三下一上采煤理论技术的

三下一上采煤理论技术的现状及发展方向•一、概述•二、地表移动变形的基本规律•三、地表移动变形与采动损害•四、地表移动的研究过程及途径•五、地表移动理论与规律研究新思路•六、“三下一上”采煤技术的发展一、概述•据目前不完全统计，目前我国国有骨干大中型矿井“三下”压煤量达到140亿吨以上，其中建筑物下压煤占整个“三下”压煤量的60%以上，水体下（包括承压废岩水上）压煤占28%左右，铁路下压煤占12%左右，然而，到目前为止，我国仅从“三下”采出的煤炭约有10亿吨，只占整个“三个”压煤量的7%左右。•随着一些大中型煤矿开采时间的增长及其地表乡镇企业和农村住宅的建设和扩展，目前，已有很大一部分矿井已无较为正规完整的采区可供开采，造成很多矿井有储量而无法大规模开采的局面。而有些矿井强行开采（不管对地表的影响），有些矿井因采掘接替协调顺序不对进行开采，引起对地表设施的大量或不该有的损坏，造成巨大的经济损失和紧张的工农关系，严重影响了煤矿企业的生产和经济效益。•从目前调查的结果得出，几乎所有的井下开采的煤炭大中型企业，都面临着大量的“三下”压煤问题，这些“三下”压煤量占目前矿井储量的10~15%，个别的甚至更多。因此，如何逐步开采“三下”压煤，或如何规划矿井的采掘接替顺序，把对地表的影响控制在最低限度；或者如何搭配开采“三下”压煤，有计划地控制逐年的采动损害赔偿；或者以经济效益为第一要素采用一些特殊的开采方法,在不影响地表建（构）筑物的前提下部分开采出一些“三下”压煤量。这些都是目前煤炭企业已经面临而必须研究解决的问题。二、地表移动变形的基本规律•1、岩层移动形式和分带矿体采出后，采空区顶底板和两帮形成了自由的空间，围岩中应力应变重新分布，产生应力集中，瞬间以弹性变形形式完成。当开采空间跨度足够大，即使是完整坚硬的顶板，也会因强度超过极限而垮塌、冒落、侧帮压垮、片帮。2、地表塌陷、破裂与连续变形1)、地表塌陷2)、地表破裂3)、地表连续变形4)、地表充分采动和非充分采动地表塌陷•浅部开采时，由于表层岩石强烈风化，再加上地下水的影响，采空区上方的浅薄盖层极难长期稳定，垮落带或破裂带直通地表，使地表产生塌陷破坏。•在采深较大时，垮落带与破裂带累计高度通常不超过煤层采厚的8倍。但浅部开采使地表塌陷的采深将大于一般条件下垮落带与破裂带高度之和。在波兰煤田，当上覆岩石大部分为页岩时，采深小于50m，地表出现陷坑；如果上覆岩石大部分为砂岩，出现塌陷坑采深可达100m。前苏联常采用采深H与采厚m之比H/m作为说明地表行为的一般性指标，据统计，用落顶法开采，H/m小于20时，地表常发生剧烈变形。•浅部开采的地表塌陷与井下冒顶密切相关，不仅采煤，而且大型地下空洞，硐室、工程交叉口、隧道、地下厂房等处的冒顶，也会通达地表造成坍陷。这们往往突然发生，在几分钟内就在地表形成巨大陷坑，摧毁地面建筑物。•应该特别注意老塘塌陷，老塘塌陷造成损害的教训屡见不鲜。波兰维利奇卡岩盐矿地表，1960年11月22日，在不到5min时间内突然塌陷。影响所及区的房屋受到严重破坏。事后调查表明，该处地表下70m处，大约140年前曾采出一个高22m、平面尺寸为36×29平方米的矿块，1966年，水口山铅锌矿因疏水导致岩溶区地表大面积坍陷。抚顺矿务局搭连坑，日伪时期曾开采露头附近煤层，留下不大的护顶柱。后来，煤柱突然垮落，在地表形成很大的陷坑，使陷坑内的房屋遭到破坏。类似情况在许多煤田都发生过。一般来说，老塘坍陷是因为支撑采空区的顶板逐渐破坏，残煤或煤柱被压碎，地下煤自燃等原因造成的，其预测及预防较为困难，因此利用老采空区地表进行建筑，尤其是对采深不大的老采区必须特别注意，需进行可行性研究，研究深部开采、地表建筑扰动对老塘活化的影响，以免造成新的地表塌陷。地表破裂•地表破裂是地表变形常见的一种形式。除了极浅开采以外，地表裂缝一般是不直通采区，它们往往在表土中发育，往下缝宽变小而消失，这种裂缝通常是地表表层变形集中、拉伸变形超限的结果，也可能与断层破碎带有关。