太原理工大學碩士學位論文山區地面建筑物保護煤柱設計的研究2001.4.1太原理工大學碩士學位論文分析，提出沒有考慮山區地形與采動滑移的影響，照搬平地設計方法和設計參數是造成山區地面受護建筑物破壞的主要原因。濫于目前山區煤柱設計仍采用垂線法與垂直斷面法，采用這兩種方法的關鍵在于正確選擇設計參數，其中最主要的參數是移動角。文中首先從對移動角的分析入手，指出對于近水平煤層、中硬覆巖長壁大冒頂開采條山區移動角的選取應結合上下坡方向采動、開采深厚比/、采動次數、地表傾角、地形坡度變化、采動程度；此外還對山區煤柱設計其它參數諸如圍護帶的選取、表土層移動角及表土層厚度的確定、以及山區地面受護建筑的有利、不利地形作了分析。文中用一個山區煤柱設計實例，指出采用山區地表移動預計是山區煤柱設計好后必要的補緩沖溝來減弱采動坡體滑移的影響。通過相似材料模擬試驗和有限元數值模擬對山區采動覆巖與地表移動規律及破壞過程作了研究，指成山區地面受護建筑物破壞的主要原因并不是煤柱破壞向地表的傳遞，而是采動地表滑移所致，并對現行規程有關山區煤柱留設部分存礦的安全生產以及環境保護有重要參考價值。【關鍵詞】開采沉陷保護煤柱設許、山區地面建筑物山區地表移動太原大學碩士學位論文?.,....,也.’&囊幽；太原理工大學碩士學位論文第一章緒論隨著采礦事業的發展，開采沉陷損害及其防護的研究愈來愈受到是平地，而涉及山區保護對象問題的研究很少，特別是山區煤柱設計問作為我國煤炭生產基地的山西，幾乎所有礦區都在山區。山區不僅有大量的工業、交通和民用建筑物，如工業廣場、居民住宅、風井與風地開采煤炭資源，我國從五十年代中期起就在山區煤礦開展了地表移動觀測和研究工作，六十年代進行了山區煤柱設計的研究，七十年代進行了壓煤開采的試驗，這些方面都取得了一定成績，但也存在不少亟待解決的問題。如一些保護煤柱未能起到應有的保護作用，使受護對象遭到不同程度的損害。另外一些礦區的"三下"壓煤量很大，影.研究的目的與意義數煤礦的工業場地、住宅區和村鎮居民點等工業與民用建筑物，仍然主要采用留設煤柱的方法來加以保護。在山區，由于地形條件復采動地表存在附加滑移變形等諸原因，更是限制了建筑物下采煤。山區移動范圍及移動角與平地有明顯區別，照搬平地的參數和方法設計等“在方向移動角應減小~,';新規程嘲在原規程基礎上作了修正：“當保護煤柱受護邊界至煤柱邊界范圍內地表傾角大于。時，應采用本礦區求得的山區移動角留設保護煤柱，如無本礦區實測資料而采用平地傾角大于~。,采動地表滑移都有可能發生。對一些中硬覆巖近水平煤層開采的山區觀測資料分析表明，由于山區采動滑移影響，山區基巖移動角不僅與上、下坡方向采動有關，而且也與開采深厚比有一定關系。為了合理地留設保護煤柱，需要有一套合適的方法和理目前煤柱設計的方法有垂直斷面法、垂線法、數字標高投影法、橢圓錐法、四次曲線法、臨界面標高投影法等，其中后三種方法離實踐應用還有差距，所以并沒得到應用。目前山區煤柱設計多采用垂直斷面法和垂線法，采用這兩種方法時移動角是一個最重要的參數，而現在山區煤柱設計所選用的移動角僅考慮了與上、下坡采動的關系，并未考慮它與深厚比、采動次數以及地表傾角等的關系，另外山區所有受護建筑物采用同一組臨界變形值是否妥當，以及目前圍護帶的選用參數是否準確都是值得研究的問題。鑒于山區地面受護建筑物時有破壞，為此需要對山區地面建筑物保護煤柱設計方法和理論作進一步的研究和探討。