煤矿区采动覆岩离层分布规律与地表沉陷控制研究
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摘要
随着煤矿开采规模的不断增大，矿区开采沉陷带来的损害日趋加剧，严重
地影响着矿区的工农业生产、人民生活、交通运输、环境卫生等方面。说明人
们在向大自然索取财富的同时，又严重地破坏着人地关系的PRED协调，造成
大气污染、水圈衰减、土壤质量与数量降低、耕地减少、建筑受损等。为降低
开采沉陷的危害程度，研究者们一直做着不懈的努力。如选择适当的开采措施
减小地表沉陷量、对地面建筑设施进行加固与维修、或对地表沉陷区进行综合
治理等等。
为了完善有效控制地表沉陷的新途径──覆岩离层充填减沉技术，本文对覆
岩离层分布规律及其控制技术做了系统的研究。主要开展了如下工作：
1.通过物理模拟及数值仿真模拟的实验研究，分析了采动覆岩的移动与破
坏过程，提出了采空区上方覆岩的平衡形式是以拱和梁（板）交替作用来实现
平衡→失稳→再平衡的力学过程观点，并详细研究了覆岩中离层产生、发展与
分布的时空规律，进而从覆岩控制角度划分了可充填离层带与不可充填离层带，
为实际应用奠定基础；
2.离层产生于采空区上方覆岩中断裂带上方、整体弯曲带下部位，此处岩
层在弯曲下沉时常表现为单层或层簇（几层）运动特征，其厚度与“整体弯曲
带”岩层簇厚度相比是很小的；由于岩层脆性特征及煤层采出厚度的有限性，
岩层的挠曲度与其本身厚度相比也构成了小量。在上述分析基础上，本文以力
学理论为基础，采用薄板小挠度分析方法对采空区上方覆岩中离层产生的机理、
离层值的大小及其位置、离层范围的圈定等进行了理论与应用研究。并探讨了
倾斜煤层开采时离层的计算方法；
3.本文深入研究了对覆岩离层分布时空规律的影响因素，将其划分为两大
类。第一类为地质条件因素，主要包括覆岩岩性的软硬度、互层特征、厚硬岩
层的存在与否及其位置、非沉积岩的存在形式、地质构造及断层等；第二类为
开采技术条件，主要包括开采方法、深厚比、煤层埋藏倾角、采空区尺寸、工
作面推进速度等。并对其影响程度进行了定性或定量分析；
4.从实用角度出发，试探性地编制了覆岩离层充填减沉技术的实施指南。
结合我国对该技术应用经验，对注浆钻孔空间位置的确定原则、注浆钻孔的制
作与要求、工艺流程的组织与管理工作等进行了全面系统的表述。并以一站一
孔为例具体给出了该技术实施的设计方法。分析了充填材料在离层空间中的作
用与流动规律，同时还对注浆减沉效果的评价方法进行了探讨；
5．作为理论与技术成果的应用，本文对三个工程实例进行了分析，指出了
离层充填减沉技术在不同地质采矿条件下应用的特点、减沉效果的可靠程度及
工程的目标性。从实践角度进一步完善了离层分布规律与地表沉陷控制的理论
技术体系。
Surface subsidence damage in coal mining district is worse and worse and it
has an effect on the aspects such as farm production 、 people life、 transportation and
environmental hygiene with increasing of mining. This result explain that we badly
destructed the PRED coordination between man and the earth and made the results
of air pollution、 water attenuation、 degradation of earth's ability and quantity and of
building damage. In order to lower the endangerment of surface subsidence scholars
have researched time and time on the methods like letting up the quantity of surface
subsidence by using propriety mining method、 upkeep on building or the synthesis
harnessing. The paper has systematical research on the distribution regulation of
separated layer in overlying strata and the method of surface subsidence control in
coal mining district in order to perfect the new method - the method of lowering
down surface subsidence by injecting clay grouts into separated layer in overlying
strata. We have many works as following:
1.This paper made the basis of practical application by researching on the
physical analogue and figures simulation analogue, and analyzed the process of
mining rods movement and damagment. This paper puts forward the mechanical
process of balance form of overlying rock. The process of balance is on the
alternation of arch and beam (plate)、 explores the space-time law of separated
strata's occurrence、 development and distribution and this paper damasks the
overlying rock as injecting zone and no-injecting zone from the aspect of controlling
overlying rock.
