采礦碩士開題報告

1、山東科技大學碩士研究生學位論文開題報告及論文工作計劃 論 文 題 目 建筑物下多煤層條帶開采技術(shù)研究 研究生姓名 XX 導師姓名、職稱 XX 學科專業(yè) 礦業(yè)工程 研究方向 XX 入學年月 2011年9月 學院名稱 XX 開題時間 2012年10月9日 2012 年 10 月 9 日181、 立論依據(jù) 1、課題來源、選題依據(jù)和立論背景課題為自選，以里彥煤礦建筑物下的15、16、17煤條帶開采煤柱留設問題為研究背景。條帶開采是把要開采的煤層劃分成比較正規(guī)的條帶進行開采，采一條，留一條，利用保留的煤柱支撐上覆巖層，從而減少覆巖沉陷，控制地表的移動和變形，達到地面保護目的的部分開采方法。從條帶的布置形

2、式及開采方法上包括:水砂充填條帶、矸石充填條帶、冒落條帶、分層冒落條帶、近距煤層群條帶、變采留比條帶、不規(guī)則條帶及古小窯老空區(qū)下條帶等。盡管條帶開采采出率低、資源損失嚴重，但由于我國礦區(qū)村莊密集，搬遷費用巨大，為解放村莊下壓煤，條帶開采作為一種減少地表沉降的特殊采煤法，近幾年各礦區(qū)都應用條帶開采進行了建筑物下采煤實踐。條帶開采源于房柱式開采，我國自撫順勝利礦1967年利用充填條帶法進行市區(qū)下采煤以來，先后在撫順、阜新、蛟河、峰峰、鶴壁、平頂山、徐州等礦區(qū)進行了多個條帶開采的試驗與實踐，創(chuàng)造了巨大的社會和經(jīng)濟效益，取得了一些有益成果。條帶開采的研究涉及巖石力學（包括巖石及煤的強度，煤柱應力的變化

3、及煤柱的穩(wěn)定等）和開采沉陷學（包括條帶開采的沉陷機理、地表移動與變形的計算、開采方案的設計等）兩大領域。對條帶開采的研究主要分3個方面:現(xiàn)場試驗與觀測、模型試驗和數(shù)值計算分析研究（包括力學的理論計算），模型試驗以相似材料試驗為主，條帶開采的大部分研究成果基于模型試驗結(jié)果和數(shù)值分析結(jié)果。國內(nèi)外對單一煤層條帶開采進行了大量研究，取得了豐碩的成果，但對多煤層條帶開采的相關(guān)研究較少。煤炭在我國一次能源消耗中占70%左右，隨著大量的煤炭資源從地下采出，開采所引起的地表沉陷及其環(huán)境災害問題日益突出。在保證地面建（構(gòu)）筑物安全的前提下，最大限度地開采煤炭資源是開采沉陷學科目前面臨的主要問題。我國三下壓煤儲量

4、較大，僅國有煤礦村莊下壓煤就達522億t，其中，煤層群賦存的壓煤量所占的比重較大，而且壓煤開采研究較少。在單一煤層中，開采的煤層無需選擇?？墒牵诿簩尤簤好洪_采條帶設計時，往往會因建筑物保護等級的限制，只能從多層煤中采出一層或幾層。建筑物下采煤的關(guān)鍵問題之一是控制巖層及地表沉陷，巖層與地表沉陷控制也是礦山開采沉陷學的主要研究方向之一。盡管條帶開采采出率偏低，資源損失率較大，但由于它能夠有效地控制采場上覆巖層和地表移動，有利于保護地面建（構(gòu)）筑物，有利于安全生產(chǎn)，而且一般不需要增加或較少增加生產(chǎn)成本，在現(xiàn)有的技術(shù)水平和經(jīng)濟環(huán)境下，條帶開采還是我國解決村莊下、重要建筑物下及不宜搬遷建筑（構(gòu)）物下等

