煤礦開(kāi)采沉陷中平均采深相關(guān)問(wèn)題探討?

張新盈 王玉振

(河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院土木工程系,河南省鄭州市,450008)

★煤炭科技·地質(zhì)與勘探★

煤礦開(kāi)采沉陷中平均采深相關(guān)問(wèn)題探討?

張新盈 王玉振

(河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院土木工程系,河南省鄭州市,450008)

針對(duì)開(kāi)采沉陷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí)往往采用平均采深代替走向主斷面實(shí)際采深的情況,首先在三種不同情況下分別求取采深偏移系數(shù),并對(duì)其進(jìn)行重新歸類,而后對(duì)采深偏移系數(shù)與覆巖巖性、煤層傾角等因素之間關(guān)系進(jìn)行探討,最后推導(dǎo)了采深偏移系數(shù)對(duì)相關(guān)參數(shù)的影響。結(jié)果表明:采動(dòng)程度對(duì)采深偏移系數(shù)無(wú)影響,覆巖強(qiáng)度和煤層傾角與采深偏移系數(shù)成正相關(guān)關(guān)系;采深偏移系數(shù)越大,則計(jì)算的主要影響半徑與實(shí)際相差的越多。

采深偏移系數(shù) 松散層 主要影響半徑 相對(duì)誤差

礦山開(kāi)采沉陷問(wèn)題的核心內(nèi)容是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理和開(kāi)采沉陷損害預(yù)計(jì)。而在開(kāi)采沉陷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí),往往會(huì)采用平均采深代替走向主斷面實(shí)際采深進(jìn)行相關(guān)沉陷計(jì)算,這會(huì)給結(jié)果帶入一定的誤差,甚至粗差。通過(guò)閱讀資料發(fā)現(xiàn),對(duì)用平均采深代替走向主斷面實(shí)際采深所導(dǎo)致的問(wèn)題進(jìn)行研究的文獻(xiàn)雖有,但對(duì)其深入研究的不多。本文通過(guò)相關(guān)公式的推導(dǎo),對(duì)在開(kāi)采沉陷中采深偏移系數(shù)的性質(zhì)及其對(duì)相關(guān)參數(shù)的影響進(jìn)行相關(guān)探討。

1 采深偏移系數(shù)的求取

為了衡量采用平均采深代替走向主斷面實(shí)際采深進(jìn)行相關(guān)沉陷計(jì)算時(shí)產(chǎn)生的誤差大小,令采深偏移系數(shù)p用下式表示:

式中:p——采深偏移系數(shù);

H——實(shí)際采深,m;

H0——平均采深,m。

從傾向主斷面上計(jì)算走向主斷面的采深,參照采動(dòng)程度和松散層厚度等因素可分為三種情況:非充分采動(dòng)下,松散層厚度h小于0.1倍采深的情況,此時(shí)松散層可以忽略不計(jì);非充分采動(dòng)下,松散層厚度h大于0.1倍采深的情況;充分采動(dòng)的情況。下面就這三種情況分別說(shuō)明。

1.1 非充分采動(dòng)下松散層厚度小于0.1倍采深的情況

當(dāng)松散層厚度小于0.1倍采深時(shí),松散層可以被視作同等厚度的基巖層。這種情況下的最大下沉角為最大下沉點(diǎn)在地面上的投影點(diǎn)與采空區(qū)中心的連線和水平線在下山一側(cè)的夾角。此時(shí)走向主斷面采深計(jì)算示意圖如圖1所示。

圖1 非充分采動(dòng)(不考慮松散層)走向主斷面采深計(jì)算示意圖

根據(jù)相關(guān)幾何知識(shí),求得非充分采動(dòng)下松散層厚度小于0.1倍采深的情況下,走向主斷面實(shí)際采深H如下式所示。

式中:α——煤層傾角,(°);

θ——最大下沉角,(°)。

則非充分采動(dòng)下松散層厚度小于0.1倍采深的情況下的采深偏移系數(shù)為:

1.2 非充分采動(dòng)下松散層厚度大于0.1倍采深的情況

根據(jù)文獻(xiàn),當(dāng)松散層厚度大于0.1倍采深時(shí),必須考慮松散層。這種情況下的最大下沉角可以被定義為最大下沉點(diǎn)在基巖面上的投影點(diǎn)和采空區(qū)中心的連線與水平線在下山方向上的夾角。此時(shí)的走向主斷面采深計(jì)算示意圖如圖2所示。

圖2 非充分采動(dòng)(考慮松散層)走向主斷面采深計(jì)算示意圖

根據(jù)圖2計(jì)算所得非充分采動(dòng)下松散層厚度h大于0.1倍采深的情況下的走向主斷面實(shí)際采深如下式所示:

則相應(yīng)的采深偏移系數(shù)為:

