露天煤矿开采方法后多少年后对下层煤开采影响较小

2地表移动和变形预计;我国大部分地区煤炭开采引起的地表问题主要是开采沉;2.1开采引起的岩层移动和破坏;局部矿体采出后,在岩体内部形成一个空洞,其周围原;在采空区周围的岩层发生了较为复杂的移动和变形;2.1.1垮落带;1)垮落带岩块大小不一,无规则地堆积在采空区内;2)垮落带岩石具有一定的碎胀性,冒落岩块间空隙较;3)垮落带的高度主要取决于采出厚度和覆岩的碎
2 地表移动和变形预计
我国大部分地区煤炭开采引起的地表问题主要是开采沉陷。随着煤炭的开采力度进一步加大,地表沉陷带来的环境问题以及对土地资源、水资源、生态环境的消耗和破坏现象将会更加突出,成为阻碍煤炭自身发展的制约因素。因此,对开采沉陷形成原因、机理和移动变形的预计的研究是十分必要的。
2.1开采引起的岩层移动和破坏
局部矿体采出后,在岩体内部形成一个空洞,其周围原有的应力平衡状态被打破,引起应力重新分布,直至达到新的平衡,这是一个复杂的物理、力学过程,也是岩层产生移动和破坏的过程,这一过程和现象称为岩层移动。
在采空区周围的岩层发生了较为复杂的移动和变形。根据采矿工程的需要,将移动稳定后的上覆岩层按其破坏程度,大致分为三个不同的开采影响带,即垮落带(冒落带)、断裂带、弯曲带。
2.1.1垮落带
1) 垮落带岩块大小不一,无规则地堆积在采空区内。冒落带可分为不规则冒落带和规则冒落带,前者范围内岩层完全失去了原有的层位,岩石破碎、堆积紊乱;规则冒落带内岩层基本上保持原有层位,位于不规则冒落带之上。
2) 垮落带岩石具有一定的碎胀性,冒落岩块间空隙较大,连通性好,易导水、导砂。
3) 垮落带的高度主要取决于采出厚度和覆岩的碎胀系数,通常为采厚的3-5倍,其中不规则冒落带的厚度接近于采厚。可用下式估算冒落带高度:
(2.1) (k?1)cos?
式中,Hm为采厚,k为岩石碎胀系数,?为煤层倾角。
2.1.2断裂带
断裂带是指在采空区覆岩中产生裂缝、离层及断裂,但仍保持层状结构的那部分岩层。位于冒落带之上。其特征为:
1)岩层不仅产生垂直于层理面的裂缝或断裂,还产生顺层理面的离层裂缝。
2)根据垂直裂缝的大小和连通性,裂缝带可分为:
严重断裂:岩层大部分断开,但保持其原有层位,裂缝漏水严重;
一般断裂:岩层很少断开,漏水程度一般;
微小断裂:岩层裂缝不断开,连通性差。
冒落带和裂缝带合称为冒落裂缝带,或导水裂缝带。其高度与岩性有关,一般软弱覆岩时为采厚的9-12倍,中硬覆岩时为采厚的12-18倍,坚硬覆岩时为采厚的18-28倍。
2.1.3弯曲带
弯曲带位于裂缝带之上直至地表。其移动特点为:
1)岩层在自重作用下产生层面法向弯曲,在水平方向处于双向压缩状态;
2)岩层的移动过程是连续而有规律的,并保持其整体性和层状结构,不存在或极少存在离层裂缝;在竖直面内移动值相差很小;
3)一般情况下具有隔水性;
4)弯曲带高度主要受采深影响。
2.2地下开采引起的地表移动形式
2.2.1 地表移动盆地
开采影响到地表之后,在采空区上方形成一个比采空区大得多的沉陷区域,对地表的建筑、道路、河流、铁路、生活环境等有影响。
地表移动盆地的形成:
1)当工作面推进一段距离之后才在地表产生显著的移动;
2)随着工作面的推进,采空区的扩大,下沉盆地也逐渐扩大;
3)当采空区达到一定程度时,最大下沉将不再增加而形成一个平底的下沉盆地;
4)当工作面停止以后,地表的移动不会马上停止,要延续一段距离时间。
2.2.2 裂缝及台阶
产生裂缝的条件与有无松散层及其厚度有关。