5、壓煤開采的有效技術(shù)途徑。因此，研究探索新的理論和方法（如非線性科學）用于解決條帶開采中的上述問題，對更好地利用條帶開采技術(shù)解放三下壓煤，提高煤炭資源回收率、預防或減輕采動損害、保護地表建（構(gòu)）筑物和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境具有重要的理論和實際意義。二、文獻綜述1、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài)煤炭工業(yè)是我國的基礎產(chǎn)業(yè)，其健康、穩(wěn)定、持續(xù)地發(fā)展是關(guān)系到國家能源安全的重大問題，也是我國國民經(jīng)濟健康發(fā)展的基礎。我國煤炭資源十分豐富，但隨著部分老礦井可采煤量的枯竭，開采建（構(gòu)）筑物下壓煤已是勢在必行。近幾十年來，隨著大量煤炭資源的采出，因開采而導致的環(huán)境問題日益突出，破壞了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和人類賴以生存的地表建（構(gòu)）筑物和

6、設施。條帶開采法是一種部分開采方法，能減少地表沉陷，有利于保護地面建（構(gòu)）筑物和設施，是“綠色開采技術(shù)”體系中的重要措施之一，目前已成為建（構(gòu)）筑物下等壓煤開采的有效技術(shù)途徑。目前開采建（構(gòu)）筑物下壓煤的常用方法有充填開采和條帶開采等方法。由于充填開采法的費用較高，應用不廣泛;條帶開采法則因其對圍巖擾動輕、地表移動變小的特點而得以廣泛應用。國內(nèi)外許多煤炭科技工作者對條帶開采技術(shù)進行了大量深入的研究，取得了許多較為豐富的研究成果。國外如歐洲的主要采煤國家波蘭、前蘇聯(lián)、英國等在上世紀50年代就開始應用條帶法開采建筑物下，尤其是村鎮(zhèn)、城市下壓煤，己經(jīng)取得了較為豐富的實踐經(jīng)驗。我國自上世紀60年代開始

7、應用條帶開采方法回采建筑物下、鐵路下、水體下壓煤，先后在全國10多個省的100多個條帶工作面進行了條帶開采，取得了豐富的研究成果現(xiàn)場觀測資料和理論成果。但是，無論國外還是國內(nèi)，有關(guān)對多煤層條帶開采的地表沉陷機理與控制、覆巖及地表移動、采寬留寬優(yōu)化設計等均缺乏更深入的研究。 （1）在巖層與地表移動機理、運動規(guī)律方面的研究現(xiàn)狀多年來，采礦和礦山測量工作者分別從不同的角度以不同的方法對巖層移動與地表沉陷規(guī)律進行了研究。經(jīng)典唯象學方法的研究僅停留在對現(xiàn)象的微觀描述上，在實測資料基礎上，考慮地質(zhì)采礦因素，用統(tǒng)計方法來描述巖層運動。經(jīng)典力學方法將巖體屬性假設簡化，利用力學理論求解微分方程各種未知量。但是，

8、由于巖體結(jié)構(gòu)的復雜性，該方法實際應用效果較差。正確的方法應是二者的結(jié)合，即“黑箱”問題“灰箱”化。條帶開采的實測資料表明:條帶開采地表移動和變形規(guī)律與全采相似，目前普遍認為條帶開采的巖層與地表移動機理截然不同于長壁式全部垮落法開采，在條帶開采地表與巖層移動機理方而提出的假說主要有:煤柱的壓縮與壓入說、巖梁假說、托板理論以及波浪消失說等。在單一煤層條帶開采巖層移動機理及規(guī)律方面，國內(nèi)外學者主要通過建立條帶開采地表移動觀測站進行實測，根據(jù)礦區(qū)地表沉陷規(guī)律結(jié)合概率積分法進行理論分析，確定了概率積分法的預計參數(shù)，從而對地表移動和變形進行預計，基本掌握了條帶開采地表沉陷的主控因素以及煤層和上覆巖層的強度

