地表微沉降充填开采技术试验研究

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1、地表微沉降充填开采技术试验研究第1章绪论1.1引言煤炭是我国的重要能源之一，仍旧是我国的国民经济与社会发展必不可少的基础资源[1]。纵观能源结构图可以看出：我国仍然是一个以煤炭作为主要能源消耗的国家，这一能源消耗现状将长期存在下去，主要取决于我国是一个富煤贫油而少气的地下能源储存状况。我们就以2005年和2010年为例：2005年在我国能源结构消耗中煤炭消耗约占72.00%，石油消耗约占18.00%，天然气消耗约占2.80%，其他消耗约占7.20%;到2010年这一比例分别为：煤炭76.60%，石油11.30%,天然气3.90%，其他8.20%[2]。这一比例说明：①在我国

2、煤炭仍然是最主要的能源并且占据较大比重；②煤炭的消耗量仍在不断增加、所占比重越来越大。所以，煤炭仍然是我国未来的主要消耗能源，这一情况短期内一直存在。根据有关专家的预测和分析，考虑到环境保护、尽量控制具有温室效应气体的排放及资源合理利用。截止到2050年,我国的煤炭消耗量在整个能源消耗结构图中仍要占据40%-45%的比重。地下开采（采动）使上覆岩层造成破坏、覆岩的移动使地表变形，破坏了地面建筑物、道路、管路、水体、及耕地，这就影响和破坏了生态环境，如何减少这种破坏，成为了矿业学科重点研究的领域。开采引起地表沉陷问题一直未得到解决，也引起了人们的广泛关注。15到16世纪时，人

3、们制定了强制的法律措施，避免幵采沉陷造成的损害，对于地下开采造成的地表破坏进行惩处。所以，.探究采动破坏规律和覆岩运动规律，减小地表破坏，成为目前采矿工需要解决的问题。为了减少开采破坏影响，人们尝试了多种方法，归纳起来主要有地面保护措施和井下开采措施，这两类措施为我国的三下釆煤创造了巨大的效益，但也存在许多问题。采动离层注装充填，即从地表打钻至采动覆岩破坏过程中所形成的离层空间，利用充填工艺通过钻孔向离层空间注入充填材料，进而抑制离层空间之上的岩层变形和破坏，使地表沉降变小，保护地表建筑物和生态环境免遭破坏[3]。..1.2课题研究的目的和意义随着好采的块段越来越少，三下压

4、煤成为目前必须面临的问题，而建筑物下压煤量占的比重最大，怎么合理开采建下压煤，并且减少对建筑物及其周围生态环境的影响必须提上日程。建下开采煤炭，需要考虑的因素很多，不管制定怎样的保护措施和破坏预计，传统采空区处理方法依然不能从根本上解决问题[5]。房屋及生态环境的破坏如图1-1。高水材料具有早强快硬、流动性好、初凝时间可调等特点，生成的固结体不收缩，体应变小，在三向受力状态下有良好的不可压缩性，易于远距离输送，机械化程度高使采空区充填技术的可靠性得到大幅度提高，从而降低甚至消除地表沉降，保护地表建筑物和生态环境。而传统的留设煤柱条带开采，造成资源的极大浪费替代地面设施下的保

5、护煤柱，解放三下压煤，充填的高水材料可以代替原始开采方法留下的条带等系列煤柱，避免资源浪费。研究高水材料合理的灌注速度和凝固时间对于地表微沉降的煤矿充填幵采技术的实现有指导意义，对于三下压煤的开采和保护地面建筑、生态环境具有重要的现实意义。同时降低了劳动强度、改善了工作环境，对社会以人为本、和谐发展具有重要的意义。.第2章采空区上覆岩层活动规律的理论分析2.1采空区上覆岩层破坏规律研究现状1885年，法国人法约尔基于现场观测与他进行模型研究，经过大量的验证提出了开采沉陷的拱形理论。19世纪末期，豪斯建立的开采沉陷模式，即在采空区上方首先形成倒梯形的冒落和裂缝综合带，高度为采

6、厚的（30?50)倍，之上为纯粹弯曲带[48]，这与现代的理论很接近了。20世纪50年代，前苏联采用相似材料模型研究上覆岩体的破坏情形，得出采空区上方覆岩冒落、破坏以及整体弯曲的特征60年代，又进行了深井钻孔（用钴60作为测点标志）观测覆岩移动，得出各层中点的下沉情况，而且出现了离层现象，水平移动机理并未得出。我国自20世纪60年代，先后在専庄、淮南、开溁、峰峰、大屯等矿区开展了覆岩破坏特征观测，其观测方法，有地面打钻用膨胀木等作为深部测点，有地面打钻和井下石门相结合的办法，多数钻孔用冲洗液消耗量方法观测冒裂带高度。煤炭科学研究总院北京开采研究所和中国矿业大学引进了美国SI

7、NCO公司生产的钻孔伸长仪和钻孔倾斜仪，来观测岩土内部位移和变形，先后用于邢台、淮南、抚顺等地观测岩体内部移动变形特征。通过大量岩体内部观测及相似材料模型研究，形成了以上覆岩层移动为中心的传递岩梁矿压学说和上覆岩层较连接的砌体梁矿压学说[49]采场上覆岩层破坏变形在空间上形成了三带:冒落带、裂缝带和弯曲下沉带（也叫顶三带)，这个结论为我们解决水体下、建筑物下、铁路下采煤、地面与井巷环境保护提供了理论基础和依据。2.2采空区上覆岩层破坏规律在正常的采矿地质条件下，采用长壁式全部垮落采煤法时，采场顶、底板岩层、所采煤层