本課題就是根據目前山區煤礦煤柱留設方法、保護建筑物存在問地面建筑物保護煤柱合理設計方案和正確設計參數，從而避免受護建筑物的損害。本課題的研究對于煤礦的安全生產、環境保護有重要對于改善山區煤柱留設和壓煤開采都有重要參考價值。.國內外研究動態..采動損害與防護開采沉陷對人類的生產和生活的影響早已被人們所認識，早在世紀，比利時曾經發布過一項法令，對因進行開采而使烈日城的水源受到破壞的責任者處以死刑吲。但由于當時開采沉陷研究不夠，直到二十世紀初，因地下開采使鐵路、房屋遭到破壞、井下透水造成人員英國、加拿大、日本和美國等國家對開采沉陷理論和控制技術都進行了太原理工大學碩士學位論文我國對開采沉陷的研究是從二十世紀五十年代開始的，經過多年的發展，不僅積累了豐富的實測資料，而且不斷改進和完善了理論，并在開采沉陷理論中滲透了其它相關理論，使開采沉陷的研究些礦區建筑物下采用條帶開采、充填開采、協調開采來解放壓煤這些方法使村莊建筑物下采煤取得了很大的成功。在山區，也曾在抗變形房下面做過采煤試驗，雖然有一定的破壞，但實驗證明經修補后可照常使用。由于目前多數山區建筑物未進行抗變形設計，再加區地形條件復雜、采動地表存在附加滑移變形等諸原因，限制了山區建筑物下采煤，因此，對于山區地面建筑物的保護，還主要是留設煤柱來加以保護，但一些煤柱并未起到預定的保護作用。在我國，幾乎每年均有由采動引起地面建筑物的損害；波蘭受采動直接影范圍有%是建筑物地區【】:美國每年由于井下采煤對建筑物所造成的損失達萬美元【。另外，礦區井筒的保護也是一個極其重要的環節，井筒的破壞多發生在井筒穿過巖體的斷裂面和軟弱面處，開采會引起巖體沿軟弱面產生剪切破壞。文獻把立井井筒破壞的類型分為兩種：一是由巖層與地表采動非正規移動??沿弱面產生的滑動；二是由巖層與地表采動正規移動??下沉與水平移動所引起。此外文獻”“”分別論述了黃淮、淮北、徐淮礦區井筒破裂原因，主要從水文地質、采動影生產因素、施工因素作了分析。文獻【給出了山區井筒破壞的幾指出山區井筒破壞部位發生在表土層與基巖接觸部位。保護帶來不少麻煩。還有煤柱設計不合理、小窯越界開采，保護范圍邊界處有斷層以及采動滑坡等因素常常影響到建筑物的安全使用Ⅲ當表土層厚度大于米，地表傾角在以上，采動很可能會誘發滑太原理工大學碩士學位論文坡，在陽泉礦區、西山礦區以及川、陜等部分礦區都有此類現象發生施保護措施，而且設計開采及開采過程中也相應實施保護措施指出工作面開采線應和保護建筑物長軸平行，在建筑物附近采煤時，應放慢速度；斯威士蘭..等曾對斯威士蘭煤礦煤柱破壞用有限元法分析，但該地區采用房柱式采煤，與我國山區現今多數采用全陷大冒頂法開采又有所區別；文獻【”中也提到，盡管各地區地形、地質、采深、及建筑物結構等不同，但對于受護物事先應確定其允許變形值，這一點在許多國家已達成共識，然而在易受采動影響的建筑物下方，德國和英國的工程師認為應慢速推進工作面，而美國一些研究者認為工作面應快速推進受護物下方；另外設置補償溝，用糾偏裝置及時調整建筑物四也可有效地防止采動帶來的損文獻IⅢ】從土力學的角度分析了建筑物基礎與表土層之間力的傳遞過..保護煤柱設計理論研究現狀國外在保護煤柱設計方面的理論有：波蘭對圈定建筑物煤柱形成自己獨特的方法，在設計圍護帶寬度和保護煤柱半徑時都需用到上覆巖層的抗拉強度口：西德采用兩種方法留設】:一是采用影響半徑法計算移動變形值，再聯合臨界移動變形值來計算臨界距離和臨界于巖層復雜性是不夠精確的，二是采用“保護角”,相當于移動角來設計。