深部開采地表沉陷規(guī)律研究分析

王 曉

(1.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454150； 2.呂梁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 孝義 032300)

深部開采地表沉陷規(guī)律研究分析

王 曉1,2

(1.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454150； 2.呂梁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 孝義 032300)

結(jié)合實(shí)例，通過對(duì)煤礦深部開采地表下沉與采動(dòng)程度關(guān)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(qū)的地表變形特征，最后得到了深部開采較大的地表變形規(guī)律。

深部開采，地表沉陷，規(guī)律，移動(dòng)

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(fā)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(guī)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(guī)律，進(jìn)行“三下”采煤，對(duì)需要保護(hù)的建筑物和構(gòu)筑物進(jìn)行留設(shè)保護(hù)煤柱，還根據(jù)以往地質(zhì)條件下的以巖層移動(dòng)角為依據(jù)時(shí)，造成建筑物和構(gòu)筑物保護(hù)煤柱留設(shè)的范圍將會(huì)越來越大。這樣的話，建筑物和構(gòu)筑物下所壓滯的煤量將會(huì)快速增大。因此，研究深部開采地表沉陷規(guī)律，對(duì)解放建筑物和構(gòu)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(dòng)程度的關(guān)系

隨著礦井開采深度的不斷增加，我國(guó)目前依然采用的采煤方法是走向長(zhǎng)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(dòng)下地表移動(dòng)和變形規(guī)律和非充分采動(dòng)條件下地表移動(dòng)和變形規(guī)律與極不充分開采情況下地表移動(dòng)和變形規(guī)律相比，極不充分開采情況下的地表移動(dòng)和變形規(guī)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(dòng)，甚至將達(dá)到極不充分采動(dòng)。

當(dāng)?shù)乇淼牟蓜?dòng)程度由極充分采動(dòng)增加到非充分采動(dòng)(地表的采動(dòng)程度系數(shù)大于臨界采動(dòng)程度系數(shù))時(shí)，地表的下沉隨采動(dòng)程度的增加急劇的增加，非充分采動(dòng)的地表最大下沉可能達(dá)到極不充分采動(dòng)條件下地表最大下沉的很多倍。當(dāng)?shù)乇淼牟蓜?dòng)程度由非充分采動(dòng)慢慢增加到充分采動(dòng)時(shí)，地表的下沉也是隨著采動(dòng)程度的增加而逐漸增加，但兩個(gè)地表下沉的增量程度相比，地表由極充分采動(dòng)到非充分采動(dòng)時(shí)地表下沉的增量要快很多。而地表達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)，無(wú)論如何增大采動(dòng)程度，地表的最大下沉將不再增加，達(dá)到穩(wěn)定。

由此可以看出，采動(dòng)程度對(duì)控制地表下沉起到顯著的作用。當(dāng)?shù)乇聿蓜?dòng)程度較小的時(shí)候，地表最大下沉值就很小，當(dāng)?shù)乇淼牟蓜?dòng)程度超過某個(gè)臨界值的時(shí)候，地表的下沉就可能會(huì)急劇的增大。開采寬度與開采深度的比值為臨界采動(dòng)程度系數(shù)，小于這個(gè)系數(shù)的采動(dòng)為極不充分采動(dòng)。由觀測(cè)資料得，控制地表下沉的臨界采動(dòng)程度系數(shù)大約為1/3。

地表采動(dòng)程度隨著開采寬度的增加可分四個(gè)階段：極不充分、非充分、充分和超充分采動(dòng)。極不充分采動(dòng)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(dòng)是在該礦地質(zhì)采礦條件下采空區(qū)的尺寸小于應(yīng)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(qū)間上；充分采動(dòng)是地下煤層開采之后，在該礦地質(zhì)采礦條件下地表下沉值達(dá)到應(yīng)有的最大值，在采空區(qū)的開采寬度與平均開采深度之比均達(dá)到1.2H0～1.4H0；超充分采動(dòng)是在該礦地質(zhì)采礦條件下地表有多個(gè)點(diǎn)的下沉值達(dá)到應(yīng)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(dòng)程度的關(guān)系如表1所示。

表1 D/H0與采動(dòng)程度關(guān)系表

地表極不充分采動(dòng)是指在深部開采時(shí)采用走向長(zhǎng)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(duì)觀測(cè)資料的分析與計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，當(dāng)極不充分采動(dòng)時(shí)，地表的移動(dòng)和變形會(huì)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(guī)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(diǎn)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(dòng)，甚至極容易達(dá)到極不充分采動(dòng)。在地表移動(dòng)規(guī)律的地表下沉盆地中，拐點(diǎn)(曲線彎曲的方向發(fā)生變化的點(diǎn)稱為拐點(diǎn))是非常重要的特征點(diǎn)。根據(jù)概率積分的方法計(jì)算，在地表達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)，拐點(diǎn)處的地表曲率和地表水平變形值為零，地表下沉量達(dá)到最大下沉值的一半，地表傾斜和地表水平移動(dòng)將達(dá)到最大。在極不充分開采的采動(dòng)條件下，采動(dòng)程度的變化將引起地表下沉盆地拐點(diǎn)位置發(fā)生變化，地表下沉盆地拐點(diǎn)的位置偏向煤柱的一側(cè)而不是偏向采空區(qū)的一側(cè)。

從觀測(cè)資料中可以看出，地表的下沉盆地拐點(diǎn)的位置由采動(dòng)程度的不同而不相同。地表下沉盆地拐點(diǎn)的位置在地表的采動(dòng)程度為極不充分采動(dòng)時(shí)一般是位于煤柱的上方，地表下沉盆地拐點(diǎn)的位置隨采動(dòng)程度的擴(kuò)大將慢慢的向采空區(qū)一側(cè)移動(dòng)，地表下沉盆地的拐點(diǎn)位置在充分采動(dòng)時(shí)一般是偏向采空區(qū)一側(cè)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(dòng)程度系數(shù)兩者之間具有非常顯著的關(guān)系。有關(guān)文獻(xiàn)對(duì)不同國(guó)家、不同地區(qū)觀測(cè)的資料深入細(xì)致地進(jìn)行了研究和總結(jié)地表下沉率和開采采動(dòng)程度的關(guān)系，并得出地表下沉率與開采采動(dòng)程度的關(guān)系。從結(jié)論中可以看出，地表下沉率在開采采動(dòng)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(dòng)程度達(dá)到某一定值后，將會(huì)出現(xiàn)急劇增大的現(xiàn)象，之后地表的下沉率會(huì)隨著開采采動(dòng)程度的增大，增加程度會(huì)慢慢變緩，最后地表下沉率在開采達(dá)到充分采動(dòng)情況時(shí)，將不會(huì)再隨采動(dòng)程度的增加而增大，而是穩(wěn)定在某一定值上，這一定值就是該煤礦地質(zhì)采礦條件下的地表下沉系數(shù)。

2.2 深部開采較大采區(qū)的地表變形特征

對(duì)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(guī)程，利用邊界角計(jì)算出地表移動(dòng)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(jì)算出深部開采地表移動(dòng)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(jié)語(yǔ)

我國(guó)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(guī)律是其中一個(gè)，對(duì)深部開采引起的地表沉陷規(guī)律研究分析，找出深部開采的地表沉陷規(guī)律，為深部開采地表沉陷預(yù)計(jì)提供基礎(chǔ)，對(duì)我國(guó)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(dòng)規(guī)律分析[J].焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)，2001,20(3):175-179.

[2] 謝和平，彭蘇萍,何滿潮.深部開采基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[3] 郭文兵，鄧喀中，鄒友峰.巖層與地表移動(dòng)控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，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

A