9、、結(jié)構(gòu)對條帶開采上覆巖層和地表移動的影響。王金莊、吳立新等通過對現(xiàn)場實測資料及巖層移動過程的研究，提出了覆巖托板控制理論。鄒友峰等提出了條帶開采沉陷預計的三維層狀介質(zhì)理論。張華興等通過對寬條帶開采移動與變形的計算分析對寬條帶開采的基本問題進行了探討。郝玉龍等運用FLAC程序作為一種先進的數(shù)值模擬方法在條帶開采地表移動變形預計中首次應用。 （2）在條帶開采煤柱穩(wěn)定性方面的研究現(xiàn)狀條帶開采煤柱的穩(wěn)定與否是條帶開采成敗的關(guān)鍵。我國學者在國外學者研究的基礎上，對條帶開采煤柱穩(wěn)定性進行了較多的研究，但都是從傳統(tǒng)的強度觀點出發(fā)，建立了多種煤柱載荷、強度計算的理論和經(jīng)驗公式及分析方法。目前，我國在條帶開采煤

10、柱載荷計算中普遍采用的是英國A.H.Wilson的兩區(qū)約束理論，分別計算條帶煤柱的極限承載能力和實際承受的載荷，然后計算煤柱的安全系數(shù)來評價煤柱的穩(wěn)定性。文獻13在研究了A. H.Wilson煤柱設計公式的不足之處后對其進行了改進。此外，國外提出了煤柱設計理論還有有效區(qū)域理論、壓力拱理論、核區(qū)強度不等理論等，但在我國很少采用。 （3）在單一煤層條帶開采設計方面的研究現(xiàn)狀在條帶開采參數(shù)設計研究方面，一般認為有兩個基本準則：一是條帶煤柱有足夠的強度和穩(wěn)定性，從而能長期有效支撐上覆巖層的載荷；二是條帶采寬應限制在不使地表出現(xiàn)波浪下沉盆地而呈現(xiàn)單一平緩的下沉盆地。通常條帶煤柱尺寸根據(jù)采深、采厚、采寬以

11、及煤層和上覆巖層的力學性質(zhì)等因素確定，采寬根據(jù)采深等因素確定。根據(jù)條帶開采的經(jīng)驗，為了保證條帶開采后地表出現(xiàn)單一平緩的下沉盆地，采出條帶寬度一般為采深的1/41/10。當煤層頂板堅硬，煤柱尺寸按單向受力狀態(tài)計算，采寬尺寸按壓力拱曲線理論計算，煤層開采后采空區(qū)若被垮落矸石密實充填或充填法管理頂板時，煤柱尺寸應按三向受力狀態(tài)計算。文獻6將開采沉陷學與工程巖體力學、彈塑性力學、流變學相結(jié)合，論述了條帶開采采寬、留寬優(yōu)化設計原則和方法。此外還有將巖層控制的關(guān)鍵層理論10、連續(xù)介質(zhì)力學理論等用于條帶開采設計12，13。文獻14提出了條帶開采的寬條帶設計理念。通過對我國條帶開采實例的分析，條帶開采寬度變化

12、在10160m，寬深比變化在0.0430.347，即為采深的1/2.91/23，條帶煤柱寬高比為5.316（垮落條帶），一般為810。在條帶開采設計中要求條帶煤柱的寬高比值不小于2（充填條采）或不小于5（垮落條采）。要求條帶煤柱有足夠的強度和穩(wěn)定性，從而能長期有效支撐上覆巖層的載荷。 （4）在多煤層條帶開采方面的研究現(xiàn)狀在多煤層條帶重復采動方面，文獻35對近距煤層群條帶開采煤柱穩(wěn)定性及地表移動規(guī)律進行了觀測研究。吳立新等36對重復條采時上層煤柱應力變化及其穩(wěn)定性進行了試驗研究。胡炳南37提出了煤層群條帶開采中選擇開采煤層的最小采動影響原則、條帶布置的層間距和層間條帶煤柱的對齊原則以及條帶參數(shù)計

13、算的“小變形”準則等原則。張俊英383940采用相似材料模型實驗、有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的綜合研究方法，得到了多煤層條帶開采的移動變形規(guī)律，巖層內(nèi)波浪沉降發(fā)育規(guī)律及與層間距、條采尺寸、采出率的相互關(guān)系，提出了多煤層條帶開采煤柱的留設方法。聶衛(wèi)平等41通過相似材料模擬試驗和現(xiàn)場觀測進行了重復冒落條帶開采地表移動規(guī)律的對比研究。滕永海42對多煤層條帶開采地表移動進行了研究。李鳳明43對不同地質(zhì)條件及不同重復采動性質(zhì)下覆巖破壞的地表移動基本參數(shù)的變化機理及規(guī)律、地表移動角量參數(shù)的變化趨勢進行了研究。但綜合我國現(xiàn)有文獻分析表明，多煤層條帶開采問題的研究還相對不足。在多煤層條帶開采地表移動規(guī)律方面的研究現(xiàn)

