《開采損害與環(huán)境保護》課堂實驗/實踐指導書課程中文名稱：開采損害與環(huán)境保護課程英文名稱：MininginducedEnvironmentalDamageandProtection課程編號：021010260適用專業(yè)：采礦工程、智能采礦工程學時數(shù)：4學分數(shù)：0課程類別：專業(yè)課程應開課學期：第6學期 /實驗/實踐一：覆巖運動規(guī)律的模擬方法及應用實驗/實踐類型：綜合型實驗/實踐學時：2實驗/實踐要求：完成實踐內容并撰寫報告一、實驗/實踐目的覆巖運動規(guī)律的模擬方法及應用二、實驗/實踐內容1．相似模擬試驗原理、制作及注意事項；2．相似模擬試驗下覆巖運動規(guī)律及分析。三、儀器設備依托河南理工大學能源學院相似模擬大廳二維及三維相似模擬試驗平臺。四、實驗/實踐原理、方法、手段和步驟1.采用相似模擬的方法，結合相似模擬試驗實驗的方法，為了便于理解，以近水平煤層開采為例，分析巖層移動和破壞過程和應力狀態(tài)的變化。2.以水平煤層工作面向前推進為例，受到采動影響的巖層范圍不斷擴大。當開采范圍足夠大時，巖層移動發(fā)展到地表，在地表形成一個比采空區(qū)范圍大得多的下沉盆地，如下圖所示。圖1圖1采空區(qū)上覆巖層移動和破壞由于巖層移動和破壞的結果，使采空區(qū)周圍應力重新分布，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、下方的巖層內形成支承壓力區(qū)，其最大壓力為原巖應力場的3～4倍。由于支承壓力的作用，使該區(qū)煤柱和巖層被壓縮，有時被壓碎，煤層被擠向采空區(qū)，如圖1-2所示。由于增壓的結果，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)向煤壁深處轉移。在回采工作面的頂、底板巖層內形成減壓區(qū)，其應力小于采前的正常壓力。由于減壓的結果，使下部巖層發(fā)生彈性恢復變形。上部巖體由于受下部巖體移向采空區(qū)的結果，可能在頂板巖層內形成離層，而底板巖層在采空區(qū)范圍內卸壓，在煤柱范圍內增壓，兩種壓力作用的結果，可能出現(xiàn)采空區(qū)地板向采空區(qū)隆起的現(xiàn)象。開展覆巖破壞分析，如三帶分析：煤層采出后，周圍巖體產(chǎn)生移動，當移動和變形超過巖體的極限變形時，巖體破壞。根據(jù)工程的需要，巖層移動和破壞穩(wěn)定后按其破壞的程度，大致分為三個不同的開采影響帶，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。隨著煤層的開采，其直接頂板在自重力的作用下，發(fā)生法向彎曲，當巖層內部的拉應力超過巖石的抗拉強度時，便產(chǎn)生斷裂、破碎成塊而垮落，冒落巖塊大小不一，無規(guī)則地堆積在采空區(qū)內。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，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，巖層基本保持原有層次，位于不規(guī)則冒落帶之上。冒落帶內巖層破壞特征：（1）在冒落帶內，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。（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)來表示。巖石碎脹系數(shù)是指從巖體中采掘或崩落下來的巖石，其整個體積與它在原巖體內的體積之比。巖石的碎脹系數(shù)取決于巖石性質，堅硬巖石碎脹系數(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。薄煤層開采時冒落高度較小，一般為采出厚度的1.7倍左右。頂板巖石堅硬時，冒落帶高度為采出厚度的5～6倍；頂板軟弱時，冒落帶高度為采出厚度的2～4倍。