高建偉

摘 要：在對煤礦進(jìn)行開采時，隨著煤礦的深度逐漸向下延伸，就會有一個具體的臨界深度，這種臨界值的作用時，在該值深度以下時，能夠保障煤礦地面上的建筑物不會出現(xiàn)一些毀滅性的變形情況。本文首先探討了一些在覆巖內(nèi)出現(xiàn)殘余空間的過程及冒落帶壓實的過程的相關(guān)理論，然后對他們在地表下沉中的減緩作用進(jìn)行了分析，并得出了600米至700米為最佳的臨界深度，地表建筑物不會受到毀滅性的破壞的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：煤礦;安全開采深度;地表下沉

中圖分類號：TD82 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）01-0176-02

地下煤層開采之后，上覆建筑物會因地表沉降而變形甚至被毀壞。所以，在地下礦山開采之前，許多煤礦會根據(jù)經(jīng)驗將開采影響范圍內(nèi)的建筑物進(jìn)行搬遷，從而解決由于采礦塌陷而帶來的安全問題。然而，村莊（建筑物）搬遷的高昂成本，是所有生產(chǎn)礦井難以承受的。一般來說，如果挖礦的深度比較小，對房屋進(jìn)行搬遷是可行的，但是如果挖礦的深度已經(jīng)達(dá)到了一定的深度時，就無法得知是否該進(jìn)行礦上房屋的搬遷。目前我國的煤炭開采正逐步向深部開采發(fā)展，當(dāng)開采到某一臨界開采深度以下時，地表建筑物就不會受到因為煤礦開采帶來的損害，所以不需要進(jìn)行搬遷重建。所以，有必要及時討論安全開采深度[1]。

1 安全開采深度概述

前蘇聯(lián)學(xué)者首次提出“安全開采深度”。中國學(xué)者在充分了解后采納了該意見概念，并在相關(guān)工作中提到，但在實踐中卻并沒去進(jìn)行運(yùn)用。究其原因，這主要是由于中國煤礦很少進(jìn)行一些超過60米深度的開采實踐，有的深度超過了，現(xiàn)場也沒有可供比較的建筑物，沒有對比研究的意義。根據(jù)目前提出的開采深陷理論，礦井深度的不斷增加帶來了地表變形范圍的增加，使得地表發(fā)生了多種變形的情況，有的是地表傾斜，有的是切割的變形等等。如果變形較小，建筑物可以承受的話，則相應(yīng)的礦井深度為安全深度，可按以下公式計算（M為采出厚度，K為采出系數(shù)）：H=mk。

然而，地表變形與下沉的最大距離有關(guān)，關(guān)于安全開采深度的討論必須包括地表下沉與開采深度的關(guān)系，國內(nèi)外的眾多學(xué)者對該理論有不同的看法。部分人認(rèn)為，隨著深度的增加，地表下降值會逐漸減小，因為他們認(rèn)為隨著采深深度的增加，使得整個礦上的覆巖層中出現(xiàn)很多的永久性裂隙，向地表轉(zhuǎn)移的開采空間較小，地表下降值逐漸減小。而其他學(xué)者認(rèn)為，隨著礦井深度的增加，多余的重量不斷增加，使落帶殲石的巖石壓力增大，因此地表下降越來越大，根據(jù)現(xiàn)場觀測資料，有人認(rèn)為礦井深度與地表下降關(guān)系不大。本文對前者的觀點(diǎn)表示支持，并對此進(jìn)行了討論。

