建筑物下多煤层条带开采技术研究报告硕士开题报告Word文档格式.docx

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入学年月2011年9月

学院名称XX

开题时间2012年10月9日

2012年10月9日

1、立论依据

1、课题来源、选题依据和立论背景

课题为自选，以里彦煤矿建筑物下的15、16、17煤条带开采煤柱留设问题为研究背景。

条带开采是把要开采的煤层划分成比较正规的条带进行开采，采一条，留一条，利用保留的煤柱支撑上覆岩层，从而减少覆岩沉陷，控制地表的移动和变形，达到地面保护目的的部分开采方法。

从条带的布置形式及开采方法上包括:

水砂充填条带、矸石充填条带、冒落条带、分层冒落条带、近距煤层群条带、变采留比条带、不规则条带及古小窑老空区下条带等。

尽管条带开采采出率低、资源损失严重，但由于我国矿区村庄密集，搬迁费用巨大，为解放村庄下压煤，条带开采作为一种减少地表沉降的特殊采煤法，近几年各矿区都应用条带开采进行了建筑物下采煤实践。

条带开采源于房柱式开采，我国自抚顺胜利矿1967年利用充填条带法进行市区下采煤以来，先后在抚顺、阜新、蛟河、峰峰、鹤壁、平顶山、徐州等矿区进行了多个条带开采的试验与实践，创造了巨大的社会和经济效益，取得了一些有益成果。

条带开采的研究涉及岩石力学（包括岩石及煤的强度，煤柱应力的变化及煤柱的稳定等）和开采沉陷学（包括条带开采的沉陷机理、地表移动与变形的计算、开采方案的设计等）两大领域。

对条带开采的研究主要分3个方面:

现场试验与观测、模型试验和数值计算分析研究（包括力学的理论计算），模型试验以相似材料试验为主，条带开采的大部分研究成果基于模型试验结果和数值分析结果。

国内外对单一煤层条带开采进行了大量研究，取得了丰硕的成果，但对多煤层条带开采的相关研究较少。

煤炭在我国一次能源消耗中占70%左右，随着大量的煤炭资源从地下采出，开采所引起的地表沉陷及其环境灾害问题日益突出。

在保证地面建（构）筑物安全的前提下，最大限度地开采煤炭资源是开采沉陷学科目前面临的主要问题。

我国三下压煤储量较大，仅国有煤矿村庄下压煤就达522亿t，其中，煤层群赋存的压煤量所占的比重较大，而且压煤开采研究较少。

在单一煤层中，开采的煤层无需选择。

可是，在煤层群压煤开采条带设计时，往往会因建筑物保护等级的限制，只能从多层煤中采出一层或几层。

建筑物下采煤的关键问题之一是控制岩层及地表沉陷，岩层与地表沉陷控制也是矿山开采沉陷学的主要研究方向之一。

尽管条带开采采出率偏低，资源损失率较大，但由于它能够有效地控制采场上覆岩层和地表移动，有利于保护地面建（构）筑物，有利于安全生产，而且一般不需要增加或较少增加生产成本，在现有的技术水平和经济环境下，条带开采还是我国解决村庄下、重要建筑物下及不宜搬迁建筑（构）物下等压煤开采的有效技术途径。

因此，研究探索新的理论和方法（如非线性科学）用于解决条带开采中的上述问题，对更好地利用条带开采技术解放三下压煤，提高煤炭资源回收率、预防或减轻采动损害、保护地表建（构）筑物和矿区生态环境具有重要的理论和实际意义。

二、文献综述

1、国内外研究现状、发展动态

煤炭工业是我国的基础产业，其健康、稳定、持续地发展是关系到国家能源安全的

重大问题，也是我国国民经济健康发展的基础。

我国煤炭资源十分丰富，但随着部分老

矿井可采煤量的枯竭，开采建（构）筑物下压煤已是势在必行。

近几十年来，随着大量煤炭资源的采出，因开采而导致的环境问题日益突出，破坏了矿区生态环境和人类赖以生存的地表建（构）筑物和设施。

条带开采法是一种部分开采方法，能减少地表沉陷，有利于保护地面建（构）筑物和设施，是“绿色开采技术”体系中的重要措施之一，目前已成为建（构）筑物下等压煤开采的有效技术途径。

目前开采建（构）筑物下压煤的常用方法有充填开采和条带开采等方法。

由于充填开采法的费用较高，应用不广泛;

