图1-1 薄基岩条带开采覆岩与地表移动变形机理研究的工作路线图
2、研究区的地质条件
❖重点介绍一下谢家口村庄及村庄下煤 系及松散层的地质结构特征：
➢ 太平矿谢家口村庄下压煤面积约0.41km2， 压煤量587.33104吨，谢家口位置及周围钻 孔分布图如图2-1。在举村搬迁困难的情况下 ，按目前一般条采的采出率为50%左右，该 村庄下可采出煤炭资源293.67104吨，实现 该矿煤炭资源的可持续发展。
钻 孔 9 8 -4 为 正 常 厚 度 基 岩 ， 岩 层 平 均 厚 8 8 .7 m 。）
➢ 本部分对太平煤矿工程地质及水文地
质条件的研究是后续研究薄基岩条带开 采建立工程地质力学模型及数值模拟的 基本依据。
3、薄基岩条带开采的工程 地质力学模型试验
❖ 本部分内容为全文最主要工作量之 一，历时2个月，完成了该模型的准备 、建模、“开采”、观测及分析推断 等工作。
1、绪论
❖目前我国煤炭资源的开发使用而言，浅部 的易于开采的资源基本已开采殆尽，下一步 将向深部煤层和“三下”压煤进军。
❖由于条带开采能控制垮落带、断裂带的发 育，减少覆岩与地表沉陷，有利于保护地面 建筑物、构筑物、地形、地貌，有利于安全 生产，因而条带开采在“三下”采煤方面， 将有广泛的应用前景。
➢方 案 二 ： 变 化 采 高 ， 开 采 五 个 条 带 （ a=40m，b=40m，h=4.4m和h=6.6m）。
➢方案三：变化采宽，开采五个条带（ a=40m，b=50m，h=8.8m），然后使煤柱 宽度不变，即a=40m，使采宽具有不同的 宽度，即b从左到右的宽度分别为30、50 、60m。
❖计算模型尺寸主要依据研究区钻孔 工程地质岩组柱状图进行设计的，剖 面长800m，深度为210m，煤层平均 埋深188m，表土层厚154m，基岩厚 34m，煤层厚8.8m。计算模型网格划 分如图4-1。
图4-1 计算模型网格划分图
❖条带综放开采数值模拟方案
➢方 案 一 ： 开 采 五 个 条 带 （ a=40m ， b=40m，h=8.8m）。
39
39
35.8
32.5
37.2
36
42
厚 凝 聚 力 (M Pa)
2.57
6.32
8.20
8.90
13.5
8.15
7.76
度 重 度 (KN /m3)
26.2
26.2
25.5
26.2
26.6
14.0
25.8
基 弹 性 模 量 (G Pa) 2.24
3.23
4.94
7.08
11.9 3.310 11.2
➢针对薄基岩条件下条带开采覆岩与地表 移动变形机理及优化设计这一研究课题 ，结合山东省济宁市太平煤矿谢家口村 庄下压煤问题，进行了薄基岩条带开采 覆岩与地表移动变形工程地质机理研究 工作。具体采用的技术路线及工作步骤 如图1-1：
工作步骤
研究区工程地质与水文地质资料分析与评价
薄基岩条带开采工程地质力学模型试验
位移观测表
图3-1 位移测点、煤柱压缩变形测点布置及工作面位置示意图
❖覆岩破坏特征观测的主要内容有：
① 对模型开采中的特殊现象进行照相、 素描、丈量等；② 对离层出现的位置、 离层裂缝的宽度等与开采推进进度之间 的关系进行测量记录；③ 对垮落高度进 行测量；④ 对离层后悬梁的跨度进行观 测。开采五个条带后覆岩与地表发育形 态的照片及素描图如下图所示。
0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8
-1
图4-6 开采五个条带（a=40m，b=40m，h=8.8m）后地表沉降曲线图
0.4 0.2
0 -0.2 -0.4
图4-7 开采五个条带（a=40m，b=40m，h=8.8m）后地表水平位移曲线图
0
0
40
40
80
80
120
120
160
160
200
200
（2）由工程地质力学模型试验观测 数据，当五个条带开采结束后，地表最 大下沉值807mm，下沉系数为0.0917， 计算得最大曲率为0.28510-3/m，最大 倾斜3.876mm/m，且没有波浪出现。
（3）岩层下沉情况，由于岩体性质 和各部分受力状况的不同，条采后，上 覆岩土层的下沉往往是不十分协调的。 向采空区方向各岩层下沉值随深度的增 加而增大，向煤柱方向则下沉值逐渐减 小。
（4）从地表和上 覆岩土体的下沉曲 线 （如图3-6）来 看，尽管覆岩较薄 ，但其中赋存的风 化带岩层使得裂隙 带的发育受到制约 ，使基岩的不均匀 移动变形变得缓和 ；加之基岩上部有 较厚的松散层，这 就使地表移动变形 比较平缓。
图3-6 五个条带开采完后地表及上覆岩土体的下沉曲线示意图
