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关于煤矿安全开采深度的探讨

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  摘 要:在对煤矿进行开采时,随着煤矿的深度逐渐向下延伸,就会有一个具体的临界深度,这种临界值的作用时,在该值深度以下时,能够保障煤矿地面上的建筑物不会出现一些毁灭性的变形情况。本文首先探讨了一些在覆岩内出现残余空间的过程及冒落带压实的过程的相关理论,然后对他们在地表下沉中的减缓作用进行了分析,并得出了600米至700米为最佳的临界深度,地表建筑物不会受到毁灭性的破坏的结论。
  关键词:煤矿;安全开采深度;地表下沉
  中图分类号:TD82 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2020)01-0176-02
  地下煤层开采之后,上覆建筑物会因地表沉降而变形甚至被毁坏。所以,在地下矿山开采之前,许多煤矿会根据经验将开采影响范围内的建筑物进行搬迁,从而解决由于采矿塌陷而带来的安全问题。然而,村庄(建筑物)搬迁的高昂成本,是所有生产矿井难以承受的。一般来说,如果挖矿的深度比较小,对房屋进行搬迁是可行的,但是如果挖矿的深度已经达到了一定的深度时,就无法得知是否该进行矿上房屋的搬迁。目前我国的煤炭开采正逐步向深部开采发展,当开采到某一临界开采深度以下时,地表建筑物就不会受到因为煤矿开采带来的损害,所以不需要进行搬迁重建。所以,有必要及时讨论安全开采深度[1]。
  1 安全开采深度概述
  前苏联学者首次提出“安全开采深度”。中国学者在充分了解后采纳了该意见概念,并在相关工作中提到,但在实践中却并没去进行运用。究其原因,这主要是由于中国煤矿很少进行一些超过60米深度的开采实践,有的深度超过了,现场也没有可供比较的建筑物,没有对比研究的意义。根据目前提出的开采深陷理论,矿井深度的不断增加带来了地表变形范围的增加,使得地表发生了多种变形的情况,有的是地表倾斜,有的是切割的变形等等。如果变形较小,建筑物可以承受的话,则相应的矿井深度为安全深度,可按以下公式计算(M为采出厚度,K为采出系数):H=mk。
  然而,地表变形与下沉的最大距离有关,关于安全开采深度的讨论必须包括地表下沉与开采深度的关系,国内外的众多学者对该理论有不同的看法。部分人认为,随着深度的增加,地表下降值会逐渐减小,因为他们认为随着采深深度的增加,使得整个矿上的覆岩层中出现很多的永久性裂隙,向地表转移的开采空间较小,地表下降值逐渐减小。而其他学者认为,随着矿井深度的增加,多余的重量不断增加,使落带歼石的岩石压力增大,因此地表下降越来越大,根据现场观测资料,有人认为矿井深度与地表下降关系不大。本文对前者的观点表示支持,并对此进行了讨论。
  2 地下开采时地表下沉的发生与发展
  地下开采后,地表下降实际上反映了采矿区上方空层的覆岩层在进行移动,地表失稳过程是一个岩层失稳运动的力学过程。所以,地表失稳的减少必须与围岩的运动规律相联系。众所周知,地下煤层开采后,会将覆岩层的煤层划分为三个区域,即冒落带、裂缝带和整体弯曲区。在冒落带中,顶板的岩层会随机崩塌成不同大小的块状结构,且全部堆积在地上,使得其整体完全失去连续性和结构层;在裂隙区,采矿层中有许多水平和垂直裂隙连接在一起,但采矿块就挂在这里,由于受水平侧向的压力,使得岩块中间能够互相限制,使得断块位置不受到严重干扰,基本上保持了层状结构。断裂位置十分随机,所以上下层之间的垂直裂缝没有完全对齐和连通。由于不同的力学性能(主要是弹性模量)和上下相邻层的厚度,它会产生不同程度的运动,从而沿着岩层平面分解,形成一个单独的层。随着时间的推移,冒落带的石头会被进一步挤压,垂直裂缝和分离层也将闭合,表面损失值略有增加,这是表面下降的发展过程,但冒落带的压实、裂缝和分离层的闭合是有限制的。
  3 冒落带的压实过程
  冒落带形状为水平缓倾斜煤层的马鞍形。计算最大高度的经验公式如下(A为综合系数,通常是在实际工作中进行观察得出的;m为整个开采的厚度):h=mA。
  从理论上去计算冒落带高度的公式为(k为岩石的碎胀系数,而m为开采的厚度):h=m/(k-1)。在进行k的取值时,不能只通过以往在实验中得出的数进行调查,还需要对煤层顶板在断裂的时候,硬顶大块的断裂,岩块之间的间隙总量小于软顶,即硬顶的破碎膨胀系统小于软岩层。
  在各层自重的影响下,冒落的矸石被重新成形并压实,但这种情况有一定的局限性,由于矸石不断的被压实,更多的石块参与了对顶板的支护,矸石的抗变形能力与矸石之间的接触空间成正比[2]。一旦接触面积足够大,碎石之间的差异不再缩小,即使矿井深度继续增加,区域空洞的密度也不再增加。所以,要开采一定深度的煤矿时,冒落带的压实对地表下降值的影响不如浅部开采那样表现得十分明显。