2.The separated strata is over fracture zone and under integral crook zone in
where the rock formation's moving is of monolayer or of many layers more often
than not, and the thickness of strata is very small while comparing with integral
crook zone. The flexure of layer is smaller while comparing with its thickness
because of the finiteness of layer's fragility and coal seam's thickness. This paper
studies the mechanism of strata's occurrence、 the size and position of strata and the
delineation of strata on the basis of mechanical theory and of what discussed above.
At the same time the paper also discussed the computing method of strata While
mining pitching coal.
3.This paPer exPlored the influencing factors on the law of distribution and
demarked them tWo classes. The one is geologic condition including rock's
hardness. interbed feature. hard lager's existence and its tosition. existence form of
insedimentary rock. geology structure and fau1t. The other is mining technical
conditions including mining method. rate of depth and thickness. incidence of coal
seam' size of mining dummy and mining sPeed and so on. The paPer also made the
quantitative analysis or qualifies analysis at the rate of contribution.
4.This paPer tentatively wrote the guide-book for lowering down the
subsidence by injecting clay grouts on the basis of practical use. The text explains
the following all-sidedly and systematically such as the principle of how to definite
the position of hole. the making of hole and the organization of technical schedule.
The paper gave out the method to design the injecting project as the example of one
hole and one station. And the paPer also analyzed the action and fiowing law of clay
grouts which was in the space of strata, and at the same time aPproached the method
to assess the result of injecting project.
5.As the result of theory and technique, this paPer analyzed three examples
and pointed out the feature of using the technique in different coal seam. the
trustiness of injecting result and the target of project. This text further perfected the
theory and technique systems of strata's distribution law and of surface subsidence
control.
地影响着矿区的工农业生产、人民生活、交通运输、环境卫生等方面。说明人
们在向大自然索取财富的同时，又严重地破坏着人地关系的PRED协调，造成
大气污染、水圈衰减、土壤质量与数量降低、耕地减少、建筑受损等。为降低
开采沉陷的危害程度，研究者们一直做着不懈的努力。如选择适当的开采措施
减小地表沉陷量、对地面建筑设施进行加固与维修、或对地表沉陷区进行综合
治理等等。
为了完善有效控制地表沉陷的新途径──覆岩离层充填减沉技术，本文对覆
岩离层分布规律及其控制技术做了系统的研究。主要开展了如下工作：
1.通过物理模拟及数值仿真模拟的实验研究，分析了采动覆岩的移动与破
坏过程，提出了采空区上方覆岩的平衡形式是以拱和梁（板）交替作用来实现
平衡→失稳→再平衡的力学过程观点，并详细研究了覆岩中离层产生、发展与
分布的时空规律，进而从覆岩控制角度划分了可充填离层带与不可充填离层带，
为实际应用奠定基础；
2.离层产生于采空区上方覆岩中断裂带上方、整体弯曲带下部位，此处岩
层在弯曲下沉时常表现为单层或层簇（几层）运动特征，其厚度与“整体弯曲
带”岩层簇厚度相比是很小的；由于岩层脆性特征及煤层采出厚度的有限性，
岩层的挠曲度与其本身厚度相比也构成了小量。在上述分析基础上，本文以力
学理论为基础，采用薄板小挠度分析方法对采空区上方覆岩中离层产生的机理、
离层值的大小及其位置、离层范围的圈定等进行了理论与应用研究。并探讨了
倾斜煤层开采时离层的计算方法；
3.本文深入研究了对覆岩离层分布时空规律的影响因素，将其划分为两大
类。第一类为地质条件因素，主要包括覆岩岩性的软硬度、互层特征、厚硬岩
层的存在与否及其位置、非沉积岩的存在形式、地质构造及断层等；第二类为
开采技术条件，主要包括开采方法、深厚比、煤层埋藏倾角、采空区尺寸、工
作面推进速度等。并对其影响程度进行了定性或定量分析；
4.从实用角度出发，试探性地编制了覆岩离层充填减沉技术的实施指南。
结合我国对该技术应用经验，对注浆钻孔空间位置的确定原则、注浆钻孔的制
作与要求、工艺流程的组织与管理工作等进行了全面系统的表述。并以一站一
孔为例具体给出了该技术实施的设计方法。分析了充填材料在离层空间中的作
用与流动规律，同时还对注浆减沉效果的评价方法进行了探讨；
5．作为理论与技术成果的应用，本文对三个工程实例进行了分析，指出了
离层充填减沉技术在不同地质采矿条件下应用的特点、减沉效果的可靠程度及
工程的目标性。从实践角度进一步完善了离层分布规律与地表沉陷控制的理论
技术体系。
Surface subsidence damage in coal mining district is worse and worse and it
has an effect on the aspects such as farm production 、 people life、 transportation and
environmental hygiene with increasing of mining. This result explain that we badly
