地表巖移實(shí)施方案

1、淺埋深大采高地表巖移規(guī)律研究實(shí)施方案承擔(dān)單位：鄂爾多斯市轉(zhuǎn)龍灣煤炭有限公司協(xié)作單位：山東科技大學(xué)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：張學(xué)相起止時(shí)間：2017.4-2018.3 2017 年 6 月12 日目 錄一、項(xiàng)目的必要性（一）研發(fā)的必要性、目的及意義1. 現(xiàn)狀分析2. 目的及意義（二）國(guó)內(nèi)外同類(lèi)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展趨勢(shì)1. 目前國(guó)內(nèi)外同類(lèi)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r2. 發(fā)展趨勢(shì) 二、研究開(kāi)發(fā)內(nèi)容 三、目標(biāo)及主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo) 四、關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn) 五、項(xiàng)目技術(shù)路線 六、現(xiàn)有基礎(chǔ)及技術(shù)條件 七、對(duì)安全、環(huán)境、健康的影響性分析 八、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益分析 九、項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度計(jì)劃 十、經(jīng)費(fèi)概算十一、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、項(xiàng)目組成員及分工一、項(xiàng)目的必要

2、性（一）研發(fā)的必要性、目的及意義1. 現(xiàn)狀分析轉(zhuǎn)龍灣煤礦井田范圍43.46Km²，主采煤層為II-3煤層，其平均厚度為4.3m，煤層厚度穩(wěn)定，傾角較?。?2°）,煤層埋深為200m左右。根據(jù)鉆孔資料顯示，井田范圍內(nèi)，頂板巖性差異較大。目前23103、23102、23303工作面已回采完畢，23101、23302工作面正在進(jìn)行回采。23103工作面由東華建設(shè)有限公司進(jìn)行了首采面地表巖移觀測(cè)，觀測(cè)數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)已在報(bào)告中給出，通過(guò)該參數(shù)計(jì)算23102工作面地表各類(lèi)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致。但23303工作面通過(guò)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，差異較大，通過(guò)分析認(rèn)為，231采區(qū)各工作面頂板砂巖巖性相似，

3、數(shù)據(jù)基本一致，但233采區(qū)與231采區(qū)頂板砂巖巖性差異較大，造成233采區(qū)預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)值差異性較大。另外，通過(guò)轉(zhuǎn)龍灣煤礦監(jiān)測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，礦井薄基巖淺埋深大采高開(kāi)采覆巖形變、破斷，地表移動(dòng)規(guī)律以及顯現(xiàn)特征與其它淺部開(kāi)采礦井相比有明顯的差異性，若仍以淺部開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)理論指導(dǎo)轉(zhuǎn)龍灣礦井各類(lèi)建（構(gòu)）筑物及井巷保護(hù)煤柱留設(shè)、開(kāi)采損害評(píng)價(jià)等方面會(huì)出現(xiàn)較大誤差，給安全生產(chǎn)帶來(lái)不利影響。因此，本課題正是針對(duì)龍灣礦井開(kāi)采過(guò)程中地表沉陷變形存在的問(wèn)題，在前期研究的基礎(chǔ)上，對(duì)不同條件下（主要考慮松散層影響因素）開(kāi)采覆巖應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)演化規(guī)律、地表沉陷特征的特殊性進(jìn)行研究，掌握采動(dòng)覆巖體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立符合轉(zhuǎn)龍灣開(kāi)采的巖層

4、及地表沉陷預(yù)測(cè)模型及參數(shù)求取方法，能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)地面沉降，并結(jié)合覆巖運(yùn)移特征，提出適合轉(zhuǎn)龍灣礦井工作面布置的設(shè)計(jì)方法，有效減少煤炭資源的滯留，降低地面沉降災(zāi)害的影響，為轉(zhuǎn)龍灣礦井“三下”安全開(kāi)采提供新的理論基礎(chǔ)。2. 目的及意義本項(xiàng)目研究的目的在于：（1）通過(guò)對(duì)采動(dòng)地表沉陷影響因素的分析，確定松散層、巖石力學(xué)性質(zhì)對(duì)地表沉陷的影響規(guī)律；（2）通過(guò)地表移動(dòng)變形觀測(cè)的研究，確定相關(guān)的沉陷參數(shù)；（3）確定下沉數(shù)據(jù)與巖性的關(guān)系及動(dòng)態(tài)下沉參數(shù)；（4）建立地表沉陷模型，進(jìn)行地表沉陷預(yù)計(jì)；（5）研究地表移動(dòng)變形規(guī)律，為沉陷治理提供依據(jù)。課題研究研究成果不但對(duì)地表沉陷治理，防治沉陷事故具有指導(dǎo)意義，而且可以準(zhǔn)確計(jì)算