1.3 充分采動(dòng)的情況

根據(jù)文獻(xiàn),在傾斜主斷面達(dá)到充分采動(dòng)的情況下,無(wú)論松散層厚度是否大于0.1倍的采深,都無(wú)需單獨(dú)考慮松散層的地質(zhì)條件。這種情況下的最大下沉角可以被定義為地表下沉盆地平底部分的兩個(gè)邊緣點(diǎn)在地面上的投影點(diǎn)與采空區(qū)上、下山邊界連線的交點(diǎn)與采空區(qū)中心的連線和水平線在下山方向上的夾角。此時(shí)的走向主斷面實(shí)際采深計(jì)算如圖3所示。

根據(jù)圖3計(jì)算所得的充分采動(dòng)情況下,走向主斷面實(shí)際采深如下式所示:

圖3 充分采動(dòng)下走向主斷面采深計(jì)算示意圖

則相應(yīng)的采深偏移系數(shù)為:

1.4 重新分類

從式(3)和式(7)可以看出,非充分采動(dòng)下松散層厚度小于0.1倍采深的情況和充分采動(dòng)的情況兩者所推導(dǎo)出的采深偏移系數(shù)完全一樣。因此采動(dòng)程度與采深偏移系數(shù)無(wú)關(guān),可以將分類方法從同時(shí)考慮采動(dòng)程度和松散層影響兩種因素轉(zhuǎn)變?yōu)橹豢紤]松散否影響一種因素的分類方法。所以以上三種分類可以重新歸結(jié)為兩類:

(1)未考慮松散層影響的一類,其采深偏移系數(shù)為:

(2)考慮松散層影響的一類,其采深偏移系數(shù)為:

2 采深偏移系數(shù)隨覆巖巖性和煤層傾角的變化

在煤層傾角小于50°并參考巖性的情況下,最大下沉角的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為:

式中:k——巖石硬度系數(shù)。

當(dāng)覆巖巖性為堅(jiān)硬時(shí),k取0.7～0.8;當(dāng)覆巖巖性為中硬時(shí),k取0.6～0.7;當(dāng)覆巖巖性為軟弱時(shí),k取0.5～0.6。

將式(10)帶入式(8),則得:

當(dāng)k為不同取值時(shí),采深偏移系數(shù)隨傾角的變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同k值時(shí)采深偏移系數(shù)隨傾角的變化關(guān)系示意圖

從圖4可以看出,在煤層傾角相同的情況下,覆巖巖性越硬,采深偏移系數(shù)越大;而在覆巖巖性相同的情況下,煤層傾角越大,采深偏移系數(shù)越大。

3 采深偏移系數(shù)對(duì)相關(guān)沉陷參數(shù)的影響

3.1 采深偏移系數(shù)對(duì)角量參數(shù)的影響

開(kāi)采沉陷中主要有邊界角、移動(dòng)角、裂縫角、充分采動(dòng)角、最大下沉角等角量參數(shù)。與采深偏移系數(shù)相關(guān)的主要有邊界角、移動(dòng)角、裂縫角等。采深偏移系數(shù)對(duì)角量參數(shù)的影響主要體現(xiàn)在邊界角δ0、移動(dòng)角δ″和裂縫角δ的求取上。相關(guān)角量參數(shù)的求取如圖5所示,其中?松散層移動(dòng)角。

圖5 角量參數(shù)求取示意圖

以烏蘭木倫礦為例,將其地質(zhì)條件簡(jiǎn)化為松散層厚度20 m,平均采深100 m,盆地下沉10 mm邊界點(diǎn)到采空區(qū)邊界上方的距離為50 m,盆地臨界變形值點(diǎn)到采空區(qū)邊界上方的距離為45 m,盆地最外裂縫點(diǎn)到采空區(qū)邊界上方的距離為30 m,松散層移動(dòng)角為45°。邊界角δ0主要是采用盆地主斷面上下沉10 mm的點(diǎn)來(lái)劃定移動(dòng)盆地的最外邊界,由最外邊界的邊界點(diǎn)用松散層移動(dòng)角畫(huà)線與基巖和松散層交界面相交,此交點(diǎn)至采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角即為邊界角;移動(dòng)角δ主要采用盆地主斷面上臨界變形值來(lái)劃定移動(dòng)盆地的危險(xiǎn)移動(dòng)邊界,由危險(xiǎn)移動(dòng)邊界的臨界變形點(diǎn)用松散層移動(dòng)角畫(huà)線與基巖和松散層交界面相交,此交點(diǎn)至采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角即為移動(dòng)角;而裂縫角δ″采用盆地主斷面上最外側(cè)的裂縫來(lái)圈定裂縫邊界,由裂縫邊界點(diǎn)至采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角即為裂縫角。則根據(jù)不同采深偏移系數(shù)計(jì)算出來(lái)的角值如表1所示。

表1 角值隨采深偏移系數(shù)變化表

表2 角值相對(duì)誤差隨采深偏移系數(shù)變化表

從表1和表2可以看出,在求取走向邊界角、走向移動(dòng)角和走向裂縫角時(shí),由于走向平均采深比實(shí)際采深數(shù)值小,導(dǎo)致計(jì)算所得角值偏小;采深偏移系數(shù)越大,采用平均采深計(jì)算所得的角值與實(shí)際所得角值之間的相對(duì)誤差越大;在同等條件下,走向邊界角相對(duì)誤差最大,走向破壞角次之,走向裂縫角相對(duì)誤差最小。