塑性大:变形值超过6-10mm/m,地表产生裂缝;塑性小:变形值超过2-3mm/m,产生裂缝。一般地表裂缝与地下采空区不连通,到一定深度可能尖灭。
2.2.3 塌陷坑
产生条件:开采急倾斜煤层或某种特殊的地质采矿条件下易产生。
1)塌陷坑多出现在急倾斜煤层开采条件下。由于煤柱的抽冒,结果在地表形成漏斗状塌陷坑。
2)在采深很小或采厚很大的情况下,也会在地表产生漏斗状塌陷坑。
3)在有流砂层的情况下,由于防水煤岩柱小而导致水砂溃入井下,在地表形成塌陷坑。
4)开采缓倾斜煤层时,由于露头入采深不大,可能形成塌陷坑。
2.3地表移动和变形预计
2.3.1基本概念
对一个计划进行开采的一个或多个工作面,根据其地质采矿条件和选用的预计函数、参数,预先计算出受此开采影响的地表移动和变形的工作,称为地表移动和变形预计,简称预计。
预计时用到的地质采矿条件有:煤层的法向开采厚度(采高)m,煤层倾角α,采空区下山边界、上山边界、走向主断面上和平均开采深度H1、H2、H3、H0,采空区走
向长D3、倾向斜长D1,顶板管理方法,上覆岩层的性质,工作面形状和工作面推进速度等。
预计参数是指在预计函数(解析公式或图形等)中用到的一系列数据,这些数据是根据所预计的工作面的地质采矿条件确定的,对一个特定的矿区和开采而言,预计参数是固定的;对于不同的矿区和开采,预计参数是不同的。
2.3.2预计的意义和作用
1)在理论研究上,利用预计结果可以定量地研究受开采影响的地表在时间上和空间上的分布规律。为分析煤矿开采对地表环境的影响提供理论基础。同时也对矿山生态回复和矿区土地复垦方案的提出有指导的意义。
2)在生产实践上,利用预计结果可以指导建筑物下和水体下的开采实践。在建筑物下开采时,预计结果可以用来判别建筑物是否受开采影响和受开采影响的程度,作为受影响建筑物进行维修、加固、搬迁,或就地重建的依据;在水体下开采时,预计结果被用来判断矿井受水患威胁的程度以及研究开采对受影响的堤坝等水工建筑物的破坏和影响的程度,以便进行必要的维修和保护。
2.3.3预计的内容
根据预计的要求、保护对象的空间位置和开采煤层的情况,地表移动和变形预计的内容主要有如下方面:
1)最大值的预计:预计地表指定部位的下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形的最大值及其出现的位置。
2)主断面上地表移动和变形的预计:预计地表沿下沉盆地的走向或倾向主断面的移动和变形分布情况。
3)地表上任意点的移动和变形值的预计:预计地表下沉盆地内任一点的下沉值及该点沿指定方向的倾斜、曲率、水平移动和水平变形值。
4)多工作面或多煤层开采时地表移动和变形预计:地表移动和变形预计时主要考虑到其受重复采动的综合影响。
2.3.4预计的方法
地标移动和变形预计的方法有很多种,根据建立预计方法的途径不同预计方法可分为经验方法,理论模型方法和影响函数法三种。下面分别对这三种方法进行介绍,本文中重点介绍影响函数法中的概率积分法。
2.3.4.1经验方法
经验方法是在特定的地质采矿条件下,通过大量的开采沉陷实测资料的数据处理,确定各种移动和变形的预计函数形式(解析公式、曲线或表格)和预计参数的经验公式。这种方法是当前最可靠、预计精度比较高的方法。经验方法主要有典型曲线法、剖面函数法和威布尔分布法等。
2.3.4.2理论模型方法
理论模型方法是把岩体抽象为某个数学的、力学的或数学-力学的理论模型,按照这个模型计算出受开采影响岩体产生的移动、变形和应力的分布情况。该法所用的理论模型分两种:连续介质模型和非连续介质模型。连续介质模型认为岩层和地表是一种连续的、无间断的一种固体,按力学方法进行求解,公式比较复杂,所用的参数常用实验室试验或理论推导求得,一般与现场实测资料没有直接关系,难以确定,至今没得到广泛的应用。理论模型方法主要有有限元法、边界元法、离散元法和非线性力学法等。