實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間的延長和工作面推進距離的增加，在上覆巖層壓力作用下，在一定程度上可得到壓實。一般是穩(wěn)定時間越長，壓實性越好，但永遠不會恢復到原巖體的體積。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，但仍保持層狀結構的那部分巖層。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，裂縫帶內的巖層斷裂又分為嚴重斷裂、一般斷裂和微小斷裂三部分。嚴重斷裂部分的巖層大多斷開，但仍保持其原有層次，裂縫的漏水嚴重。一般斷裂部分的巖層很少斷開，漏水程度一般。較小斷裂部分的巖層裂縫不斷開，連通性較差。裂縫帶內巖層產(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，裂縫帶一般導水、但不利于砂、泥土通過。（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，冒落帶和裂縫帶合稱為導水裂縫帶。兩帶之間沒有明顯的分界限，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。當采深較小、采厚較大、用全部垮落法管理頂板時，裂縫帶可發(fā)展到地表，甚至冒落帶達到地表。這時地表和采空區(qū)連通，地表呈現(xiàn)出塌陷或崩落。（4）導水裂縫帶高度與巖性有關。軟弱巖石條件下，導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；堅硬巖石條件下為采厚的18～28倍。準確地確定導水裂縫帶高度，對水體下采煤至關重要。（5）裂縫帶隨著工作面推進距離的增加，當采空區(qū)擴大到一定范圍時，裂縫帶的高度達到最大。此時，采空區(qū)繼續(xù)擴大，裂縫帶高度基本上不再發(fā)展，并隨著時間的推移，當巖層移動趨于穩(wěn)定時，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巖系。其巖層移動和破壞特征：（1）彎曲帶內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)，其壓實程度比較好。（2）彎曲帶內巖層移動過程連續(xù)而有規(guī)律，并保持整體性和層狀結構，不存在或極少存在離層裂縫。在豎直面內，各部分的移動值相差很小。（3）彎曲帶一般情況下具有隔水性，特別是當巖性較軟時，隔水性能更好，成為水下開采時的良好保護層。（4）彎曲帶的高度主要受開采深度的影響。當采深較小時，導水裂縫帶高度直達地表，不存在彎曲帶；當采深較大時，彎曲帶高度可大大超過垮落帶和裂縫帶的高度之和，開采形成的裂縫帶不會達到地表?！叭龓А痹谒交蚓弮A斜煤層開采時表現(xiàn)比較明顯，由于地質采礦條件的不同，覆巖中的“三帶”不一定同時存在。五、實驗/實踐結果處理實驗/實踐一或者實驗/實踐二總計提交1份實驗/實踐報告。六、實驗/實踐注意事項1．認真閱讀實驗指導書，預習與實驗有關知識，了解實驗內容和方法；2．熟悉所用實驗設備的使用方法；3．按照實驗要求進行實驗操作；4．實驗中觀察、檢測并記錄有關數(shù)據(jù)，能分析和解決在實驗過程中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象和問題；5.．不盲目輕信實驗數(shù)據(jù)和結果。不抄襲別人的數(shù)據(jù)和結果；6．每次實驗后，每個學生均應按本次實驗情況編寫實驗報告，并分析實驗結果，結論要明確。要求格式規(guī)范，圖表清晰工整。七、預習與思考題1．相似模擬試驗材料配比、相似模擬尺寸是如何確定的？2．相似模擬試驗結果如何分析，其與實際工程有何不同？實驗/實踐二：開采損害及環(huán)境治理技術及分析實驗/實踐類型：綜合型實驗/實踐學時：2實驗/實踐要求：完成實踐內容并撰寫報告一、實驗/實踐目的開采損害及環(huán)境治理技術及分析二、實驗/實踐內容1．