（采矿工程专业论文）林南仓矿业公司建下开采地表沉陷预测分析.pdf

摘要 摘要 建筑物下采矿直接危害着地面的建筑设施和自然环境，它关系到矿井作业的安 全和经济效益问题。关于建下采矿的地表下沉问题，国内外学者也有不同程度的研 究。林南仓矿井田范围内各种建筑物下压煤总储量1 1 7 9 7 8 万t ，其中可采储量 8 7 7 3 4 万t ，建筑物下压煤占井田储量的7 8 ，建筑物下压煤开采问题非常突出该 矿开采有两个大方案，一是搬迁村庄，二是用建下开采的方法采出矿石。若搬迁村 庄，搬迁费用昂贵、选址困难。因此，本论文研究建下开采的地表移动变形问题， 为建下开采提供最优开采方案。 林南仓的村庄建筑物下采煤问题，从经济技术角度分析可行的采煤方法，提出 条带开采是切实可行的开采方案。该课题工作就是建立开采沉陷的有限元分析模 型，并利用大型有限元程序a n s y s 对条带开采的地表移动和变形进行模拟分析， 可以得出条带开采最佳设计参数，如采留比、采宽和留宽，从而解决村庄建筑物下 采煤的安全问题。 运用有限元a n s y s 软件，结台林南仓矿开采过程和地质条件，建立模型，逐 步进行模拟分析。两种不同参数的条带开采作为各选开采方案，分别建立模型，对 地表的形变进行预测，若地表最大下沉、最大水平形变，最大曲率、最大倾斜均符 合国家规定的建筑物破坏等级i 级标准，则能确保地表村庄安全。 再用传统经验预计公式计算在两种开采方案下地面的移动和变形值，和用 a n s y 8 软件分析结果进行对比，对两种方案进行综合评价，最后用矿山实际检测数 据检验预测结果。本文作为一种模拟和辅助手段，对于建筑物下采矿的研究具有一 定的探索意义。 图1 8 表3 参4 4 关键词：建下开采：有限元：a n s y s ；沉陷 分类号：t d 3 2 7 ； 河北理工人学硕士学位论文 a b s t r a c t m i n i i i gu n d e rb u i l d i n g sh a r m st h ee a r t hc o n s t r u c t i o nf a c i l i t i e sa n dt h en a t u r a l e n v i r o n m e n t i ti sv i t a lt ot h es a f e t ya n dc o s t - e f f e c t i v e n e s so ft h em i n eo p e r a t i o n s t h e r e a r ev a r y i n gd e g r e e so ff o r e i g ns c h o l a r sa b o u tp r o b l e m so fm i n i n gu n d e rb u i l d i n g s i n l i n n a n c a n gm i n ef i e l d s ，a b o u t11 7 8 7 8m i l l i o nt o r t si n i n e sl a yu n d e rv a r i o u ss t r u c t u r e s o f w h i c h9 7 7 3 4m i l l i o nt o 越i sr e c o v e r a b l e t h ec o a lu n d e rt h eb u i l d i n g s 睇e o u n t e df o r7 8 o fm i n el e g e r v e s ，c o a lm i n i n gu n d e rb u i l d i n g si sv e r yp r o m i n e n t t h e r ew e r et w om a j o r m i n ee x p l o i t a t i o n , t h en u ni st h er e l o c a t i o no fv i l l a g e s , t h eo t h c fi se x p l o i tt h em i n eb y e a - t a i ne x p l o i t i n gm e t h o d h o w e v e r , t h er e l o c a t i o nc o s t sa r ee x p e n s i v e ，a n dc h o o s i n gs i t e i sd i f f i c u l t t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rs t u d i e st h eg r o u n ds i n k i n ga n dd e f o r m a t i o n , a n dp r o v i d e s t h eb e s te x p l o i t a t i o nm e t h o do f m i n i n gu n d e rc o n s t r u c t i o np r o g r a m f o r l i n n a n e a n gm i n i n gu n d e rv i l l a g e s , f r o mt h ep e r s p e c