急倾斜煤层采空区覆岩稳定性预测.pdf

综述与专论 20191326 Modern Chemical Research 当代化工研究 急倾斜煤层采空区覆岩稳定性预测 ＊陈晓奇 山西省煤炭工业厅煤炭资源地质局 山西 030045 摘要本篇文章对新疆的某个急倾斜煤层采空区覆岩稳定性进行重点的思考分析，对其失稳特征、影响因素以及拟建场地等进行讨论。 通过相关资料对采空区围岩移动破坏的基本规律、采空区上方地表移动以及变形的基本规律等进行掌握，最终以拟建场地的方法来提高其 稳定性，这更好的保障了人们的生命安全和财产安全。 关键词急倾斜煤层采空区；稳定性；拟建场地；影响因素 中图分类号TD 文献标识码A Stability Prediction of Overburden Strata of Steeply Inclined Coal Seam Goaf Chen Xiaoqi Coal Resources and Geology Bureau, Shanxi Provincial Coal Industry Department, Shanxi, 030045 AbstractThis paper makes a key thinking and analysis on the stability of overburden strata of a steeply inclined coal seam goaf in Xinjiang, and discussed its instability characteristics, influencing factors and proposed site. Through relevant data, the basic laws of surrounding rock movement and destruction, surface movement and deation law above the goaf are mastered in this paper, and finally its stability is improved by the proposed site , which better guarantees the safety of peoples lives and property. Key wordssteeply inclined coal seam goaf；stability；proposed site；influencing factors 煤炭在开采的过程中会使得上方覆盖岩层失去支撑， 原本岩石内部的平衡状态被破坏了，从而使得岩体内应力重 新分布，这导致采空区围岩发生移动、变形或者破坏。采空 区上方地表的移动变形对于上部建筑物的稳定性有一定的影 响，同时会给人们造成一定的威胁，故对采空区上部建筑物 地基稳定性进行思考分析是极为重要的。 1.急倾斜煤层采空区变形失稳的特征 煤炭的地下开采使得岩石内部的平衡状态被破坏从而使 得上部建筑物的地基受到影响，这对于人们的生活和工作都 造成较大的影响。接下来就对急倾斜煤层采空区变形失稳的 特征进行思考介绍。 急倾斜煤层在开采之后，对于岩石的破坏主要是体现 在采空区偏上山方向的上方，因为重力的作用，直接顶板在 产生法向弯曲的时候，它同时会受到沿层理面法向分力的作 用从而出现沿层理面向采空区方向的移动和滑落现象。如果 煤层倾角越大，发生移动和滑落现象的可能性会更大，甚至 会扩展到煤层的底板岩层之中。在直接顶板上很容易出现被 拉断或者是剪短的情况，采空区的上端比较容易形成梁结 构，它主要是用于支撑上面的覆岩，它会在直接顶板的中间 部位形成悬梁臂，下面部分主要是由冒落矸石填充的，它对 顶板起到了支撑的作用。在采空区上面没有开采的煤层部分 以及地表，因为煤层的冒落或者是沿底板活动会形成冒落坑 或者是塌陷漏斗。整个采空区的覆岩会形成不同形态的支撑 结构，覆岩顶板的两端因为受到了冒落顶和底部矸石的支撑 形成了非对称移动拱，它会随着时间的推移慢慢向上位岩层 扩展。 急倾斜煤层采空区变形失稳的特征主要体现在四个方 面。第一个方面是尺度大，煤炭开采以后会形成采空区（如 图1），它的形成离不开煤层地质条件、构造环境、脆弱的 生态以及干旱的气候等因素，它变形的数量级别大，与一般 材料的微尺度变形是存在差别的，它所形成的平衡结构维持 的时间是不确定的，可以是几天，也可以是几年。因为不确 定性，当它受到外界因素的干扰会出现大尺度的动力失稳现 象。第二个方面是变形速率大，采空区的失稳现象和层状矿 床开采围岩沉陷有所不一样。采空区的失稳和坍塌速率比较 大，带有明显的动力学破坏的特征。第三个方面是危害大， 围岩断裂和失稳发生的时间、地点都是无法确定的，它的发 生具有突变性，在力学上体现出冲击性。故它所造成的围岩 断裂、错动以及失稳等动力学效应对于生产生活造成极大的 影响，甚至有可能会造成矿井关闭。第四个方面是社会负面 因素大，突发性灾害的发生所产生的社会影响对于矿区的经 济和政治有着极大的影响。 图1 急倾斜煤层采空区 2.