《開(kāi)采損害與環(huán)境保護(hù)》課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

《開(kāi)采損害與環(huán)境保護(hù)》課堂實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐指導(dǎo)書(shū)課程中文名稱：開(kāi)采損害與環(huán)境保護(hù)課程英文名稱：MininginducedEnvironmentalDamageandProtection課程編號(hào)：021010260適用專業(yè)：采礦工程、智能采礦工程學(xué)時(shí)數(shù)：4學(xué)分?jǐn)?shù)：0課程類別：專業(yè)課程應(yīng)開(kāi)課學(xué)期：第6學(xué)期 /實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐一：覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律的模擬方法及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐類型：綜合型實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐學(xué)時(shí)：2實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐要求：完成實(shí)踐內(nèi)容并撰寫(xiě)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐目的覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律的模擬方法及應(yīng)用二、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐內(nèi)容1．相似模擬試驗(yàn)原理、制作及注意事項(xiàng)；2．相似模擬試驗(yàn)下覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及分析。三、儀器設(shè)備依托河南理工大學(xué)能源學(xué)院相似模擬大廳二維及三維相似模擬試驗(yàn)平臺(tái)。四、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐原理、方法、手段和步驟1.采用相似模擬的方法，結(jié)合相似模擬試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的方法，為了便于理解，以近水平煤層開(kāi)采為例，分析巖層移動(dòng)和破壞過(guò)程和應(yīng)力狀態(tài)的變化。2.以水平煤層工作面向前推進(jìn)為例，受到采動(dòng)影響的巖層范圍不斷擴(kuò)大。當(dāng)開(kāi)采范圍足夠大時(shí)，巖層移動(dòng)發(fā)展到地表，在地表形成一個(gè)比采空區(qū)范圍大得多的下沉盆地，如下圖所示。圖1圖1采空區(qū)上覆巖層移動(dòng)和破壞由于巖層移動(dòng)和破壞的結(jié)果，使采空區(qū)周圍應(yīng)力重新分布，形成增壓區(qū)（支承壓力區(qū)）和減壓區(qū)（卸載壓力區(qū)）。在采空區(qū)邊界煤柱及其邊界上、下方的巖層內(nèi)形成支承壓力區(qū)，其最大壓力為原巖應(yīng)力場(chǎng)的3～4倍。由于支承壓力的作用，使該區(qū)煤柱和巖層被壓縮，有時(shí)被壓碎，煤層被擠向采空區(qū)，如圖1-2所示。由于增壓的結(jié)果，使煤柱部分被壓碎，支承載荷的能力減弱，于是支承壓力峰值區(qū)向煤壁深處轉(zhuǎn)移。在回采工作面的頂、底板巖層內(nèi)形成減壓區(qū)，其應(yīng)力小于采前的正常壓力。由于減壓的結(jié)果，使下部巖層發(fā)生彈性恢復(fù)變形。上部巖體由于受下部巖體移向采空區(qū)的結(jié)果，可能在頂板巖層內(nèi)形成離層，而底板巖層在采空區(qū)范圍內(nèi)卸壓，在煤柱范圍內(nèi)增壓，兩種壓力作用的結(jié)果，可能出現(xiàn)采空區(qū)地板向采空區(qū)隆起的現(xiàn)象。開(kāi)展覆巖破壞分析，如三帶分析：煤層采出后，周圍巖體產(chǎn)生移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)和變形超過(guò)巖體的極限變形時(shí)，巖體破壞。根據(jù)工程的需要，巖層移動(dòng)和破壞穩(wěn)定后按其破壞的程度，大致分為三個(gè)不同的開(kāi)采影響帶，即冒落帶（CavedZone）、裂縫帶（FracturedZone）和彎曲帶（ContinuousDeformationZone），如圖1-7所示。1、冒落帶冒落帶（又稱垮落帶）是指由采煤引起的上覆巖層破裂并向采空區(qū)垮落的巖層范圍。