國內煤柱留設的方法有垂直斷面法、垂線法、數字標高投影法【,這三種方法已列入規程”,此外還有四次曲線法”、橢圓錐法、臨界面標高投影法口。其中垂直斷面法和垂線法簡單易行，主要根據移動角來確定保護煤柱的邊界，對于同一受護對象，垂直斷面法比垂線法在受護建筑物角點處多留一部分煤柱，所以目前大多采用垂線法留設煤柱。四次曲線法、橢圓錐法、臨界面標高投影法都是避免在建筑物角點處留設過多的煤柱，保護煤柱的范圍是一曲面，這三種方法在理因此并沒有在實踐中用到。此外，還有有關多煤層丌采煤柱合理尺寸的研究Ⅲ?,其原理就是將多煤層丌采的移動變形值疊加，根據建筑物的允許變形值，反求煤柱的合理尺寸。但是這些方法是基于地表近水平的情況，有關山區多煤層開采的保護問題的研究，目前還不..山區地表移動規律及煤柱設計現狀有進行深入系統的研究才能逐步解決。在這方面國外研究很少，英國曾經進行過山區地表移動相似材料模擬實驗，美國設置了山區地表移動觀測站【?,取得了一些觀測成果，但至今未見到有關山區地表移動預計、煤柱設計及煤柱留設效果方面的資料。我國何萬龍教授在~年首次運用疊加原理提出山區地表移動規律及預計模型，該成果現已被列入規程?,何教授還導出了基于疊加原理和滑移向量分析原理的滑移向量函數模型【;還有顏榮貴教授基于隨機介質理論的山區概率積分法模型【,該模型只能反映采深變化引起的移動、變形分布的非對稱形態，而不能反映采動滑移引起的溝谷上升、移動范圍增大以及山區其它應力、應變特征；劉廣榮教授的基于疊加原理的滑動應力~應變函數模型”,該模型以實測資料擬合水平變形，然后反該模型雖然從滑移力分析入手，但實際預計公式中沒有涉及力學參對作用力之間的相互關系以及力與位移、應力與應變關系未作進一步分析，同時坡體表土層等厚和傾角相同的假定也使其實際應用受到限制。此外關于山區地表移動規律，戴華陽、胡友健等【認為山區采并應用負指數函數法導出了山區地表移動預計公式。由于所需參數需區地面保護對象破壞的主要原因是煤柱以外的上坡和下坡開采所致，并對山區地表移動規律、山區地表采動滑移機理、滑移的應力，應變模型憋盞≤磷女太原理大學碩士學龜作了深入研究時，應按平行或垂直地表傾斜方向設置保護煤柱邊界和圍護帶，然后按上下坡采動滑移影響角確定煤柱邊界。劃定山區傾斜煤層保護煤柱時，也應先劃出平行或垂直地表傾斜方向的煤柱邊界，然后再過煤柱的角點作平行和垂直煤層走向的煤柱邊界。另外對于山區利用同一組移動變形值確定移動角來留設各種建筑物保護煤柱是否合理也是值得研究的問題。由平項山礦務局年農房下采煤實驗”證明對于非充分采動地表水平變形/,傾斜/,房屋墻上料石或土坯墻不出現或僅出現幾條輕微裂縫，對于地表拉伸變形值超過./,壓縮變形超過./,房屋會出現難以修復的損害。室內模擬實驗也曾做過，采動對地面建筑物基在地表下沉盆地上山邊緣地表下沉與基巖下沉值相等；地表下沉對深基礎建筑物影響不大，其中一部分是采動引起的地表下沉，另一部分是地基受采動影響而產生的次固結下沉。筑物的保護帶來了不少麻煩。目前多采用垂直斷面法與垂線法設其中移動角是最重要的參數，許多礦區以前曾在該地區使用同一移動對陽泉礦區巖層移動角作分析，先后推導出走向移動角與深厚比成線性適用“。然而所有這些資料并沒有考慮山區地表滑移的影響，對地表傾角、采動程度未作分析。在目前山區地面建筑物保護煤柱設計也僅僅考慮了移動角與上、下坡方向采動的關系，而對于開采深地表傾角、采動程度等因素未作考慮。