3.2 采深偏移系數(shù)對(duì)主要影響半徑的影響

采深偏移系數(shù)對(duì)靜態(tài)參數(shù)的影響主要體現(xiàn)在主要影響半徑上。主要影響半徑主要用于圈定地下開(kāi)采對(duì)地面的影響范圍。主要影響半徑的求解如下式所示:

式中:r——主要影響半徑,m;

β——主要影響角,(°)。

在考慮松散層影響和不考慮松散層影響兩種情況下進(jìn)行分析采深偏移系數(shù)對(duì)主要影響半徑的影響。

(1)在不考慮松散層影響的情況下,將式(2)帶入式(12),則得:

式中:ro——由平均采深計(jì)算所得主要影響半徑, m。

由式(14)可以看出,在不考慮松散層影響的情況下,當(dāng)平均采深代替走向主斷面實(shí)際采深時(shí),采深偏移系數(shù)和主要影響半徑相對(duì)誤差相等。

(2)在考慮松散層影響的情況下,將式(4)帶入式(12),則得:

而主要影響半徑的相對(duì)誤差如下式所示:

由式(16)可以看出,在考慮松散層影響的情況下,用平均采深代替走向主斷面實(shí)際采深時(shí),采深偏移系數(shù)和主要影響半徑相對(duì)誤差相等。

4 結(jié)論

在對(duì)平均采深引起的采深偏移系數(shù)進(jìn)行幾何推導(dǎo)的基礎(chǔ)上,得到以下結(jié)論:

(1)采動(dòng)程度對(duì)采深偏移系數(shù)無(wú)影響,松散層對(duì)采深偏移系數(shù)起稀釋作用;

(2)采深偏移系數(shù)隨著覆巖強(qiáng)度和煤層傾角的增加而不斷變大;

(3)在走向主斷面上,采深偏移系數(shù)越大,采用平均采深計(jì)算所得的角值與實(shí)際所得角值之間的相對(duì)誤差越大,且在同等條件下,走向邊界角相對(duì)誤差最大,走向破壞角次之,走向裂縫角相對(duì)誤差最小。另外,采深偏移系數(shù)和主要影響半徑相對(duì)誤差大小一致。

[1] 國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000

[2] 宋世杰,趙曉光,王雙明等.覆巖巖土比對(duì)開(kāi)采沉陷的影響分析與數(shù)值模擬[J].中國(guó)煤炭,2015 (6)

[3] 鄒友峰,鄧喀中,馬偉民.礦山開(kāi)采沉陷工程[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2003

[4] 何國(guó)清,楊倫,凌賡娣等.礦山開(kāi)采沉陷學(xué)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1991

[5] 李春意,崔希民,何榮等.開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)中三維空間曲面擬合參數(shù)的研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2011(3)

[6] 李春意,陳潔.覆巖移動(dòng)靜態(tài)預(yù)計(jì)模型的構(gòu)建及實(shí)測(cè)研究[J].中國(guó)煤炭,2012(5)

[7] 曹樹(shù)剛,劉玉成,劉延保等.基于觀測(cè)資料的沉陷盆地主斷面曲線擬合[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2009 (7)

[8] 陳俊杰,閆偉濤,郭延濤.開(kāi)采沉陷中采深偏移系數(shù)的性質(zhì)分析[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014(6)

[9] 李興國(guó),文廣超.巨厚礫巖層對(duì)地表沉降及沖擊地壓的影響分析[J].中國(guó)煤炭,2015(6)

[10] 張廣偉,李鳳明,李樹(shù)志等.基于巖體破裂規(guī)律的下沉系數(shù)變化[J].煤炭學(xué)報(bào),2013(6)

[11] 任松,姜德義,楊春和等.巖鹽水溶開(kāi)采沉陷新概率積分三維預(yù)測(cè)模型研究[J].巖石力學(xué), 2007(1)

Discussion on the related issues of average mining depth in coal mining subsidence

Zhang Xinying,Wang Yuzhen
(Department of Civil Engineering,Henan Vocational College of Water Conservancy and Environment,Zhengzhou,Henan 450008,China)

In the measured data processing of mining subsidence,the average mining depth is often adopted instead of the actual mining depth of the main section along strike.Aiming at the situation,the author solved respectively the mining depth offset coefficients in three different conditions,and classified them again.Then the relationship between the mining depth offset coefficient and the overlying strata lithology or coal seam dip angle was discussed,and the effects of the mining depth offset coefficient on relative parameters were deduced.The results showed that the mining degree had no influence on the coefficient,but the overlying strata strength,the coal seam dip angle had positive correlation with the coefficient.The bigger the coefficient was,the larger the difference value between computational main influence radius and the actual was.

mining depth offset coefficient,unconsolidated formation,main influence radius,relative error

TD173.4

A

張新盈(1977－),男,河南焦作人,講師,注冊(cè)測(cè)繪師,主要從事礦山測(cè)量及測(cè)量數(shù)據(jù)處理方面研究。

(責(zé)任編輯 郭東芝)

河南省教育廳重點(diǎn)課題(Z41019)