t i v eo f e c o n o m i ca n dt e c h n i c a l f e a s i b i l i t y , s t r i pm i n i n gi sf e a s i b l ei nt h ep r o p o s e dm i n i n gp l a n f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sc a n e s t a b l i s hm i n i n gm o d e la n du s et h el a r g e - s c a l ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a ma n s y st os i m u l a t e t b cm o v e m e n ta n dd e f o r m a t i o no f t b og r o u n d s o m ev a l u a b l ed e s i g no f s t r i pm i n i n gc a nb e d r a w n , s u c ha sm i n i n ga n dr e s e r v a t i o np a r a m e t e r s , m i n i n gw i d t ha n ds t a yw i d t h t h e s c c 缸t y p r o b l e m n a n b cs o l v e d b y u s i n g t h i s m e t h o d u s i n ga n s y sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e t h em o d e lc b ec o n s t n j c t a db a s e dt h e p r o c e s so fl i n n a n e a n gc o a lm i n i n ga n dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s , t h e nw e ls i m u l a t ea n d a n a l y z eg r a d u a l l y m o d e l sa r eb u i l ts e p a r a t e l yb yt w oe x p l o i t a t i o nm e t h o d , a n dt h e n p r e d i c tt h ed e f o r m a t i o no f t h eg r o u n ds u r f a c e i ft h ed e f o r m a t i o np a r a m e t e r s s u c h t h e n l a xd e f o r m a t i o na n dt h el a r g e s tc u r v a t u r e ，a r eu n d e rc l a s sid e s t r o yg r a d i n gs t a n d a r d s , t h e v i l l a g eo nt h eg r o u n di ss a f e t h er e s u l tc a l c u l a t e db ye x p e r i e n c e dt r a d i t i o nf o r m u l ai sc o n t r a s t e d1 0t h eo n eb y a n s y s ，t h e ne s t i m a t et h et w oe x p l o i t a t i o nm e t h o d f i n a l l y ，t h ea c t u a ld a t at e s tt h e f o r e c a s tr e s u l t sa n ds u m m a r i z et h ef m a lc o n c l u s i o n s t h i sp a p e r , a sam e a no fs i m u l a t i o n a n ds u p p o r tf o rt h em i n i n gu n d e rv i l l a g e s ，h a sc e r t a i ne x p l o r a t i o ns i g n i f i c a n c e f i g u r e1 8 ，t a b l e8 ，r e f e r e n c e4 4 k e yw o r d s ：m i n i n gu n d e rb u i l d i n g ，f i n i t ee l e m e n t ，a n s y s ，s i n k i n g c h i n e s el i b r a r yc a t a l o g ：t d 3 2 7 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：丝匝! 