矿井采动影响诱发水灾规律及防治技术.ppt
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1、矿井采动诱发水灾规律及防治技术汪理全18902499959,煤矿开采的三性,认识煤矿开采的的特殊性、艰巨性和困难性;,例子1徐州地方煤炭公司(天龙集团)沛城煤徐州西北62km1972年建矿,1981年投产;1980年统计 可采储量1520万t 城下压煤700万t 影响地面建筑面积,49万平方米;1981年江苏省人民政府决定沛城搬迁,征地1500亩,预计搬迁时间20年,搬迁费用2亿元。,例子2徐州矿业集团公司1995年统计:工业储量 13.37亿t;三下压煤 5.11亿t;储量的特点:两多、两少、一快。薄煤层多,三下压煤多后备资源少,生产水平储量少,2.48亿t(分布在深部),2.44亿t动用储
2、量快,每年动用储量2000万t以上,地下开采与地表塌陷,垮落法管理顶板 地表形成大面积塌陷区地表塌陷面积:煤层开采面积的1.2倍左右。每采1万吨煤要塌陷0.2公顷土地塌陷面积平均每年增加2万公顷复垦率为22%,采动治理,采矿的基本特点是具有采动影响。采动影响是地下采矿工程中大面积开采引起的围岩(顶板直至地表、底板及所采矿层本身)位移和变形及其造成的种种损害的统称。对所采煤(矿)层,顶板及底板产生的采动影响可以用“三带”理论描述;而对于地表沉陷及其过程的现象和规律可用地表移动盆地来描述。,“三带”包括顶三带、底三带及边三带。在采煤(矿)工作面上覆顶板岩层内产生的采动影响,谓之“顶三带”。即垮落带
3、、断裂带及弯曲下沉带。在采面边界外侧的煤(矿)层内可形成松弛带、塑性变形带和弹性变形带。在采面边界内侧则可形成矸石堆积带、重新压缩带及矸石压实带。,在煤层底板岩层内产生的采动影响称为“底三带”,即鼓胀带、微裂隙带及应力变化带。若根据承压含水层上采煤的技术要求,采场底板岩层自上而下分为破坏带、保护层带及承压水导升带。采动“三带”的影响范围及程度与采深、开采方法、煤(矿)层及岩层的力学性质等有关。,采煤(矿)引起采场上覆岩层移动波及到地表,使地表产生移动,变形和破坏,并在采空区上方形成一个比采空区大的移动范围,称为地表移动盆地。其下沉与变形的规律可用下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形等指标描述。
4、,采动影响造成的独具矿业特色的生态环境问题有:(1)破坏土地。据不完全统计,全国煤矿地下开采造成的地表沉陷累计已达40余万ha,平均每年沉陷2万ha,平均每采1万t煤炭沉陷农田0.2ha。矸石侵占土地。当前全国大中型煤矿有矸石山1500座(不包括乡填小煤矿),矸石堆放量达30亿t以上,侵占土地约65000ha。,如平顶山矿区,矸石堆积达3900万t,31座矸石山,占土地98ha。露天开采对表土剥离和排土场破坏土地已达1.76万ha。预计到2010年,矸石排放量将每年增加2亿t,年新增占土地约667ha。这显然加剧了我国土地资源短缺的局面。,(2)破坏和污染水体。煤矿开采造成采场覆岩大面积沉陷的
5、同时,也破坏了水体,矿井疏排水造成地下水位下降。平均每采1t煤需排水2t。焦作矿区每采1t煤排水量高达49t华北地区开采每吨煤平均破坏水资源约10t。全国重点煤矿每年矿井排放废水2.2Gt,其中部分为酸性、高盐或高悬浮物矿井水;选煤废水28Mt,其他工业废水30Mt,生活污水4亿t。这些废水严重污染了环境。,(3)污染大气环境。矿井每年排放的瓦斯超过80亿m3。1999年我国SO2排放总量为1857万t,烟尘排放总量为1159万t,其中75%与燃煤有关。以SO2污染导致的酸雨覆盖面积已达国土总面积的30%以上。,综上所述,矿区生态环境的污染已相当严重。这将影响经济建设、社会发展及人类生存环境。
