深部開采陷落范圍的預測和控制分析

郭 飛 劉永強

（中天合創能源有限責任公司葫蘆素煤礦 內蒙古鄂爾多斯市 017000）

深部開采陷落范圍的預測和控制分析

郭 飛 劉永強

（中天合創能源有限責任公司葫蘆素煤礦 內蒙古鄂爾多斯市 017000）

隨著我國工業水平的不斷發展，煤礦開采工作變得越來越繁重。傳統的按照錯動角確定陷落范圍的方法已經不適用于現階段深度開采。所以，研究塌陷坑中移動散體的側向支撐力的作用，保證塌陷坑側壁巖體的穩定性。本文通過對深部開采陷落范圍的概括分析，總結出影響臨界散體柱高度的因素，如圍巖穩定性、采空區傾角、散柱體內磨角和碎體膨脹系數等。在深部開采過程中，用固體廢料填充塌陷坑，能夠減小臨界深度，有效控制地表陷落范圍，同時本文也研究了陷落角與采深的關系。

深部開采；陷落范圍；預測；控制；分析

引言

在地下煤礦開采過程中，礦石被移出后，在巖體內形成了采空區，采空區可能會影響圍巖的狀況，對其造成破壞，在地表形成塌陷坑，塌陷坑周圍出現裂縫，形成陷落區。合理的確定陷落區范圍，對保證安全生產、減少建設經費及優化總圖布置有重大意義。本文將對深部開采陷落范圍的預測及控制進行詳細分析討論。

1 臨界散體柱的支撐作用剖析

塌陷坑的主要形式有直立式陷落、煙式陷落及瀑布式陷落。根據分析，采空區冒出地表后，圍巖的自身強度及邊區有無側向的支撐力，決定了圍巖的片落情況，在自身強度一定時，如果有側向支撐力且力足夠大時，就能限制甚至阻止圍巖發生片落的程度，可見，自身強度和散體支撐力與塌陷坑側向的擴展過程有密切聯系。

采礦區的冒落過程實際上也是散體的形成過程，在形成的散體堆中，散體的密度會隨著高度的增高而加大。通過調查發現，當散體層達到一定厚度，并且落實到一定的密度以后，能夠有效的阻止邊壁的巖體受到破壞。

在不斷延深的開采中，塌陷坑散體隨著礦體的開采不斷向下移動。為了深入研究移動散體柱對塌陷坑邊壁圍巖的支撐作用，具體分析了塌陷范圍與采深的關系。其分析的方法是，把測量的塌陷坑邊界和形狀及礦體回采部位繪制于圖，按70°錯位角，在發生塌陷的邊界向采空區做錯動線，找到其與采空區上盤邊界的交點，位于交點以上的散體堆則作為臨界散體柱，通過計算得出每個剖面臨界散體的高度，根據結果分析得出，臨界散體柱的高度，遠低于充滿散體的采空區的整個高度，換句話說，在充滿散體的采空區中，對塌陷范圍影響不大的深部采空區的高度，占整個采空區的大部分高度。

經過研究，塌陷坑傾角與寬度都較大，在散體向下移動時，不會發生結拱的現象，所以松動體以上的散體柱就會部分或是整體的慢慢向下移動。通過計算分析，當圍巖的穩定性一定時，散柱體下移到與臨界散柱體同一高度時，形成足夠大的支持力，使塌陷坑側壁圍巖不在發生片落，其陷落也會隨之停止。

2 臨界散體柱的作用機理及分析

通過計算推理得知，臨界散柱體的高度，伴隨著傾角的增大而相應的降低，它與空區側壁受到散體的壓力有關。通過分析，散體對側壁的法向壓力可根據如下公式計算：

τ=σ（sinθcotθ0-cosθ），θ0≤θ≤90

其中，斜壁法線上散體壓應力用τ表示；散體的垂直壓應力用σ表示，式中σ=γH，散體的體積質量用γ表示，散體厚度用H表示，θ0、θ分別代表散體結構的最大坡面角及斜壁的傾角。引入散體對斜壁的壓力系數λ，計算會更清晰，λ=（sinθcotθ0-cosθ），很容易觀察出，λ隨著θ的增大而增大，這就進一步證明了臨界散柱體高度隨θ的單調減小的結論。

根據數據的分析，阻止邊壁巖體發生片落的作用力，是散柱體的主動壓力和被動壓力共同作用的結果。不過，經過嚴密的計算分析推斷出，最大主應力會遠小于最大被動應壓力。所以，能夠阻止側壁圍巖碎脹，從而進一步阻止側壁圍巖片落的主要作用力，即為塌陷坑散體的被動壓力。因為被動壓力能夠達到很大值，就會使臨界散體柱形成相對穩定的支撐結構，從而更能適應側壓力的變化。所以，在深部開采過程中，在引起散體不斷向下移動的變化中，臨界散體的高度隨著位置的變化并非十分敏感。

3 陷落角及其控制的方法

在深部開采過程中，礦石被移出后，在巖體內形成了采空區，采空區可能會影響圍巖的狀況，對其造成破壞，在地表形成塌陷坑，塌陷坑周圍出現裂縫，形成陷落區，采空區底板邊緣到陷落區邊界的連線，與水平面形成夾角此夾角被稱為陷落角。在開采過程中，準確的確定陷落角，對整個開采工作的布置起到重要的作用。影響陷落角的因素很多，包括開采深度、礦體傾角、錯位角、地質構造等。目前，研究陷落區的方法主要是棱柱體理論和弧板體理論。棱柱體理論一般應用于淺部開采中，然而，隨著開采深度的不斷增加，實際值比預測值逐步減小，所以，提出了弧板體理論，當開采深度達到臨界的深度時，陷落體變為弧面滑落，抑制地表的陷落范圍不隨采礦深度的增加而增加。經過分析推斷，陷落角關系式為：

β=arctan{H/[h0（cotβ0+cotα）-Hcotα]}

其中陷落角用β表示，臨界深度用h0表示；礦體傾角用α表示；錯動角用β0表示；開采深度用H表示。由此分析可知，開采深度越大，陷落角越大，在α和H一定的情況下，陷落角越大，陷落范圍就越小。也就是說，減小臨界深度，就能相應的增加陷落角。那么，利用降低地表塌陷的高度來達到降低臨界深度的目的。因此，應該采取措施，填充地表的塌陷坑，其最有效的填充材料為煤礦的固體廢料，不但能減小臨界深度，還能降低地表陷落的范圍。減小采空區對地下開采的影響，同時還能降低廢石污染，清潔衛生，保護環境。

4 結論

目前，隨著工業的不斷發展，我國對深部開采工作越來越重視。在深部開采過程中，地表淪陷范圍不但與邊巖體的穩定性有關系，還受到塌陷坑散體柱的影響。當塌陷坑散體柱的厚度大于等于臨界散體柱時，散體的主動壓力及被動壓力將一同制止邊壁巖體的片落情況，從而達到地表陷落的范圍。通過分析，臨界散體柱的高度與很多因素的有關，主要是采空區傾角、圍巖穩定性、散體的摩擦角及巖體碎脹系數等，當散體堆的最大坡面角小于采空區傾角時，采空區傾角就隨著臨界散體柱的高度減小而增加。在深度開采過程中，為達到有效調節地表陷落的范圍及保護礦區環境的目的，應該采用煤礦的固體廢料來填充塌陷坑，減低臨界的深度。通過本文對深部開采陷落范圍的預測及控制的詳細分析，將更有力的推動煤礦開采工業的發展。

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2016-1-11