5、各類(lèi)保護(hù)煤柱，節(jié)省資源，提高煤礦的經(jīng)濟(jì)效益，保證礦井的可持續(xù)發(fā)展?？傊?，該課題的研究，不論對(duì)企業(yè)發(fā)展還是對(duì)環(huán)境保護(hù)都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。（二）國(guó)內(nèi)外同類(lèi)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展趨勢(shì)1. 目前國(guó)內(nèi)外同類(lèi)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r 礦山開(kāi)采沉陷學(xué)(也稱(chēng)巖層與地表移動(dòng))是研究開(kāi)采沉陷及其引起的有關(guān)工程問(wèn)題的一門(mén)學(xué)科。其主要研究?jī)?nèi)容包括:開(kāi)采沉陷機(jī)理、巖層和地表移動(dòng)規(guī)律、觀測(cè)方法、預(yù)計(jì)方法、模擬方法研究等。作為工程應(yīng)用， “三下一上”(建筑物下、鐵路下、水體下、承壓含水層上)采煤、井筒煤柱開(kāi)采技術(shù)和保護(hù)措施等也是其研究的重要課題。 早在十九世紀(jì)中葉以來(lái)，由于采礦業(yè)的發(fā)展，采礦引起地表塌陷給地面建(構(gòu))筑物和農(nóng)業(yè)帶來(lái)嚴(yán)

6、重?fù)p害，引起了人們的關(guān)注。最早的地表移動(dòng)觀測(cè)站建立于二十世紀(jì)初，從此開(kāi)始對(duì)地表移動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)。 開(kāi)采沉陷發(fā)展至今已有近170多年的歷史了，可將其發(fā)展過(guò)程概括為三個(gè)階段，自1838年對(duì)比利時(shí)列口城下開(kāi)采所引起的地表塌陷的認(rèn)識(shí)開(kāi)始到二戰(zhàn)前夕屬于開(kāi)采沉陷的初步認(rèn)識(shí)和研究階段；二戰(zhàn)以后至二十世紀(jì)60年代末期，屬于開(kāi)采沉陷理論形成時(shí)期；二十世紀(jì)70年代至今為開(kāi)采沉陷現(xiàn)代理論研究階段。開(kāi)采沉陷理論歸納起來(lái)主要有早期理論、幾何理論、連續(xù)介質(zhì)理論、非連續(xù)介質(zhì)理論，以及開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)方法等。1949德國(guó)學(xué)者Niemczyk出版了開(kāi)采沉陷的第一本有代表性的著作Bergschadenkunde，該書(shū)根據(jù)實(shí)測(cè)資料系統(tǒng)

7、地分析了地表移動(dòng)規(guī)律并用移動(dòng)變形曲線表示。 (1)早期理論 1858年，以觀測(cè)資料為基礎(chǔ)，比利時(shí)人哥諾(Gonot)提出了“法線理論”，認(rèn)為采空區(qū)上下邊界開(kāi)采影響范圍可用相應(yīng)點(diǎn)的層面法線確定。1876年，德國(guó)人依琴斯凱(Jicinsky)提出了“二等分線理論”。1882年，耳西哈教授提出“自然斜面理論”，與現(xiàn)在的移動(dòng)角概念頗為相似，這是關(guān)于開(kāi)采沉陷與巖性關(guān)系的最早研究成果。二十世紀(jì)二十年代，大規(guī)模地開(kāi)展了水平移動(dòng)觀測(cè)，在此基礎(chǔ)上，開(kāi)采沉陷理論得到了發(fā)展，19231932年斯奇米茨(Sohmitz)、凱因霍斯特(Keinhost)和巴斯(R.Bal S)研究了開(kāi)采影響的作用面積及分帶，并提出了連