另外對于建筑物采用同一組臨界變形值是否合理以及現今山區受護建筑物圍護帶的選取都是值得考慮的問題。鑒于山區受護建筑物的破壞時有發生，所以很有必要對目前建筑物保護煤柱的理論與方法進行進一步研究。本課題就是應用山區地表移動規律、山區地表移動預計系統對目前山區煤礦煤柱留設方法以及參數的選擇進行深入研究，根據受護.太原理工大學碩士學位論文建筑物存在的問題，找出損害原因，并結合山區相似材料模擬實有限元數值模擬對山區采動坡體及覆巖變形規律加以分析，從而提出山區地面建筑物保護煤柱合理的留設方案和正確參數的選擇。.研究主要內容與手段針對目前山區有些地面建筑物有時并不能達到預期結果，本文主要研究以下幾方面的內容：分析設計山區煤柱所用的參數主要考慮移動角、圍護帶的選取、建筑物臨界變形值是否合理；目前規程山區地面建筑物煤柱留設方法、采用山區地表移動預計法鑒于目前地面建筑物的破壞多受來自煤柱外上坡方向煤層的開采所引起，本論文擬選取山區某一面坡地表移動觀測站資料作為實驗模型，通過做相似材料模擬實驗，觀測巖層位與地表測點的位移來研究山區采動地表與覆巖變形規律，從而為煤柱設計提供一定的借一步說明山區采動地表與覆巖移動變形規律：案。太原理工大學碩士學位論文第二章山區煤柱設計參數的分析為了提高煤炭資源回收率和礦井建設的投資效益并保護建筑物的安全，必須科學合理地進行建筑物保護煤柱的設計。從搜集的資料來看，山區煤柱設計還是采用平地保護煤柱留設方法，多采用垂直斷面法與垂線法，而用這兩種方法設計保護煤柱的關鍵在于選擇正確參.現場資料的分析均采用垂線法或垂直斷面法設計。..表土層移動角與圍護帶取值,對于民房按表.取值。表.陽泉礦區民房煤柱圍護帶寬度0年前年后地面建筑物保護等級圍護帶寬度從表.看，該礦區設計山區煤柱選用圍護帶時，按建筑物保護等級確定，而忽略了山區地形的影響。..移動角的選用該礦區在年以前采用類比法確定移動角為：實踐證明，上述移動角偏大，所設計的保護煤柱往往不能起到應有的保護作用，有的破壞甚至相當嚴重，如四礦的風井與風機房曾按一級保護對象設計煤柱，由于下坡方向柱外工作面的開采，導致風機房和井簡報廢。之后該礦區在分析地表移動觀測站的基礎上，求得本礦區的移動角，在后來設計煤柱中用下面參數：.太原理工大學碩士學位論文當≥。吲，。,日。一.上述移動角雖然比類比法減小。,但從保護效果來看，大部分受護對象仍遭到不同程度的損害，破壞嚴重的有二礦的大、小南溝村。都是受來自遠離煤柱邊界外的上坡方向工作面開采影響。陽泉礦務局于年底"?,對該礦區的地表移動觀測資料進行當≥。時，。,?.Ⅱ。并求得了采動滑移影響角，其平均值如下：上坡方向滑移影響角度下坡方向采動.。;由于考慮到按滑移影響角留設煤柱損失煤量過多，從實際煤柱設計資料~可以發現，極少采用滑移影響角設計煤柱。以走向移動角為例，幾乎所有的煤柱采用。留設。然而地面建筑物的破壞時有發生，破壞典型的有一礦的吳家掌村，地形全傾于村莊，采動引起坡體附加滑移給受護民房施加了推力。還有工作面位于受護房屋的兩幫上坡方向，采動后引起坡體滑移，給大量房屋造成損害。從以上陽泉礦區一些受護建筑物的破壞說明：目前留設山區煤柱所選用移動角有些偏大。該礦區目前煤柱設計所選用的。是山區規則沉陷區得到的平均移動角。而實踐證明，由于山區采動地表存在附加滑移變形，使得山區規則下沉盆地邊緣往往出現不規則的移動變小之，上坡方向約減小”。地形對受護建筑物的影響...山區受護對象的有利地形根據現場資料及己有煤柱保護效果的調查，處于下列位置的建筑物保護效果最好：.