6、就煤炭开采技术而言,必须用高新技术来改造传统的煤炭产业,创新少污染的开采技术体系,中国21世纪议程中称少污染的煤炭开采技术体系的基本要点是:综合防治煤矿开采过程中对环境和其他资源的破坏及污染;并将其技术持续地应用于煤炭开采的全过程中,最大限度地减轻或消除煤炭开采对生态环境及其他资源造成的损害。目标是寻求最佳经济效益和社会效益。,第一章 开采引起的岩层移动,第一节 开采引起的岩层移动,一、充分采动区、岩石压缩区、最大弯曲区和底板隆起区1、围岩根据变形分区:岩层移动形式,变形特性、移动的原因,充分采动区最大弯曲区:岩层向下弯曲的程度最大顶板压缩区支承压力引起沿垂直方向压缩工作面区域以外地层下沉,底
7、板压缩区不均匀隆起区应力降低水平挤压均匀隆起区,岩层移动和变形分区,充分采动区最大弯曲区:岩层向下弯曲的程度最大顶板压缩区底板压缩区 支承压力引起沿垂直方向压缩工作面区域以外地层下沉不均匀隆起区 底鼓 应力降低均匀隆起区 水平挤压,煤体下方 采空区下方(高应力压缩)低应力 h侧向水平应力,h,h,KH,H,h,h,底板,二、垮落带、断裂带和弯曲带,1、三带的形成,(1)垮落带,垮落带 不规则垮落带,呈杂乱堆积。规则垮落带,岩块堆积排列较整齐碎胀性:1.3 1.5,体积增大导水:水、水砂和泥浆容易通过高度:,(2)断裂带,曾称:裂隙带。断裂带特点:左右断裂,上下离层一般导水,又称导水断裂带,厚煤
8、层第一分层以后的分层开采时,断裂带高度上升,但上升的幅度较初次采动大为减小,(3)弯曲带,断裂带之上至地表又称:弯曲下沉带或整体移动带,采深较大,弯曲带的高度可能大大超过断裂带高度,特点:保持整体性和层状结构,不存在或极少存在离层裂隙。隔水,岩性较软时,隔水性能更好。,不出现三带的可能性,浅部无弯曲下沉带充填开采无垮落带,2三带的空间轮廓形状,(1)0 35垮落带开采期间,垮落带的高度基本上是相同开采完毕,中间较低,两端较高的枕形轮廓断裂带两端边界超出,呈马鞍形,最高点位于采空区斜上方。,()36 54,垮落带上部岩块下滑或滚动上部继续离层、断裂、破碎和垮落,下部垮落带高度较小。,断裂带上大下
9、小,上部的轮廓大致呈抛物线,与采空区边界齐或略偏外。,(3)=5590,岩块滚动下滑,迅速充填下部上部:边界煤柱片帮、碎裂、抽冒,垮落带和断裂带上边缘急剧向上发展,大大超出上边界垮落带、断裂带呈耳形或上大下小的不对称拱形,3、垮落带与断裂带的高度,垮落带与断裂带的高度(1)主要影响因素顶板岩性 煤层倾角 采高及厚煤层分层次数采空区范围采空区处理方法,顶板岩性对两带的影响,顶板坚硬,两带高度较大,之和可达18 28倍采高顶板松软破碎时,两带高度较低,采厚的9 12倍。,煤层倾角对两带的影响,倾角小于35时,岩块就地堆积。垮落带和断裂带上边界离煤层的高度基本上是相等倾角35 54时,垮落岩块下滑。
10、倾角大于54时,岩块下滚,下部垮落的发展很小,上部发展很高,采高及厚煤层分层次数对两带的影响,一次采全高或分层初次开采时,两带高度与采高呈近似直线关系分层或近距离煤层群重复开采,两带高度随分层次数增加而递减,采空区范围对两带的影响,采空区范围大时,两带充分发展,反之受到限制,采空区处理方法对两带的影响,全部垮落法:上覆岩层破坏发展最充分,弯曲、离层、断裂、垮落,达到一定高度充填法:无垮落带,断裂带高度也明显降低煤柱支撑法:两带高度介于之间,垮落带高度的计算公式(倾角为035及3654)单一煤层的垮落带最大高度,覆岩为极坚硬岩层公式,w 垮落过程中顶板下沉值,覆岩为坚硬、中硬、软弱岩层或其互层公
11、式,垮落带高度公式(倾角为035及3654,厚煤层分层开采),导水断裂带高度计算公式(倾角为035及3654)(单一薄及中厚煤层或厚煤层分层开采),急斜煤层,h,垮落带及导水断裂带高度(倾角为5590),注:h区段或分段垂高,m;M煤层法线厚度,m。,近距离煤层垮落带和断裂带高度,层间距大于下煤层开采形成的垮落带高度 上下煤层的垮落带高度不重合,而断裂带高度可能重合,上下煤层的断裂带最大高度可按近距离上下煤层的厚度分别计算,取其中标高值大者作为两层煤的断裂带高度;上下煤层的垮落带高度则取上煤层的垮落带高度。,近距离煤层垮落带和断裂带高度,层间距小于下煤层开采形成的垮落带高度 上下煤层的垮落带高