8、續(xù)影響分布的概念。 (2)幾何理論1950年，波蘭學(xué)者克諾特(Knothe)提出了幾何理論，并選用高斯曲線作為影響曲線 式中: 表示主要影響半徑; 一表示最大下沉值。 布德雷克(Budryk)解決了克諾特提出的下沉盆地中的水平移動(dòng)及水平變形問(wèn)題，這一理論現(xiàn)在稱(chēng)為布德雷克一克諾特理論。 (3)非連續(xù)介質(zhì)理論 1954年，波蘭學(xué)者李特維尼申(J.Litwiniszy)把巖層移動(dòng)過(guò)程作為一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，推證下沉服從柯?tīng)柲缌_夫(KorMoropoB)方程，這一理論被稱(chēng)為隨機(jī)介質(zhì)理論。我國(guó)學(xué)者劉寶深、廖國(guó)華將隨機(jī)介質(zhì)理論發(fā)展為在我國(guó)廣泛應(yīng)用的概率積分法。1981何國(guó)清等從隨機(jī)觀點(diǎn)研究碎塊體移動(dòng)規(guī)律，得出

9、用威布爾分布形式表征地表下沉盆地。郝慶旺引入了空隙擴(kuò)散和空源等概念，建立了空隙擴(kuò)散微分方程，并初步研究了該方程在開(kāi)采沉陷中的應(yīng)用。這是對(duì)隨機(jī)介質(zhì)理論的補(bǔ)充和發(fā)展。 (4)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論 幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法為基礎(chǔ)建立了各種力學(xué)模型對(duì)巖層移動(dòng)與地表沉陷進(jìn)行研究。1953年波蘭學(xué)者薩武斯托維奇(A. Salustowicz)利用彈性基礎(chǔ)梁理論得出了波動(dòng)下沉剖面方程。我國(guó)學(xué)者李增琪(1983, 1985)，將開(kāi)挖引起的地表移動(dòng)看成是層間既滿(mǎn)足力學(xué)平衡條件又滿(mǎn)足幾何接觸條件的多層橫觀各向同性介質(zhì)的彈性力學(xué)平面問(wèn)題，采用富氏積分變換方法計(jì)算巖層和地表移動(dòng)。 (5)開(kāi)采沉陷現(xiàn)代理論 隨

10、著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和研究手段的進(jìn)步，開(kāi)采沉陷理論得到進(jìn)一步發(fā)展。特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬方法(有限元、邊界元、離散元等)、人工智能技術(shù)等在開(kāi)采沉陷中得到了廣泛的應(yīng)用。由于數(shù)值方法能夠考慮巖體固有屬性，且適應(yīng)于不同特征的巖體采動(dòng)沉陷研究，能夠有效地反映出采動(dòng)巖體沉陷狀態(tài)，因此學(xué)者們投入了大量的研究，特別是近十多年來(lái)取得了許多有價(jià)值的成果。如張玉卓的模糊內(nèi)時(shí)有限元法和位錯(cuò)邊界元法，謝和平的損傷非線性有限元法，何滿(mǎn)潮的非線性非光滑有限元法，鄧喀中的損傷有限元法，高延法的粘塑性有限元法，麻鳳海的離散元法等均對(duì)巖體開(kāi)采沉陷的狀況進(jìn)行了很好的模擬。近年來(lái)，巖體力學(xué)理論迅速發(fā)展，推動(dòng)了開(kāi)采沉陷

11、理論的研究。人們將損傷理論應(yīng)用于開(kāi)采沉陷的研究，得出了一些有益的力學(xué)模型的數(shù)值計(jì)算方法。鄧喀中采用斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)相結(jié)合的方法，分析了節(jié)理對(duì)巖層及地表移動(dòng)的影響，采用彈性梁、板理論推出了巖體內(nèi)部移動(dòng)新的計(jì)算式。于廣明從相似材料模型入手研究了節(jié)理巖體采動(dòng)沉陷規(guī)律模型的損傷張量計(jì)算及沉陷量的統(tǒng)計(jì)損傷分析。李云鵬、王芝銀提出了開(kāi)采沉陷粘彈塑性損傷模型，并進(jìn)行了實(shí)例分析。 (6)開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)方法 開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)方法主要有:基于實(shí)測(cè)資料的經(jīng)驗(yàn)方法;影響函數(shù)法;理論模擬法。經(jīng)驗(yàn)方法基于實(shí)測(cè)資料，通過(guò)大量實(shí)測(cè)資料的數(shù)據(jù)處理，建立各種數(shù)學(xué)模型對(duì)地表沉陷盆地進(jìn)行擬合。國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣的有典型曲線法和剖面函數(shù)法。