2.3.4.3影响函数法
影响函数法是介于经验方法和理论模型方法之间的一种比较有效的预计方法。其实质是根据理论研究或其他方法确定微小单元开采对岩层或地表的影响,把整个开采对岩层和地表的影响看作采区内所有微小单元开采影响的总和,并据此计算整个开采引起的岩层和地表的移动和变形。目前,此法所用的参数常根据实测资料求定。影响函数法主要有概率积分法、布德雷克-克诺特法和柯赫曼斯基法。目前我国应用最多的方法是概率积分法。
下面我们着重对概率积分法进行介绍。
1)概率积分法的定义
概率积分法就是根据随机介质理论,把开采引起的地表移动看作随机事件,用概率积分(或其导数)来表示微小单元开采引起地表移动和变形的预计公式(影响函数),从而用叠加原理计算出整个开采引起的地表移动和变形。概率积分法由我国学者刘宝琛、廖国华等提出的,目前已成为我国较成熟的、应用最为广泛的预计方法之一。
2)基本原理
概率积分法是把岩体看作一种随机介质,把岩层看作由大量松散的颗粒体介质组成,通过随机介质理论,把岩层移动看作一种服从统计规律的随机过程,由此研究岩层与地表移动。从统计学观点出发,可以把整个开采区域分解为无限个微小单元的开采,整个开采对岩层及地表的影响等于个单元开采对岩层及地表影响之和。按随机介质理论,单元开采引起的地表单元下沉盆地呈正态分布,且与概率密度的分布一致。因此,整个开采引起的下沉剖面方程可以表示为概率密度函数的积分公式。
3)概率积分法预计模型
和其它的方法相比,概率积分法的预计模型相对简单,预计参数比较稳定,预计精度能满足一般工程的需要,同时,更容易实现电算。概率积分法预计模型如下:
1(??x)2?(??y)2
W(x,y)?Wcm???2?exp(??d?d?
倾斜: ?W(x,y)2?(??x)(??x)2?(??y)2
ix(x,y)??Wcm???exp(??d?d?
(2.3) 42?xrrD
?W(x,y)2?(??y)(??x)2?(??y)2
iy(x,y)??Wcm???exp(??d?d?
(2.5) 42?yrrD
?2?(??x)2?(??x)2?(??y)2
??1?d?d? (2.6)
42??exp(??rr??
??i(x,y)2??2?(??y)2(??x)2?(??y)2
ky(x,y)??Wcm??4??1?exp(??d?d? (2.7)42???yrr?Dr??i(x,y)2?kx(x,y)??Wcm??4?xDr
水平移动:
2?(??x)(??x)2?(??y)2
Ux(x,y)?Ucm???exp(??d?d?32rrD(2.8)
2?(??y)(??x)2?(??y)2
Uy(x,y)?Ucm???exp(??d?d??W(x,y)ctg?0
(2.9)32rrD
水平变形:
?2?(??x)2?(??x)2?(??y)2
??1?exp(??d?d?
(2.10) 42??rr??
?2??2?(??y)2(??x)2?(??y)2
ky(x,y)?Ucm??3??1?exp(??d?d??i(x,y)ctg?0(2.11)22??rr?Dr?2??x(x,y)?Ucm??3Dr
式中:Wcm_――地表充分采动时最大下沉值;
Ucm――地表充分采动时最大水平移动值;
r――主要影响半径;
θ0――主要影响传播角;
D――开采区域;
x,y――计算点的相对坐标(考虑了拐点偏移距)。
Wcm?qmcos?