采空区变形失稳影响的因素 上面的文章对采空区变形失稳的特征进行思考介绍，接 下来结合实际情况对采空区变形失稳的影响因素进行思考分 析，主要有以下几个方面 1地质因素 岩体的结构是由结构面和结构体共同组成的，它可以反 映出岩体工程地质特征的最根本因素，一方面对于岩体的内 在特征有影响，另一方面对岩体的物理性质和受力变形的过 程有一定的影响。结构面和结构体的特征决定了岩石结构的 特征，同时也决定了岩体的结构类型。 综述与专论 20191327 当代化工研究 Modern Chemical Research 复杂的地质构造（如图2）很容易发生岩爆现象，同 时，岩石的质量对于岩体的变形特征和变形量都有着直接的 影响。 图2 地质结构 不连续面性状，不连续面的光滑和粗糙程度、组合状态 等方面都反映了不连续面的性质，它对于结构的抗剪特征的 结构面。结构面越粗糙，它的抗剪强度的摩擦因数越高，对 于块体运动的阻抗能力会更强，这样更可以保障其稳定性。 2环境因素 环境因素主要有工程埋深、渗流效应和气候原因这几个 方面。工程埋深决定原岩应力的大小、方向和分布的状态， 它对于工程的地质和环境有一定的影响。渗流效应对于岩体 的作用很大，湿润的岩体很容易发生失稳的现象。煤矿内部 的气体运送速度的加快会很容易发生意外，比如说煤与瓦斯 突出诱发。新疆位于西部，它的降水比较少，这使得生态环 境十分脆弱，这为采空区动力破坏提供了一定的条件。 3开采因素 煤炭开采强度和规模的增大，开采方式与工作面结构 参数化的不合理会使得支撑体系结构内部力学的特性恶化。 同时，人们还存在不规范的开采。小窑小井的不规范开采行 为是十分普遍的，它所造成的破坏是极大的。小窑和小窑之 间的井界间距是很有限的，这样更加容易出现破坏的叠加。 采空区是依靠煤壁和煤柱来维持围岩的稳定性的，因 为岩体内部形成的空洞使得天然应力平衡状态受到破坏，产 生局部的集中应力。如果采空区的面积比较大，而围岩强度 不能够抵抗上覆岩土重力的时候，顶部的岩层内部形成的拉 张应力会使其出现断裂现象。随着工作的开展，受影响的岩 层范围会不断扩大从而导致断裂、位移和坍塌现象的发生。 3.拟建场地稳定性分析 采空区形成后，它上方的地表变形会经历开始阶段、 活跃阶段、衰退阶段。一般来说，采空区内的煤矿开采期间 到最后的工作结束会出现大量的地面塌陷，工作结束后出现 的塌陷现象是很少的，这表明采空区变形已经不在活跃阶段 了。如果采空区大部分已经塌陷了，仅局部存在残余的空 体，这表示随着时间和风化作用会使得采空区上覆岩层进一 步破碎冒落，采空区的地表还可能会发生地面塌陷、沉陷或 者是裂缝等情况。根据调查数据显示，如果采空区形成十年 以上，它的总变形量已完成90，如果是形成3-5年，则85 已经完成，它一般已经进入相对稳定的状态，不过外界环节 因素的影响会使得它发生变化。 1地表沉降残余变形量的预计 采出厚度和塌陷冒落带和裂隙变形带之间有一定的关 系，冒落带的高度是由采出厚度和上覆岩石的碎胀系数， 它一般是采出矿层厚度的3-5倍。冒落带和裂隙带被称为两 带，它们与岩性有着直接的关系，一般情况下软弱的岩石 形成的两带高度是采厚的9-12倍，中硬岩石是其12-18倍， 坚硬岩石是为18-20倍。根据相关公式可以对地表剩余变 形量进行预计计算，最大的下沉量是Wmqcosα ，最大倾斜 值为iW/rW/ （H/tanβ），最大曲直率为k1.52W/r2，最大 水平移动值为UbW0.2W，最大水平变形值为ε1.52bW/r。 2煤层采空沉降对于场地稳定性的影响 拟建场地内的煤矿采空区是属于急倾斜状态下的煤层采 动，其中有一部分还没有发生塌陷，它的剩余变形量并不满 足建筑地基对变形的要求，它是处在不稳定的状态之中，通 过估算出最大的剩余沉降量可以对其进行稳定性评价。用最 大的导水裂隙带高度来作为确认采空区是否形成地面塌陷、 裂隙的判断指标。具体的操作是在对现场进行调查后估算出 导水裂隙带最大的高度和采空区顶板埋深进行比较，如果导 水裂隙带的最大高度是比顶板埋深小的，那么顶板冒落是不 会在地表形成地面塌陷坑的，它是基本稳定的。急倾斜煤层 赋存的特点主要是体现在煤层的倾角大，煤层的倾角变化的 规律是不明显的，它的厚度变化这些也是不明确的。因为急 倾斜煤层在地质构造运动后会出现直立、侧转的现象。 4.总结 急倾斜煤层开采后所形成的大面积的采空区因为动力失 稳很容易产生安全事故，这对于人们的工作生活造成很大的 影响。通过对采空区覆岩变形、破坏特征以及稳定性等方面 进行思考讨论可以制定出合理的治理方案。 【参考文献】 [1]张海伟.急倾斜煤层深部开采岩层移动规律研究[J].煤炭 技术,2016,35683-85. [2]杨逾,李会峰.辽宁大窑沟急倾斜煤层开采沉陷数值模拟研 究[J].中国地质灾害与防治学报,2016,27474-80. [3]肖柏勋,徐佩,张钊等.TEM探测急倾斜煤层采空区应用研究 [J].能源与环保,2017,39218-23.DOI10.19389/ki.1003- 0506.2017.02.004. [4]刘学军,侯宪明.急倾斜煤层采空区综合勘察方法[J].西部 探矿工程,2016,28395-97. 【作者简介】 陈晓奇（1990-），男，山西省煤炭工业厅煤炭资源地质局； 研究方向煤矿地质。