条带开采法则因其对围岩扰动轻、地表移动变小的特点而得以广泛应用。

国内外许多煤炭科技工作者对条带开采技术进行了大量深入的研究，取得了许多较

为丰富的研究成果。

国外如欧洲的主要采煤国家波兰、前苏联、英国等在上世纪50年代

就开始应用条带法开采建筑物下，尤其是村镇、城市下压煤，己经取得了较为丰富的实

践经验。

我国自上世纪60年代开始应用条带开采方法回采建筑物下、铁路下、水体下压

煤，先后在全国10多个省的100多个条带工作面进行了条带开采，取得了丰富的研究成果

现场观测资料和理论成果。

但是，无论国外还是国内，有关对多煤层条带开采的地表沉陷机理与控制、覆岩及地表移动、采宽留宽优化设计等均缺乏更深入的研究。

（1）在岩层与地表移动机理、运动规律方面的研究现状

多年来，采矿和矿山测量工作者分别从不同的角度以不同的方法对岩层移动与地表沉陷规律进行了研究。

经典唯象学方法的研究仅停留在对现象的微观描述上，在实测资料基础上，考虑地质采矿因素，用统计方法来描述岩层运动。

经典力学方法将岩体属性假设简化，利用力学理论求解微分方程各种未知量。

但是，由于岩体结构的复杂性，该方法实际应用效果较差。

正确的方法应是二者的结合，即“黑箱”问题“灰箱”化。

条带开采的实测资料表明:

条带开采地表移动和变形规律与全采相似，目前普遍认为条带开采的岩层与地表移动机理截然不同于长壁式全部垮落法开采，在条带开采地表与岩层移动机理方而提出的假说主要有:

煤柱的压缩与压入说、岩梁假说、托板理论以及波浪消失说等。

在单一煤层条带开采岩层移动机理及规律方面，国内外学者主要通过建立条带开采地表移动观测站进行实测，根据矿区地表沉陷规律结合概率积分法进行理论分析，确定了概率积分法的预计参数，从而对地表移动和变形进行预计，基本掌握了条带开采地表沉陷的主控因素以及煤层和上覆岩层的强度、结构对条带开采上覆岩层和地表移动的影响。

王金庄、吴立新等通过对现场实测资料及岩层移动过程的研究，提出了覆岩托板控制理论。

邹友峰等提出了条带开采沉陷预计的三维层状介质理论。

张华兴等通过对宽条带开采移动与变形的计算分析对宽条带开采的基本问题进行了探讨。

郝玉龙等运用FLAC程序作为一种先进的数值模拟方法在条带开采地表移动变形预计中首次应用。

（2）在条带开采煤柱稳定性方面的研究现状

条带开采煤柱的稳定与否是条带开采成败的关键。

我国学者在国外学者研究的基础上，对条带开采煤柱稳定性进行了较多的研究，但都是从传统的强度观点出发，建立了多种煤柱载荷、强度计算的理论和经验公式及分析方法。

目前，我国在条带开采煤柱载荷计算中普遍采用的是英国A.H.Wilson的两区约束理论，分别计算条带煤柱的极限承载能力和实际承受的载荷，然后计算煤柱的安全系数来评价煤柱的稳定性。

文献[13]在研究了

A.H.Wilson煤柱设计公式的不足之处后对其进行了改进。

此外，国外提出了煤柱设计理论还有有效区域理论、压力拱理论、核区强度不等理论等，但在我国很少采用。

（3）在单一煤层条带开采设计方面的研究现状

在条带开采参数设计研究方面，一般认为有两个基本准则：

一是条带煤柱有足够的强度和稳定性，从而能长期有效支撑上覆岩层的载荷；

二是条带采宽应限制在不使地表出现波浪下沉盆地而呈现单一平缓的下沉盆地。

通常条带煤柱尺寸根据采深、采厚、采宽以及煤层和上覆岩层的力学性质等因素确定，采宽根据采深等因素确定。

根据条带开采的经验，为了保证条带开采后地表出现单一平缓的下沉盆地，采出条带宽度一般为采深的1/4~1/10。

当煤层顶板坚硬，煤柱尺寸按单向受力状态计算，采宽尺寸按压力拱曲线理论计算，煤层开采后采空区若被垮落矸石密实充填或充填法管理顶板时，煤柱尺寸应按三向受力状态计算。

文献[6]将开采沉陷学与工程岩体力学、弹塑性力学、流变学相结合，论述了条带开采采宽、留宽优化设计原则和方法。

此外还有将岩层控制的关键层理论[10]、连续介质力学理论等用于条带开采设计[12，13]。

文献[14]提出了条带开采的宽条带设计理念。

通过对我国条带开采实例的分析，条带开采宽度变化在10~160m，宽深比变化在0.043~0.347，即为采深的1/2.9~1/23，条带煤柱宽高比为5.3~16（垮落条带），一般为8~10。