12、影響函數(shù)法 影響函數(shù)法的實(shí)質(zhì)是描述微小單元開(kāi)采對(duì)巖層或地表的影響(以影響函數(shù)表示)程度。通過(guò)影響函數(shù)對(duì)開(kāi)采面積的積分計(jì)算地表的移動(dòng)和變形。影響函數(shù)法主要有:巴爾斯法，別耶爾(Beyer)法，扎恩(sann)法，埃爾哈爾特一佐埃爾(Ehrhardt-Sauer)法和克諾特(Knothe)一布德雷克(Budryk)法。其中最具有代表性的有克諾特一布德雷克方法，該法選用高斯曲線作為影響曲線，對(duì)近水平煤層的下沉描述非常成功。 理論模擬法 把巖體抽象為某個(gè)理論模型，按照這個(gè)模型計(jì)算受開(kāi)采影響巖體產(chǎn)生的移動(dòng)、變形和應(yīng)力分布情況。 近年來(lái)，采動(dòng)地表移動(dòng)變形規(guī)律研究方面主要成果還有：(l)魏秉亮等人對(duì)淺埋近水

13、平煤層采動(dòng)地面變形規(guī)律以及淺埋近水平煤層采動(dòng)巖移與塌陷機(jī)理進(jìn)行了研究；(2)西安礦業(yè)學(xué)院侯忠杰、石平五教授對(duì)厚沙層下煤層覆巖破壞機(jī)理以及淺埋煤層礦壓顯現(xiàn)與巖層控制進(jìn)行了研究，研究表明厚風(fēng)積沙層下，當(dāng)頂板基巖不厚時(shí)，采后覆巖“三帶合一”。在不能形成任何承載結(jié)構(gòu)的厚風(fēng)積沙層下，頂板薄基巖是沿全厚的整體切落破壞，具有沖擊性。另有研究表明，薄基巖在厚沙覆蓋層作用下的整體切落是頂板破斷運(yùn)動(dòng)的主要方式，指出保證足夠的初撐力和采空區(qū)一定充填狀況是控制要點(diǎn)。(3)西安科技大學(xué)王貴榮教授對(duì)厚黃土層薄基巖地區(qū)開(kāi)采沉陷規(guī)律進(jìn)行探討得到，在厚黃土層覆蓋地區(qū)，地下開(kāi)采引起的地表沉陷是由上覆基巖和黃土層雙層介質(zhì)變形、移動(dòng)

14、疊加作用所致，基巖是黃土層地表沉陷的控制層。黃土層垂直節(jié)理發(fā)育，決定了其沉陷變形有別于其他巖土層，地表出現(xiàn)臺(tái)階狀斷陷，典型的“三帶式”破壞形式變?yōu)椤岸健?。地形起伏?duì)地表沉陷有一定影響，地表變形最大值出現(xiàn)在地表坡角較大的采空區(qū)上方。(4)安徽理工大學(xué)宣以瓊等人對(duì)榆陽(yáng)煤礦覆巖破壞移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究總結(jié)得出:受沉積環(huán)境的影響，淺埋煤層頂板巖層微觀結(jié)構(gòu)特征為石英含量較高，黏土礦物含量較低，具有典型脆性材料的特點(diǎn)，表現(xiàn)為易裂、抗擾動(dòng)能力差和再生隔水能力弱等破壞移動(dòng)演化特征。實(shí)踐表明，采用采空區(qū)滯后控水、煤水分流、控制風(fēng)機(jī)巷附近采高；物探預(yù)測(cè)地質(zhì)弱面和富水區(qū)域預(yù)先加固疏放，是淺埋煤層防止突水潰砂行之有效

15、的調(diào)控保障技術(shù)措施。(5)河南理工大學(xué)宋常勝等人對(duì)厚松散層薄基巖條帶采動(dòng)地表移動(dòng)變形規(guī)律研究得出，煤系地層中的關(guān)鍵層對(duì)條帶開(kāi)采的地表沉陷起著控制作用，含水松散層的固結(jié)變形機(jī)理表明巨厚松散層并非隨基巖整體下沉。通過(guò)建立巨厚松散層下條帶開(kāi)采巖土層移動(dòng)的復(fù)合介質(zhì)模型，對(duì)煤系地層中的上位巖土層巨厚松散層和下位巖層關(guān)鍵層分別加以研究，認(rèn)為可以用此模型較好地解釋巨厚松散層下條帶開(kāi)采的機(jī)理和地表沉陷規(guī)律。(6)西安科技大學(xué)趙兵朝在對(duì)淺埋煤層條件下基于概率積分法的保水開(kāi)采識(shí)別模式研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有的研究成果和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，得出淺埋煤層條件下采用不同基采比所導(dǎo)致的礦壓顯現(xiàn)特征不同的結(jié)論，進(jìn)而以基采比為關(guān)鍵參