熟悉煤礦開采對地表沉陷的影響范圍、分布特征等；2．煤礦開采對應的地表建構筑物損害程度、特征分析及環(huán)境治理技術及分析。三、儀器設備依托焦作附近典型采煤工作面回采后現(xiàn)場及采后環(huán)境治理典型案例現(xiàn)場（白鷺公園等）。四、實驗/實踐原理、方法、手段和步驟1．采用現(xiàn)場實踐教學，結合課堂學習的不同采動條件下的地表沉陷特征，分析特定采動條件下的地表特殊點（拐點、邊界點等）表現(xiàn)特征，分析不同區(qū)域的建構筑變形破壞特征，并針對性制定保護措施。2．地表移動的形式（1）地表移動盆地當?shù)叵鹿ぷ髅骈_采達到一定距離后（約為采深的1/4～1/2時），開采影響到地表，受采動影響的地表從原有的標高向下沉降，從而在采空區(qū)上方形成一個比采空區(qū)大得多的沉陷區(qū)域，稱為地表移動盆地，或稱下沉盆地（SubsidenceBasin），如圖3所示。地表移動盆地的形成，改變了地表原有的形態(tài)，引起地表標高、水平位置發(fā)生了變化，對地表的建筑、道路、河流、鐵路、生活環(huán)境等產(chǎn)生了影響。（2）裂縫及臺階在地表移動盆地的外邊緣區(qū)，地表可能會產(chǎn)生裂縫，裂縫的深度和寬度與有無松散層及其厚度有關。松散層的塑性大，地表拉伸變形值超過6～10mm/m，才產(chǎn)生裂縫，松散層的塑性小，變形值超過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。開采強度較大時，地表可能出現(xiàn)裂縫或臺階，如圖4和圖5所示。圖圖4開采引起地表裂縫圖3開采引起的下沉盆地圖圖5開采引起地表臺階裂縫及建筑物損害（3）塌陷坑塌陷坑多出現(xiàn)在急傾斜煤層開采條件下，但是在某種特殊的地質采礦條件下也易產(chǎn)生塌陷坑。在采深很小、采厚很大時，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，不適當?shù)靥岣呋夭缮舷抟矔鸬乇懋a(chǎn)生漏斗狀的塌陷坑。圖6急傾斜開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）地表移動盆地的形成地表移動盆地是在工作面的推進過程中逐漸形成的。一般是當回采工作面自開切眼開始向前推進的距離相當于采深的1/4～1/2時，開采影響波及到地表，引起地表下沉。然后，隨著工作面繼續(xù)向前推進，采空區(qū)面積增大，地表的影響范圍不斷擴大，下沉值不斷增加，下沉盆地也逐漸擴大。如圖7所示，當采空區(qū)達到一定程度時，最大下沉值將不再增加而形成一個平底的下沉盆地。當工作面停止推進以后，地表的移動不會馬上停止，要延續(xù)一段時間，然后才能穩(wěn)定，形成最終的地表移動盆地，此時的盆地又稱靜態(tài)移動盆地。工作面推進方工作面推進方向H0（1/4~1/2）H0w1w2w3w4w041234圖7地表移動盆地形成過程1、2、3、4—工作面推進的位置；w1、w2、w3、w4—相應工作面上方的地表移動盆地；w04—最終的靜態(tài)移動盆地水平煤層非充分采動時主斷面內地表移動和變形分布規(guī)律水平煤層充分采動時主斷面內地表移動和變形分布規(guī)律圖1-30水平煤層充分采動時主斷面內地表移動和變形分布規(guī)律1圖1-30水平煤層充分采動時主斷面內地表移動和變形分布規(guī)律1—下沉；2—傾斜；3—曲率；4—水平移動；5—水平變形xxδ0ψ3ψ3δ0ooAABBEEEE（5）（4）（2）（1）（3）圖1-30水平煤層充分采動時主斷面內地表移動和變形分布規(guī)律1—下沉；2—傾斜；3—曲率；4—水平移動；5—水平變形xxδ0ψ3ψ3δ0ooAABBEEEE（5）（4）（2）（1）（3）圖1-30水平煤層充分采動時主斷面內地表移動和變形分布規(guī)律1—下沉；2—傾斜；3—曲率；4—水平移動；5—水平變形xxδ0ψ3ψ3δ0ooAABBEEEE（5）（4）（2）（1）（3）五、實驗/實踐結果處理實驗/實踐一或者實驗/實踐二總計提交1份實驗/