隨著煤層的開(kāi)采，其直接頂板在自重力的作用下，發(fā)生法向彎曲，當(dāng)巖層內(nèi)部的拉應(yīng)力超過(guò)巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生斷裂、破碎成塊而垮落，冒落巖塊大小不一，無(wú)規(guī)則地堆積在采空區(qū)內(nèi)。根據(jù)冒落巖塊的破壞和堆積狀況，冒落帶可分為不規(guī)則冒落和規(guī)則冒落兩部分。在不規(guī)則冒落部分內(nèi)，巖層完全失去了原有的層位，在靠近煤層附近，巖石破碎、堆積紊亂。在規(guī)則的冒落帶內(nèi)，巖層基本保持原有層次，位于不規(guī)則冒落帶之上。冒落帶內(nèi)巖層破壞特征：（1）在冒落帶內(nèi)，從煤層往上巖層破碎程度逐步減小。（2）冒落巖塊間空隙較大，連通性好，有利于水、砂、泥土通過(guò)。（3）冒落巖石具有的碎脹性能使冒落自行停止。冒落巖石的碎脹性是指冒落巖石體積大于冒落前的原巖體積，常用巖石碎脹系數(shù)來(lái)表示。巖石碎脹系數(shù)是指從巖體中采掘或崩落下來(lái)的巖石，其整個(gè)體積與它在原巖體內(nèi)的體積之比。巖石的碎脹系數(shù)取決于巖石性質(zhì)，堅(jiān)硬巖石碎脹系數(shù)較大，軟巖碎脹系數(shù)較小。碎脹系數(shù)值恒大于1，一般在1.5～1.8之間。（4）冒落帶高度主要取決于采出厚度和上覆巖層的碎脹系數(shù)，通常為采出厚度的3～5倍。薄煤層開(kāi)采時(shí)冒落高度較小，一般為采出厚度的1.7倍左右。頂板巖石堅(jiān)硬時(shí)，冒落帶高度為采出厚度的5～6倍；頂板軟弱時(shí)，冒落帶高度為采出厚度的2～4倍。實(shí)踐中可用下式近似估算冒落帶高度：式中，h—冒落帶高度；m—采出煤層厚度；α—煤層傾角；k—巖石碎脹系數(shù)。（5）冒落巖石間的空隙隨著時(shí)間的延長(zhǎng)和工作面推進(jìn)距離的增加，在上覆巖層壓力作用下，在一定程度上可得到壓實(shí)。一般是穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)，壓實(shí)性越好，但永遠(yuǎn)不會(huì)恢復(fù)到原巖體的體積。2、裂縫帶裂縫帶是指在采空區(qū)上覆巖層中產(chǎn)生裂縫、離層及斷裂，但仍保持層狀結(jié)構(gòu)的那部分巖層。裂縫帶位于冒落帶和彎曲帶之間。根據(jù)垂直層理面裂縫的大小及其連通性好壞，裂縫帶內(nèi)的巖層斷裂又分為嚴(yán)重?cái)嗔选⒁话銛嗔押臀⑿嗔讶糠?。?yán)重?cái)嗔巡糠值膸r層大多斷開(kāi)，但仍保持其原有層次，裂縫的漏水嚴(yán)重。一般斷裂部分的巖層很少斷開(kāi)，漏水程度一般。較小斷裂部分的巖層裂縫不斷開(kāi)，連通性較差。裂縫帶內(nèi)巖層產(chǎn)生較大的彎曲、變形和破壞，其破壞特征：（1）裂縫帶內(nèi)的巖層不僅發(fā)生垂直于層理面的裂縫或斷裂，而且還產(chǎn)生順層理面的離層裂縫。（2）根據(jù)連通性的好壞，裂縫帶一般導(dǎo)水、但不利于砂、泥土通過(guò)。（3）冒落帶和裂縫帶合稱為兩帶，又稱為冒落裂縫帶，在解決水體下采煤時(shí)，冒落帶和裂縫帶合稱為導(dǎo)水裂縫帶。兩帶之間沒(méi)有明顯的分界限，均屬于破壞性影響區(qū)，一般是上覆巖層離采空區(qū)距離越大，破壞程度越小。當(dāng)采深較小、采厚較大、用全部垮落法管理頂板時(shí)，裂縫帶可發(fā)展到地表，甚至冒落帶達(dá)到地表。這時(shí)地表和采空區(qū)連通，地表呈現(xiàn)出塌陷或崩落。（4）導(dǎo)水裂縫帶高度與巖性有關(guān)。軟弱巖石條件下，導(dǎo)水裂縫帶高度為采厚的9～12倍；中硬巖石條件下為采厚的12～18倍；堅(jiān)硬巖石條件下為采厚的18～28倍。準(zhǔn)確地確定導(dǎo)水裂縫帶高度，對(duì)水體下采煤至關(guān)重要。（5）裂縫帶隨著工作面推進(jìn)距離的增加，當(dāng)采空區(qū)擴(kuò)大到一定范圍時(shí)，裂縫帶的高度達(dá)到最大。此時(shí)，采空區(qū)繼續(xù)擴(kuò)大，裂縫帶高度基本上不再發(fā)展，并隨著時(shí)間的推移，當(dāng)巖層移動(dòng)趨于穩(wěn)定時(shí)，裂縫帶上部裂縫逐漸閉合，裂縫帶高度也隨之降低。3、彎曲帶彎曲帶指的是裂縫帶之上直至地表的整個(gè)巖系。其巖層移動(dòng)和破壞特征：（1）彎曲帶內(nèi)巖層在自重的作用下產(chǎn)生層面法向彎曲，在水平方向上處于雙向受壓狀態(tài)，其壓實(shí)程度比較好。（2）彎曲帶內(nèi)巖層移動(dòng)過(guò)程連續(xù)而有規(guī)律，并保持整體性和層狀結(jié)構(gòu)，不存在或極少存在離層裂縫。在豎直面內(nèi)，各部分的移動(dòng)值相差很小。（3）彎曲帶一般情況下具有隔水性，特別是當(dāng)巖性較軟時(shí)，隔水性能更好，成為水下開(kāi)采時(shí)的良好保護(hù)層。