受日期：匕丑午垒月蕴日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件。允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 引言 引言 开采地下资源引起地表沉陷问题越来越受到人们的关注，控制开采沉陷，保护 人类生存环境是煤矿安全、高效生产所面临的重大课题。建下开采破坏岩体内原有 的应力平衡状态，使采空区周围的岩层乃至地表产生移动和变形。与全采相比，条 带开采虽然回采率低、掘进率高，采煤工作面搬家次数多，但它具有引起围岩变形 量小，地面沉陷小的特点，最适合不便搬迁的城镇密集建筑物下的煤炭开采。开采 沉陷的理论研究方法主要有以下几种，一是利用力学原理将岩体抽象为力学模型， 如有限元、离散元、边界元分析方法，通过编制相应的计算程序对采动岩体与地表 移动和变形进行数值模拟，这种方法能够考虑岩体固有属性，能有效反映采动岩体 的沉陷状态。还有经常使用的是概率积分法，其理论出发点是非连续介质模型，避 开了结构复杂的岩体，简单有效，得到了广泛使用。 建筑物下采煤问题是矿山开采沉陷理论的一个典型应用，研究对象从受采动影 响的岩层一直延伸到地表，研究范围很广而岩体中存在的结构面又使岩体的沉陷 规律复杂多变，很难用单一理论解决。岩体内部的复杂性、模糊性和不确定性使传 统的预测方法面i 瞄一些新的问题，如覆岩的岩性参数及载荷约束难以确定，难以准 确建立描述沉陷过程的力学模型等，这些问题一直困扰着沉陷研究工作。 对于林南仓的村庄下采煤问题，可以从经济技术角度分析可行的采煤方法，提 出条带开采是切实可行的开采方案。建立开采沉陷的有限元分析模型，并利用大型 有限元程序a n s y s 对条带开采的地表移动和变形进行模拟分析，可以得出一些有 价值的结论，设计研究条带开采设计参数如采留比、采宽和留宽，从而解决村庄 下采煤的安全问题。减少地表沉陷，这对采矿作业在安全的预防和防治方面具有指 导意义。结合林南仓条带开采实际地表变形与预测变形傲对比，达到预期效果。 河j 匕理1 = 人学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 开采沉陷在国内外的研究状况 几十年来，随着采矿业的不断发展，采矿速度的大幅提高，国内外学者也陆续 致力于开采引起的地表沉陷的研究。1 9 4 7 年，自口苏联学者阿维尔申利用塑性理论对 岩层移动进行了分析，并结合实践经验建立了地表移动计算方法下沉剖面方程呈指 数函数形式，提出了水平移动与地面倾斜成正比的观点。1 9 5 3 年，波兰学者萨武斯 托维奇利用弹性基础粱理论得出了波动下沉剖面方程”l 。6 0 年代，英国学者贝里和 塞肋斯将岩体视为均质弹性体，分为平面各向同性横观各向同性与空问问题三类 进行分析。英国大量研究和发展了应用典型计算地表移动的方法。美国学者萨拉蒙 研究弹性理论求解地表移动，提出了面元原理剐。 近年来，岩体力学理论迅速的发展，推动了开采沉陷的理论研究。我国的邓喀 中博士采用断裂力学，损伤力学相结合的方法，分析了节理对地表移动的影响。学 者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张量计算及 沉陷量的统计损伤分析。学者李云鹏提出开采沉陷粘弹塑性损伤模型，并进行实例 分析1 5 l a 1 2 地表沉陷 1 2 i 地表沉陷的危害 煤炭的开采给人类带来了巨大益处，也给人类赖以生存的环境造成破坏。在我 国，采矿活动引起的地面沉陷问题更为突出，“三下”开采直接危害着生存环境、 生命财产安全，地下开采引起的地面沉陷危害主要表现在对地面的建筑设施、自然 环境 6 j 和当地经济三个方面。 1 对地面建筑及设施的损害 我国煤年产量近1 4 亿t ，其中相当部分从建筑物下，铁路下及水体下开采而 得。“三下”采煤直接危害着地面的建筑与设施，主要表现在：塌陷区建( 构) 筑物 损坏，由于产生不均匀沉陷，使道路、桥涵、铁路、上下承管线，堤坝、供电设施 和通讯线路等受到破坏。例如我国扰顺矿区特厚煤层开采，给车辆厂、石油一 厂、发电厂、挖掘机厂等造成不同程度的损害，甚至停产或被迫移址。本溪矿区职 - 2 - l 文献综述 工医院，受采动危害，墙体严重开裂，不能正常就诊；学校楼房受采动影响，使学 生不能上课。国外的事椤；i 也较多，例如，德国因开采影响造成铁轨悬空，引起房屋 毁坏：波兰巴库依钢铁公司，由于地下采煤，尽管采取了积极的防护措施，仍造成 了天车轨道两端竖向高差达6 2 0 m m 之多川嗍 2 对土地及环境的危害 矿物开采另一个严重后果，是对土地及环境的影响。如：大面积耕地受到破 坏；平原地区塌陷区内积水；地表水位下降，致使生活及灌溉用水困难；土壤质量 下降，p h 值增高，土壤中生物的生存条件变坏，生物量减少，最终破坏土壤生产 力；山地滑坡及环境污染等，生态及经济损失巨大。据不完全统计，我国每采l 万t 煤炭就要有近0 2 7 h m 2 的耕地被毁坏，造成减产或绝产，一个中型矿井为此付出的 赔偿每年达近亿元唧。 3 对地区经济的影响 我国是世界产煤大国，9 7 的煤炭生产为地下开采，煤炭作为一次能源还将持 续到下世纪中叶，地下采煤与地表塌陷损害的矛盾将长期存在。