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关键层条件下的地表变形特征研究

更新时间:2009-03-28

煤层上覆岩层的岩性对岩层及地表移动变形规律影响较大。在上覆岩层中存在关键层条件下,当工作面宽度小于关键层的破断距时,关键层以“板”的形式承载着上部岩层的载荷,可极大地减小地表的下沉。当采面尺寸大于关键层的破断距时,关键层会产生破断从而引发所控岩层的剧烈活动,引起地表的快速沉陷[1]。并且由于关键层的存在,地表下沉速度会明显减慢,在回采结束后数年内地表仍在下沉,难以确定稳沉的时间。

“军语”是军事术语的简称,是规范化的军事用语。广义上,军语指军事用语;狭义上,则是军事术语。军事用语是表述军事概念的词语,军事术语则是属于军用语的种概念。本文研究的军语词汇的教学是针对广义上的军语用语词汇。军语词汇是军事英语教学中的重要内容之一,是学习和掌握其他军事英语技能的基础,直接影响学员军事英语基本知识和应用能力的发展。

为了全面掌握存有关键层条件下地表的移动变形规律及特点,准确预测即将出现的变形状况和移动变形持续的时间,本文结合山东省岱庄生建煤矿多年来开展的7个全采及条带开采工作面的地表观测站资料,对存在关键层条件下地表的移动变形规律及在建(构)筑物下开采实践进行了深入研究。得出了存有关键层条件下地表移动变形规律及持续的时间,较为准确地解析了关键层的极限跨距,并研究了关键层的稳定性。为安全生产和尽可能多的解放村庄下压煤提供了有力的技术支持。

1 关键层的揭示与确定

1.1 关键层的揭示与确定

岱庄生建煤矿1995年在31402工作面上方设立了地表移动变形观测站,该工作面设计走向平均长度为350 m,倾斜平均宽度为150 m。煤厚2.3 m,煤层平均埋深430 m。由于工作面中间位置发现了落差为5.4 m的断层,因此临时留设了断层煤柱,煤柱宽36 m。将该工作面分割成两段,北段走向平均长度为145 m,南段走向平均长度为145 m。观测得到的地表最大下沉量60 mm,其地表移动变形值远小于常规的地表移动变形值。在其周围煤矿也发现存在相同的情况。

通过对钻孔资料的分析,在上覆岩层中存在两层结构致密坚硬的粉砂岩和中粒砂岩,有可能形成托板支撑,减少上覆岩层的下沉。

依据判别关键层位置的三个步骤:1)确定硬岩层的位置;2)计算硬岩层的破断距;3)对比分析硬岩层的破断距,确定关键层的位置。进行了关键层位置的判别[1]

硬岩层破断距采用固支梁模型计算,求得了岱庄矿区硬岩层的破断距,结果如表1所示。

欺凌发生的地点调查中,校园内部仍然是欺凌发生的主要场所。在被调查的851名学生中,有近半的学生认为校园欺凌主要发生在校园偏僻角落,其次为学校的公共场所及学校的周边场所,认为主要发生在上学或放学途中的学生最少,仅为14.1%。

 

1 硬岩层破断距

  

硬岩层载荷/MPa抗拉强度/MPa破断距/m粉砂岩3.9954335.38123

如果第k层硬岩层为关键层,那么其上部所有硬岩层的破断距应大于第k层硬岩层的破断距,即:lk<lk+1。若第k层硬岩层的破断距大于其上部硬岩层的破断距,那么应该将第k+1层硬岩层所承受的载荷加到第k层硬岩层上,重新计算第k层硬岩层的破断距。