q――下沉系数;m――开采厚度;
α――煤层的倾角;
b――水平移动系数。
2.4本章小结
本章主要针对煤矿开采引起的地表移动变形进行了论述,介绍了开采引起的岩层移动和破坏三个不同的开采影响带,即垮落带(冒落带)、断裂带、弯曲带。同时也分析了三H tan?种地面移动形式产生的过程和因素。最后研究了地表移动和变形预计的意义、内容和方法。其中最主要探究预计方法中的概率积分法,对其原理、数学模型进行了详细介绍。
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  [摘 要] 在当今社会发展的新形式下,煤矿开采技术的进步和完善始终是采矿学科发展的主题。在发展现代采煤工艺的同时,继续发展多层次、多样化的采煤工艺,建立具有中国特色的采煤工艺理论。我国采煤方法已趋成熟,放顶煤采煤的应用在不断扩展,应用水平和理论研究的深度和广度都在不断提高。本文就对煤矿开采技术作了分析。 中国论文网 /1/view-6494183.htm  [关键词] 煤矿开采; 采煤工艺; 控制技术; 问题和对策   一 煤炭工业发展现状   煤炭是我国重要的基础能源和重要原料,煤炭工业的发展支撑了国民经济的快速发展。在 20 世纪50 年代和 60 年代,煤炭在我国一次能源生产和消费结构中的比重分别占 90% 和 80% 以上, 2004 年煤炭所占的比例分别为 75.6% 和 67.7% 。   (一) 改革开放以来煤炭工业取得显著成绩   1 煤炭产量持续增长   全国原煤产量由改革开放初期的 6 亿吨左右提高到 2004 年产量 19.56 亿吨,增长 2 倍多,处于历史最高水平,为我国国民经济发展提供了能源保障。   2 生产水平大幅度提高   大中型煤矿机械化水平、单产、单进、原煤工效,都逐年增高。建成了一批国际领先、高产高效矿井,初步建全了技术、设计、制造、培训比较完整的技术保障体系。   3 产业结构调整取得重大进展   政企分开迈出重大步伐,大多数国有大中型煤炭企业开始建立现代企业制度。一些企业开始了跨地区、跨行业的产业联合,煤、电、化、路、港、航产业链开始形成,一批劣势企业退出市场。   4 行业整体效益不断增加   在经历三年严重的经济困难后, 2001 年煤炭行业开始走出低谷,呈现恢复性增长。 2002 年后步入快速增长周期,经济运行质量不断提高。 2004 年全国规模以上煤炭企业补贴后实现利润达 418 亿元。 (二) 行业主要特点   1 煤炭是资源性行业   煤炭是不可再生的资源。煤矿的寿命取决于其所拥有的煤炭储量。我国大多数煤矿远离城市和经济发达地区、社会负担重,经济基础差。地区条件不一,煤炭企业发展不平衡性在行业中十分突出。   2 煤炭是高危行业   因煤矿生产条件所限,从历史上看,在各国工业部门中,煤矿的事故死亡率是最高的。我国煤矿 95% 生产能力是井工开采。高瓦斯和双突矿井占全国煤矿矿井总量的 1 / 3, 90% 矿井有煤尘爆炸危险性。随着开采深度增加,影响安全生产因素愈来愈多,条件愈来愈复杂。   3 煤炭是投资高风险行业   煤矿开采环节复杂,矿井建设投资大,周期长,见效慢,煤炭市场不确定因素多。因此,从建井到生产,经营风险大,多数煤炭企业产业结构上的问题影响了企业市场适应能力和抗灾能力。   4 煤炭是为国民经济发展做贡献的行业   煤炭属于初级产品,煤矿的效益向后续加工工业传递和辐射。单一的产品结构,企业经济效益难以提高,我国煤炭开采的价值和效益体现在后续产业和对国民经济发展的支撑作用。   二 煤炭工业面临的主要挑战   (一) 资源保障问题   我国煤炭品种齐全、资源比较丰富,但资源勘探程度低,经济可采储量和人均占有量较少,资源破坏和浪费严重,生态环境和水资源严重制约煤炭资源的开发。   我国煤炭资源区域分布不均衡。秦岭、大别山以北,煤炭储量占全国总储量的 90.7% ,其中晋、陕、蒙三省(区)占全国的 65% 。   资源保证程度低。