根据统计资料，我 国因开采煤炭所造成的地面塌陷面积已达4 0 2 万h l n 2 ，其中7 5 是农田，而且还正 在以每年6 6 7 h m 2 的速度递增“许多矿区内原来地势平坦，农田肥沃，但由于开 采塌陷，形成了数塌陷积水坑，致使耕地无法利用。同时，地弼建筑物、道路、桥 涵、铁路、管线等基础设施的改建或维修耗费大量的人力、物力和财力，若地面沉 陷严重，甚至要搬迁整个村庄，更是一种极大的损耗随着开采这对于矿区、特别 是平原地区的矿区是一个不可忽视的问题。- 1 2 2 地表移动和变形的主要参数 反映地表移动与变形在空间上和时间上的特性与大小的量称为地表移动和变形 的主要参数，主要有： 1 移动角 移动盆地主断面上临界变形值的点和采空区边界点的连线与水平线之b j 在采空 区外侧的夹角称为移动角实测资料表明，移动角与煤层倾角、开采深度以及岩性 等有密切关系。 2 主要影响半径和主要影响角的正切 在充分采动和接近充分采动的情况下，地表移动瓮地的最大下沉值与最大倾斜 值之比称为主要影响半径煤层开采后所引起的地表变形主要将集中在开采边界上 一3 河北理工人学硕士学位论文 方宽度为二倍的主要影响半径范围内。开采深度h 与主要影响半径r 之比，称为主 要影响角的正切。主要影响角正切的数值主要取决于覆岩的力学性质。覆岩塑性 大，易于弯曲时，开采影响范围比较小；覆岩刚性大，不易于弯曲，开采影响范围 比较大。 3 下沉系数 在充分采动或接近充分采动情况下，开采水平煤层时的地表最大下沉值与采厚 之比，称为下沉系数。在开采缓倾斜或倾斜煤层时，由于覆岩大致沿岩层法线方向 弯曲。最大下沉区的移动基本是法向移动最大下沉值应为法向移动量的垂直分 基，因此下沉系数( 口) 的计算可以采用最大下沉值除以倾角的余弦与采厚的乘 积。 4 水平移动系数 在充分采动或接近充分采动的情况下，开采水平煤层时的地表最大水平移动与 地表晟大下沉之比称为水平移动系数。水平移动系数的符号为b 。 5 拐点偏移距 下沉曲线的拐点在理论上应位于工作碇开采边界的正上方，但由于工作面开采 边界附近的顶板岩石往往不能充分冒落，园此，拐点一般不位于工作面开采界的正 上方，而向采空区方向偏移。拐点偏移距的符号下山为s j ，上山为s 2 ，走向为s 3 。 6 最大下沉角 在移动盆地倾斜主断面上，采空区的中点与地表最大下沉点或盆地平底部分的 中点的连线与水平线之间在煤层下山方向的夹角称为最大下沉角。最大下沉角与煤 层倾角有关。 7 地表最大下沉速度 地表最大下沉速度对于保护建筑物和采动铁路的填修等有重要意义，因此对地 表最大下沉速度应有所预计。 8 移动过程的总时间 在充分采动或接近充分采动情况下，下沉值最大的地表点从移动开始至移动稳 定所持续的时间称为移动过程的总时问。煤矿测量试行舰程规定，当地表下沉 值达到i o m m 时，即认为地表开始移动，6 个月内地表下沉的累计值不超过3 0 r a m 时，即认为移动稳定。地表移动总时间的长短主要取决于岩层性质、开采深度和工 作面推进速度等因素【1 1 1 1 文献综述 1 2 3 地表变形对地面建筑物的影响 地下采矿对地表的影响主要有垂直方向的移动和变形( 下沉、倾斜、曲率) 和 水平方向的移动和变形( 水平移动、拉伸和压缩) 。不同性质的地表移动和变形， 对建筑物的影响是不同的。大致可分为以下几种情况。 1 地表下沉的影响 一般来说，当建筑物所处地表出现均匀下沉时，建筑物和构筑物中不会产生附 加应力，而对建筑物本身不会产生破坏，但是主要管路的坡度会发生变化，四周的 防水坡也可能造成损坏。特别是由于地表下沉使潜水位相对上升，造成建筑物长期 积水或过度潮湿时，就会影响建筑物的强度，以至影响建筑物的使用。 2 地表倾斜的影响 地表倾斜后，建筑物随之歪斜，重心偏移，影响其稳定性，而且承重结构内部 将产生附加应力，基础的承压也会发生变化。特别是基础底面积小而高度大的建筑 物，如水塔、烟囱、高压线铁塔等，对于由地表倾斜带来的影响比较敏感，必须进 行强度和稳定性的核算。另外，熔铁炉、炼焦炉、水泥窑、锅炉房、成排房屋对地 表倾斜也是比较敏感的，也必须检验地表倾斜变形对它们工艺流程和技术安全的影 响，以保证其丁e 常使用。 3 地表曲率的影响 由于曲率的出现，使地表产生突起或凹陷的曲面，建筑物的基础底面出现悬空 状态，如果建筑物强度和刚度小，或因地基结实，建筑物基础不能压入地基，则房 屋将出现裂缝，以至遭到破坏。 4 地表水平变形的影响 地表水平变形对建筑物的影响较大。地表的水平变形通过建筑物的底面和侧 面，使建筑物受到附加的拉伸和压缩应力。由于一般建筑物对抗拉伸变形的能力 效，在教效的拉伸变形作用下，建筑物的薄弱部位( 如门窗附近) 就会出现裂缝。 建筑物抗压强度较抗拉强度大，地表压缩变形较小时，建筑物般不出现破坏现 象，但是，如果地表压缩变形较大，则可能使建筑物的墙体受到挤压而破坏i j “。 1 2 4 建筑物的保护 建( 构) 筑物的保护等级是按照建( 构) 筑物的重要性、用途以及受丌采影响 引起的不同后果而划分的。我国将矿区范围内的建( 构) 筑物划分为四级见表l 。 - 5 河北理工人学硕士学位论文 表l 矿区建( 构) 筑物保护等级划分 一 ! 些生! 塑些垫塑! 墨! 坐垡墨! 翌! 璺! 坐塑! ! 