深部開采地表沉陷規律研究分析

王 曉

(1.河南理工大學，河南 焦作 454150； 2.呂梁職業技術學院，山西 孝義 032300)

深部開采地表沉陷規律研究分析

王 曉1,2

(1.河南理工大學，河南 焦作 454150； 2.呂梁職業技術學院，山西 孝義 032300)

結合實例，通過對煤礦深部開采地表下沉與采動程度關系的分析，揭示了開采深部單一工作面下地表變形特征和深部開采較大采區的地表變形特征，最后得到了深部開采較大的地表變形規律。

深部開采，地表沉陷，規律，移動

0 引言

隨著煤炭資源的不斷開采，煤礦開采深度由淺部不斷向深部發展，為了更加有效地開采和利用有限煤炭資源，深部開采地表沉陷規律研究具有舉足輕重的作用。煤礦開采深度的增加，若按照淺部開采地表沉陷規律，進行“三下”采煤，對需要保護的建筑物和構筑物進行留設保護煤柱，還根據以往地質條件下的以巖層移動角為依據時，造成建筑物和構筑物保護煤柱留設的范圍將會越來越大。這樣的話，建筑物和構筑物下所壓滯的煤量將會快速增大。因此，研究深部開采地表沉陷規律，對解放建筑物和構筑物下所壓滯的大量煤炭具有非常重要的意義。

1 地表下沉與采動程度的關系

隨著礦井開采深度的不斷增加，我國目前依然采用的采煤方法是走向長壁采煤方法，這種方法在工作面傾斜方向上很容易造成極不充分開采。充分采動下地表移動和變形規律和非充分采動條件下地表移動和變形規律與極不充分開采情況下地表移動和變形規律相比，極不充分開采情況下的地表移動和變形規律有很大的改變之處。隨著開采深度的增加，開采同樣寬度的工作面，在深部開采條件下，工作面傾斜方向上常常是非充分采動，甚至將達到極不充分采動。

當地表的采動程度由極充分采動增加到非充分采動(地表的采動程度系數大于臨界采動程度系數)時，地表的下沉隨采動程度的增加急劇的增加，非充分采動的地表最大下沉可能達到極不充分采動條件下地表最大下沉的很多倍。當地表的采動程度由非充分采動慢慢增加到充分采動時，地表的下沉也是隨著采動程度的增加而逐漸增加，但兩個地表下沉的增量程度相比，地表由極充分采動到非充分采動時地表下沉的增量要快很多。而地表達到充分采動時，無論如何增大采動程度，地表的最大下沉將不再增加，達到穩定。

由此可以看出，采動程度對控制地表下沉起到顯著的作用。當地表采動程度較小的時候，地表最大下沉值就很小，當地表的采動程度超過某個臨界值的時候，地表的下沉就可能會急劇的增大。開采寬度與開采深度的比值為臨界采動程度系數，小于這個系數的采動為極不充分采動。由觀測資料得，控制地表下沉的臨界采動程度系數大約為1/3。

地表采動程度隨著開采寬度的增加可分四個階段：極不充分、非充分、充分和超充分采動。極不充分采動是開采寬度與平均開采深度比值小于1/4～1/3；非充分采動是在該礦地質采礦條件下采空區的尺寸小于應有的最大值尺寸，開采寬度與平均開采深度之比在[1/3，1.2～1.4]區間上；充分采動是地下煤層開采之后，在該礦地質采礦條件下地表下沉值達到應有的最大值，在采空區的開采寬度與平均開采深度之比均達到1.2H0～1.4H0；超充分采動是在該礦地質采礦條件下地表有多個點的下沉值達到應有的最大值，開采寬度與平均開采深度的比值大于1.2H0～1.4H0。D與H0之比與采動程度的關系如表1所示。

表1 D/H0與采動程度關系表

地表極不充分采動是指在深部開采時采用走向長壁采煤，其工作面開采的寬度比工作面開采的深度值小于1/3的情況。對觀測資料的分析與計算機數值模擬，當極不充分采動時，地表的移動和變形會很小，在沒有任何措施下，直接可完全開采建筑物下所壓的煤。