截止 2000 年末,我国尚未利用的精查储量约为 600 亿吨,目前可供大中型矿井利用的精查储量仅 300 亿吨左右。据估算,到 2020年,煤炭精查储量需增加约 1250 亿吨。   当前我国资源破坏和浪费严重。部分煤炭企业存在着“采厚弃薄”、“吃肥丢瘦”等浪费资源现象,全国煤矿平均资源回收率为 30% ~ 35% 左右,资源富集地区的小型矿井资源回收率只有 10% ~ 15% 。我国适合建设大型煤炭基地的整装煤田,随意被分割肢解现象严重。   (二) 煤矿生产能力与技术结构问题   1 煤矿生产技术水平低   全国采煤机械化程度仅为 42% ,除部分国有大矿之外,大多数煤矿生产技术水平低,装备差,效率低。特别是乡镇煤矿,基本上是非机械化开采。   2004 年乡镇煤矿产量仍占我国煤炭总产量的 39% ,在资源消耗和人员伤亡上,已付出了很大的代价。   2 部分煤矿超能力生产   据调查分析, 2003 年国有煤矿的 11.2 亿吨产量中,属于超能力和无能力矿井生产的煤炭约为1.42 亿吨,占国有煤矿产量的 13% 。煤矿超强度超能力生产满足了国民经济发展对煤炭的需求,但其造成的负面影响,一是缩短煤矿开采年限,二是威胁煤矿安全生产。   3 大中型煤矿煤炭供给能力不足   据预测,我国现有生产煤矿和在建煤矿的合计生产能力到 2010 年和 2020 年分别为 17.7 亿吨和14.7 亿吨。要实现煤炭产需平衡,需要再建设一批新井和扩大现有煤矿的生产能力,预计到 2010 年和2020 年分别需要再增加生产能力 4.5 亿吨和 11.1 亿吨。   (三) 行业结构与企业发展问题   1 煤炭产业集中度低   2004 年我国前 8 家煤炭企业市场集中度为20.68% ,远低于世界其它主要产煤国家。   2 煤炭企业负担过重   煤矿企业税负比 1994 年税制改革前提高了 6个百分点; 2003 年,煤炭行业支出铁路建设基金约100 多亿元;国有重点煤矿企业办社会问题突出,地方政府接收困难,原国有重点煤矿办社会年净支出60 亿元。   2004 年末,原国有重点煤矿在职人员 257 万人,由于所在地区社会承受能力弱,难以减人提效。   部分煤矿资源枯竭,生产能力下降,生产成本上升,富余人员、工伤抚恤人员多,转产困难。   3 煤矿企业效益差、职工收入低   2004 年原中央财政煤炭企业补贴前亏损面仍高达 48% ,补贴后仍有 6% 的企业亏损。2004 年原国有重点煤矿在岗职工平均收入 16812 元,低于全国平均水平。   (四) 煤矿安全与矿区环境治理问题   1 煤炭安全形势严峻   2004 年煤矿共死亡 6027 人,百万吨死亡率为3.08 ,显著高于世界其它主要国家。如美国为 0.03,波兰 0.09 ;大多数煤矿生产和安全技术装备落后,防灾抗灾能力差,重大、特大事故频繁发生。2004 年共发生死亡10人以上特大和特别重大事故 42 起,死亡 1008 人。   2 矿区环境治理问题   矿井生产中排放的煤矸石约占原煤产量的 8 ~10% ,现已累计堆存煤矸石 30 多亿吨,占地超过 15万亩。   矿区地面塌陷、煤田自燃火灾、部分煤矸石自燃、煤矿瓦斯排放对生态环境构成严重影响。   煤矿开采每年排出地下水约 22 亿立方米,我国西北部主要煤炭产区,煤炭开采加剧了水资源的匮乏,对矿区生态环境造成影响。   井下煤层气年抽出量约 100 亿立方米, 90% 直接排放到大气中。   (五) 煤炭运输与燃煤污染问题   1 煤炭运输制约   我国煤炭资源主要分布在西北部,而煤炭消费重心在东南部,形成了“北煤南运、西煤东调”的格局,运输距离长,运输费用高,影响煤炭供应能力和市场竞争力:铁路运力不足的问题将长期存在;港口吞吐能力满足不了需要;公路长距离运输成本过高。   2 煤炭消费与环境保护问题   煤炭在利用过程中将产生大量的污染物和温室气体。特别是煤炭的不合理利用,排放了大量烟尘和有害气体,严重污染环境。