destructed the PRED coordination between man and the earth and made the results
of air pollution、 water attenuation、 degradation of earth's ability and quantity and of
building damage. In order to lower the endangerment of surface subsidence scholars
have researched time and time on the methods like letting up the quantity of surface
subsidence by using propriety mining method、 upkeep on building or the synthesis
harnessing. The paper has systematical research on the distribution regulation of
separated layer in overlying strata and the method of surface subsidence control in
coal mining district in order to perfect the new method - the method of lowering
down surface subsidence by injecting clay grouts into separated layer in overlying
strata. We have many works as following:
1.This paper made the basis of practical application by researching on the
physical analogue and figures simulation analogue, and analyzed the process of
mining rods movement and damagment. This paper puts forward the mechanical
process of balance form of overlying rock. The process of balance is on the
alternation of arch and beam (plate)、 explores the space-time law of separated
strata's occurrence、 development and distribution and this paper damasks the
overlying rock as injecting zone and no-injecting zone from the aspect of controlling
overlying rock.
2.The separated strata is over fracture zone and under integral crook zone in
where the rock formation's moving is of monolayer or of many layers more often
than not, and the thickness of strata is very small while comparing with integral
crook zone. The flexure of layer is smaller while comparing with its thickness
because of the finiteness of layer's fragility and coal seam's thickness. This paper
studies the mechanism of strata's occurrence、 the size and position of strata and the
delineation of strata on the basis of mechanical theory and of what discussed above.
At the same time the paper also discussed the computing method of strata While
mining pitching coal.
3.This paPer exPlored the influencing factors on the law of distribution and
demarked them tWo classes. The one is geologic condition including rock's
hardness. interbed feature. hard lager's existence and its tosition. existence form of
insedimentary rock. geology structure and fau1t. The other is mining technical
conditions including mining method. rate of depth and thickness. incidence of coal
seam' size of mining dummy and mining sPeed and so on. The paPer also made the
quantitative analysis or qualifies analysis at the rate of contribution.
4.This paPer tentatively wrote the guide-book for lowering down the
subsidence by injecting clay grouts on the basis of practical use. The text explains
the following all-sidedly and systematically such as the principle of how to definite
the position of hole. the making of hole and the organization of technical schedule.
The paper gave out the method to design the injecting project as the example of one
hole and one station. And the paPer also analyzed the action and fiowing law of clay
grouts which was in the space of strata, and at the same time aPproached the method
to assess the result of injecting project.
5.As the result of theory and technique, this paPer analyzed three examples
and pointed out the feature of using the technique in different coal seam. the
trustiness of injecting result and the target of project. This text further perfected the
theory and technique systems of strata's distribution law and of surface subsidence
control.
