深部开采地表沉陷规律研究分析

王 晓

(1.河南理工大学，河南 焦作 454150； 2.吕梁职业技术学院，山西 孝义 032300)

深部开采地表沉陷规律研究分析

王 晓1,2

(1.河南理工大学，河南 焦作 454150； 2.吕梁职业技术学院，山西 孝义 032300)

结合实例，通过对煤矿深部开采地表下沉与采动程度关系的分析，揭示了开采深部单一工作面下地表变形特征和深部开采较大采区的地表变形特征，最后得到了深部开采较大的地表变形规律。

深部开采，地表沉陷，规律，移动

0 引言

随着煤炭资源的不断开采，煤矿开采深度由浅部不断向深部发展，为了更加有效地开采和利用有限煤炭资源，深部开采地表沉陷规律研究具有举足轻重的作用。煤矿开采深度的增加，若按照浅部开采地表沉陷规律，进行“三下”采煤，对需要保护的建筑物和构筑物进行留设保护煤柱，还根据以往地质条件下的以岩层移动角为依据时，造成建筑物和构筑物保护煤柱留设的范围将会越来越大。这样的话，建筑物和构筑物下所压滞的煤量将会快速增大。因此，研究深部开采地表沉陷规律，对解放建筑物和构筑物下所压滞的大量煤炭具有非常重要的意义。

1 地表下沉与采动程度的关系

随着矿井开采深度的不断增加，我国目前依然采用的采煤方法是走向长壁采煤方法，这种方法在工作面倾斜方向上很容易造成极不充分开采。充分采动下地表移动和变形规律和非充分采动条件下地表移动和变形规律与极不充分开采情况下地表移动和变形规律相比，极不充分开采情况下的地表移动和变形规律有很大的改变之处。随着开采深度的增加，开采同样宽度的工作面，在深部开采条件下，工作面倾斜方向上常常是非充分采动，甚至将达到极不充分采动。

当地表的采动程度由极充分采动增加到非充分采动(地表的采动程度系数大于临界采动程度系数)时，地表的下沉随采动程度的增加急剧的增加，非充分采动的地表最大下沉可能达到极不充分采动条件下地表最大下沉的很多倍。当地表的采动程度由非充分采动慢慢增加到充分采动时，地表的下沉也是随着采动程度的增加而逐渐增加，但两个地表下沉的增量程度相比，地表由极充分采动到非充分采动时地表下沉的增量要快很多。而地表达到充分采动时，无论如何增大采动程度，地表的最大下沉将不再增加，达到稳定。

由此可以看出，采动程度对控制地表下沉起到显著的作用。当地表采动程度较小的时候，地表最大下沉值就很小，当地表的采动程度超过某个临界值的时候，地表的下沉就可能会急剧的增大。开采宽度与开采深度的比值为临界采动程度系数，小于这个系数的采动为极不充分采动。由观测资料得，控制地表下沉的临界采动程度系数大约为1/3。

地表采动程度随着开采宽度的增加可分四个阶段：极不充分、非充分、充分和超充分采动。极不充分采动是开采宽度与平均开采深度比值小于1/4～1/3；非充分采动是在该矿地质采矿条件下采空区的尺寸小于应有的最大值尺寸，开采宽度与平均开采深度之比在[1/3，1.2～1.4]区间上；充分采动是地下煤层开采之后，在该矿地质采矿条件下地表下沉值达到应有的最大值，在采空区的开采宽度与平均开采深度之比均达到1.2H0～1.4H0；超充分采动是在该矿地质采矿条件下地表有多个点的下沉值达到应有的最大值，开采宽度与平均开采深度的比值大于1.2H0～1.4H0。D与H0之比与采动程度的关系如表1所示。

表1 D/H0与采动程度关系表

地表极不充分采动是指在深部开采时采用走向长壁采煤，其工作面开采的宽度比工作面开采的深度值小于1/3的情况。对观测资料的分析与计算机数值模拟，当极不充分采动时，地表的移动和变形会很小，在没有任何措施下，直接可完全开采建筑物下所压的煤。

2 深部开采地表变形规律

2.1 开采深部单一工作面下地表变形特征

1)深部单一工作面条件下下沉盆地拐点的位置。随着开采深度的增加，开采同样宽度的单一工作面，在深部开采条件下，工作面倾斜方向上常常是非充分采动，甚至极容易达到极不充分采动。在地表移动规律的地表下沉盆地中，拐点(曲线弯曲的方向发生变化的点称为拐点)是非常重要的特征点。根据概率积分的方法计算，在地表达到充分采动时，拐点处的地表曲率和地表水平变形值为零，地表下沉量达到最大下沉值的一半，地表倾斜和地表水平移动将达到最大。在极不充分开采的采动条件下，采动程度的变化将引起地表下沉盆地拐点位置发生变化，地表下沉盆地拐点的位置偏向煤柱的一侧而不是偏向采空区的一侧。

从观测资料中可以看出，地表的下沉盆地拐点的位置由采动程度的不同而不相同。地表下沉盆地拐点的位置在地表的采动程度为极不充分采动时一般是位于煤柱的上方，地表下沉盆地拐点的位置随采动程度的扩大将慢慢的向采空区一侧移动，地表下沉盆地的拐点位置在充分采动时一般是偏向采空区一侧的。

2)开采深部单一工作面条件下地表下沉率。开采深部单一工作面条件下，地表下沉率和开采采动程度系数两者之间具有非常显著的关系。有关文献对不同国家、不同地区观测的资料深入细致地进行了研究和总结地表下沉率和开采采动程度的关系，并得出地表下沉率与开采采动程度的关系。从结论中可以看出，地表下沉率在开采采动程度较小的情况下是逐渐慢慢的增加，地表下沉率在开采采动程度达到某一定值后，将会出现急剧增大的现象，之后地表的下沉率会随着开采采动程度的增大，增加程度会慢慢变缓，最后地表下沉率在开采达到充分采动情况时，将不会再随采动程度的增加而增大，而是稳定在某一定值上，这一定值就是该煤矿地质采矿条件下的地表下沉系数。

2.2 深部开采较大采区的地表变形特征

对于浅部条件下采煤造成的地表沉陷，已为大家所熟知，而在深部开采条件下，地表沉陷更具有明显的特征：

1)地表沉陷范围较大。随着开采深度的增加，按“三下”采煤规程，利用边界角计算出地表移动盆地边界，如图1和图2所示，开采深度增加，主要影响半径r亦增加，即地表沉陷范围增大。

利用边界角计算出深部开采地表移动盆地的边界，如图1和图2所示，开采深度增加，主要影响半径r亦增加，即地表沉陷范围增大。

3 结语

我国煤炭资源的开采已延伸到深部，深部开采将带来很多问题，地表沉陷规律是其中一个，对深部开采引起的地表沉陷规律研究分析，找出深部开采的地表沉陷规律，为深部开采地表沉陷预计提供基础，对我国的深部“三下”压煤具有举足轻重的作用。

[1] 李德海.巨厚松散层下条带开采地表移动规律分析[J].焦作工学院学报，2001,20(3):175-179.

[2] 谢和平，彭苏萍,何满潮.深部开采基础理论与工程实践[M].北京：科学出版社，2006.

[3] 郭文兵，邓喀中，邹友峰.岩层与地表移动控制技术的研究现状及展望[J].中国安全科学学报，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 晓(1986- )，女，在读工程硕士，助理讲师

1009-6825(2015)06-0064-02

TU478

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