采空区冒落带高度影响因素及分布规律分析
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作者: 陈大森
摘 要： 由于采空区的大量开采，产生地层的不均匀沉降问题，甚至对周边建筑物产生影响，结合实际工作经验，对采空区产生冒落的规律性进行分析，并提出冒落带高度的影响因素，以实现采空区的综合治理。
关键词： 采空区；冒落带高度；影响；规律
中图分类号：TD325 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1210181－01
1 产生采空区冒落带高度的规律分析
1）经过调查可知，每次采空区发生冒落之前都会有一定的预兆，如顶板掉渣、岩层断裂声响、矿柱裂缝等，都是冒落预报的信息，需引起关注。2）在顶板发生冒落之前，矿柱和矿柱裂缝都会产生异常声响，则说明矿柱正处于亚稳定状态。影响矿柱变形的主要因素为：软化情况、龟裂、顶底板性质、爆破影响因素、矿柱承载时间、矿柱宽高比以及矿柱尺寸等。3）随着岩体变形的不断发展与变化，岩体中的裂缝也会不断扩展、相互贯通，如果断裂带相连位置的承载力低于下部岩石重量，就会造成岩石塌落。在发生破裂的初期，仅是沿着结构边缘开始；但是随着冒落的不断进展，形成了全新自由面，就会产生新的冒落点。一般冒落是自下而上按顺序发生，当冒落到距离地表一定厚度时，岩体的剪应力就会达到岩石强度的极限点，岩石顶盖可能产生一次性的冒落，直到地表。当发生首次冒落时，范围由岩石和面积等力学性质、岩体弱面等决定。4）矿区的水文地质及工程地质会对顶板冒落产生较大影响。经调查可知，我国大多数矿区属于温带季风气候区，四季较为分明，一般年降水量多在七月份和八月份，夏秋季节的雨量丰富，因此冒落多集中在夏秋季节。5）矿区的构造状况对顶板冒落产生直接影响，矿区中产生断裂带，如北西向区域断层、南北向断层、穿越矿带断层等，再加上三大断层的成岩期构造，对矿层产生各种破坏。一般冒落大多发生在断层扩展或者断层发育区，应加强注意。6）在矿井下方，可由若干个矿柱产生顶板的共同支撑效果，如果某一个矿柱失去了承载作用力，原有的负荷就会由邻近的围岩或者矿柱来分担，以此造成更多的矿柱破坏，最终形成整体破坏。例如，顶板获得有效支撑，不会产生沉降，那么已经破坏的矿柱就会凭借自身的弹性应变进行恢复，同时不再产生崩溃，提高外形的完整系那个，避免出现突然垮落。7）在大矿柱的屈服过程中，可能产生一定塑性变形，也就是在保持承载能力不变的情况下，沉降位移比较大，最终造成破坏。因此，在矿井的布局上，一般建议采取大矿柱周围辅助小矿柱的方法。在大多数事故发生时，都会采取突然垮塌现象，并伴随气浪。由于矿区中的矿体稳定而顶底板不稳地，再加上存在断层。因此，如果矿柱失去了承载力，就会产生顶板冒落。8）一般情况下，老采空区发生冒落的几率较高，进而引发新采空区的冒落情况。由于老采空区冒落，会同时加大新采空区的框柱荷载力，再加上断裂区进一步扩大面积，就会产生新采空区冒落现象。
2 影响采空区冒落带高度的因素
2.1 煤层的顶板岩性因素。在煤层顶板中，主要分为三种岩性：粉砂岩、泥岩和啥质泥岩。在该煤层的上部是砂泥岩互层，中间夹有煤线，伪顶是薄层的岩质页岩，由于厚度较小，因此可以忽略给冒落带高度带来的影响。一般直接顶多是啥质泥岩，在探测区的面积约为80%，由于个别区域的煤层薄弱，与下部薄层的炭质页岩总厚度不超过2m，形成伪顶，直接顶是泥岩或者粉砂岩。根据岩石的实际构造，包括裂隙的发育程度、极限抗压强度、岩芯的完整性等，可将煤顶板分成泥岩、砂质泥岩、粉砂岩等。在粉砂岩顶板中，常见的缓波状层理、斜层理，裂隙是高角度的闭合型，成为完整的岩石类坚硬稳定区。在沙质泥岩的顶板中水平层理中，一般夹带泥质条带，属于办坚硬的岩石类稳定区域，一般很少在探测区中存在。受到地下水的长期影响作用，泥岩顶板逐渐形成了软弱的岩石类不稳定区。可见，不同顶板岩性分区的稳定性，对冒落带高度产生直接影响。
2.2 防水煤柱的距离因素。距离防水煤柱及保护边界的距离越近，冒落带的厚度就会随之降低，最终完全消失。例如，如果钻孔在建筑物的保护边界附近，煤层厚度为8.0m，而开采的厚度仅为1.50m左右，在钻进时容易产生掉钻。经试验，约195.0以上的岩芯相对完整，在钻进时，水的消耗量较少，因此冒落带就会定在该段位，即冒落带的厚度为0.6m。
2.3 断层的因素。由于受到断层的影响，一般煤层覆岩具有以下特征：① 降低岩石强度，同时内摩擦角和粘结力变小，塑性能力增加，自身承载力逐渐降低；② 亲水能力较强，软化系数不高；③ 岩石多属于泥化，如果出现裂缝，较易弥合，提高了隔水能力。由于顶板受到断层的影响，岩石遇到风化作用，形成泥质，岩性相对软弱。在采场支架的回辙或者移置之后，就会产生冒落事故，冒落的岩块较小，堆积杂乱，初始的膨胀系数比较大，可充分填满采空区，在极大程度上影响了上覆岩层的跨落速度，因此冒落高度的发展比较有限。
3 采空区冒落带的高度计算
一般在采空区上部的岩层和地表移动过程中，产生的一般规律为：从采区中放出矿岩，形成了采空区，顶板悬空。如果采空区的顶板暴露面积过大，再加上顶板的岩体强度支撑不力或者受到爆破的振动影响，就会直接造成顶板冒落。当冒落进一步向上发展，就会在岩层产生“冒落拱”，支撑向上的覆岩层；当冒落达到了一定高度，冒落松散的岩石就会将采空区填满。在这一过程中，地表会产生开裂与下沉，如果岩层一直冒落到地表，就会形成地表塌陷。以某煤矿开采厚度为25m为例，假设地表没有出现下沉，在采空区全部放空矿岩的情况下，冒落带计算公式如下：
经计算，这一高度超过了90m。也就是说，当采出矿岩全部放空的时候，地表可能产生塌陷，即使不产生塌陷，就会在地表形成岩层的移动与变形。在实际操作过程中，出矿并不均匀，采空区状态不规则，就会进一步造成部分区域的冒落。一些地方的冒落比较小，再加上采取一定的措施，就会造成理论性的冒落高度不一致，这样更加利于阻止顶板或者上覆岩石的连续冒落。通过对冒落带高度的形成规律、影响因素等分析，可基本明确冒落带的分布状况，再加上考虑地表影响程度，如果发生采空区冒落，可在局部地域采取换填法，在面积较大的地区采取全充填压力注浆法，提高矿井的稳定性与安全性。
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作者简介：
陈大森，平顶山天安煤业三矿有限责任公司，从事专业：矿山开采，发展方向：煤矿开采技术。
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