深部开采陷落范围的预测和控制分析

郭 飞 刘永强

（中天合创能源有限责任公司葫芦素煤矿 内蒙古鄂尔多斯市 017000）

深部开采陷落范围的预测和控制分析

郭 飞 刘永强

（中天合创能源有限责任公司葫芦素煤矿 内蒙古鄂尔多斯市 017000）

随着我国工业水平的不断发展，煤矿开采工作变得越来越繁重。传统的按照错动角确定陷落范围的方法已经不适用于现阶段深度开采。所以，研究塌陷坑中移动散体的侧向支撑力的作用，保证塌陷坑侧壁岩体的稳定性。本文通过对深部开采陷落范围的概括分析，总结出影响临界散体柱高度的因素，如围岩稳定性、采空区倾角、散柱体内磨角和碎体膨胀系数等。在深部开采过程中，用固体废料填充塌陷坑，能够减小临界深度，有效控制地表陷落范围，同时本文也研究了陷落角与采深的关系。

深部开采；陷落范围；预测；控制；分析

引言

在地下煤矿开采过程中，矿石被移出后，在岩体内形成了采空区，采空区可能会影响围岩的状况，对其造成破坏，在地表形成塌陷坑，塌陷坑周围出现裂缝，形成陷落区。合理的确定陷落区范围，对保证安全生产、减少建设经费及优化总图布置有重大意义。本文将对深部开采陷落范围的预测及控制进行详细分析讨论。

1 临界散体柱的支撑作用剖析

塌陷坑的主要形式有直立式陷落、烟式陷落及瀑布式陷落。根据分析，采空区冒出地表后，围岩的自身强度及边区有无侧向的支撑力，决定了围岩的片落情况，在自身强度一定时，如果有侧向支撑力且力足够大时，就能限制甚至阻止围岩发生片落的程度，可见，自身强度和散体支撑力与塌陷坑侧向的扩展过程有密切联系。

采矿区的冒落过程实际上也是散体的形成过程，在形成的散体堆中，散体的密度会随着高度的增高而加大。通过调查发现，当散体层达到一定厚度，并且落实到一定的密度以后，能够有效的阻止边壁的岩体受到破坏。

在不断延深的开采中，塌陷坑散体随着矿体的开采不断向下移动。为了深入研究移动散体柱对塌陷坑边壁围岩的支撑作用，具体分析了塌陷范围与采深的关系。其分析的方法是，把测量的塌陷坑边界和形状及矿体回采部位绘制于图，按70°错位角，在发生塌陷的边界向采空区做错动线，找到其与采空区上盘边界的交点，位于交点以上的散体堆则作为临界散体柱，通过计算得出每个剖面临界散体的高度，根据结果分析得出，临界散体柱的高度，远低于充满散体的采空区的整个高度，换句话说，在充满散体的采空区中，对塌陷范围影响不大的深部采空区的高度，占整个采空区的大部分高度。

经过研究，塌陷坑倾角与宽度都较大，在散体向下移动时，不会发生结拱的现象，所以松动体以上的散体柱就会部分或是整体的慢慢向下移动。通过计算分析，当围岩的稳定性一定时，散柱体下移到与临界散柱体同一高度时，形成足够大的支持力，使塌陷坑侧壁围岩不在发生片落，其陷落也会随之停止。

2 临界散体柱的作用机理及分析

通过计算推理得知，临界散柱体的高度，伴随着倾角的增大而相应的降低，它与空区侧壁受到散体的压力有关。通过分析，散体对侧壁的法向压力可根据如下公式计算：

τ=σ（sinθcotθ0-cosθ），θ0≤θ≤90

其中，斜壁法线上散体压应力用τ表示；散体的垂直压应力用σ表示，式中σ=γH，散体的体积质量用γ表示，散体厚度用H表示，θ0、θ分别代表散体结构的最大坡面角及斜壁的倾角。引入散体对斜壁的压力系数λ，计算会更清晰，λ=（sinθcotθ0-cosθ），很容易观察出，λ随着θ的增大而增大，这就进一步证明了临界散柱体高度随θ的单调减小的结论。

根据数据的分析，阻止边壁岩体发生片落的作用力，是散柱体的主动压力和被动压力共同作用的结果。不过，经过严密的计算分析推断出，最大主应力会远小于最大被动应压力。所以，能够阻止侧壁围岩碎胀，从而进一步阻止侧壁围岩片落的主要作用力，即为塌陷坑散体的被动压力。因为被动压力能够达到很大值，就会使临界散体柱形成相对稳定的支撑结构，从而更能适应侧压力的变化。所以，在深部开采过程中，在引起散体不断向下移动的变化中，临界散体的高度随着位置的变化并非十分敏感。

3 陷落角及其控制的方法

在深部开采过程中，矿石被移出后，在岩体内形成了采空区，采空区可能会影响围岩的状况，对其造成破坏，在地表形成塌陷坑，塌陷坑周围出现裂缝，形成陷落区，采空区底板边缘到陷落区边界的连线，与水平面形成夹角此夹角被称为陷落角。在开采过程中，准确的确定陷落角，对整个开采工作的布置起到重要的作用。影响陷落角的因素很多，包括开采深度、矿体倾角、错位角、地质构造等。目前，研究陷落区的方法主要是棱柱体理论和弧板体理论。棱柱体理论一般应用于浅部开采中，然而，随着开采深度的不断增加，实际值比预测值逐步减小，所以，提出了弧板体理论，当开采深度达到临界的深度时，陷落体变为弧面滑落，抑制地表的陷落范围不随采矿深度的增加而增加。经过分析推断，陷落角关系式为：

β=arctan{H/[h0（cotβ0+cotα）-Hcotα]}

其中陷落角用β表示，临界深度用h0表示；矿体倾角用α表示；错动角用β0表示；开采深度用H表示。由此分析可知，开采深度越大，陷落角越大，在α和H一定的情况下，陷落角越大，陷落范围就越小。也就是说，减小临界深度，就能相应的增加陷落角。那么，利用降低地表塌陷的高度来达到降低临界深度的目的。因此，应该采取措施，填充地表的塌陷坑，其最有效的填充材料为煤矿的固体废料，不但能减小临界深度，还能降低地表陷落的范围。减小采空区对地下开采的影响，同时还能降低废石污染，清洁卫生，保护环境。

4 结论

目前，随着工业的不断发展，我国对深部开采工作越来越重视。在深部开采过程中，地表沦陷范围不但与边岩体的稳定性有关系，还受到塌陷坑散体柱的影响。当塌陷坑散体柱的厚度大于等于临界散体柱时，散体的主动压力及被动压力将一同制止边壁岩体的片落情况，从而达到地表陷落的范围。通过分析，临界散体柱的高度与很多因素的有关，主要是采空区倾角、围岩稳定性、散体的摩擦角及岩体碎胀系数等，当散体堆的最大坡面角小于采空区倾角时，采空区倾角就随着临界散体柱的高度减小而增加。在深度开采过程中，为达到有效调节地表陷落的范围及保护矿区环境的目的，应该采用煤矿的固体废料来填充塌陷坑，减低临界的深度。通过本文对深部开采陷落范围的预测及控制的详细分析，将更有力的推动煤矿开采工业的发展。

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2016-1-11