引文
1．陈绳武，矿山环境保护，成都科技大学出版社，1987．4
2．何国清、杨伦等，矿山开采沉陷学，中国矿业大学出版社，1991
3．利天泉，矿山岩体采动影响与控制工程学及其应用，煤炭学报，1995．2
4．矿山开采对自然界与工程设施有害影响研究，矿床综合开发的技术经济效益性(莫斯科)，译文，1987
5．毕思文，地质系统科学与可持续发展，地质出版社，1998．4
6．张向东，岩层移动与地表沉陷理论的分类，阜新矿业学院学报，1997．7
7．麻凤海，岩层移动及动力学过程的理论与实践，煤炭工业出版社，1997
8．李增琪，计算矿山压力和岩层移动的三维层体模型，煤炭学报，1994．4
9．吴立新、王金庄等，建(构)筑物下压煤条带开采理论与实践，中国矿业大学出版社，1994．1
10．麻凤海，岩层移动的时空过程，东北大学博士学位论文，1996
11．钟道昌，岩层移动数值模拟及支托层充填基础减沉理论研究，中国矿业大学博士学位论文，1997．4
12．1968
13．煤炭科学研究院北京开采研究所，煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用，煤炭工业出版社，1981．12
14．范学理等，中国东北煤矿区开采损害防护理论与实践，煤炭工业出版社，1998
15．赵德深等，采煤区覆岩与地表沉陷控制技术的研究与展望，中国安全科学学报，1998．6
16．刘天泉，矿山采动影响工程学及其应用，煤炭学报(增刊)，1997
17．张玉卓，建筑群下厚煤层开采的两种技术途径，煤炭学报(增刊) 1997
18．张先尘，采矿学科发展趋势的探讨，煤炭学报(增刊)，1997
19．(俄)士互．威列格热宁，
20．宋振骐等，我国矿山压力和岩层控制理论与技术发展面临的关键问题，煤炭学报(增刊)，1997
21．赵德深等，离层注浆技术的应用与效果，东北煤炭技术，1995．10
22．范学理，我国煤矿覆岩离层注浆控制地表沉陷技术的进展及研究方向，‘98地表沉陷控制学术研讨会论文集(兖州)，1998
23．范学理、赵德深，减缓地表沉降的新途径，‘91全国矿山测量学术会议论文集(唐山)，1991
24．范学理等，覆岩离层带注浆充填减缓地表沉降保护建筑群技术，第二届现代采煤技术国际学术讨论会(中国阜新)，1993．9
25．姜岩，覆岩离层注浆减缓地表沉降机理研究，阜新矿业学院硕士学位论文，1996
26．赵德深等，煤矿覆岩离层分布规律及其控制技术，东方出版中心，1998
27．张东俭、郭恒庆，覆岩离层注浆技术在济宁矿区的应用，矿山测量，1999．8
28．杨伦等，煤矿覆岩采动离层位置的计算，煤炭学报，1997．10
29．王金庄，煤矿覆岩离层注浆减缓地表沉降效果评价方法探讨，‘99全国矿山测量学术会议论文集(承德)，1999．6
30．高延法，岩移“四带”模型与动态位移反分析，煤炭学报，1996．1
31．抚顺矿务局、阜新矿业学院，抚顺倾斜特厚煤层上覆岩层高压注浆减缓地表沉降保护建筑物试验(项目总结报告)，1988．5
32．开滦唐山矿业公司、山东科技大学，开滦唐山矿特厚煤层综放面建筑物下安全开采技术实验研究(项目总结报告)，2000．5
33．山东矿业学院特采所，新汶矿务局华丰煤矿，控制地表斑裂及下沉进行村下采煤技术的研究(项目总结报告)，1996．12
34．兖州矿务局覆岩注浆试验小组，东滩矿14307工作面覆岩注浆减缓地裹沉降试验(项目总结报告)，1996．2
35．济宁二号煤矿，辽宁工程技术大学，济宁二号煤矿4302工作面覆岩离层注浆保护地面高压线路(倾目总结报告)，1999．11
36．东滩煤矿，辽宁工程技术大学，东滩矿14308(东)综放工作面覆岩寓层注浆实现村庄下安全采煤(项目总结报告)，1999．11
37．赵德深，开采空间在覆岩中的传播规律，阜新矿业学院硕士学位论文，1986
38．郭惟嘉等，采动覆岩高层性确定方法及离层规律研究，煤炭学报，1995(2)
39．张玉卓，煤矿覆岩运动竖向不连续位移分析，跨世纪的矿业科学与高新技术(中国科协第14次“青年学者论坛”报告文集)，煤炭工业出版社，1996．10
40．王金庄，采动覆岩断裂破坏的开采条件分析，‘99全国矿山测量学术会议论文集(承德)，1999．6
41．(法)H·克拉茨，采动损害及其防护，煤炭工业出版社，1982
42．1990
43．(俄)1964
44．张玉卓等，采煤与覆岩离层注浆充填共同作用下地表沉陷计算的影响函数法，‘98地表沉陷控制学术研讨会论文集(兖州)，1998
45．[波]Palaski，应用充填法的试验与应用效果，第十四届加拿大岩石力学讨论会论文集(蒙特利尔)，1989．10
46．徐乃忠，煤矿覆岩离层注浆减小地表沉陷研究，中国矿业大学北京研究生部博士学位论文，1997
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52．傅宇方，岩石脆性破裂过程的数值模拟试验研究，东北大学博士学位论文，2000．1
53．刘红元，采动影响下覆岩破坏过程的虚拟研究，东北大学硕士学位论文，1999
54．乔河，采动引起的覆岩失稳破坏过程数值模拟研究，阜新矿业学院学报，1997．3
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57．张福范，弹性薄板，科学出版社，1980