由于岱庄生建煤矿矿区覆岩硬岩层单一,且采空区的边界尚未超出单一关键层的极限跨距,因此上述确定的硬岩层即为岱庄矿区的主关键层。

1.2 关键层稳定性判断

为进一步确定该岩层的稳定性,利用下式对“两带”高度进行了计算。

H=100∑M/(AM+BC

岱庄31402工作面上覆岩层硬度较大,故采用坚硬岩层的相应系数进行计算,其山西组3上煤层厚3.03 m,代入上式中运算得H=62.66 m。另外,根据岱庄生建煤矿两带高度实测和模拟分析结果表明,岱庄生建煤矿3上煤层的冒落带高度大致为10 m,冒采比3.93。裂缝带发育高度44.7 m,裂采比为17.4左右。而从3上煤层到上石盒子的粉砂岩层(关键层)的累积高度是125.7m,很明显,跨落带和裂隙带并未波及到关键层。因此,岱庄生建煤矿覆岩中的关键层很稳定,可一直对地表起到减沉作用。

结合岱庄煤矿在桥岗村及西王楼村进行的村下宽条带(工作面宽度60 m)开采进一步验证了岱庄煤矿关键层的稳定性。如桥岗村下32430及32432条采工作面开采后,地表最大下沉值40 mm,特别是在村庄内部的测点下沉值均在20 mm左右。最大倾斜值1.1 mm/m,绝大多数点的倾斜值均小于1 mm/m。最大曲率变形值0.1 mm/m,测点水平移动很小。地表移动变形最大值远小于Ⅰ级破坏的限值。并且地表没有呈现明显的起伏。

结合所建立的评价指标体系,运用多目标遗传算法在Matlab环境下编程求解。得到分时发布前、后的定价方案与原定价方案的实施效果评价如图2。

一般来讲,煤柱压入底板量较小。但是岱庄矿区煤层直接底板为层状的泥岩,稳定性较差,属于坚硬性较差底板。随着工作面的推进,由于水平托板上方的直接载荷逐渐向煤体及跨落的采空区转移,煤柱将会在垂直应力的作用下缓慢压入底板。

情况 3.2.2 C1中恰有一个集合不是Y中顶点色集合,4,5,6中至少有一种色同时包含在每个C(ui)中,不妨设C(ui), i=1,2,…,10,则{1,2,5},{1,2,6},{1,3,5},{1,3,6},{2,3,5},{2,3,6}不是X中顶点色集合且至多有两个不是Y中顶点色集合。

2 含有关键层的地表变形参数特点分析

2.1 含有关键层条带开采地表下沉系数的特点

为分析含有关键层的地表下沉系数的特点,对本矿及周围矿井条采及全采下沉系数进行了统计(见表2)。

企业定额要保持各项指标的相对稳定和不断修订完善的辨证统一关系。定额确定后,不可以三天两头变动,否则说明定额指标不准确或管理有问题;也不能一成不变,因为生产经营环境条件不断变化,定额指标也要不断追踪、修订,逐步实现和保持定额指标不脱离实际、相对稳定[7]。

 

2 周围矿井条采及全采下沉系数统计表

  

煤矿(工作面)名称采深H/m采厚M/m条采下沉系数q条全采下沉系数q全q条/q全梁宝寺煤矿3115、3111等750.03.500.260.870.30运河煤矿8303863.02.600.340.700.49古城煤矿2103992.38.500.290.700.41古城煤矿21091001.78.570.280.800.35七五煤矿东辛庄135650.02.500.140.720.19七五煤矿201、205606.04.500.100.720.14七五煤矿1311、1312等630.02.720.040.850.04岱庄煤矿西王楼村下条采315.03.300.0850.850.10岱庄煤矿31310、31311273.03.600.100.850.12欢城煤矿二号井31900600.02.570.120.760.16七五煤矿315714.63.660.080.750.11滕东煤矿107925.06.00.0650.650.10

从中可见,从“尊元”理念衍生而来、在元明时期相当长时段占据戏曲评价重要位置的一些因素,如是否属于“正音”、关乎风教、体现文人雅正特色等,已经在审美构成中退居次要地位;汤、沈两人分别出现了“余意所至,不妨拗折天下人嗓子”、“宁协律而不工,读之不成句”的两种极端观念,反映出在当时的文人曲家之中,对戏曲核心审美标准的把握,主要聚焦于文辞与音律两点。