12、度重合,上煤层的断裂带高度按该层的厚度计算,下煤层断裂带最大高度按综合开采厚度计算,取其中标高最大值作为两层煤的断裂带最大高度。,Mz=M1+M2,y2=H2k/M2,第二节 开采引起的地表移动,地表移动-因地下采矿使地表产生移动、变形和破坏的现象和过程 一、地表移动和破坏的形式 非连续型 裂缝或塌陷坑 煤层埋藏较浅,采厚较大或受构造影响连续型 地表移动盆地或下沉盆地煤层埋藏较深,采厚较小,鹤岗富力矿浅部开采引起的地表漏斗状塌陷坑,非连续型地表移动,地表漏斗形塌陷坑,非连续型地表移动,地表台阶状裂缝,非连续型地表移动,图1-6 地表塌陷漏斗,急倾斜煤层开采后煤层露头处附近漏斗状塌陷坑,非连续型
13、下沉,地表的裂缝、台阶或塌陷坑,对位于其上的建筑物、铁路和水体危害极大,应避免其出现。,连续型地表移动,地表移动盆地采空区上方地表形成的沉陷区域,又称地表下沉盆地。,在时间上和空间上是连续的,渐变的,有明显的规律,变形的基本指标可用数学方法表示,二、地表移动盆地的形成及其特征,1、地表移动盆地的形成,开采空间宽度称为起动距,H,1,(0.25-0.5)H,W1,2,W2,3,W3,4,5,W4,W5,地表移动盆地,动态盆地推进过程中形成的地表移动盆地 静态盆地最终地表移动盆地,地表移动盆地,1、充分采动,把地表最大下沉值不再随开采区域尺寸增大而增加的开采状态称为充分采动 特点:地表下沉值达到该
14、地质条件下应有的最大值,此后开采范围再继续扩大时,地表的影响范围相应扩大,但地表最大下沉值不再增加,临界开采,达到充分采动时的地表移动盆地,超充分采动,地表下沉盆地出现平底或有多个点的下沉值达到最大下沉值的采动状态,超充分采动,非充分采动,非充分采动地表最大下沉值随开采区域尺寸增大而增加的开采状态,非充分采动,3、地表移动盆地特征,主断面指通过盆地内最大下沉点沿煤层倾向或走向的垂直剖面主断面内表现为通过最大下沉点的地表下沉曲线。,1、近水平煤层地表移动盆地,近水平煤层地表移动盆地,下沉曲线,主断面上的地表下沉曲线分为三段或两段采空区上方的内缘区下沉曲线呈凹形 煤柱上方的外边缘区下沉曲线呈凸形,
15、下沉曲线的凹凸或内外边缘区分界点称为拐点,非充分采动的近水平煤层地表移动盆地,缓倾斜和中倾斜煤层地表移动盆地,移动盆地在倾向方向上与采空区不对称 盆地、最大下沉值 和拐点均下移,急倾斜煤层地表移动盆地,非对称性更加明显,整个盆地及最大下沉值向采空区下边界方向偏移,地表最大水平移动值大于最大下沉值,煤层底板岩层也移动,地表移动盆地的充分采动角,在移动盆地主断面上,将地表下沉曲线上的最大下沉点或盆地平底边缘点投影在地表水平线上,该投影点和采空区边界的连线与煤层底板在采空区一侧的夹角叫充分采动角,地表移动盆地的充分采动角,下山方向的充分采动角1上山方向的充分采动角2走向方向的充分采动角以3表示,边界
16、角、移动角和裂隙角,边界角,边界角在充分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,下沉盆地外边界,移动盆地最外的边界理论上:以地表移动和变形都为零实际处理:一般取下沉为10mm的点为边界点。,下沉盆地边界角,基岩走向边界角0下山边界角0上山边界角0,下沉盆地移动角,在充分或接近充分采动条件下,在移动盆地的主断面上,地表最外的临界变形点和采空区边界点连线与水平线在煤壁一侧的夹角,下沉盆地移动角,临界变形值 受保护的建筑物和构筑物不需修理能保持正常使用所允许的地表最大变形值,下沉盆地移动角,倾斜i=3mm/m水平变形=2mm/m曲率K=0.2mm/
17、m2大致相当于地表下沉值为80mm之点处基岩 走向移动角;下山移动角;上山移动角,松散层移动角,松散层 第四纪、第三纪未成岩的冲积层、洪积层和残积层的统称松散层移动角,裂隙角,地表最大的一条裂缝和采空区边界点与水平线在煤壁一侧的夹角 走向裂缝角上山裂缝角下山裂缝角,急倾斜煤层边界角、移动角、裂隙角,急倾斜煤层的顶板、底板边界角移动角和裂隙角,最大下沉角,在移动盆地倾向主断面上,采空区中点和地表最大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,=90-K K=0.50.8,四、地表移动和变形的主要指标及变化规律,研究方法地面点的运动时间 垂直移动空间 水平移动 空间问题 平面问题在主剖