位于地面較平坦的寬闊山頂，建筑物只受到兩側下坡方向的開太原理工大學碩士學位論文采影響，如圖.所示。.四面或三面有溝谷切割的坡地，見圖.。?曠可,,夕/采空區厶簽煤柱盤采空區位于山頂受下坡采動的影響三面溝谷受下坡采動影響圖.受護對象最有利的地形位置上述地形位置建筑物保護效果較好的主要原因是：根據采動滑移變形的研究，山頂部位除滑移下沉較大外，其他部位附加滑移變形較小。下坡方向開采對上坡的滑移影響范圍較小，根據觀測資料分析，下坡開采引起的上坡滑移影響角只比平地移動角減小~。,因而用類比移動角和按平地方法留設的保護煤柱加上圍護帶寬度，可以起到較好的保護作用。保護對象周圍的溝谷在一定程度上阻止了采動滑移范圍的擴展。..山區受護對象最不利的地形位置根據山區地表移動與變形規律的研究，及現有保護效果的調查，處于下列地形位置的受護建筑物最易受到破壞：.位于溝谷或溝谷兩側坡地上的建筑物，受上坡方向的開采影響，見圖.。,位于山腰較平緩坡地上的建筑，受上坡方向的開采影響；見圖上述受護對象地形位置不利的主要原因是：.上坡方向的開采對下坡滑移影響較大。根據觀測資料分析，上太原理工大學碩士學位論文坡方向開采引起的下坡滑移影響角比平地小~。,因而按照平地移動角和一般方法設計的山區煤柱必然偏小，保護對象將受到山區采動滑移變形的破壞。溝谷和凹形地貌部位的采動滑移變形較大，尤其是滑移引起的壓縮和正曲率對保護對象極為不利。大卸、,一、飛丑采空區煤柱采空區煤柱位于溝谷邊緣受上坡采動影響位于山腰坡地受上坡采動影響圖.受護對象最不利的地形位置.山區煤柱設計參數的分析..基巖移動角...平地基巖移動角國內外已有觀測與研究成果表明，基巖移動角主要取決于覆巖性質和頂板管理方法，在長壁大冒頂開采條件下，移動角主決于覆巖性質，具體各礦區的取值，參照文獻心】。從已有觀測和研究表明，其它條件相同時，基巖走向移動角，還與開采深度和開采厚度有關系。何萬龍教授等分析了在平地半無限開采條件下分別采用按移動變形預計方法、按移動預計變形公式，結合傾斜、曲率、水平拉伸臨界變形值導出了求取移動角的公式，用實際計算結果證明了平原地區水平煤層中硬覆巖半無限開采條件巖移動角隨開采深度的增加而增大，隨開采厚度的增加而減小，指出~個礦區只用同一個移動角設計煤柱并不合理。上述研究成果在理論上可行，但尚未反映在現行規程之中，在實踐中還未得到充分推廣。...山區基巖移動角;。疆耋戳盼。△,太原理工大學碩士學位論文現行規程七在原規程Ⅲ的基礎上作了修正，提出在山區設計煤柱時，為了防止山體采動滑移附加變形對受護建筑物的影響，當保護煤柱受護邊界至煤柱邊界范圍內地表平均傾角大于。時，應采用本礦區求得的山區移動角留設保護煤柱，如無本礦區實測資料而采用平地方向移動角一般減小。一。。這只是原則性的規定，而事實上只要地表坡度大于。。,山區采動地表滑移就很可能發生【"。另外對一0些中硬覆巖近水平煤層開采的山區實測資料分析還得出：山區采動滑移影響角不僅與上、下坡采動有關，而且也與開采深厚比有一定關方向的移動角比平地約小~。,而下坡方向的移動角比平地約小力下坡大于上坡，因而下坡方向的滑移影響范圍也比上坡方向的影響范圍大。表.山區上、下坡移動角與開采深厚比的關系平地上坡下坡深厚比揶等高線方向下坡采動上坡采動0o。~。?缶。0另外從已有的山區資料四中發現山區地表移動角還與采動次數有角一般減小~。