2.2 主要影响角正切值的特点

表3为岱庄生建煤矿、七五生建煤矿及滕东生建煤矿的概率积分法参数的统计值。

 

3 概率积分法参数

  

工作面开采情况开采影响传播系数下沉系数水平移动系数tanβ滕东煤矿1070.80.0650.101.5滕东煤矿105、1070.80.1300.151.6岱庄煤矿313100.60.1000.101.3岱庄煤矿323160.60.7500.251.7岱庄煤矿323110.80.1420.101.5岱庄煤矿323110.80.0920.101.4岱庄煤矿村下条采面0.60.0850.101.4岱庄煤矿32502面0.60.8500.301.7七五煤矿2010.60.10.101.3七五煤矿2050.60.10.101.3

滕东生建煤矿的107工作面为首采面,107工作面紧邻105工作面。由表中数据可知:107单一工作面开采后的下沉系数及主要影响角正切值小于105与107两个工作面开采后的下沉系数与主要影响角正切值。

岱庄生建煤矿32311条采工作面位于31310、31311、31312 条采工作面下方,属于含有关键层条件下的重复开采。由于该面的采宽小于关键层的极限跨距,因此其上部覆岩仍处于一种应力平衡状态。其开采后的下沉系数及主要影响角正切值大于31310、31311、31312 条采工作面开采后的下沉系数与主要影响角正切值。另外,岱庄生建煤矿32316、32502两个全采工作面的主要影响角正切值明显大于条采工作面的主要影响角正切值。

以上情况表明,在煤层上覆岩层中含有关键层条件下进行条带工作面开采,并且其采宽小于关键层的极限跨距时,将呈现出下沉系数越小,其主要影响角正切值越小的规律。究其原因如下:

当下沉量加大时,在支撑点以外的“板”翘起的量加大,则其外延的距离减小,而体现在主要影响角正切这一量值上时,则造成该值变大(及角值变大)。在关键层在断裂后以“砌体梁”的形式继续承载上部载荷。并且破断块度越大,其对地表下沉曲线的影响越显著;关键层破断块度越小,其对地表下沉曲线的影响越微弱。具体到主要影响角正切这一量值上,则呈现破断块度越大,主要影响角正切值越小。反之亦然。

  

1 关键层以的形式下沉的示意图

关键层在破断之前,以“板”的形式承载着上部岩层的载荷,关键层在破断之前,在采空区上部的关键层产生挠度变形,其上部岩层与之协调变形,同步下沉。而留设的煤柱及岩柱成为其支撑点,当煤柱及岩柱受上部覆岩压力被压缩时,关键层随之出现下沉。由于关键层以“板”的形式存在,则在煤柱及岩柱之外的“板”会出现一连续的下沉,其形式如图1所示。

3 关键层条件下地表下沉持续时间

为研究关键层条件下地表下沉持续的时间,在 3煤层中选择了一条件较好的宽条带工作面进行了长时间的观测。该地表观测站沿近似倾向方向布设两条观测线,沿近似走向方向布设一条观测线。

由表2可看出梁宝寺、运河、古城煤矿的条带开采的下沉系数q均在0.26以上,其q/q均在0.30以上。上述三个矿井其煤层上覆岩层不存在关键层。而岱庄生建煤矿、七五生建煤矿、滕东生建煤矿及欢城煤矿二号井的煤层上覆岩层均存在关键层,因此这四个煤矿的条带开采的下沉系数q均在0.14以下,其q/q均在0.19以下。