16、數(shù)，結(jié)合基載比來(lái)進(jìn)一步分析研究淺埋煤層條件下的礦壓顯現(xiàn)特征與地表移動(dòng)變形規(guī)律。另外還有很多學(xué)者對(duì)厚松散層薄基巖地表沉陷破壞規(guī)律進(jìn)行了相關(guān)的研究。綜上所述，針對(duì)轉(zhuǎn)龍灣煤礦煤層埋深200m左右，平均厚度4.3m這樣地質(zhì)條件的地表移動(dòng)變形規(guī)律研究的還很少，需要進(jìn)一步的研究。2. 發(fā)展趨勢(shì)理論與實(shí)踐的結(jié)合是開(kāi)采沉陷理論發(fā)展的基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)不同地質(zhì)條件的數(shù)據(jù)觀測(cè)及研究，能不斷豐富開(kāi)采沉陷理論，而且可為類(lèi)似地質(zhì)條件開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)提供依據(jù)。（三）相關(guān)技術(shù)專(zhuān)利檢索分析情況通過(guò)關(guān)鍵字“地表沉陷”的檢索，共檢索相關(guān)專(zhuān)利22項(xiàng)，通過(guò)關(guān)鍵字“地表巖移”檢索，共檢索相關(guān)專(zhuān)利3項(xiàng)，沒(méi)有與本課題密切相關(guān)的專(zhuān)利，本課題的研究能為

17、礦井安全、高效開(kāi)采提供了設(shè)計(jì)依據(jù)，而且豐富了特殊地質(zhì)條件巖移理論方面的研究，具有較好的理論創(chuàng)新性，所研究?jī)?nèi)容不涉及侵犯其他知識(shí)產(chǎn)權(quán)，不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)。二、研究開(kāi)發(fā)內(nèi)容1）減少地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)，優(yōu)化地表觀測(cè)站設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)測(cè)地表移動(dòng)觀測(cè)資料,研究淺埋深大采高礦山煤層開(kāi)采地表沉陷特征。研究轉(zhuǎn)龍灣礦井不同開(kāi)采條件下地表移動(dòng)變形沉陷盆地特征等，對(duì)比分析與其他淺部礦井地表變形之間的差異性，對(duì)由基巖厚度增加造成的影響進(jìn)行分析；研究地表移動(dòng)變形動(dòng)態(tài)演化規(guī)律、靜態(tài)演化規(guī)律，建立適合轉(zhuǎn)龍灣礦井開(kāi)采的地表預(yù)計(jì)參數(shù)求取模型；研究?jī)?yōu)化礦井工作面尺寸、推進(jìn)速度等對(duì)地面的采動(dòng)影響，對(duì)減少地表移動(dòng)變形的機(jī)理進(jìn)行分析。2）研究轉(zhuǎn)龍

18、灣礦井開(kāi)采覆巖破壞、應(yīng)力分布特征及壓力拱分布形態(tài)，解析開(kāi)采過(guò)程中支承壓力、覆巖運(yùn)動(dòng)及地表沉陷之間的關(guān)系，提出礦井開(kāi)采采場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)模型，建立非充分采動(dòng)階段支承壓力計(jì)算模型，分析覆巖應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)移及發(fā)展過(guò)程，建立基于應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)移的覆巖形變沉陷模型，并給出地表沉陷各特征參量的確定方法。 3）轉(zhuǎn)龍灣礦井開(kāi)采預(yù)計(jì)參數(shù)研究研究礦井開(kāi)采過(guò)程中覆巖體內(nèi)動(dòng)態(tài)移動(dòng)形變規(guī)律及對(duì)地表的影響，確定覆巖體內(nèi)主要影響半徑及基本變形指標(biāo)，推導(dǎo)出與地表移動(dòng)變形各參數(shù)、賦存深度之間的關(guān)系式；研究可靠的覆巖體等效力學(xué)參數(shù)反演方法，解決模擬試驗(yàn)巖層參數(shù)選取困難問(wèn)題；分析在不同采礦條件下（考慮松散層影響）采深、采寬、開(kāi)采范圍等對(duì)概率積分法主