14、狀國內(nèi)學者這方面研究的不太多，其中文獻11通過數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究了多煤層條帶開采時，不同開采深度、不同層間距、不同采寬和上下煤柱空間位置關(guān)系對地表移動規(guī)律的影響，建立了地表移動與它們的影響關(guān)系式，為多煤層條帶開采地表移動預測，提供了可借鑒的理論和方法.文獻9通過地表巖移觀測站的大量觀測數(shù)據(jù)，求出了地表巖移規(guī)律，從而證實多煤層條帶開采的技術(shù)可行性與經(jīng)濟性，并將本成果在義安、新河等煤礦推廣應用，取得了較好的效果。文獻49通過分析多煤層條帶開采地表移動實測數(shù)據(jù)，建立了多煤層條帶開采地表移動預測參數(shù)與條帶開采寬度、層間距、上下煤柱空間位置關(guān)系等的關(guān)系，為多煤層條帶開采地表移動預測參數(shù)選取提供了可行的方

15、法。在多煤層條帶開采穩(wěn)定性方面的研究現(xiàn)狀條帶開采煤柱穩(wěn)定性是條帶開采設計的關(guān)鍵，國內(nèi)外對單一煤層開采條帶煤柱穩(wěn)定性研究較多，對多煤層條帶開采煤柱穩(wěn)定性研究較少；在單一煤層條帶開采穩(wěn)定性研究的基礎上，部分學者通過數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究了多煤層條帶開采時，不同開采深度、不同層間距、不同采寬和上下煤柱空間位置關(guān)系時留設煤柱的受力情況，并與在單一煤層條帶開采設計中使用經(jīng)典的威爾遜理論計算得到的煤柱極限和實際應力進行了對比，分析和指出了其差異的原因，獲得了在上下煤柱不對齊條件下，影響煤柱穩(wěn)定性的最大因素是下煤層的開采寬度。在此基礎上，基于梁理論，建立了多煤層條帶開采層間應力、下煤層開采寬度計算式及上下煤柱穩(wěn)

16、定性評價方法，計算與實測結(jié)果證明了所提出方法的正確性，為多煤層條帶開采煤柱穩(wěn)定性評價提供了可借鑒的理論方法。在多煤層條帶開采模擬方面的研究現(xiàn)狀其中張俊英在文獻7中采用相似材料模型實驗、有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的綜合研究方法，對不同層間距的3層煤條帶開采進行了系統(tǒng)的理論研究.揭示了多煤層條帶開采的移動變形規(guī)律，巖層內(nèi)波浪沉降發(fā)育規(guī)律及與層間距、條采尺寸、采出率的相互關(guān)系等，提出了多煤層條帶開采煤柱的留設方法，為工程實踐提供了理論依據(jù).文獻62通過采用有限元分析及自編CRAP程序處理分析了大量觀測數(shù)據(jù)，得到了巷道地壓顯現(xiàn)規(guī)律及應力分布狀況，進而確定了底板道的合理空間位置、支護參數(shù)及斷面形狀。文獻63在

17、介紹FLAC3d數(shù)值模擬軟件建模過程的基礎上，結(jié)合東灘煤礦六采區(qū)實際開采條件及實驗室煤巖樣的物理力學試驗研究，建立三維分析數(shù)值模型，通過對六采區(qū)多煤層開采，上層煤工作面推進時的應力場以及對下層煤應力分布影響的數(shù)值模擬，并綜合模擬結(jié)果進行研究分析，確定應力集中區(qū)域，從而判定了沖擊危險性。國內(nèi)外對條帶開采進行了大量研究，取得了豐碩的成果，在單一煤層條帶開采預測方法及預測參數(shù)、煤柱穩(wěn)定性評價方法等進行了大量研究，但對多煤層條帶開采的相關(guān)研究較少，特別是對多煤層條帶開采煤柱的穩(wěn)定性、地表移動預測參數(shù)等研究更少見，尚未提出合理的多煤層條帶開采煤柱穩(wěn)定性評價方法及地表移動參數(shù)選取方法，致使在多煤層條帶開采