塑堡曼 保护等级主要建( 构) 筑物 l u i l l i v 国务院明令保护的文物和纪念性建筑物，一等火车站发电厂主厂房， 人、中璎矿井主要通风机房，高速公路，机场跑遵，高层住宅楼等： 2 2 0 k v 以上超高压输电线路杆塔，矿区总变电所，立交桥，钢筋泄凝士 框架结构的l 业厂房，办公楼，医院，学校，百货大楼，电视塔及其转 播塔，一级公路等： 砖术、砖混结构平房或变形缝区段小于2 0 m 的两层楼房，村庄砖瓦民 房，高压输电线杆塔等； 农村术结构承重房犀简易仓库等 地面建筑物的变形是由于地表变形传递给建筑物的基础而引起的，建筑物具有 一定的承受附加应力的能力，故地表变形与建筑物变形之间存在不一致性。建筑物 变形与地表变形的关系与建筑物基础的材料、长度、宽度、荷载以及地基性质、建 筑物平面形状、上部结构的刚度等因素有关。在进行建筑物下采矿之静，先根据地 质、采矿条件作地表移动或变形预测，根据预测的变形值大小评定建筑物破坏程 度，然后据此采取相应的地面建筑加固措施或井下开采措旖，最后确定建筑物下合 理的采矿方案。地面建( 构) 筑物受采动后，是否会遭受到破坏以及其破坏程度。 主要取决于地表变形值大小和建( 构) 筑物本身抵抗变形能力。不同类型的建 ( 构) 筑物有不同的抗变形能力和相应的地表允许变形值，根据调查研究， 建筑 物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设及压煤开采规程对于小于2 0 m 的砖混结构房 屋，按不同的地表变形值分为四级见表2 1 ”j 。 如果只采取开采技术措施，还不能避免地表变形对建( 构) 筑物的破坏，或者 采取开采技术措施在技术经济上不合理时，而需对现有建( 构) 筑物采取地面加固 保护措渔。 中国地域辽阔，建( 构) 筑物结构，材质，旖工质量差异很大，尤其是广大农 村建( 构) 筑物更是如此。因此，加固保护建( 构) 筑物工作，是一件复杂和细致 的工作。一般原则是； 1 预计建( 构) 筑物将受到i 级破坏时，一般不需要采取加固保护措施，甚至 不需要采取全面维修的措施，而只需要进行局部维修。 2 预计建( 构) 筑物将受到i i 级破坏时，一般只需要采取简单的加固保护措 施。例如，挖补尝沟、设置钢拉杆、钢筋混凝土圈梁、废钢丝绳圈粱和对长建 ( 构) 筑物增设变形缝等。 - 6 1 文献综述 表2 砖石结构建筑物破坏( 保护) 等级 ! ! ! 丝! 堡墅型! ! ! ! ! ! 堡! ! 璺! ! ! 竺! 型! ! ! 壁堕蹩型竺! 婴2 地表变形值 破坏等级建筑物损坏捍度 水平变形 曲乏 倾斜 损坏分类 结构处理 ) ( m i o ) - 3 i ( m m m ( r a m m ) ) 、 l l 】n 墙罐上不出现或 少出现宽度小于 4 r a m 的裂缝 墙壤上出现4 1 5 r a m 宽的裂 缝，j 窗略有歪 斜，墒皮局部脱 落，粱支撑处稍 有异样 墙嚷上出现1 6 3 0 m m 宽的裂 缝，rj 窗严重变 形，墙身倾斜， 粱头有抽动现 象，室内地板开 裂或鼓起 墙身严重倾斜、 错动，外鼓或内 凹，粱头抽动较 大，屋顶、墙身 挤坏，严重者有 倒塌危险 薹2 0善0 2 s - 3 0 罐蓑渤 或极轻微。：i ：嚣： 损坏一” 耋4 - 0矗n 4 6 0 l o 0 群大喾 或极度严一! o 重损坏 一 3 预计建( 构) 筑物将受到i 级破坏时，应采取中等加固保护措施，即除上述 简单加固保护措施外，还应增设基础应力梁( 包括纵、横向粱及斜梁) 、钢筋混凝 士柱等，并可采取一定的开采技术措施，以减轻开采影响对建筑物的损害。 4 - 预计建( 构) 筑物将受到i v 级破坏时，应采取专门加固保护措施，即除上述 中等加固保护措施外，还应增设基础应力板等。同时，应采取旨在减小地表移动和 变形的开采技术措施。 5 在技术和施工条件许可时，建筑物和构筑物应尽量选用静定结构体系，并采 用柔性大的轻质屋面材料，房屋基础部位设置滑动层。 6 对于地下管网，除采用临时性地面管网外，也可对其采取适当加固保护措 施。例如，管接头处设置柔性接头或补偿器、增设附加阀门、建立环形管网、修筑 管沟等。 一了 河j e 理工大学硕士学位论文 7 每次开采l i i f 和地表移动稳定后，均需对建筑物、构筑物和设施及时进行修理 和调整。 8 对于设备和结构物，甚至房屋建筑物，在技术可能经济合理的情况下，可采 用调平、抬起等方法，以消除因采动引起的建筑物和构筑物及设备的歪斜。 9 对于农村革层和两层砖石建筑物，一般可采取圈粱、构造柱加固，同时将建 筑物长度控制在2 0 m 以内【1 1 1 。 1 2 5 减少地表移动和变形的开采措施 在建( 构) 筑物下采煤时，当预计的地表变形超过建筑物能承受的变形时，应 从开采方面采取合适的技术措施，以减少地表变形值。 1 防止地表突然下沉 在一定的开采深度以下，进行建( 构) 筑物下采矿，需要查明建筑物下方是否 有老窑，废巷、岩溶、老井等空硐以及它们填实程度。如果这些空硐未填实而充满 积水，应采用灌浆等方法将空硐填满，排除积水，防止开采疏千老空积水疏降岩溶 含水层水位而造成地表突然塌陷；开采急倾斜煤层时，在煤层露头处应曰设足够的 煤枉，以防止突然塌陷。在采煤方法上，应尽量采用长走向小阶段阍歇式采煤法。 避免使用沿倾斜方向依次暴露较大空间的落垛式或倒台阶采煤法，并严禁落垛式无 限制地放煤。