19、導(dǎo)變形預(yù)計(jì)參數(shù)下沉系數(shù)、拐點(diǎn)偏移距的影響，建立地表移動(dòng)參數(shù)、概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)與地質(zhì)采礦條件之間的關(guān)系。三、目標(biāo)及主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)（一）目標(biāo)1）得出轉(zhuǎn)龍灣礦井開(kāi)采過(guò)程中支承壓力、覆巖運(yùn)動(dòng)及地表沉陷之間的關(guān)系，建立基于應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)移的覆巖形變沉陷模型，確定出地表移動(dòng)各特征參量。2）掌握轉(zhuǎn)龍灣礦井采場(chǎng)覆巖體內(nèi)的移動(dòng)變形規(guī)律，確定出覆巖體內(nèi)主要影響半徑及基本變形指標(biāo)，給出與地表移動(dòng)變形各參數(shù)、賦存深度之間的關(guān)系式。3）建立轉(zhuǎn)龍灣礦井開(kāi)采地表沉陷預(yù)計(jì)模型，獲取優(yōu)化礦井工作面尺寸、推進(jìn)速度的方法。（二）主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)1）確定啟動(dòng)距、超前影響角、最大下沉速度滯后角、邊界角、移動(dòng)角、裂縫角和充分采動(dòng)角。2）確

20、定下沉數(shù)據(jù)與巖性之間的關(guān)系。3）確定地表概率積分預(yù)計(jì)參數(shù)。4）確定地表移動(dòng)變形規(guī)律。四、關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)（一）關(guān)鍵技術(shù)1）應(yīng)用沉陷理論、非線性理論等分析轉(zhuǎn)龍灣礦井開(kāi)采過(guò)程中地表移動(dòng)變形特征、覆巖破壞及受力與形變之間的關(guān)系、地表移動(dòng)變形中的突變。2）應(yīng)用MTS伺服實(shí)驗(yàn)機(jī)等研究巖石高圍壓狀態(tài)下的強(qiáng)度特性，構(gòu)建覆巖體承載力學(xué)模型。3）采用相似材料模擬與機(jī)械物理模擬相結(jié)合的方式，研究采動(dòng)巖層動(dòng)態(tài)形變規(guī)律及支承壓力演化規(guī)律，分析覆巖體內(nèi)形變指標(biāo)與地表移動(dòng)各參數(shù)之間的關(guān)系。4）井下對(duì)覆巖受力破壞進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)比地面沉陷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究地表移動(dòng)變形動(dòng)態(tài)演化規(guī)律、沉陷盆地特征等。5）應(yīng)用三維數(shù)值模擬軟件，結(jié)合室內(nèi)

21、試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，研究采動(dòng)覆巖應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)移及發(fā)展過(guò)程，地表沉陷與覆巖運(yùn)動(dòng)發(fā)展間相互聯(lián)系的量化確定。（二）創(chuàng)新點(diǎn)1）首次采用不設(shè)置正規(guī)地表觀測(cè)站（非直線或散點(diǎn)），實(shí)現(xiàn)獲得轉(zhuǎn)龍灣礦井可靠的地表移動(dòng)規(guī)律與參數(shù)，大大減少原來(lái)地表移動(dòng)觀測(cè)的工作量及難度，提高了分析的可靠性。2）研發(fā)的淺埋深大采高合理的工作面布置尺寸、推進(jìn)速度等優(yōu)化技術(shù)，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。五、項(xiàng)目技術(shù)路線本課題擬采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論分析相結(jié)合的研究方法進(jìn)行研究。主要技術(shù)路線如圖1所示。在對(duì)地表移動(dòng)變形影響因素分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行23201及23302區(qū)域地表巖移觀測(cè)：為保證設(shè)計(jì)方案的正確及指導(dǎo)轉(zhuǎn)龍灣煤礦以后的建構(gòu)筑物下采煤工作，應(yīng)在23302