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62．潘文全，工程流体力学，清华大学出版社，1988
63．煤炭工业部，建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程，煤炭工业出版社，1985
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67．王俊奎，板壳的弯曲与稳定，国防工业出版社，1980
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69．薛大为，板壳理论，北京工业学院出版社，1988
70．俞秉义，矩形薄板的综合边界问题，沈阳工业大学学报，1989．3
71．赵德深等，覆岩离层充填减缓地表沉降实验模拟研究，煤炭学报，1997．12
72．赵德深，离层分布规律的研究及其应用，大连理工大学出版社，1995．9
73．董兆祥，矿区环境地质问题的预测与防治，地质出版社，1997．5
74．1973
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76．范学理等，覆岩离层充填减缓地表沉降保护建筑群技术研究(项目总结报告)，辽宁工程技术大学，1996．9
77．赵德深等，离层充填技术中注浆量与泵压的匹配研究，煤炭学报(英)，1997．12
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80．刘同有，居领先水平的金川矿山岩石力学研究，科学中国人，1998．10
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83．郭惟嘉，华丰煤矿采动覆岩移动变形与治理的研究，山东矿业学院学报，1995(4)
84．毛仲玉，王学民，浮选尾矿水注浆充填控制地表斑裂下沉，煤炭科学技术，1995(4)
85．吴立新，王金庄，放顶煤开采地表沉陷控制速径探讨——离层注浆及有关问题(综合机械化放顶煤开采论文集)，中国矿业大学出版社，
86．张玉卓，陈立良，长壁开采覆岩离层产生条件，煤炭学报，1996(6)
2．何国清、杨伦等，矿山开采沉陷学，中国矿业大学出版社，1991
3．利天泉，矿山岩体采动影响与控制工程学及其应用，煤炭学报，1995．2
4．矿山开采对自然界与工程设施有害影响研究，矿床综合开发的技术经济效益性(莫斯科)，译文，1987
5．毕思文，地质系统科学与可持续发展，地质出版社，1998．4
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7．麻凤海，岩层移动及动力学过程的理论与实践，煤炭工业出版社，1997
8．李增琪，计算矿山压力和岩层移动的三维层体模型，煤炭学报，1994．4
9．吴立新、王金庄等，建(构)筑物下压煤条带开采理论与实践，中国矿业大学出版社，1994．1
10．麻凤海，岩层移动的时空过程，东北大学博士学位论文，1996
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14．范学理等，中国东北煤矿区开采损害防护理论与实践，煤炭工业出版社，1998
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25．姜岩，覆岩离层注浆减缓地表沉降机理研究，阜新矿业学院硕士学位论文，1996
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27．张东俭、郭恒庆，覆岩离层注浆技术在济宁矿区的应用，矿山测量，1999．8
28．杨伦等，煤矿覆岩采动离层位置的计算，煤炭学报，1997．10
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32．开滦唐山矿业公司、山东科技大学，开滦唐山矿特厚煤层综放面建筑物下安全开采技术实验研究(项目总结报告)，2000．5
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34．兖州矿务局覆岩注浆试验小组，东滩矿14307工作面覆岩注浆减缓地裹沉降试验(项目总结报告)，1996．2
35．济宁二号煤矿，辽宁工程技术大学，济宁二号煤矿4302工作面覆岩离层注浆保护地面高压线路(倾目总结报告)，1999．11
36．东滩煤矿，辽宁工程技术大学，东滩矿14308(东)综放工作面覆岩寓层注浆实现村庄下安全采煤(项目总结报告)，1999．11
37．赵德深，开采空间在覆岩中的传播规律，阜新矿业学院硕士学位论文，1986
38．郭惟嘉等，采动覆岩高层性确定方法及离层规律研究，煤炭学报，1995(2)
39．张玉卓，煤矿覆岩运动竖向不连续位移分析，跨世纪的矿业科学与高新技术(中国科协第14次“青年学者论坛”报告文集)，煤炭工业出版社，1996．10
40．王金庄，采动覆岩断裂破坏的开采条件分析，‘99全国矿山测量学术会议论文集(承德)，1999．6
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44．张玉卓等，采煤与覆岩离层注浆充填共同作用下地表沉陷计算的影响函数法，‘98地表沉陷控制学术研讨会论文集(兖州)，1998
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