2 地下開采時地表下沉的發(fā)生與發(fā)展

地下開采后，地表下降實際上反映了采礦區(qū)上方空層的覆巖層在進(jìn)行移動，地表失穩(wěn)過程是一個巖層失穩(wěn)運(yùn)動的力學(xué)過程。所以，地表失穩(wěn)的減少必須與圍巖的運(yùn)動規(guī)律相聯(lián)系。眾所周知，地下煤層開采后，會將覆巖層的煤層劃分為三個區(qū)域，即冒落帶、裂縫帶和整體彎曲區(qū)。在冒落帶中，頂板的巖層會隨機(jī)崩塌成不同大小的塊狀結(jié)構(gòu)，且全部堆積在地上，使得其整體完全失去連續(xù)性和結(jié)構(gòu)層;在裂隙區(qū)，采礦層中有許多水平和垂直裂隙連接在一起，但采礦塊就掛在這里，由于受水平側(cè)向的壓力，使得巖塊中間能夠互相限制，使得斷塊位置不受到嚴(yán)重干擾，基本上保持了層狀結(jié)構(gòu)。斷裂位置十分隨機(jī)，所以上下層之間的垂直裂縫沒有完全對齊和連通。由于不同的力學(xué)性能（主要是彈性模量）和上下相鄰層的厚度，它會產(chǎn)生不同程度的運(yùn)動，從而沿著巖層平面分解，形成一個單獨(dú)的層。隨著時間的推移，冒落帶的石頭會被進(jìn)一步擠壓，垂直裂縫和分離層也將閉合，表面損失值略有增加，這是表面下降的發(fā)展過程，但冒落帶的壓實、裂縫和分離層的閉合是有限制的。

3 冒落帶的壓實過程

冒落帶形狀為水平緩傾斜煤層的馬鞍形。計算最大高度的經(jīng)驗公式如下（A為綜合系數(shù)，通常是在實際工作中進(jìn)行觀察得出的;m為整個開采的厚度）：h=mA。

從理論上去計算冒落帶高度的公式為（k為巖石的碎脹系數(shù)，而m為開采的厚度）：h=m/（k-1）。在進(jìn)行k的取值時，不能只通過以往在實驗中得出的數(shù)進(jìn)行調(diào)查，還需要對煤層頂板在斷裂的時候，硬頂大塊的斷裂，巖塊之間的間隙總量小于軟頂，即硬頂?shù)钠扑榕蛎浵到y(tǒng)小于軟巖層。

在各層自重的影響下，冒落的矸石被重新成形并壓實，但這種情況有一定的局限性，由于矸石不斷的被壓實，更多的石塊參與了對頂板的支護(hù)，矸石的抗變形能力與矸石之間的接觸空間成正比[2]。一旦接觸面積足夠大，碎石之間的差異不再縮小，即使礦井深度繼續(xù)增加，區(qū)域空洞的密度也不再增加。所以，要開采一定深度的煤礦時，冒落帶的壓實對地表下降值的影響不如淺部開采那樣表現(xiàn)得十分明顯。

4 裂縫與離層的閉合過程

當(dāng)整個采礦空區(qū)的面積越來越大時，由于失去支撐，直接頂板的坍塌使得舊頂板也出現(xiàn)撓曲的情況。這種傾斜相當(dāng)于板梁的傾斜撓曲，板梁彎曲時，最大的拖曳張力總是出現(xiàn)在巖石底部。在牽引中，抗拉強(qiáng)度超過了采礦材料的抗拉強(qiáng)度和下緣裂隙，在斷裂中，采動層的內(nèi)壓重新分布，最大水平拉力轉(zhuǎn)移到上部，使斷裂延伸到上部，最終使采動層完全破碎。巖石的微裂縫主要為穿晶裂縫、界面裂縫及其連接，在垂直面上，裂縫帶的形狀為鞍形。

水平面斷裂帶的分布規(guī)律與混凝土板在均布荷載作用下的分布規(guī)律相似，板的中心是一個又長又窄的矩形區(qū)域，其長度相當(dāng)于總長度的二分之一，從矩形區(qū)域的四個角到板的四個角，都會產(chǎn)生輻射裂縫，最后形成五個區(qū)域。

一般來說，采礦空區(qū)上的覆巖層是由沉積環(huán)境決定的軟硬旋轉(zhuǎn)、厚度不均的沉積層，不同強(qiáng)度和厚度的巖石變形的撓曲值明顯不同。根據(jù)巖石力學(xué)的了解，指導(dǎo)需要考慮平面上的問題，一個均布載荷的簡支梁，它的最大撓度為fmax=5ql4/384EJ，其中，fmax是最大的撓度值;q為均布載荷值;l為簡支梁的長度，也就是工作面的長度;E為簡支梁材料的彈性模量;J為簡支梁的慣矩。