;而當/時，重復采動對規則沉陷區地表移動角影響一般很小，因為初次開采采動塌陷會形成一個弱面，重復采動會使覆巖沿原來的弱面繼續破壞，故移動影響范圍不再繼續增此外山區采動滑移角與山區坡體傾角變化大小有關，當采區邊界以外坡體坡度變化較大時一般在。以上，如移動盆地邊界有溝谷時，采動滑移影響范圍增大，采動滑移影響角偏小。從以上分析可知，對于中硬覆巖近水平煤層大冒頂開采的山區移太原理工大學碩士學位論文動角建議如下取值：對于地表傾角小于。,此時不考慮采動地表滑移，移動角按規程平地移動角結合開采深厚比來取值。應該采用本礦區滑移影響角，如無實測資料應結合/參照表.選取移動角；如果仍按規則移動盆地所得移動角如陽泉礦區。留設煤柱，應該在受護建筑物受護邊界外挖一緩沖溝來減弱采動坡體滑移的影響。由于礦區考慮采用減小移動角來留設煤柱會增大壓煤如果屬于重復開采，移動角應按表.來取值。表.重復開采對移動角的影響廠×/減小~。取值為采動滑移影響角不變術注：'為地表傾角，/為開采深厚比，以司。..山區地面受護建筑物圍護帶目前山區煤柱圍護帶的圈定、仍然采用與平地完全相同的方法，圍護帶的寬度仍按建筑物保護等級參照規程來劃定。由于山區地形條件復雜，地勢變化多端，建議在山區設生不連續變形，即滑坡“,為圖.位于山梁的受護建筑圍護帶加寬圖地表變形預計的方法按保護對象的臨界變形值確定。對于近水平煤。潭澎§《蜊太原理工大學碩士學位論文層，應按平行和垂直地表傾斜方向設置保護邊界和圍護帶，然后坡采動滑移影響角及表土層移動角劃定煤柱邊界，因而煤柱邊界平行或垂直地表傾斜方向。劃定山區傾斜煤層保護煤柱邊界時，也應先劃出平行和垂直地表傾斜方向的煤柱邊界，然后再過煤柱的角點作平行和垂直煤層走向的直線構成平行和垂直煤層走向的最終煤柱..山區煤柱設計相關的其它參數山區表土層移動角及表土層厚度的確定常見的風化坡積物或山麓堆積形成的風化表土層，其移動角取值可參呈表土層比坡體下部的表土層厚。這種情況往往由于雨水長時間沖基中一一圖.表土層厚度不等圖體下部為沖溝時的表土層會變薄，此時應該依照地面標高與地表坡角及鉆孔資料確定受護建筑物邊界角點處表土層厚度，表土層厚度確定后，表土層移動角可參照...山區地面建筑臨界變形值目前移動角是根據我國一般磚木結構建筑使用的一組臨界變形值確定的，而山區由于建筑物質量參差不齊，依照這個標準是否合是值得考慮的問題。這方面的實驗也在年平頂山礦區在農房下采煤嘗試過，試驗房為料石基礎、木屋架，墻體多為料石干砌墻，試驗結果表明：當地表變形不超過水平變形、傾斜變形時，房屋不出現或僅出現幾條輕微裂縫。當地表變形值超過拉伸變形./或壓縮變形為./時，房屋出現難以修復的損害。由此說明，在山區對于普通磚木結構的民房，這組臨界變形值還是適用的。.山區保護煤柱的適用條件根據以上分析可以看出，由于采動坡體滑移的影響，采用山區地女”,太原理工大學碩士學位論文表移動角來設計煤柱必然使保護范圍增大，使得山區保護煤柱的壓煤量比平地煤柱的壓煤量大得多，且保護效果不一定好，因而當地面建筑物處于該地形與地質條件時，為了免受采動坡體變形的影響，最好還是搬遷。只有在下列條件下才可以考慮留設保護煤柱：無法搬遷或采用其它防護或開采措施難以保護的對象：單層開采深厚于，受護面積較大的保護對象；保護對象位于較平坦的山頂或被三面溝谷切割包圍的平緩坡地中央部位。另外作者在調查陽泉礦區留設煤柱保護效果時，發現有些煤柱設計時并沒有考慮到村莊房屋的擴建，致使一些房屋建在受護范圍以外；還有礦區周圍小窯的越界開采，而這些小煤窯的開采并沒有實測圖紙，這樣常常使得處于該部位民房破壞的責任糾纏不清。