22、和23201工作面開(kāi)采時(shí)，建立地表移動(dòng)觀測(cè)站進(jìn)行觀測(cè)，以取得實(shí)際觀測(cè)資料，并通過(guò)實(shí)際觀測(cè)成果可對(duì)采動(dòng)地表移動(dòng)變形進(jìn)行必要的評(píng)價(jià)，確保礦井開(kāi)采的順利實(shí)現(xiàn)。常規(guī)的地表移動(dòng)觀測(cè)站布置以走向和傾向主斷面布置，以取得地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)和動(dòng)態(tài)地表移動(dòng)觀測(cè)成果，但由于觀測(cè)受實(shí)際情況的影響，很難達(dá)到設(shè)計(jì)的觀測(cè)要求，且由于時(shí)間周期較長(zhǎng)，往往造成點(diǎn)位的破壞，難以取得完整的數(shù)據(jù)，達(dá)到理想的效果。現(xiàn)隨著計(jì)算理論的完善和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，地表移動(dòng)觀測(cè)站設(shè)置可根據(jù)地形地物的變化，以取得主要參數(shù)進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)，既要便于觀測(cè)點(diǎn)的保護(hù)，又要便于日常觀測(cè)工作的進(jìn)行。根據(jù)23302和23201工作面開(kāi)采的地面特點(diǎn)，上方可設(shè)置二個(gè)相互獨(dú)

23、立的觀測(cè)站（線），以取得可以相互對(duì)比的成果和資料。開(kāi)采工作面地表巖移測(cè)點(diǎn)應(yīng)該采用預(yù)制混凝土樁，特別控制點(diǎn)應(yīng)預(yù)制混凝土樁（其它觀測(cè)點(diǎn)也可根據(jù)情況采用其它方式設(shè)立）；地表巖移控制測(cè)點(diǎn)用預(yù)制樁，其余測(cè)點(diǎn)可用預(yù)制樁或木樁。埋設(shè)測(cè)點(diǎn)時(shí)，挖坑前先把點(diǎn)位引到1m外的四個(gè)臨時(shí)十字樁上，坑底搗實(shí)，先鋪一層0.1m厚的混凝土后放預(yù)制樁，同時(shí)由十字樁接線指示測(cè)點(diǎn)位置，控制測(cè)點(diǎn)的偏心不要大于1cm，工作測(cè)點(diǎn)偏心不要大于5cm。標(biāo)志澆灌深度在本區(qū)域冬土線一下0.5m左右，標(biāo)志周?chē)罹o土石，和凍土隔離，以防測(cè)點(diǎn)受凍結(jié)影響。要定期進(jìn)行從水準(zhǔn)基點(diǎn)到觀測(cè)站的水準(zhǔn)測(cè)量，保證觀測(cè)站控制點(diǎn)的穩(wěn)定。地表移動(dòng)觀測(cè)站的觀測(cè)工作可分為：觀測(cè)

24、站的連接測(cè)量，全面觀測(cè)，單獨(dú)進(jìn)行的水準(zhǔn)測(cè)量，地表破壞的測(cè)定和編錄等。在埋好測(cè)點(diǎn)并待其穩(wěn)定后（一般觀測(cè)點(diǎn)埋好1015天點(diǎn)位固結(jié)），要與本礦已知測(cè)點(diǎn)進(jìn)行平面和高程連測(cè)以便測(cè)定各測(cè)點(diǎn)和測(cè)線位置。為了準(zhǔn)確地確定工作測(cè)點(diǎn)在地表移動(dòng)開(kāi)始前的空間位置，在連測(cè)后地表開(kāi)始移動(dòng)之前，應(yīng)獨(dú)立進(jìn)行兩次全面觀測(cè)，全面觀測(cè)的內(nèi)容，包括測(cè)定各測(cè)點(diǎn)的平面位置和高程，各測(cè)點(diǎn)間的距離等。邊長(zhǎng)測(cè)量要用鋼尺，支距測(cè)量可用水平支距尺直接放在測(cè)點(diǎn)上進(jìn)行，也可用經(jīng)緯儀往返測(cè)角后計(jì)算支距，開(kāi)采影響前的水準(zhǔn)測(cè)量按三等水準(zhǔn)要求進(jìn)行，對(duì)采中和采后按四等水準(zhǔn)的精度施測(cè)。在活躍期（月下沉值較大），每半月進(jìn)行一次加密水準(zhǔn)測(cè)量，同時(shí)要進(jìn)行一次全面觀測(cè)。在