  4 裂缝与离层的闭合过程
  当整个采矿空区的面积越来越大时,由于失去支撑,直接顶板的坍塌使得旧顶板也出现挠曲的情况。这种倾斜相当于板梁的倾斜挠曲,板梁弯曲时,最大的拖曳张力总是出现在岩石底部。在牵引中,抗拉强度超过了采矿材料的抗拉强度和下缘裂隙,在断裂中,采动层的内压重新分布,最大水平拉力转移到上部,使断裂延伸到上部,最终使采动层完全破碎。岩石的微裂缝主要为穿晶裂缝、界面裂缝及其连接,在垂直面上,裂缝带的形状为鞍形。
  水平面断裂带的分布规律与混凝土板在均布荷载作用下的分布规律相似,板的中心是一个又长又窄的矩形区域,其长度相当于总长度的二分之一,从矩形区域的四个角到板的四个角,都会产生辐射裂缝,最后形成五个区域。
  一般来说,采矿空区上的覆岩层是由沉积环境决定的软硬旋转、厚度不均的沉积层,不同强度和厚度的岩石变形的挠曲值明显不同。根据岩石力学的了解,指导需要考虑平面上的问题,一个均布载荷的简支梁,它的最大挠度为fmax=5ql4/384EJ,其中,fmax是最大的挠度值;q为均布载荷值;l为简支梁的长度,也就是工作面的长度;E为简支梁材料的彈性模量;J为简支梁的惯矩。   在矿区内的上下岩层之间,会有以下几种情况出现:
  如果上、下岩层的厚度是相同的,但E上>E下,则f上<f下,所以就会脱离与层面,产生离层。如果说,对上下岩层进行测量,会发现上下层的弹性模量是一样的,也就是E上<E下,但是厚度是不一样的,且h上>h下,那么也会出现一样的结果f上<f下,从而产生离层。
  在采矿的实际工作时,情况会更为复杂,但是在整个弯曲的区中,会在岩石内部形成一种范围,而这个挠曲度是在范圍之内的,这就会使得竖向的裂缝不会经常产生。裂隙区的水平和垂直裂隙以及总弯曲带中的一个分离层对开采材料的膨胀起着一定的作用,这种膨胀代替了开采空间,地表最大减薄值总是小于岩石厚度。
  5 开采深度与地表下沉的关系
  矿坑深度对底边下沉的影响主要体现在对裂缝和分离层的影响上,这主要表现为矿坑深度大,裂缝和分离层的概率大,剩余次生空间总量大,地表下降幅度小。它增加了表面的减少量和断口的残余空间,减少了表面的减少量,两者相互补偿,使矿坑深度的微小变化对表面的减少量没有明显的影响,但在深部挖矿中,情况是不同的,此时当冒落带增厚到一定程度时,深度又增加了,而且厚度不再增加,但此时,如果裂纹和层内分离层增加,最终的结果是表面减少。
  6 安全开采深度的计算
  通过上述的具体计算以及分析,我们可以知道存在真正的安全深度,而且该安全深度还与矿上的建筑物质量相关。在我国出台的相关法律政策上对于砖石的结构建筑物破坏上,规定了一个等级,分别有四个等级。如果说,在对煤矿进行地下的开采时,地面上的建筑物以及地表出现轻微的表现或者不出现时,还要提出对建筑进行搬迁等措施时,就会使得整个工作十分的浪费。
  按照相关的积分算法,来计算出地表的最大水平变形值,具体如下:
  Emax=±1.52b(Wmax/r),其中字母具体的代表含义分别为Emax为地表中最大水平的变形值;b为比表上的水平移动系数,b的取值范围为0.3至0.4;Wmax为地表上最大的沉降值;r为主要影响的半径。然后对该式子进行变形,得到有关开采深度的表达式:
  Emax=1.52b(Wmax/r)tgβ,其中,H是采矿中的可采深度,而β则为主要影响的范围角,不过负数在该表达式中并没有意义,所以去除了正负号。将一般使用的开采情况代入该式子,可以得到b=0.3,tgβ=1.5,Wmax=20m,Emax=0.002,算出最终可采深度H为648米。
  则可以知道,对于矿上的建筑物来说,当采矿的深度在600至700米以上时,地表建筑物就不会受到因为煤矿开采带来的损害,所以不需要进行搬迁重建。且该情况与其他学者所得到的结果是相似的。
  7 结语
  一般来说,地表下降的值和开采的深度存在反比的关系,当采矿的深度在600至700米以上时,地表建筑物就不会受到因为煤矿开采带来的损害,所以不需要进行搬迁重建。而且,安全的开采深度和覆岩力学性质跟煤矿地面上的建筑物质量是有关系的,需要进行多地的实地观察检测从而有针对性的发现合适的安全开采深度。
  参考文献
  [1] 杨伦,石金峰,于广明,等.关于煤矿安全开采深度的探讨[J].煤炭科学技术,2015(4):43-46.
  [2] 王昊.煤矿安全开采深度的预计与判定[J].河南科技,2015,No.571(17):68-69.
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