（4）彎曲帶的高度主要受開(kāi)采深度的影響。當(dāng)采深較小時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶高度直達(dá)地表，不存在彎曲帶；當(dāng)采深較大時(shí)，彎曲帶高度可大大超過(guò)垮落帶和裂縫帶的高度之和，開(kāi)采形成的裂縫帶不會(huì)達(dá)到地表?！叭龓А痹谒交蚓弮A斜煤層開(kāi)采時(shí)表現(xiàn)比較明顯，由于地質(zhì)采礦條件的不同，覆巖中的“三帶”不一定同時(shí)存在。五、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐結(jié)果處理實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐一或者實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐二總計(jì)提交1份實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐報(bào)告。六、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐注意事項(xiàng)1．認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，預(yù)習(xí)與實(shí)驗(yàn)有關(guān)知識(shí)，了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法；2．熟悉所用實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用方法；3．按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作；4．實(shí)驗(yàn)中觀察、檢測(cè)并記錄有關(guān)數(shù)據(jù)，能分析和解決在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象和問(wèn)題；5.．不盲目輕信實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果。不抄襲別人的數(shù)據(jù)和結(jié)果；6．每次實(shí)驗(yàn)后，每個(gè)學(xué)生均應(yīng)按本次實(shí)驗(yàn)情況編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)論要明確。要求格式規(guī)范，圖表清晰工整。七、預(yù)習(xí)與思考題1．相似模擬試驗(yàn)材料配比、相似模擬尺寸是如何確定的？2．相似模擬試驗(yàn)結(jié)果如何分析，其與實(shí)際工程有何不同？實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐二：開(kāi)采損害及環(huán)境治理技術(shù)及分析實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐類型：綜合型實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐學(xué)時(shí)：2實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐要求：完成實(shí)踐內(nèi)容并撰寫(xiě)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐目的開(kāi)采損害及環(huán)境治理技術(shù)及分析二、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐內(nèi)容1．熟悉煤礦開(kāi)采對(duì)地表沉陷的影響范圍、分布特征等；2．煤礦開(kāi)采對(duì)應(yīng)的地表建構(gòu)筑物損害程度、特征分析及環(huán)境治理技術(shù)及分析。三、儀器設(shè)備依托焦作附近典型采煤工作面回采后現(xiàn)場(chǎng)及采后環(huán)境治理典型案例現(xiàn)場(chǎng)（白鷺公園等）。四、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐原理、方法、手段和步驟1．采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐教學(xué)，結(jié)合課堂學(xué)習(xí)的不同采動(dòng)條件下的地表沉陷特征，分析特定采動(dòng)條件下的地表特殊點(diǎn)（拐點(diǎn)、邊界點(diǎn)等）表現(xiàn)特征，分析不同區(qū)域的建構(gòu)筑變形破壞特征，并針對(duì)性制定保護(hù)措施。2．