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(chuàng)能源有限責任公司葫蘆素煤礦 內(nèi)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(chuàng)能源有限責任公司葫蘆素煤礦 內(nèi)蒙古鄂爾多斯市 017000）

隨著我國工業(yè)水平的不斷發(fā)展，煤礦開采工作變得越來越繁重。傳統(tǒng)的按照錯動角確定陷落范圍的方法已經(jīng)不適用于現(xiàn)階段深度開采。所以，研究塌陷坑中移動散體的側(cè)向支撐力的作用，保證塌陷坑側(cè)壁巖體的穩(wěn)定性。本文通過對深部開采陷落范圍的概括分析，總結(jié)出影響臨界散體柱高度的因素，如圍巖穩(wěn)定性、采空區(qū)傾角、散柱體內(nèi)磨角和碎體膨脹系數(shù)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(guān)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(nèi)形成了采空區(qū)，采空區(qū)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(xiàn)裂縫，形成陷落區(qū)。合理的確定陷落區(qū)范圍，對保證安全生產(chǎn)、減少建設經(jīng)費及優(yōu)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(jù)分析，采空區(qū)冒出地表后，圍巖的自身強度及邊區(qū)有無側(cè)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(cè)向支撐力且力足夠大時，就能限制甚至阻止圍巖發(fā)生片落的程度，可見，自身強度和散體支撐力與塌陷坑側(cè)向的擴展過程有密切聯(lián)系。

采礦區(qū)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(diào)查發(fā)現(xiàn)，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(guān)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(fā)生塌陷的邊界向采空區(qū)做錯動線，找到其與采空區(qū)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(jù)結(jié)果分析得出，臨界散體柱的高度，遠低于充滿散體的采空區(qū)的整個高度，換句話說，在充滿散體的采空區(qū)中，對塌陷范圍影響不大的深部采空區(qū)的高度，占整個采空區(qū)的大部分高度。

經(jīng)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(fā)生結(jié)拱的現(xiàn)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(wěn)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(cè)壁圍巖不在發(fā)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(qū)側(cè)壁受到散體的壓力有關(guān)。通過分析，散體對側(cè)壁的法向壓力可根據(jù)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(zhì)量用γ表示，散體厚度用H表示，θ0、θ分別代表散體結(jié)構(gòu)的最大坡面角及斜壁的傾角。引入散體對斜壁的壓力系數(shù)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(diào)減小的結(jié)論。

根據(jù)數(shù)據(jù)的分析，阻止邊壁巖體發(fā)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(jié)果。不過，經(jīng)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(cè)壁圍巖碎脹，從而進一步阻止側(cè)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(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)，從而更能適應側(cè)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(nèi)形成了采空區(qū)，采空區(qū)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(xiàn)裂縫，形成陷落區(qū)，采空區(qū)底板邊緣到陷落區(qū)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(zhì)構(gòu)造等。目前，研究陷落區(qū)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?yōu)榛∶婊洌种频乇淼南萋浞秶浑S采礦深度的增加而增加。經(jīng)過分析推斷，陷落角關(guān)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(qū)對地下開采的影響，同時還能降低廢石污染，清潔衛(wèi)生，保護環(huán)境。

4 結(jié)論

目前，隨著工業(yè)的不斷發(fā)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(wěn)定性有關(guān)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(guān)，主要是采空區(qū)傾角、圍巖穩(wěn)定性、散體的摩擦角及巖體碎脹系數(shù)等，當散體堆的最大坡面角小于采空區(qū)傾角時，采空區(qū)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(diào)節(jié)地表陷落的范圍及保護礦區(qū)環(huán)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(yè)的發(fā)展。

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1004-7344（2016）03-0144-01

2016-1-11