该工作面长度616 m,宽度111.2 m,于2011年1月中旬开采,2011年9月停采。首次观测始于2011年1月2日,至2014年6月底结束观测。观测到的地表最大下沉值为164.7 mm。图2为该工作面停采后(2011年9月中旬)至2014年6月底倾向观测线地表点相对下沉曲线图。由曲线图可看出,在停采15个月时间内地表部分点位下沉量为20 mm,占总下沉量的12%。在回采结束后34个月时间内,地表下沉了近50 mm,占总下沉量的31%。

  

2 倾向线在回采结束后34个月内的地表下沉曲线图

地下开采造成的地表点的整个移动过程可分为三个阶段:1)岩层起始沉降期:自工作面上方地表点下沉量达到10 mm至下沉速度达到1.67 mm/d时为起始沉降期。该时间段内地表累积下沉约占总下沉量的3~5%;2)岩层剧烈沉降期:自下沉速度大于1.67 mm/d开始至下沉速度回跌到1.67 mm/d止,在该阶段内,回采工作面后方的地表点的下沉量约为最终下沉量的80%左右;3)岩层衰退沉降期:下沉速度小于1.67 mm/d起至六个月内地表各点下沉累积不超过30 mm时止,该期历时一般在6~9月,该阶段地表点的下沉量约为最终下沉量的15%左右[2]

对照上述正常地层条件下地表各阶段的下沉量占最终下沉量的百分比可得出,该工作面上方地表的沉降规律与正常地层条件下地表的沉降规律明显不同。究其原因,主要是由于含有关键层条件下开采时地表的下沉机理不同于常规所致。依据含有关键层的条带开采的理论,其采空区上部地表最大下沉值为煤层压入底板量(W1)、煤柱的压缩量(W2)、岩柱的压缩量(W3)、承重岩层(托板)的压缩量(W4)和托板的挠度(W5)五部分之和[2]

采用SPSS 19.0统计学软件对数据进行处理,计数资料以例数(n)、百分数(%)表示,采用x2检验,计量资料以“±s”表示,采用t检验,以P<0.05为差异有统计学意义。

由于工作面中煤的采出,工作面边界处煤层的压强加大,因此煤柱会产生一定的压缩。同理其上覆岩层中的岩柱与煤柱一同承受上部覆岩所附加的载荷,其压缩机制与煤柱相同,但其压缩过程非常缓慢。

另外,关键层在未达到极限跨距产生跨落之前,会以“板”的形式对上覆岩层的运动起控制作用。由于岩板材料本身的限制,它的挠度变形应远远小于自身的厚度和煤层的采高。对于四边简支水平托板,最大挠度出现在托板中心位置。该挠度也会引起地表下沉,但其过程也是非常缓慢的。

由于煤层压入底板量(W1)、煤柱的压缩量(W2)、岩柱的压缩量(W3)、承重岩层(托板)的压缩量(W4)和托板的挠度(W5)的发生要经历较长的时间,因此,在关键层下开采时其地表移动变形的时间必然加长。在正常地层条件下,当工作面停采后地表稳沉的时间一般在6~10个月,一般规律为煤层埋藏越深,地表稳沉所需时间越长。但不会超过10个月。但是,在含有关键层条件下开采时,其稳沉期需时近三年,甚至更长。因此造成村庄建筑物的多次赔偿。

为较为直观的反映地表下沉量、下沉速度与工作面推进位置随时间的变化情况,选取倾向线上Z23号测点,绘制了地表Z23点的下沉速度曲线、下沉曲线及其与地下回采工作面之间的关系图(见图3)。图中横坐标为时间(单位为天),左侧纵坐标上部为下沉速度(单位为 mm/d),下部为下沉量(单位为 m),右侧纵坐标为工作面推进位置相对于该点的距离(单位为 m)。该图详细反映了地表点的动态移动变化规律。

  

3 地表下沉速度工作面位置及下沉曲线关系

图中曲线(1)表示整个移动过程中地表Z23号点至回采工作面水平距离的变化关系;曲线(2)表示地表Z23号测点在整个移动过程中的下沉速度变化;曲线(3)表示整个移动过程中地表Z23号测点随时间的下沉值的变化量。