地表移動(dòng)的形式（1）地表移動(dòng)盆地當(dāng)?shù)叵鹿ぷ髅骈_(kāi)采達(dá)到一定距離后（約為采深的1/4～1/2時(shí)），開(kāi)采影響到地表，受采動(dòng)影響的地表從原有的標(biāo)高向下沉降，從而在采空區(qū)上方形成一個(gè)比采空區(qū)大得多的沉陷區(qū)域，稱為地表移動(dòng)盆地，或稱下沉盆地（SubsidenceBasin），如圖3所示。地表移動(dòng)盆地的形成，改變了地表原有的形態(tài)，引起地表標(biāo)高、水平位置發(fā)生了變化，對(duì)地表的建筑、道路、河流、鐵路、生活環(huán)境等產(chǎn)生了影響。（2）裂縫及臺(tái)階在地表移動(dòng)盆地的外邊緣區(qū)，地表可能會(huì)產(chǎn)生裂縫，裂縫的深度和寬度與有無(wú)松散層及其厚度有關(guān)。松散層的塑性大，地表拉伸變形值超過(guò)6～10mm/m，才產(chǎn)生裂縫，松散層的塑性小，變形值超過(guò)2～3mm/m，即可產(chǎn)生裂縫。一般地表裂縫與地下采空區(qū)不連通，到一定深度可能尖滅。開(kāi)采強(qiáng)度較大時(shí)，地表可能出現(xiàn)裂縫或臺(tái)階，如圖4和圖5所示。圖圖4開(kāi)采引起地表裂縫圖3開(kāi)采引起的下沉盆地圖圖5開(kāi)采引起地表臺(tái)階裂縫及建筑物損害（3）塌陷坑塌陷坑多出現(xiàn)在急傾斜煤層開(kāi)采條件下，但是在某種特殊的地質(zhì)采礦條件下也易產(chǎn)生塌陷坑。在采深很小、采厚很大時(shí)，由于采厚不一致，造成覆巖破壞高度不一致，地表也可能出現(xiàn)漏斗狀塌陷坑，如圖6所示。在有含水層的松散層下采煤時(shí)，不適當(dāng)?shù)靥岣呋夭缮舷抟矔?huì)引起地表產(chǎn)生漏斗狀的塌陷坑。圖6急傾斜開(kāi)采形成的漏斗狀塌陷坑示意圖（1）-下沉；（2）-傾斜；（3）-曲率（4）-塌陷坑（4）地表移動(dòng)盆地的形成地表移動(dòng)盆地是在工作面的推進(jìn)過(guò)程中逐漸形成的。一般是當(dāng)回采工作面自開(kāi)切眼開(kāi)始向前推進(jìn)的距離相當(dāng)于采深的1/4～1/2時(shí)，開(kāi)采影響波及到地表，引起地表下沉。然后，隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，采空區(qū)面積增大，地表的影響范圍不斷擴(kuò)大，下沉值不斷增加，下沉盆地也逐漸擴(kuò)大。如圖7所示，當(dāng)采空區(qū)達(dá)到一定程度時(shí)，最大下沉值將不再增加而形成一個(gè)平底的下沉盆地。當(dāng)工作面停止推進(jìn)以后，地表的移動(dòng)不會(huì)馬上停止，要延續(xù)一段時(shí)間，然后才能穩(wěn)定，形成最終的地表移動(dòng)盆地，此時(shí)的盆地又稱靜態(tài)移動(dòng)盆地。工作面推進(jìn)方工作面推進(jìn)方向H0（1/4~1/2）H0w1w2w3w4w041234圖7地表移動(dòng)盆地形成過(guò)程1、2、3、4—工作面推進(jìn)的位置；w1、w2、w3、w4—相應(yīng)工作面上方的地表移動(dòng)盆地；w04—最終的靜態(tài)移動(dòng)盆地水平煤層非充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律水平煤層充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律圖1-30水平煤層充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律1圖1-30水平煤層充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律1—下沉；2—傾斜；3—曲率；4—水平移動(dòng)；5—水平變形xxδ0ψ3ψ3δ0ooAABBEEEE（5）（4）（2）（1）（3）圖1-30水平煤層充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律1—下沉；2—傾斜；3—曲率；4—水平移動(dòng)；5—水平變形xxδ0ψ3ψ3δ0ooAABBEEEE（5）（4）（2）（1）（3）圖1-30水平煤層充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律1—下沉；2—傾斜；3—曲率；4—水平移動(dòng)；5—水平變形xxδ0ψ3ψ3δ0ooAABBEEEE（5）（4）（2）（1）（3）五、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐結(jié)果處理實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐一或者實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐二總計(jì)提交1份實(shí)驗(yàn)/