2 深部開采地表變形規律

2.1 開采深部單一工作面下地表變形特征

1)深部單一工作面條件下下沉盆地拐點的位置。隨著開采深度的增加，開采同樣寬度的單一工作面，在深部開采條件下，工作面傾斜方向上常常是非充分采動，甚至極容易達到極不充分采動。在地表移動規律的地表下沉盆地中，拐點(曲線彎曲的方向發生變化的點稱為拐點)是非常重要的特征點。根據概率積分的方法計算，在地表達到充分采動時，拐點處的地表曲率和地表水平變形值為零，地表下沉量達到最大下沉值的一半，地表傾斜和地表水平移動將達到最大。在極不充分開采的采動條件下，采動程度的變化將引起地表下沉盆地拐點位置發生變化，地表下沉盆地拐點的位置偏向煤柱的一側而不是偏向采空區的一側。

從觀測資料中可以看出，地表的下沉盆地拐點的位置由采動程度的不同而不相同。地表下沉盆地拐點的位置在地表的采動程度為極不充分采動時一般是位于煤柱的上方，地表下沉盆地拐點的位置隨采動程度的擴大將慢慢的向采空區一側移動，地表下沉盆地的拐點位置在充分采動時一般是偏向采空區一側的。

2)開采深部單一工作面條件下地表下沉率。開采深部單一工作面條件下，地表下沉率和開采采動程度系數兩者之間具有非常顯著的關系。有關文獻對不同國家、不同地區觀測的資料深入細致地進行了研究和總結地表下沉率和開采采動程度的關系，并得出地表下沉率與開采采動程度的關系。從結論中可以看出，地表下沉率在開采采動程度較小的情況下是逐漸慢慢的增加，地表下沉率在開采采動程度達到某一定值后，將會出現急劇增大的現象，之后地表的下沉率會隨著開采采動程度的增大，增加程度會慢慢變緩，最后地表下沉率在開采達到充分采動情況時，將不會再隨采動程度的增加而增大，而是穩定在某一定值上，這一定值就是該煤礦地質采礦條件下的地表下沉系數。

2.2 深部開采較大采區的地表變形特征

對于淺部條件下采煤造成的地表沉陷，已為大家所熟知，而在深部開采條件下，地表沉陷更具有明顯的特征：

1)地表沉陷范圍較大。隨著開采深度的增加，按“三下”采煤規程，利用邊界角計算出地表移動盆地邊界，如圖1和圖2所示，開采深度增加，主要影響半徑r亦增加，即地表沉陷范圍增大。

利用邊界角計算出深部開采地表移動盆地的邊界，如圖1和圖2所示，開采深度增加，主要影響半徑r亦增加，即地表沉陷范圍增大。

3 結語

我國煤炭資源的開采已延伸到深部，深部開采將帶來很多問題，地表沉陷規律是其中一個，對深部開采引起的地表沉陷規律研究分析，找出深部開采的地表沉陷規律，為深部開采地表沉陷預計提供基礎，對我國的深部“三下”壓煤具有舉足輕重的作用。

[1] 李德海.巨厚松散層下條帶開采地表移動規律分析[J].焦作工學院學報，2001,20(3):175-179.

[2] 謝和平，彭蘇萍,何滿潮.深部開采基礎理論與工程實踐[M].北京：科學出版社，2006.

[3] 郭文兵，鄧喀中，鄒友峰.巖層與地表移動控制技術的研究現狀及展望[J].中國安全科學學報，2005，15(1)：6-10.

On analysis of surface subsidence rule for deep-mining

Wang Xiao1,2

(1.HenanUniversityofTechnology,Jiaozuo454150,China; 2.LvliangVocationalandTechnicalCollege,Xiaoyi032300,China)

Combining with examples, the paper analyzes the relationship between the subsidence and mining degree of the deep-mining in coal mines, discloses the surface deformation features of the single working face of the deep-mining and the one of the larger mining areas, and concludes the larger surface deformation rules for the deep-mining.

deep-mining, surface subsidence, rule, displacement

2014-12-19

王 曉(1986- )，女，在讀工程碩士，助理講師

1009-6825(2015)06-0064-02

TU478

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