由图中可见,当工作面接近测点下方时,测点的下沉速度开始增大。工作面停采后地表仍在继续缓慢下沉,一直延续到工作面停采后34个多月,地表仍呈现非常缓慢的沉降。由此可见,由于上覆岩层中关键层的影响,地表下沉量及下沉速度均较小,但持续时间很长,可达到三年以上。

4 地表变形主要参数求取方法的探讨

政府与市场主体救助的联动机制是指将政府财政救灾机制与市场保险赔付机制有效结合起来,两者共同来应对农业灾害带来的损失。农业风险管控管理具有公共性,必须加大财政投入,所以我国应改变单一的政府救灾模式,积极引导市场参与,发挥政府在农业保险市场微观层面的支持作用。在农业灾害救助的联动机制中,政府除了提供财政补贴与政策支持外,还需要作为最终的保险人承担农业巨灾的赔偿责任[5]。保险公司也应积极响应政策,开展相关业务,发挥市场的激励和经济保障作用。在农业灾害救助中,应建立市场主体与政府救灾联动机制,两者结合发挥对农业风险的预防和灾后救助作用,最大限度地减少灾后损失。

(1)各种角值参数:边界角、移动角、裂缝角、最大下沉角、充分采动角等;

(2)工作面推进过程中移动和变形的发展过程及其相应的主要参数;

The perfect bowl of won-ton noodles must have egg noodles cooked al dente and dumplings that float like clouds in the tasty soup.(China Daily,2016-12-30)

(3)概率积分法的各个参数(下沉系数、水平移动系数、开采影响传播系数、主要影响正切值、拐点偏距、影响传播角等)。

地表移动和变形的主要参数包括:

4.1 概率积分法参数的反演

在建矿初期进行的“三下”开采设计中,均采用临近矿区的概率积分法预计参数进行预计,预计的地表变形值远大于实际的地表变形值。分析其原因如下:

概率积分法的理论模型基于随机颗粒介质模型,在非充分采动或极不充分采动时,特别是在含有关键地层条件下,由于岩层结构对地表沉陷有一定的控制作用,往往造成预计的结果与真实情况差异较大。另外,由于概率积分法假设上覆岩层为均质颗粒介质,不涉及具体地质构造,以及概率积分法本身基础理论的缺陷等问题,也会造成预计结果的失真。因此应对模型误差和参数误差进行修正。目前,对参数选取误差的修正方案主要有:依据本矿区的岩移观测资料,反演本矿区的预计参数;采用非线性科学辅助进行参数选取。目前应用较为广泛的方法是曲线拟合法求参[4-11]

理论上讲,在实测位移值的个数足够多的情况下,总可以把计算模型中的各种参数一一识别出来。曲线拟合法求参的实质是:利用概率积分法模型,选取合适的初始参数进行计算,将计算值与实测值进行比较,并不断地调整各相关参数,直至计算值与实测值吻合较好时,反分析的结果才能用于工程实践。

一方面,城市商业银行应完善银行的市场营销机构组织。根据我国城市商业银行自身的情况,修整其机构运作模式。首先,应以产品为核心,按照客户需求对部门进行再分类和再设置,以便加深对客户需求的了解。同时,应善于借鉴矩阵式的组织设置形式,不断完善市场营销的各个环节[7]。其次,应按照部门的设置,加强对客户需求方面的调研和了解。如此才能不断完善组织机构,提升各部门的市场营销效率。

依据我矿7个全采及条带开采工作面的地表观测站资料,采用专用的地表移动变形数据处理软件对含有关键层条件下的概率积分法参数进行了反演计算,得到的概率积分法参数见表3。