在礦區(qū)內(nèi)的上下巖層之間，會有以下幾種情況出現(xiàn)：

如果上、下巖層的厚度是相同的，但E上>E下，則f上h下，那么也會出現(xiàn)一樣的結(jié)果f上

在采礦的實際工作時，情況會更為復(fù)雜，但是在整個彎曲的區(qū)中，會在巖石內(nèi)部形成一種范圍，而這個撓曲度是在范圍之內(nèi)的，這就會使得豎向的裂縫不會經(jīng)常產(chǎn)生。裂隙區(qū)的水平和垂直裂隙以及總彎曲帶中的一個分離層對開采材料的膨脹起著一定的作用，這種膨脹代替了開采空間，地表最大減薄值總是小于巖石厚度。

5 開采深度與地表下沉的關(guān)系

礦坑深度對底邊下沉的影響主要體現(xiàn)在對裂縫和分離層的影響上，這主要表現(xiàn)為礦坑深度大，裂縫和分離層的概率大，剩余次生空間總量大，地表下降幅度小。它增加了表面的減少量和斷口的殘余空間，減少了表面的減少量，兩者相互補(bǔ)償，使礦坑深度的微小變化對表面的減少量沒有明顯的影響，但在深部挖礦中，情況是不同的，此時當(dāng)冒落帶增厚到一定程度時，深度又增加了，而且厚度不再增加，但此時，如果裂紋和層內(nèi)分離層增加，最終的結(jié)果是表面減少。

6 安全開采深度的計算

通過上述的具體計算以及分析，我們可以知道存在真正的安全深度，而且該安全深度還與礦上的建筑物質(zhì)量相關(guān)。在我國出臺的相關(guān)法律政策上對于磚石的結(jié)構(gòu)建筑物破壞上，規(guī)定了一個等級，分別有四個等級。如果說，在對煤礦進(jìn)行地下的開采時，地面上的建筑物以及地表出現(xiàn)輕微的表現(xiàn)或者不出現(xiàn)時，還要提出對建筑進(jìn)行搬遷等措施時，就會使得整個工作十分的浪費(fèi)。

按照相關(guān)的積分算法，來計算出地表的最大水平變形值，具體如下：

Emax=±1.52b（Wmax/r），其中字母具體的代表含義分別為Emax為地表中最大水平的變形值;b為比表上的水平移動系數(shù)，b的取值范圍為0.3至0.4;Wmax為地表上最大的沉降值;r為主要影響的半徑。然后對該式子進(jìn)行變形，得到有關(guān)開采深度的表達(dá)式：

Emax=1.52b（Wmax/r）tgβ，其中，H是采礦中的可采深度，而β則為主要影響的范圍角，不過負(fù)數(shù)在該表達(dá)式中并沒有意義，所以去除了正負(fù)號。將一般使用的開采情況代入該式子，可以得到b=0.3，tgβ=1.5，Wmax=20m，Emax=0.002，算出最終可采深度H為648米。

則可以知道，對于礦上的建筑物來說，當(dāng)采礦的深度在600至700米以上時，地表建筑物就不會受到因為煤礦開采帶來的損害，所以不需要進(jìn)行搬遷重建。且該情況與其他學(xué)者所得到的結(jié)果是相似的。

7 結(jié)語

一般來說，地表下降的值和開采的深度存在反比的關(guān)系，當(dāng)采礦的深度在600至700米以上時，地表建筑物就不會受到因為煤礦開采帶來的損害，所以不需要進(jìn)行搬遷重建。而且，安全的開采深度和覆巖力學(xué)性質(zhì)跟煤礦地面上的建筑物質(zhì)量是有關(guān)系的，需要進(jìn)行多地的實地觀察檢測從而有針對性的發(fā)現(xiàn)合適的安全開采深度。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊倫，石金峰，于廣明，等.關(guān)于煤礦安全開采深度的探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2015（4）：43-46.

[2] 王昊.煤礦安全開采深度的預(yù)計與判定[J].河南科技，2015，No.571（17）：68-69.