大量现场实测资料证实，地表破裂与该处拉伸变形值、地表岩层及地貌相关联，本溪采屯煤矿五采区地表，开裂时地表拉伸变形变动在(5.7~7.0)mm/m，前苏联顿巴斯煤田(6~8)mm/m，德国资料为(5.4~12.2)mm/m。•采深越小，采厚越大，则采区周围煤体上方地表所承受的拉伸变形越大。规则的采区形状，使拉伸变形等值线围绕采区规则化分布，因此，采煤地表裂缝通常平行于开采边界，往往有1~4条主缝，互成平行，往地下向着采空区延深，随着开采工作面推进，裂缝也逐渐向前发展，当岩层节理十分发育时，裂缝带常平行于某一组或与开采界线交角为最小的一组节理方向。•随着开采深度增加，地表破裂情况逐渐减少。但在个别的地方地表还不时可见到裂缝，个别情况下还会出现大型有规律断裂。这往往在特定地质与开采条件下出现。•断层破碎带是集中地表变形、造成地表破裂的部位。如果有贯穿整个煤系地层的断层或构造破碎带，而采煤工作又是集中于断层的一侧进行的，则采煤引起的岩石移动可能以断层为界分为两个部分，即大规模移动将以断层为边界集中于开采的一侧，另一侧相对稳定。•于是在断层的露头部位造成较大差异，在地表上形成对建筑物威胁性很大的地坎。构造破坏越严重，断层规模越大，断层两侧岩体整体性越好，则形成地坎可能性越大，地坎的落差不仅取决于断层本身的断距，还决定于采煤厚度和断层两侧矿体开采引起的地表下沉速度差。最大落差不会超过该处地表最大下沉值Wmax。由此可见，断层有集中地表变形的效应，而跨于地坎上的建筑物会遭到严重破坏，在断层露头两侧的建筑物所受的开采损害常常并不严重。•采深较大时，地表破裂比较少见，但特厚倾斜煤层和急倾斜煤层的开采较为特殊.三、地表移动变形与采动损害•一)、开采损害的分类1、开采损害2、直接开采损害与间接开采损害•二)、开采损害表现形式1、地面沉陷损害2、地面倾斜损害3、地表弯曲损害4、地面水平变形损害5、山区地表滑移与崩坍6、矿区地表水位下降四、地表移动的研究过程及途径•上世纪30年代，在一些采矿业较先进的国家已把岩层与地表移动作为一项科学研究工作。从上世纪50年代起，岩层与地表移动的研究工作获得了蓬勃的发展。如前西德的勃劳聂尔、克拉茨、聂姆茨克、克因赫尔斯特，前苏联的阿维尔申、卡札柯夫斯基、阿基莫夫、柯尔宾阔夫、波兰的布得雷克、克诺特、李特维尼申、柯赫曼斯基、沙乌斯托维奇、科瓦尔契克、什佩特科夫斯基、胡戴克、杨·齐赫等学者经过各自的研究，先后建立了一系列描述岩层与地表移动的理论模型和公式，并提出了一系列计算岩层与地表移动的方法。有了岩层与地表移动预计方法，就可以预计一定条件下开采引起的岩层与地表的移动变形值，因而就可能估计出房屋、铁路、水体等由于地下开采而受损害的程度。为此，人们可以事先采取防护措施，避免灾难性的破坏。我国岩层移动研究工作是新中国成立后开始的。淮南和开滦矿区在50年代初期建立了地表移动观测站，开始了我国岩层移动科学研究的观测。50年代后期，我国各主要矿区，开滦、抚顺、阜新、峰峰、淮南、大同、鹤岗、新汶、阳泉、本溪等先后制定了开展地表移动观测的规划，并建立了一批观测站。经过多年的现场观测和理论研究，完善和发展了岩移理论和计算方法，提出了适合我国岩层与地表移动的计算方法和公式。著名学者刘天泉、刘宝琛、廖国华、周国铨等，对我国的岩层与地表移动理论研究及其在生产实践中的应用做出了巨大的贡献。岩层与地表移动最初的研究工作是从现场实地观测开始的。通过大量的现场仪器观测，寻求岩层与地表移动各主要参数与地质采矿因素的关系，从而可以建立各种类型的地表移动盆地剖面数学表达式，根据这些数学表达式，创立多种地表移动与变形预计方法。随着科学技术的发展，野外仪器观测手段发展也较快。目前激光技术应用于野外测量，提高了精度和工效，提高了反映地表变形的真实性。自动记录仪器的出现，使测量地表移动的全过程和预报工作成为可能。现场观测为认识岩层与地表移动规律提供了大量的数据。