可以相互对比的成果和资料。
开采工作面地表岩移测点应该采用预制混凝土桩，特别控制点应预制混凝土桩（其它观测点也可根据情况采用其它方式设立）；地表岩移控制测点用预制桩，其余测点可用预制桩或木桩。
埋设测点时，挖坑前先把点位引到1m外的四个临时十字桩上，坑底捣实，先铺一层0.1m厚的混凝土后放预制桩，同时由十字桩接线指示测点位置，控制测点的偏心不要大于1cm，工作测点偏心不要大于5cm。
标志浇灌深度在本区域冬土线一下0.5m左右，标志周围填紧土石，和冻土隔离，以防测点受冻结影响。
要定期进行从水准基点到观测站的水准测量，保证观测站控制点的稳定。
地表移动观测站的观测工作可分为：
观测站的连接测量，全面观测，单独进行的水准测量，地表破坏的测定和编录等。
在埋好测点并待其稳定后（一般观测点埋好10～15天点位固结），要与本矿已知测点进行平面和高程连测以便测定各测点和测线位置。
为了准确地确定工作测点在地表移动开始前的空间位置，在连测后地表开始移动之前，应独立进行两次全面观测，全面观测的容，包括测定各测点的平面位置和高程，各测点间的距离等。
边长测量要用钢尺，支距测量可用水平支距尺直接放在测点上进行，也可用经纬仪往返测角后计算支距，开采影响前的水准测量按三等水准要求进行，对采中和采后按四等水准的精度施测。
在活跃期（月下沉值较大），每半月进行一次加密水准测量，同时要进行一次全面观测。
在每次地表观测同时，在井下测定工作面位置、煤厚和采高等。
工作面采完，地表移动稳定后，即半年下沉不超过30mm时，作最后的全面观测。
观测顺序、容及时间汇总可参考表2程序进行。
为了保证所获得观测资料的准确性，每次观测应在尽量短的时间完成，特别是在移动活动阶段，水准测量必须在一天完成，并力争做到高程测量和平面测量同时进行。
观测线的最终观测成果和采动前的初次观测成果列于表2，每次观测之后均应及时的进行移动、变形计算。
观测时间及容汇总表1
序号
观测容
时间
1
预制测点并埋设
受采动影响前
2
连接测量及采前全面观测
采动影响前完成
3
巡视水准测量
地表点下沉10mm开始，每月一次
4
加密水准测量
活跃期（每月下沉大于25mm），每半月一次
5
活跃期全面观测
活跃期进行，
6
稳定后全面观测
地表移动稳定后，
地表移动、变形综合成果表表2
测点编号
标高m
下沉
mm
下沉差
mm
倾斜
mm/m
倾斜变化
mm/m
曲率
10-3/m
线段
线段长
水平变形
水平移动mm
第一次观测
第n次观测
第一次观测
第一次观测
绝对值mm
相对值mm/m
在以上观测数据的基础上，进行数据分析，并建立地表预计模型，研究采动地表移动变形规律及地表沉陷特征。
图1技术路线图
六、现有基础及技术条件
兖矿集团转龙湾煤炭在地测方面做了大量的前期工作，取得了一大批关于地表沉陷方面的科学数据。
科技大学多年来一直从事地表沉陷的理论研究及塌陷治理工作。
近五年，学校承担各级各类科研项目4300项，计划与合同经费11.47亿元。
其中，纵向项目2391项、计划经费5.89亿元，横向项目2009项、合同经费5.58亿元；获上级科技奖励772项，其中国家级科技奖励3项、省部级科技奖励238项。
拥有教育部矿山灾害预防与控制实验室和省"矿业安全工程与环境保护"重点实验室拥有先进的实验设备和实验场所，试验室设备、计算机齐全，为完成本课题提供了一定的人员和仪器保障。
因此，无论从人员构成，还是技术水平及前期工作，为本课题的完成提供了必要的条件。
课题组具备该课题研究的基础和技术条件。
七、对安全、环境、健康的影响性分析
通过本项目的研究成果的实施，能够提供岩移的相关参数及沉陷预计模型，为保护煤柱的留设提供依据，同时，可减少地面的塌陷与滑坡事故，保护地面建筑、道路等设施，另外，通过对地表裂缝的研究，可以减少地表水进入井下，减少对地表水的破坏，保护地表植被。
总之，研究结果对于矿区煤炭资源的合理开发利用、矿区地表建筑物保护、生态环境保护以及矿区经济持续协调发展具有重要的作用。
八、经济、社会效益分析
通过该技术研究，可以掌握地表岩移规律，准确计算各类保护煤柱，可做到节约资源及安全回采，具有明显的经济效益。
另外，采用该技术能够提前预测对地面建筑设施的破坏，保护地面设施，减少对地表水的破坏，保护环境，具有明显的社会效益。
九、项目实施进度计划
1）2017年4月，资料收集分析，对23302及23201工作面回采地表沉陷进行预计并做好观测站方案。
2）2017年5月-2017年6月采动地表沉陷影响因素研究
3）2017年5月-2017年12月，23302及23201工作面现场观测
4）2017年12-2018年1月，通过观测数据及相关地质资料数据分析
5）2018年1月-2018年2月地表沉陷规律研究
6）2018年2月，编制总结报告
7）2018年3月，鉴定及验收
十、经费概算
（一）费用性支出（单位：
万元）
序号
科目
金额
1
产学研合作费
25
2
材料费
3
3
差旅费
5
4
燃料动力费
2
5
人工费
5
6
劳务费
5
7
项目查新、材料打印、资料与鉴定费
3
合计
48
（二）资本性支出（单位：
万元）
序号
科目
金额
资金来源及落实情况
0
合计
0
十一、项目负责人、项目组成员及分工
（一）项目负责人（包括协作单位负责人，原则上不超过两人）
所在单位
职务职称
分工
学相
转龙湾煤矿
总工、高工
总体设计
苗德俊
科技大学
副教授
总体设计
（二）课题组成员
所在单位
职务职称
分工
庆彬
转龙湾煤矿
副矿长、高工
移动变形规律
常西坤
科技大学
副教授
移动变形规律
谷允鹏
转龙湾煤矿
副科长、工程师
移动变形规律
庆贵
科技大学
教授
沉陷预计模型
占成
转龙湾煤矿
科长、工程师
移动变形规律
隋秀华
科技大学
副教授
地表移动特征参量
翟所宏
转龙湾煤矿
队长、工程师
岩性分析
文宇
科技大学
博士
覆岩形变沉陷模型
方
转龙湾煤矿
技术员、助理
沉陷观测
徐越
科技大学
硕士
地表观测优化
王红艳
科技大学
硕士
数据分析
庄鵾
转龙湾煤矿
技术员、助理
沉陷观测
高新
科技大学
硕士
沉陷观测
于东业
科技大学
硕士
数据分析
宋大川
科技大学
硕士
沉陷观测
附件：
1.项目创新性分析报告
2.科技项目实施方案审查意见表
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