鑒于此很有必要建立和健全村莊下采煤的管理與協調機制。此外，隨著農擴建，礦區破壞耕地的復墾、采空區上方建房日益成為亟待解決的問.本章小結本章通過對現場資料的分析，指出當前山區地面受護建筑物圍護帶的選取并未考慮山區地形的影響，設計煤柱所用移動角的選取沒有考慮山區地表滑移的影響。并應用已有的山區資料對目前山區煤柱設層厚度及表土層移動角的選取原則與山區煤柱留設的適用條件。。;;建.扭：太原理大學碩士學位論文山區煤柱設計實例第三章鑒于目前山區受護建筑時有破壞，本文就以陽泉礦區三礦馬家坡新村保護煤柱設計為例，采用三種方法，即分別采用按平地設計目前規程規定方法、山區地表移動預計法來設計該村莊房屋保護煤.平地煤柱設計法從搜集資料發現該村莊煤柱就是照搬平地設計方法留設的，而實際上并未取得預期的保護效果。..地形、地質、采礦條件與煤柱設計參數馬家坡新村位于陽泉礦區三礦井田馬家坡河溝中游西岸，整個地可采煤層。群與煤層均未采過，現、、撐煤層均已采過。開采工作面位于村莊東、西兩幫，兩幫坡度都在。以上。這三層煤煤煤表表土基巖移動角煤煤柱土層移下山上山層動角標深移動移動移動號厚角法法坡法高、煤層平均深度.之上原理工大學碩士學位論文年月推過以后，位于工作面下坡方向的學校樓房及位于學校后方的幾戶民房便遭到嚴重破壞。..破壞原因初步分析程度上阻止了采動滑移范圍的擴展。所以其破壞主要是由村西受護房屋煤柱外上坡方向工作面采動損害所致，事實也正如此，當位于學校房就發生了嚴重破壞。造成學校破壞的原因是照搬平地參數與方法留設山區煤柱。從已有的山區地表移動觀測資料表明，山區開采沉陷區邊界段外側的移動變形分布與平地移動盆地邊緣的移動變形分布有明負因此山區的地表移動角必然小于平地的地表移動角，如圖.所示。.山區地表移動變形預計法..預計方法的選取本次預計是采用任意形狀、任意方向，多線段、多工作面開采的預計系統，其計算原理如下：,,,妒妒/水平移動：。,,廬【,。,,們.,中妒矽,,式中形'工，和，分別為山區和相同地質采礦條件下平地任意點，的下沉；',,妒和，,廬分別為山區和相同地質采礦條件下平地任意點，沿中方向的的水平移動；,。為點，的地表特性系數，';.,為地表趨勢面修勻以后傾斜方向剖面，點的傾角；妒和妒分別是，點的傾斜方向角和計算方向角，均由局部坐標系軸正向按逆時針方向算起。和分別是走向和傾.鞋。攜』太原理工大學碩士學位論文向主斷面的滑移影響函數，可用下式計算：式中為工作面走向方向的計算長度，可按下式計算：其中為主要影響半徑，/,為主要影響角，為采深；、,,。計算時，、為滑移影響參數，其參考值為只要把上公式中的，換成相應的，。帥川：I|VI矽礦：%廟“半掣礎出?丁肌中。Ⅱ唑掣燦:一了俅口一印一彩?丁,,中，,妒,,礦，,中傾斜：淝由：墜型掣/.“Ⅱ其中為該地質采礦條件下的地表最大下沉值，口，為下沉在開采平面上一般為多邊形。.預計線的設置及預計參數選用.;,徽塞；黼日太原理工大學碩士學位論文由于學校及其后面受護房屋主要受上坡方向煤層相鄰兩工作面個方向、個點。見圖.所示。作者在調查該村建筑破壞情況時，圖.預計線設置圖發現學校附近建筑平行于學校樓房長軸方向與工作面上方地形主傾斜方向一致破壞十分嚴重，而平行于學校樓房短軸方向垂直于工作面上方地形主傾斜方向的建筑變形不大。所以選取一、??、?分別平行、垂直學校樓房長軸方向，以及民房西側受護邊界；第四方向IV一IV?