（5）从模型试验分析中知，上覆岩土 体下沉曲线由波浪形转换为平缓下沉曲 线，其主要影响因素有：覆岩的赋存特 征、松散层的分布及厚度、岩（土）层 的物理力学性质等。
4、条带开采覆岩与地表移动 的数值模拟研究
❖数值模拟的结果不仅与工程地质力学 模型试验的结果互为验证，而且还利用 数值模拟的特点，可以方便地模拟多种 方案，得出了工程地质力学模型试验和 现场观测不能得到的结论；然后重点论 述了数值模拟计算模型的建立与计算结 果的分析，这也是本论文主要工作量之 一。现介绍如下：
图2-1 研究区谢家口位置及周围钻孔分布示意图
➢ 根据研究区 99-2钻孔对谢 家口村庄下煤 田揭露的地层 情况，绘制工 程地质岩组柱 状简图如图22。
图2-2 99-2钻孔工程地质岩组柱状图
➢ 谢家口村庄下压煤具有典型的薄基岩结构
，薄基岩与正常厚度基岩在结构与物理力学 性质上存在较大差异。表2-1对两者进行了对 比。可知，薄基岩的工程地质性质指标中抗 压、抗拉强度及弹性模量较正常厚度基岩的 要小得多，这就使得薄基岩条带开采时，基 岩层不能形成砌体梁一类稳定的“大结构” ，岩层内部的波浪式下沉无疑会向上部土层 延伸，岩层与煤柱的应力应变状态及煤柱的 塑性区分布情况也势必区别于正常厚度基岩 ，这些问题均需要做进一步的讨论。
图3-2 五个条带一分层开采完的照片
图3-3 五个条带两个分层开采完的照片
图3-4 第一条带开采后的素描图 图3-5 第二条带开采后的素描图
❖通过工程地质力学模型试验，揭示了 薄基岩条带综放开采时覆岩与地表移动 变形及破坏的特征和规律，得出以下几 点结论：
（1）薄基岩条件下覆岩变形及破坏情 况总结如下：① 垮落很有限，原因在于 条采中采宽相对较小，以及由于变形范 围的逐步扩展，减少了岩层弯曲的曲率 ，一旦垮落发展到某一岩层内，其所承 受的拉应力小于岩体的允许抗拉强度；
1/400 条带垮落法 采 40m 留 40m 1.5m0.22m0.52m
8.8m 自重
20 1.0
400 0o 倾向
❖模型的铺设由底板开始逐层进行，直 到地表，岩层中各结构体块均设置标点 ，各土层层间埋设标点，地表设置位移 表，均以供读数来量测变形情况。测点 布置及工作面位置示意图如图3-1。
表 2-1 薄 基 岩 与 正 常 厚 度 基 岩 的 工 程 地 质 特 性 对 比 表
工程地质类型
泥岩 粉细砂 中砂岩 粉细砂 细砂岩 煤 细砂岩
岩
岩
岩 石 质 量 指 标 (% ) 70
80
85
80
70
80
85
薄 基 岩 特
内 摩 擦 角 (° ) 凝 聚 力 (M Pa) 重 度 (KN /m3) 弹 性 模 量 (GPa)
730
690
650
610
570
530
490
450
410
性
泊松比
抗 压 强 度 (M Pa)
38 1.65 19.01 0.285 0.351 2.23
36 6.25 23.91 1.870 0.230 30.60
38 6.34 22.44 1.150 0.288 10.80
37 7.08 22.83 0.910 0.303 16.00
37.8 1.57 23.23 2.150 0.208 22.40
薄基岩条带开采覆岩与地表移动的 数值模拟研究
要解决的问题
地表移动变形的特征
覆岩破坏变形的状态
覆岩应力分布特点
岩土体内部由波浪式下沉向均 匀下沉盆地转换的条件、位置
及影响因素
条带煤柱压缩变形量与强度模拟试验 条采煤柱稳定性数值分析及评价
条带煤柱应力分布特点、 塑性区形态与分布
煤柱长期稳定性评价
条采方案对比与优化设计
❖本此建模依据兖州矿区的工程地质 及地质采矿条件，根据99-2及其周围
钻孔工程地质岩组柱状图，设计模型 的原型长600m，深200m，煤层平均埋 深188m，表土层厚154m，基岩层厚 34m，煤层厚为8.8m；具体参数如表31所示。
表 3-1 工程地质力学模型的具体参数
比例 开采方法 条带尺寸 模型尺寸 采放高度 加载条件 时间系数 容重系数 力学相似系数 煤层倾角 模拟方向
240
240
280
280
320
320
360
360
400
400
440
440
480
480
520
520
560
560
600
600
640
640
680
680
720
720
760
760
800
800
765
725
68564560555525485
445
405
365
325
285
245
205
165
125
85
45
5
770
② 离层随着采空区范围的扩大，离