4.2 地表移动变形角值参数求取方法的改进

在依据观测站的实测数据求定地表的移动变形角值参数时,常用的方法是依据角值参数的定义与计算的各监测点实测的移动变形值,利用作图或计算的方法直接求定。例如:用观测结果中下沉值为10 mm的点确定边界角(很多情况下,下沉10 mm的点是采用相邻点之间内插的方法获取),以计算出的临界变形值确定移动角等。但是,这种方法存有以下两个缺点:

(1)只用个别测点的实测值确定角值参数(如:以下沉量10 mm的点确定边界角,但在很多情况下,下沉10 mm的点是采用相邻点之间内插的方法获取的,因此该点误差较大)时,由于这些观测值的误差对参数的影响,往往导致求取的参数产生较大的误差;

楚雄供电局要求金沙江流域沿线大姚、永仁、元谋、武定供电局密切关注险情,研判对所辖电网设施影响,同步排查沿岸驻所、驻地及基建、大修、技改等施工驻留人员状况,做好防汛及人员撤离的准备,对水电站、变电站防汛准备工作进行排查及梳理,注意防范因持续降雨引发的地质灾害,防范因自然灾害导致电力设施受损引发的社会人员触电事件。输电管理所和变电运行所立即梳理作业计划,同时梳理应急人员及车辆,进入应急状态。

(2)只用1~2个测点的实测值求得的参数,对所有测点的观测值来说,不一定是最合适的。

为克服上述弊端,通过分析研究,在求定各移动变形角值参数时采用了如下方法。首先采用曲线拟合求参的方法求出概率积分法的各项参数。然后依据各项参数采用数值反演方法,绘出各移动变形的等值线图。将各移动变形的等值线图分别叠合在采掘工程平面图上构成新图,在图上依据下沉10 mm的等值线及各临界变形值的等值线,根据相应位置处的采深和水平距离,求定各移动变形角值参数。这种方法可极大地克服测量误差对求算各移动变形角值参数的影响。

5 结 论

当煤层覆岩中存在关键层且未破断条件下,地表的移动变形特征与普通开采不同,通过对我矿7个全采及条采工作面实测资料的分析,可得出如下结论:

“三严三实”既强调价值观的导向和主观能动性的发挥,又强调实践的重要作用,体现了认识与实践的统一。领导干部务必科学运用马克思主义世界观方法论,从严从实改造主观世界和客观世界,真正把“三严三实”内化于心,外化于行。

存在关键层时的条带开采的下沉系数q均在0.14以下,其q/q均在0.19以下。当条带开采的采宽小于关键层的极限跨距时,将呈现出下沉系数越小,其主要影响角正切值越小的规律。在含有关键层条件下开采时,其稳沉期需时近3年,甚至更长。该结论对于相同地质条件的矿井具有参考意义。

参考文献

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[2] 何国清,杨伦,凌赓娣,等.矿山开采学[M].徐州:中国 矿业大学出版社,1991.

[3] 于胜文,郑文华,姜岩,等.利用关键层控制宽条带开采地表下沉的实践研究[J].矿山测量,1999(4):9-10.

[4] 郭增长,王金庄,戴华阳.极不充分开采地表移动与变形预计方法[J].矿山测量,2000 (3):35-37.

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[6] 柴华彬,邹友峰,郭文兵.用模糊模式识别确定开采沉陷预计参数[J].煤炭学报,2001,30 (6):701-704.

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[8] 栾元重.神经网络在矿山地表移动参数辨识中的应用[J].矿山测量,1998,26(2):42-44.

[9] 邹友峰.开采沉陷预计参数的确定方法[J].焦作工学院学报,2001,20(4):253-257.

[10] 于宁峰,杨化超. 基于粒子群优化神经网络的概率积分法预计参数的确定[J].测绘科学,2012,33(2):78-80.

[11] 郭广礼,汪云甲.概率积分法参数的稳健估计模型及其应用研究[J].测绘学报,2000,29 (2):162-165.

 
李永超,李建军,佟文亮
《矿山测量》 2018年第02期
《矿山测量》2018年第02期文献

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