18、設計和地表移動預測存在盲目性，限制了多煤層條帶開采的應用。因此本文基于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以里彥煤礦15、16、17煤多煤層條帶開采為背景，結(jié)合地質(zhì)沉陷機理，進行建筑物下多煤層條帶開采的探究，意義重大。2、所閱文獻的查閱范圍及手段；參考資料（1）所閱文獻的查閱范圍有煤礦開采學，F(xiàn)LAC3d實用教程，礦山巖體力學等。（2）手段包括圖書館借閱、書店購買、出版社郵購以及網(wǎng)上查詢下載等。（3）參考文獻有：1. 周維垣. 高等巖體力學M. 北京:水利電力出版社,1990.2. 徐永圻. 煤礦開采學M. 徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2008.3. FLAC3d實用教程M. 北京:機械工業(yè)出版社,2007.4.

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31、實踐，研究不同對齊方式和不同煤柱留設寬度對煤柱穩(wěn)定性的影響，得到最有利于煤柱穩(wěn)定的煤柱留設形式，為類似條件下的開采設計提供依據(jù)。煤巖的基礎力學性質(zhì)分析選取里彥煤礦15、16、17煤層及其頂?shù)装?，利用MTS815巖石伺服實驗系統(tǒng)對其進行單軸和三軸壓縮試驗，為進行條帶開采煤柱留設問題探討提供依據(jù)以及數(shù)值模擬提供可靠的參數(shù)。多煤層條帶開采煤柱留設穩(wěn)定性分析結(jié)合根據(jù)礦井生產(chǎn)實際及采掘接續(xù)狀況，煤層間采取下行式開采，即首先開采15煤層、再開采16層煤，最后開采17層煤。根據(jù)實際開采順序分為三部分內(nèi)容進行研究，固定同一采出率情況下進行研究。首先結(jié)合16、17煤開采情況，通過理論計算和數(shù)值模擬研究15煤層煤

32、柱穩(wěn)定性，初步確定其設計方案； 地表移動規(guī)律以及變形預計研究文章通過分析里彥煤礦地質(zhì)資料、周圍礦井的巖移觀測資料，通過概率積分法建立多煤層條帶開采地表移動預測參數(shù)與條帶開采寬度、上下煤柱空間位置關(guān)系等的關(guān)系，通過數(shù)值模擬，為多煤層條帶開采地表移動預測參數(shù)選取提供可行的方法。數(shù)值模擬結(jié)果分析里彥煤礦生產(chǎn)采區(qū)地面分布有大量村莊和礦區(qū)鐵路支線，搬遷費用高，為保護地面建筑物，減少地表沉陷，進行多煤層條帶開采優(yōu)化設計，確定合理采出率及各個煤層的煤柱留寬，總結(jié)多煤層條帶開采的技術(shù)方法。（2）擬解決的關(guān)鍵技術(shù)結(jié)合地表沉陷關(guān)系，以及16、17煤開采影響，通過概率積分法和數(shù)值模擬確定15煤合理采寬、留寬。通過概率積分法建立地表移動預測參數(shù)的關(guān)系式。2、論文的創(chuàng)新點（1）基于里彥煤礦開采條件，在理論分析的基礎上，采用數(shù)值模擬研究15、16、17煤三層煤柱不同對齊方式下不同采寬和留寬的方案設計。（2）結(jié)合現(xiàn)場實測資料，運用概率積分法和數(shù)值模擬多種分析手段確定地表移動預測參數(shù)。3、 主要的技術(shù)路線建筑物下多煤層條帶開采的技術(shù)研究學習和總結(jié)前人的經(jīng)驗，制定大體的研究思路通過巖石力學實驗，確定相關(guān)力學參數(shù)歸納總結(jié)建筑物下多煤層條帶開采技術(shù)理論多煤層地表變形規(guī)律及變形預計研究多煤層煤柱穩(wěn)定性分析探究圖1 技術(shù)路線圖四、研究基礎1、所需實驗手段、研究條件和實驗條件需要做大量實驗，