随着煤炭消费量的增加,环境保护压力将越来越大。   我国酸雨覆盖区已扩大到约占国土总面积的30% , SO2 排放的 75% 以上来源于燃煤。2003年 SO2排放总量增加至 2158 万吨,酸雨污染加重。   2003 年燃煤总量增加,烟尘排放总量增加至1047 万吨。   我国 CO2 排放量目前居世界第二位,CO2 的排放约 80% 来自煤炭燃烧。   三 煤炭工业发展的战略对策   通过优化结构、合理开发利用,保障煤炭长期稳定供给,促进煤炭行业健康、协调、可持续发展。   煤炭是我国重要的基础能源和重要原料,是不可再生的矿产资源。煤炭生产是高危险性和高风风险的行业,要把节约资源、保障安全和保护环境放在重要的位置,合理开发利用,以保障煤炭长期稳定供给。煤炭行业必须淘汰技术落后的粗放型生产方式,走新型工业化道路,国家应制定长远战略对煤炭资源实行保护性开采和利用。   优化行业结构。我国煤炭产业集中度仍然很低,具备安全生产条件的煤矿生产能力不足,必须抓好大型煤炭基地建设,培育和发展大型煤炭企业集团。煤炭是艰苦和危险的行业,必须改善行业的发展环境,以吸引投资和人才。   优化产品结构,提高煤炭及煤炭行业的竞争力。发展和推广应用洁净煤技术,通过煤炭高效洁净利用技术,减少煤炭利用过程中的污染物和温室气体排放,提高煤炭的竞争力;通过煤炭加工和转化延长煤炭产品的产业链,拓展煤炭市场。   (一) 培育和发展大型企业和企业集团   通过市场引导和政府推动,积极培育和发展跨地区、跨行业、跨所有制、跨国经营、亿吨级以上的大型企业集团。这些企业集团国内市场占有率将达到60% 以上,成为商品煤供应基地、出口煤基地、煤炭深加工基地和市场投资主体。   鼓励煤炭企业发展相关产业。支持煤电联营,鼓励煤炭与电力企业联合建立坑口电厂;支持煤炭企业与冶金、化工和建材行业实现上下游产业的联营。   (二) 建设大型煤炭基地   根据国务院“重点支持大型煤炭基地建设,促进煤电联营,形成若干个亿吨级煤炭骨干企业”的决策,结合煤炭开发布局,选择煤炭资源条件好,具有发展潜力的矿区作为大型煤炭基地。抓好基地内主要矿区的新井建设和现有矿井技术改造,提高大型煤炭基地产能比重。   建设大型煤炭基地,提高大中型煤矿的技术水平和生产能力,保障煤炭长期稳定供给。13 个大型煤炭基地,现有煤矿生产能力 8 亿吨,预计 2010 年达到 15 亿吨, 2020 年达到 18 亿吨。   (三) 建设高产高效矿井、全面提高煤矿开采技术水平   大力发展综合机械化采掘技术,推进高产高效煤矿建设,实现煤矿高效、安全、洁净开采。建设一批大中型现代化矿井;对现有大中型矿井进行技术改造;联合改造小煤矿,全面提高煤矿开采技术水平和资源采出率。我国煤矿采煤机械化程度仅为 42% ,小型煤矿采煤方法和采煤工艺必须进行改革,要逐步淘汰和禁止非正规采煤方法和落后的采煤工艺,大力推广机械化采煤技术。   (四) 建立煤矿安全长效机制   提高安全生产准入门槛。目前乡镇小煤矿产量仍占我国煤炭总产量的 39% ,乡镇小煤矿生产保障了我国煤炭需求的供给,但在资源消耗和人员伤亡上,付出了很大的代价。必须建立严格的煤炭开采准入制度,逐步淘汰安全条件差的落后煤矿。   加大煤矿安全投入。国家继续对煤炭行业特别是煤矿安全给予必要的政策支持,重点支持大中型煤矿技术改造。在规范煤矿维简费管理的基础上,严格安全费用提取和使用,加大煤矿安全生产设施投入。   加大监察执法力度。加强对各类煤矿的安全监察,依法惩处违法违规现象,做到有法必依,执法必严,违法必究。   在 2010 年前,全国煤矿百万吨死亡率力争从2004 年的 3.08 降到 1.5 以下,其中大型煤矿为 0.4以下。   [参考文献]   [1] 李 伟,李 超,王亦昕. 河南省长虹煤矿生态环境影响评价[J]. 中国西部科技,2010(36).   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