在条带开采设计中要求条带煤柱的宽高比值不小于2（充填条采）或不小于5（垮落条采）。

要求条带煤柱有足够的强度和稳定性，从而能长期有效支撑上覆岩层的载荷。

（4）在多煤层条带开采方面的研究现状

在多煤层条带重复采动方面，文献[35]对近距煤层群条带开采煤柱稳定性及地表移动规律进行了观测研究。

吴立新等[36]对重复条采时上层煤柱应力变化及其稳定性进行了试验研究。

胡炳南[37]提出了煤层群条带开采中选择开采煤层的最小采动影响原则、条带布置的层间距和层间条带煤柱的对齐原则以及条带参数计算的“小变形”准则等原则。

张俊英[38][39][40]采用相似材料模型实验、有限元数值模拟相结合的综合研究方法，得到了多煤层条带开采的移动变形规律，岩层内波浪沉降发育规律及与层间距、条采尺寸、采出率的相互关系，提出了多煤层条带开采煤柱的留设方法。

聂卫平等[41]通过相似材料模拟试验和现场观测进行了重复冒落条带开采地表移动规律的对比研究。

滕永海[42]对多煤层条带开采地表移动进行了研究。

李凤明[43]对不同地质条件及不同重复采动性质下覆岩破坏的地表移动基本参数的变化机理及规律、地表移动角量参数的变化趋势进行了研究。

但综合我国现有文献分析表明，多煤层条带开采问题的研究还相对不足。

在多煤层条带开采地表移动规律方面的研究现状

国内学者这方面研究的不太多，其中文献[11]通过数值模拟，系统研究了多煤层条带开采时，不同开采深度、不同层间距、不同采宽和上下煤柱空间位置关系对地表移动规律的影响，建立了地表移动与它们的影响关系式，为多煤层条带开采地表移动预测，提供了可借鉴的理论和方法.文献[9]通过地表岩移观测站的大量观测数据，求出了地表岩移规律，从而证实多煤层条带开采的技术可行性与经济性，并将本成果在义安、新河等煤矿推广应用，取得了较好的效果。

文献[49]通过分析多煤层条带开采地表移动实测数据，建立了多煤层条带开采地表移动预测参数与条带开采宽度、层间距、上下煤柱空间位置关系等的关系，为多煤层条带开采地表移动预测参数选取提供了可行的方法。

在多煤层条带开采稳定性方面的研究现状

条带开采煤柱稳定性是条带开采设计的关键，国内外对单一煤层开采条带煤柱稳定性研究较多，对多煤层条带开采煤柱稳定性研究较少；

在单一煤层条带开采稳定性研究的基础上，部分学者通过数值模拟，系统研究了多煤层条带开采时，不同开采深度、不同层间距、不同采宽和上下煤柱空间位置关系时留设煤柱的受力情况，并与在单一煤层条带开采设计中使用经典的威尔逊理论计算得到的煤柱极限和实际应力进行了对比，分析和指出了其差异的原因，获得了在上下煤柱不对齐条件下，影响煤柱稳定性的最大因素是下煤层的开采宽度。

在此基础上，基于梁理论，建立了多煤层条带开采层间应力、下煤层开采宽度计算式及上下煤柱稳定性评价方法，计算与实测结果证明了所提出方法的正确性，为多煤层条带开采煤柱稳定性评价提供了可借鉴的理论方法。

在多煤层条带开采模拟方面的研究现状

其中张俊英在文献[7]中采用相似材料模型实验、有限元数值模拟相结合的综合研究方法，对不同层间距的3层煤条带开采进行了系统的理论研究.揭示了多煤层条带开采的移动变形规律，岩层内波浪沉降发育规律及与层间距、条采尺寸、采出率的相互关系等，提出了多煤层条带开采煤柱的留设方法，为工程实践提供了理论依据.文献[62]通过采用有限元分析及自编CRAP程序处理分析了大量观测数据，得到了巷道地压显现规律及应力分布状况，进而确定了底板道的合理空间位置、支护参数及断面形状。

文献[63]在介绍FLAC3d数值