当顶板坚硬不易冒落时，应采取人工强制放顶或采用充填法处理采空 区；在缓倾斜或倾斜煤层浅部开采时，应尽量采用倾斜分层长壁式采煤法，并适当 减少第一、第二分层的开采厚度 2 减少地表下沉 在一般开采深度条件下，减少地表变形的途径是减少地表下沉值，减少地表下 沉的开采措施主要有： 1 ) 采用充填采煤法时，覆岩的破坏比较小，因而减少地表的下沉。其减少程度 取决于充填方法和充填材料。常用的充填方法有水砂充填和风力充填。 2 ) 使用条带开采法。条带开采法是将煤层划分为条带相问地采出。个条带 ( 采出条带) ，保留一个条带( 保留煤桂) ，用保留煤柱支撑顶板及上覆岩层，以 减少地表下沉和变形值。林南仓矿采用了条带开采作为建下开采方案。 8 1 文献综述 1 3 问题的提出 开采地下资源引起地表沉陷问题直接关系到矿山企业的经济利益与生产安全， 是煤矿安全，高效生产所面临的重大课题。建下开采破坏岩体内原有的应力平衡状 态使采空区周围的岩层乃至地表产生移动和变形。近年来有限元数值模拟技术 发展较快，应用的数学模型已经较为成熟，一些矿业学者成功的把有限元数值模拟 技术运用到地下开采、边坡稳定、地表沉陷等问题的研究上，并成功的解决了许多 难于解决的课题1 1 2 1 。实践证明；运用有限元软件建立三维有限元模型，只要根据矿 山的具体情况，通过对矿山地质条件、原岩应力场、采场参数的实际调查以及矿岩 物理力学参数的精确测定确定出模拟的实体模型和相应的边界条件，就能得出适 合该矿山的模拟分析结果。 本论文希望借助有限元a n s y s 软件建立三维立体模型，根据弹塑性理论，采 用数值模拟技术，对建下条带开采的采空区上层地表进行稳定性分析。再与分析结 果和用概率积分法得到的结果进行比较，从而确定一种即安全可靠又经济合理的条 带开采采留比，得出最优开采方案。 1 3 1 研究目标 目前，建下开采措施已发展为多种，如充填开采、协调开采，搬迁后全采，咀 及近年来覆岩注浆减缓地表沉陷技术等，采取何种措施要综合考虑矿井的地质开采 条件，以及煤矿企业生产经营情况。一般地讲，充填开采的充填系数比较复杂，还 要考虑充填材料等很多问题，这种方法己很少有矿井使用，马上搬迁全采对于本矿 井也是不现实的，搬迂费用必定很高。条带开采虽然有一部分煤炭资源暂时不能采 出，但如果设计的合理，对矿井的j 下常生产不会有干扰，会给矿井带来更好的经济 效益，因此，无论从企业的当前利益还是以后的发展，条带开采法都是较好的方 案。本论文用有限元a n s y s 软件建立三维立体模型，根据弹塑性理论，采用数值 模拟技术，建立采空区模型，对采空区上方地面建筑物进行稳定性分析。 l 3 2 研究内容 研究内容具体包括： 1 对岩石的力学性质，岩体的地质构造，断层、断裂带的分布及发育情况，软 弱夹层的赋存情况进行调查，获取准确地质资料。 q 河北理工人学硕士学位论文 2 全面分析对地表沉陷有影响的因素，岩体力学性质。岩体地质构造，以及地 面建筑物等因素。通过分析比较，忽略次要因素，突出主要因素，也就是对受力条 件、采矿工艺以及采矿方法结构傲必要的简化。 3 通过模拟分析得出采矿活动对地面建筑物的影响，得出开采的最优方案。 1 4 研究方法 1 4 1 研究方法的确定 在岩石力学中所用的数值方法先后有有限差分法、有限元法、边界元法、半解 析解法、离散元法和无界元法等等。以上各种数值方法都有各自的优缺点及适用条 件，在实际应用中应根据具体情况采用合理的方法去解决问题，做到既经济又可 靠。有限元法是岩石力学数值计算方法中最为广泛应用的一种，在求解弹塑性介质 问题、模拟开挖等方面具有显著的优点，特别是有限元法和边界元法的耦合，可以 克服有限元计算中的边界效应，便于提高计算精度，较好地模拟岩体的大变形。 近几十年来，随着计算机软硬件的迅速发展，使岩石力学有了长足的进步，数 值分析在求解复杂问题中的应用及其它应用技术有了较大发展，而且随着微机计算 速度不断提尚，使大型的有限元数值方法在微机上运行很方便，使数值方法逐渐成 为研究岩土力学及工程问题的主要手段之一。在原始数据选取和模型建立较为合适 的情况下，数值方法在一定程度上可以取代昂贵的模拟试验。因此本论文选取有限 元数值模拟方法，对林南仓矿进行建模分析，来研究地下采矿地表的稳定性问韪。 1 4 ，2 有限元法的基本概念 有限元法是随着电子计算机的发展迅速发展起来的一种现代计算方法。它是5 0 年代首先在连续体力学领域一飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效数值分 析方法，随后很快就广泛地应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题 【l3 1 。 图l 是用有限元法对直齿圆杠齿轮的轮齿进行的变形和应力分析，其中图l ( a ) 为有限元模型，图l ( b ) 是最大切应力等应力线卧1 4 1 。在图1 ( a ) 中采用八结点四边 形等参单元把轮齿划分成网格，这些网格称为单元。网格b j 相互联接的交点称为结 点，网格与网格的交界线称为边界。显然，图中的结点数是有限的，单元数目也是 1 0 i 文献综述 有限的，所以称为。有限元法”。这就是。有限元”一词的由来。图2 是有限元立 体模型【。 