25、每次地表觀測(cè)同時(shí)，在井下測(cè)定工作面位置、煤厚和采高等。工作面采完，地表移動(dòng)穩(wěn)定后，即半年內(nèi)下沉不超過(guò)30mm時(shí)，作最后的全面觀測(cè)。觀測(cè)順序、內(nèi)容及時(shí)間匯總可參考表2程序進(jìn)行。為了保證所獲得觀測(cè)資料的準(zhǔn)確性，每次觀測(cè)應(yīng)在盡量短的時(shí)間內(nèi)完成，特別是在移動(dòng)活動(dòng)階段，水準(zhǔn)測(cè)量必須在一天內(nèi)完成，并力爭(zhēng)做到高程測(cè)量和平面測(cè)量同時(shí)進(jìn)行。觀測(cè)線的最終觀測(cè)成果和采動(dòng)前的初次觀測(cè)成果列于表2，每次觀測(cè)之后均應(yīng)及時(shí)的進(jìn)行移動(dòng)、變形計(jì)算。觀測(cè)時(shí)間及內(nèi)容匯總 表1序號(hào)觀測(cè)內(nèi)容時(shí)間1預(yù)制測(cè)點(diǎn)并埋設(shè)受采動(dòng)影響前2連接測(cè)量及采前全面觀測(cè)采動(dòng)影響前完成3巡視水準(zhǔn)測(cè)量地表點(diǎn)下沉10mm開(kāi)始，每月一次4加密水準(zhǔn)測(cè)量活躍期（每月下沉

26、大于25mm），每半月一次5活躍期全面觀測(cè)活躍期內(nèi)進(jìn)行， 6穩(wěn)定后全面觀測(cè)地表移動(dòng)穩(wěn)定后，地表移動(dòng)、變形綜合成果表 表2測(cè)點(diǎn)編號(hào)標(biāo)高m下沉mm下沉差mm傾斜mm/m傾斜變化mm/m曲率10-3/m線段線段長(zhǎng)水平變形水平移動(dòng)mm第一次觀測(cè)第n次觀測(cè)第一次觀測(cè)第一次觀測(cè)絕對(duì)值mm相對(duì)值mm/m在以上觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并建立地表預(yù)計(jì)模型，研究采動(dòng)地表移動(dòng)變形規(guī)律及地表沉陷特征。圖1 技術(shù)路線圖六、現(xiàn)有基礎(chǔ)及技術(shù)條件 兗礦集團(tuán)轉(zhuǎn)龍灣煤炭有限公司在地測(cè)方面做了大量的前期工作，取得了一大批關(guān)于地表沉陷方面的科學(xué)數(shù)據(jù)。山東科技大學(xué)多年來(lái)一直從事地表沉陷的理論研究及塌陷治理工作。近五年，學(xué)校承擔(dān)

27、各級(jí)各類(lèi)科研項(xiàng)目4300項(xiàng)，計(jì)劃與合同經(jīng)費(fèi)11.47億元。其中，縱向項(xiàng)目2391項(xiàng)、計(jì)劃經(jīng)費(fèi)5.89億元，橫向項(xiàng)目2009項(xiàng)、合同經(jīng)費(fèi)5.58億元；獲上級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)772項(xiàng)，其中國(guó)家級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)3項(xiàng)、省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)238項(xiàng)。擁有教育部礦山災(zāi)害預(yù)防與控制實(shí)驗(yàn)室和山東省"礦業(yè)安全工程與環(huán)境保護(hù)"重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室擁有先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，試驗(yàn)室設(shè)備、計(jì)算機(jī)齊全，為完成本課題提供了一定的人員和儀器保障。因此，無(wú)論從人員構(gòu)成，還是技術(shù)水平及前期工作，為本課題的完成提供了必要的條件。課題組具備該課題研究的基礎(chǔ)和技術(shù)條件。七、對(duì)安全、環(huán)境、健康的影響性分析通過(guò)本項(xiàng)目的研究成果的實(shí)施，能夠提供巖移的相關(guān)參數(shù)及沉陷預(yù)計(jì)模型，為保護(hù)煤柱的留設(shè)提供依據(jù)，同時(shí)，可減少地面的塌陷與滑坡事故，保護(hù)地面建筑、道路等設(shè)施，另外，通過(guò)對(duì)地表裂縫的研究，可以減少地表水進(jìn)入井下，減少對(duì)地表水的破壞，保護(hù)地表植被。總之，研究結(jié)果對(duì)于礦區(qū)煤