许多科学结论都是在分析大量现场实测资料基础上得出来的。在认识和探索岩层与地表移动规律时，往往需要多次反复试验单个因素的影响，这在现场条件下是难以实现的。于是，室内实验被提到日程上来。1937—1939年前苏联巴塔诺夫、库兹聂佐夫进行了相似材料模型试验，为发展相似模拟试验方法打下了基础。利用这一研究方法可以从定性方向得到与实际符合的结果。目前，、俄罗斯、波兰、德国、中国、英国、印度等国都在应用相似模型试验方法来研究岩层与地表移动的问题。采用现场实地观测研究岩移问题，是目前较为广泛采用的方法。该方法比较真实可靠，但研究周期长，研究费用高。实验室研究周期短，但该方法仅对研究宏观的和定性的岩移问题或单因素对岩移的影响较为可靠。由此，岩层与地表移动的理论研究得到了迅速发展。理论研究的优点是速度快，比较严密，可以定量。理论研究基本上是从两个途径——连续介质力学和随机介质理论开展的。前苏联的阿维尔申、波兰的沙乌斯托维奇、胡戴克、印度的库玛尔等人把上覆岩层看作连续介质，应用弹塑性理论认为下沉盆地剖面类似于梁或板的弯曲。这种理论能够解释岩层移动的力学现象，但由于受采动岩体的力学参数难以精确确定，故向定量的实用阶段发展仍然缓慢。近年来，随着有限元边界元等数值计算方法的广泛应用和计算机运算能力的提高，使弹塑性理论用于计算岩层与地表移动和变形的研究取得了突破性进展，逐步进入定量的实用阶段。随机介质理论是波兰的李特维尼申教授1956年提出的。他把岩石移动过程看作是一个随机过程，并用概率理论证明岩石下沉场可用随机过程的柯尔莫哥洛夫方程式表示。该理论能够解释岩层与地表移动的一些现象和规律，所以很快地应用于生产实践。我国的刘宝琛、廖国华等学者对该理论做出了大量的研究工作，完善和发展了这一理论，并提高了它的实用性。由于矿山岩体结构十分复杂，矿体产状变化也较大，所以目前还没有一种完整的理论能解决生产实际问题。各国岩移研究工作者和现场工程技术人员，在岩层与地表移动研究过程中，将现场实测、实验室实验、理论研究三者相结合，使得岩层与地表移动的理论研究和应用于生产实践都取得了巨大的成果。随着岩层与地表移动规律研究的深入，岩层与地表移动预计方法不断完善，在矿山生产实践中岩层与地表移动理论应用的深度与广度不断扩大。昔日用留设保护矿柱的方法保护地面建筑物的情况已大有改观，并代之以采用开采防护措施和建筑结构措施来开采建筑物下、铁路下、水体下所压的矿体。波兰采用井上下综合保护的措施已大面积地在城镇下、水体下、铁路站线下等进行了成功地开采。目前波兰全国煤炭产量的42%是从“三下”开采出来的。我国幅员辽阔，煤炭埋藏量丰富。但人口较多，村庄较为密集，“三下”压煤量大。据不完全统计，我国生产矿井“三下”压煤量总计达140亿t以上。我国“三下”采煤开始较晚，起始于1950年代后期。但其发展迅速。经过我国岩移研究工作者和广大的现场技术人员的共同努力，我国各主要矿区，如开滦、抚顺、阜新、峰峰、大同、鹤岗、新汶、阳泉、本溪、焦作、鹤壁、平顶山、郑州、邢台、新峰、安阳、梨园等一百多个煤矿都进行了大量的“三下一上”采煤（一上为承压水上）工作，每年“三下一上”采煤量在3000万t左右。通过“三下一上”采煤的科学试验与生产实践不仅解放了大量“三下一上”压煤，而且丰富和发展了“三下一上”采煤的理论和技术。五、地表移动理论与规律研究新思路•用解析方法研究地表移动取得成功•用数值方法研究地表移动有实质性的进展•何理论研究地表移动获得进展•特殊地质采矿条件下的地表变形规律取得了明显进展•覆岩破坏规律研究得到进一步的深化•初步建立了底板岩体运动的力学概念与计算方法•从而，研究开采沉陷就是要研究各种不同的边界约束条件下岩板的力学变形机制，研究覆岩内部各种不同类型组合结构对覆岩内部移动及地表沉陷的影响规律。这种正在形成的研究体系无疑与工程地质及岩体力学结合紧密，谓之为“工程岩体力学学派。”•提出的较为研究深入的有：关键层次理论、托根理论、层状岩理论等。六、“三下一上”采煤技术的发展•.建筑物下