鑫出 ( a ) 有限元模型( b ) 最大切应力等应力线 圈1直齿圆柱齿轮轮齿应力分析 f i g is t r e s sa n a l y s i so f t h ec y l i n d r i c a lg e a r 图2 立体有限元模型 f 嘻2 3 dm o d e lo f f i n i t ee l e m e n t i 4 3 有限元法计算的基本思路 1 物体离散化 将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。离 散后单元与单元之问利用单元的结点相互连结起来，如图2 所示；单元结点的设 置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算精度而定，一般情 河北理一l ：人学硕士学位论文 况，单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大。所 以有限元法中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同样材料的由众多单元 以一定方式连结成的离散物体f ”】。这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似 的如果划分单元数目非常多而且合理，则所获得的结果就与实际情况相符合f 目 1 9 1 。 2 单元特性分析 1 ) 选择位移模式 在有限单元法中，选择结点位移作为基本未知量时称为位移法；选择结点力作 为基本未知量时称为应力法；取一部分结点力和一部分结点位移作为基本未知量时 称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以在有限单元法中位移法应用范围最 广例。 当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元中的一些物理量如位 移、应变和应力等由结点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼 近原函数的近似函数予以描述。通常，有限元法中我们就将位移表示为坐标变量的 简单函数。这种函数称为位移模式或位移函数。根据所选定的位移模式，就可以导 出用结点位移表示单元内任一点位移的关系式，其矩阵形式是： t 厂j = 【卅p r ( 1 ) 式中： f ，) 一单元内任一点的位移列阵： d 。一单元的结点位移阵： 形函数矩阵，它的元素是位置坐标的函数。 2 ) 分析单元的力学性质1 2 1 1 2 2 1 根据单元的材料性质、形状、尺寸、结点数目、位置及其含义等，找出单元结 点力和结点位移关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中的 几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限 元法的基本步骤之一。利用几何方程，由位移表达式( 1 ) 导出用结点位移表示单元应 变的关系式 斜= 陋】p r ( 2 ) 式中： ，卜一单元内任一点的应变列阵； 凹 一单元应变矩阵。 1 2 l 文献综述 然后利用本构方程，由应变的表达式( 2 ) 导出用结点位移表示单元应力的关系式 p = 【d 】陋1p y ( 3 ) 式中： 口 一单元内任一点的应力列阵； 【翻一与单元材科有关的弹性矩阵。 3 ) 计算等效结点力 物体离散化后，假定力是通过结点从一个单元传递到另一个单元。但是，对于 实际的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一个单元中去的。因而，这种作用 在单元边界上的表面力、体积力或集中力都需要等效地移到结点上去，也就是用等 效的结点力来替代所有作用在单元上的力。计算时利用变分原理，建立作用于单元 上的结点力和结点位移之间的关系式，即单元的平衡方程网 扩p = 肛r p ( 4 ) 这就导得等效结点力 ，) 。 3 单元组集 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原柬的结构重新联接起来，形 成整体的有限元方程 k = 扩 ( 5 ) 式中： 阅一整体结构的刚度矩阵； j ) 结点位移列阵； 毋载荷列阵。 4 解未知结点位移和计算单元应力 解有限元方程式( 5 ) 得出位移，利用式( 3 ) 和已求出的结点位移计算各单元的应 力。这罩，可以根据方程组的具体特点柬选择合适的计算方法。 通过上述分析，可以看出，有限元法的基本思想是。一分一合”，分是为 了进行单元分析，合则是为了对整体结构进行综合分析l “。 一1 3 河北理1 = 人学硕士学位论文 2 条带开采 2 1 建下开采方案 在建( 构) 筑物、铁路、水体下采煤，习惯上称“三下”采煤。它包括了井筒 及工业场地煤柱、堤( 坝) 下采煤、石灰岩承压含水层上带压开采等地质条件和开 采技术条件下的采煤。目前国内外采煤技术的发展水平是：在开采规模上，已经 成功地在大城市、大工厂、铁路干线、火车站、立交桥、海洋、湖泊、河流、水 库、堤坝、厚流砂层下进行了安全开采，还开采了各类井筒及矿井工业场地煤柱； 在含水丰富的厚层石灰岩岩溶承压含水层水体上带压开采。