18、面上用数学方法研究,运动,横向纵向,一点的移动矢量是空间位置(x、y、z)和时间(t)的函数,采厚比(连续型地表下沉条件)常规开采条件 长壁垮落理想地质条件 无大的地质构造(大断层)单煤层开采,典型化和理想化条件,一定倾角的煤层沿走向(水平煤层)主断面内移动和变形规律(充分采动),1,2,3,4,5,6,7,8,9,x,0,3,3,0,2,3,4,5,6,7,8,9,1,主断面内移动和变形规律,1、下沉 主断面内地表移动向量的铅直分量,用W表示。,坐标O点:最大下沉值处的地表点W坐标轴向下为正,单位为mmx坐标轴向右为正,单位为m,下沉变化规律,W=W(x)最大下沉值在盆地中央,Wo=W5;x
19、增加,W由零增加到最大,而后又趋于零,W(-x)=W(x);边界点由0决定;下沉曲线凹凸分界的拐点处,下沉值约为最大值的一半。,2、倾斜,倾斜是指地表单位长度内下沉的变化,用i表示单位为mm/m,i坐标轴向下为正,倾斜,倾斜是地表下沉的一阶导数,i(x),i=tg 正负号的决定:i=tg下沉曲线的切线与x轴正向所夹锐角为+时,倾斜为正;下沉曲线的切线与x轴正向所夹锐角为-时倾斜为负。左侧w0 右侧w0,x,倾斜的正负号,倾斜的正负号,有两组方向不同的倾斜边界点和最大下沉点之间的倾斜必然有正极值和负极值存在。,倾斜的正负号的物理意义,垂直于地表下沉曲线的杆状物倾倒的趋向与x轴正向相同时,倾斜为正
20、;杆状物倾倒的趋向与x轴负向相同时倾斜为负。,水平移动,水平移动-地表移动向量的水平分量,用U表示,单位为mm,,U=U(x),有两组方向不同的水平移动规定:正值的水平移动与x轴的正方向一致负值的水平移动与x轴的负方向一致,水平移动,1点 U1=05点 U5=09点 U9=0U坐标向下为正,边界点和采空区中点的水平移动为零;边界点和采空区中点之间有极值。,水平移动U(x)和倾斜i(x)的变化趋势同步,水平移动U(x)和倾斜i(x),B一个有单位的比例系数,曲率,地表单位长度内倾斜的变化,用K表示,单位为mm/m2或10-3/m。曲率坐标轴向上为正.,曲率,数学上曲率严格定义,地表移动和变形得出
21、的曲率是数学上曲率严格定义的近似。,正负号倾斜曲线的切线与x轴正向所夹锐角为+时,曲率为正;倾斜曲线的切线与x轴正向所夹锐角为-时曲率为负。大小K1=0 K3=0 K5=0 K7=0 中间必有极值K3=0 K5=0 K7=0 K9=0,曲率,曲率正负号的物理意义,正曲率的物理意义是地表下沉曲线在地面方向凸起或在煤层方向下凹负曲率的物理意义是地表下沉曲线在地面方向下凹或在煤层方向凸起,水平变形,水平变形单位长度上水平移动的变化用 表示,坐标向上为正,单位:mm/m,水平变形,U,o,x,+,-,正负号:用tg,水平移动曲线的切线与x轴正向所夹锐角为+时,水平变形为正;水平移动曲线的切线与x轴正向
22、所夹锐角为-时水平变形为负。大小 1=0 3=0 5=0 7=0 中间必有极值 3=0 5=0 7=0 9=0,水平变形,水平变形正负号的物理意义,水平变形正值的物理意义为地表受拉伸变形负值的物理意义为地表受压缩变形。,两个相等的正极值和两个相等的负极值 正极值为最大拉伸值,位于边界点和拐点之间;负极值为最大压缩值,位于两个拐点之间;盆地边界点、拐点和中点处水平变形为零;盆地边缘区为拉伸区,中部为压缩区盆地边界点和拐点处水平变形为零,水平变形的变化规律,地表移动盆地内五项指标变化规律,五项指标之间的关系,非充分和 超充分采动条件下水平煤层(或有一定倾角的煤层沿走向)主断面内地表移动与变形规律,
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