與工作面傾向平行，且與工作面的推進方向一致，由此可以了解由采動引起的坡體變形向受護建筑物煤柱方向的傳遞過程。其中一、?號點柱設計來選取預計參數見表.:..預計結果分析..預計結果對預計線?作一剖面，并繪制了移動變形曲線見圖.。可以看到：下沉與水平移動的最大值都集中在地表坡度最大處。位于采空,,一水平移動曲線,·,一’三三’二?主●二一??????一一、.曲率曲線水平變形曲線Ⅲ下沉曲線『」傾斜曲線；圖.?預計線移動變形曲線圖區邊界以外、保護煤柱上方的地表的移動變形值遠遠超過了位于采空區內邊界點移動變形值。從工作面邊界上方至受護建筑物邊界處，下沉與水平移動值與地表坡度變化一致，都是先增大后減小，在地表坡度較緩處地表坡度小于.,水平移動值超過了下沉值。傾斜、曲率與水平變形的峰值都集中在變坡點部位。我們可以看到：在建筑物右邊界變坡點地表部位水平移動迅速減小，引起了水平壓縮變形最大值為一./,且有正的曲率。這樣造成了建筑物地板鼓起。從其它三條線的預計結果會發現：在平行于地表趨勢面主傾斜方向的預計線?上號點位于學校附近地表傾斜值為一./,曲率為.×。/,水平變形值為../,遠遠超過了磚木結構建裂縫多處。而垂直于地表主傾斜方向上?的預計點號點位于學校后方的地表移動變形值并沒有達到臨界變形值，而在變坡點部位的號點及~號點其移動變形值剛超過臨界變形值，其中的最大值分別是號點傾斜值為../,水平變形值為太原理工大學碩士學位論文×/。從結果可以了解到，該方向./,號點曲率為一上變形值并不很大，這與實地調查結果相符。可以說明在山區建筑物氏軸方向應盡量避免與坡體傾向、.作面刀：采方向一致。位于民房邊界的預計線?上，僅有在兩工作面下方的~點其水平變形值超過臨界變形值，最大值為../。這是由于兩工作面開采疊加影響而引起。.結果分析當受護建筑物位于坡體平緩地段，而開采工作面位于建筑物上坡方向時，從上坡方向傳遞過來的水平滑移對建筑物的影響要大于下沉對建筑的影響，從現場觀察也證明了這一點，處于較平緩部位的受護建筑的破壞主要是受負水平變形和正曲率的影響，尤其是對于建座落在黃土、回填士等不實的地基上時，破壞更為嚴重，馬家坡村學校的破壞證實了這一點。另外，當山區建筑物筑物處于或者緊靠變坡點部位時，其變形值往往會超過臨界變形值。...建議以預計結果結合臨界變形值確定山區煤柱的合理尺寸，理論上可臨界變形值分別是傾斜為。/,曲率為.ב,,水平變形占為./,用這些值所在地表位置，確定移動角，勢必對預計參數精度要求很高；從上面看出：山區地表移動預計涉及參數多，且有些預計參數是在工作面面積確定后才確定的。若單獨采用預計變形值結合臨界變形值確定煤柱的合理尺寸，操作上比較復雜，且要求預計人員需有較為豐富的山區地表移動預計經驗。地基上的或可能受采動引起陡崖峭壁崩塌危害的建構筑物應首先考慮防治保護本用平坡方向應減小~“’。從井上下對照圖上求得煤柱邊界至建筑物受護邊界地表平均傾角為。,本次煤柱設計采用本礦區曾求得的采動平均滑移影響角，即次預計分別按移動角為，。、以及按現行規程將平地移動動角。,應用垂線法劃定煤柱范圍，轉繪于井上下對照圖上。表.移動角為預計結果點下沉水平移動傾斜曲率水平變形坡度表.移動角為預計結果點下沉坡度水平移動傾斜曲率水平變形...?.......太原理工大學碩士學位論文表.移動角為預計結果傾斜沉水平移動曲率水平變形點坡度/...,....~篇幅，只列出建筑物邊界處超過臨界變形