在开采技术和理论上， 试验成功了多工作面大面积全柱式开采方法，密实水砂充填、风力充填、条带式开 采、长走向小阶段开采急倾斜煤层、厚煤层分层间歇开采，以及帷幕注浆封堵高压 地下水和疏干地下承的技术等。理论研究及生产实践表明，建筑物下采矿的理论依 据有以下几个方面： 1 建筑物允许变形值大于地表静态变形值，即固定开采边界上方的地表变形值 对建筑物不产生有害影响； 2 采取开采措施以减小地表变形值，使其达到上述要求； 3 采取建筑加固措施以提高其抗变形能力，使其允许变形值大于地表动态和静 态变形值； 4 建筑物允许变形值接近于地表静态变形值，采后有可能对建筑物进行维修。 符合上述条件之一者，建筑物下有可能进行安全开采。上述条件也是确定开采 措施及建筑物加固措施的根本出发点。 建下开采的方法有充填开采，协调开采和条带开采等方法，林南仓矿村庄下开 采所采取了条带开采方法。 2 2 条带开采 建下开采的方法有很多，如充填开采、协调开采。每种方法都有其适用的条件 和自身的弱点，充填开采往往受资会投入、生产成本和充填材料等因素的制约。协 调开采、连续开采往往受煤层赋存条件和地质条件的影响。条带丌采的原理是把要 开采的煤层划分为比较正规的条带进行丌采，采一条，留一条，利用保留的条带煤 柱支撑上覆岩层，从而减少覆岩沉陷，控制地表的移动和变形，达到地面保护目 1 4 2 条带开采 的。条带开采条带采空区的处理方式有两种方式，用充填法的称为充填条采，用冒 落法处理采出条带采空区的称为冒落条带。充填采空区的目的在于保护保留煤柱， 防止其片帮和破坏，提高支撑能力i 拍】。 我国自抚顺胜利矿1 9 6 7 年利用充填条带法进行市区下采煤以来，己先后在抚 顺、阜新、蛟河、峰峰、鹤壁、平顶山、徐州等过个矿区进行了条带开采的试验与 实践，创造了巨大的社会和经济效益，取得了许多有益成果。由于我国矿区村庄密 集，搬迁费用巨大，为解决村庄下压煤，条带开采作为一种减少地表沉陷的特殊采 煤法t 近几年来在建筑物下、铁路下压煤开采中得到了广泛应用。现场监测研究表 明，应用条带开采技术可有效控制地表沉陷其下沉系数为全部垮落法开采下沉系 数的4 8 一2 6 8 ，下沉系数变化在o 0 2 4 4 ) 2 0 6 之间，地面建筑物损害一般可控制 在i 缴以下；开采条带宽度变化在l o m 一1 6 0 m 之间，宽深比为o ，0 4 3 - - - 0 3 4 7 ，即为采 深的1 2 3 i 2 9 ，一般为1 3 ! 1 0 # 面积回采率为3 0 ，7 8 麟。国外条带开采情况 与国内大体相当，波兰在城市下采煤时大多采用水砂充填条带，其它国家大多采用 冒落条带。 2 3 条带开采法的优缺点及适用条件 条带开采时，上覆岩层的冒落带，导水裂隙带发育高度一般较小，地表的下沉 与变形量小l ”，可实现建下安全开采，同时采煤活动对围岩的破坏大大削弱，条带 开采的回采工作面相当于跳采，也有利于顺槽等巷道的维护。条带开采法的主要缺 点是回采率低( 一般为5 0 , - 6 0 ) ，掘进率高，搬家次数较多，开采工艺复杂。效 率低。 条带开采法的适用条件是：地面建筑物密集，有纪念意义或结构复杂的建筑 物，以及由技术和经济上的原因不适于采用建筑物加固或充填措施的建筑物；煤 层埋藏深度在4 0 0 m 5 0 0 m 以内。否则采出率过低；地面排水困难，不宜下沉过 大；煤层层数少，厚度比较稳定，断层少；临近开采不致破坏保留煤柱的完整 性。 2 4 条带开采的关键问题 合理确定采出条带宽度( 采宽) 和保留煤柱宽度留宽) ，是条带开采法的关 键问题。留宽过大，采出率低，留宽过小，煤柱易遭破坏；采宽过大，地表可能出 现不均匀下沉，对保护建筑物不利，采宽过小，则回采率低。正确地确定条带尺寸 - 1 5 - 河北理j = 大学硕士学位论文 的原则是：保证煤柱有足够的强度和稳定性。采出条带的宽度限制在不使地表出现 波浪式下沉盆地的范围内，在此原则基础上尽量提高采出率。 采出率是条带开采法的一个重要指标。根据我国条带开采的经验，采出率( 即 采出条带总面积占采空区面积的百分数) 应限制在7 0 以下，采出率大于7 0 时， 会引起地表较大的移动与变形，顶板极坚硬时，甚至可能引起大面积一次性突然垮 落。 在限定采出率的情况下，应选取较大的留宽和采宽这样使煤柱有较大的支撑 面积，稳定性较好。但是采宽过大时，又可能使地表出现不均匀下沉，对保护建筑 物不利。根据国内外经验，采宽可在h ，4 一刚1 0 ( h 为采深) 范围内选取。具体数 值可根据本矿岩层移动资料和建筑物要求的安全程度确定网。 1 6 3 林南仓矿区状况 3 林南仓矿区状况 3 1 林南仓矿区现状 林南仓矿业公司位于河北省玉田县境内，西距北京市约1 0 0 k i n ，东距唐山市 4 0 k i n ，南距天津市约1 0 0 k m 。- 6 5 0 水平二采区密集建筑群下深部压煤开采包括 1 1 、1 2 两个可采煤层，第四系松散层厚度达2 1 0 m ，上覆岩层岩性较软，开采深度 大，涉及地面3 个村庄，其开采条件复杂，开采技术难度大。由于1 1 煤层属于“三 软”煤层，矿山压力显现显著，巷道维护困难。为了有利于1 1 煤层的开采，需要首 先开采位于下部的1 2 煤层，为1 l 煤层开采卸压，属于煤层群上行开采。林南仓矿 井田范围内村庄和工厂，各种建筑物下压占地质