地表裂缝深度实测研究_王宗胜

通常所说的煤泥是指小于 0.5mm 粒度的煤泥， 煤泥的浮选是利用表面性质的差异，加入捕收剂、 起泡剂，依靠气泡上浮带动煤泥，完成分选。煤泥的 最 佳 浮 选 粒 级 是 在 0.074~0.25mm， 而 对 于
0.25~2mm 的粗粒煤泥，由于其粒度大，可浮性不好， 在浮选过程中不能有效分选[1]，造成精煤损失，所以 有效分选出粗粒煤泥的精煤非常关键。据文献资 料，粗煤泥分选方法主要包括 TBS（干扰床分选机） 分选、螺旋溜槽、煤泥重介质旋流器；综合比较，TBS 为最佳，其利用上升脉冲水流，分选密度可调、精度 高 ；螺 旋 溜 槽 较 为 适 合 动 力 煤 分 选 ，因 为 其 分 选 密 度高，但存在占地面积大、处理量小的缺点；煤泥重 介 旋 流 器 需 制 备 细 介 质 ，回 收 不 方 便 ，未 能 得 到 很 好的推广 [2]。推荐对煤泥粒度进行小筛分实验，在 0.25~0.5mm 比重较大，且灰分偏高的情况下，推荐 采用 TBS 分选粗粒煤泥，有效回收粗煤泥，解决“跑 粗”，同时，对于 <0.25mm 的细粒级，可采用对其有 效地浮选柱分选，达到提高浮选精煤产率的目的。
2 钻孔取芯观测
为了研究裂缝在深度上的发育情况，以鲍店 5305
工作面为例，选择地表不同发育宽度和落差的四条裂
缝：L31、L33、L20 和 L39 进行开挖。裂缝与工作面的
相对位置如图 1。裂缝的表面宽度和落差如表 1。
表 1 开挖裂缝的表面宽度和落差
裂缝名称
L31
L33
L20
L39
表面宽度（mm）
表 2 兖州矿区实测土体力学参数
名称
层厚 容重 干容重 粘聚力 内摩擦角 弹模
° 泊松比
（m） （kN/m3）（kN/m3） （kPa） （ ） （MPa）
粉土 1.3～2.2 18.7
15.3
23
24.8 7.24 0.25
粉质粘土 1.6～3.7 18.9 15.2
43
10.6 6.41 0.29
行开挖。对每道裂缝的注浆区段采用平行裂缝发育
方 向 、错 位 钻 进 的 方 法 进 行 打 钻 取 芯 ，孔 位 布 置 如
图 3，孔间距 200mm。
“兖矿集团科技资金支持”项目编号：（08）55
·39·
图 1 开挖裂缝的平面位置
图 2 裂缝充填图
图 3 裂缝开挖平面位置示意图
每道裂缝的下钻次数视裂缝发育情况而定，在 平 面 方 向 以 最 后 一 钻 泥（岩）芯 中 无 裂 缝 为 打 钻 终 止判别条件。每钻取样深度视裂缝发育情况，依裂 缝在深度方向泯灭或者裂缝在倾斜方向发生变化 作为终孔条件。每孔 3m 一提，如遇裂缝倾向发生变 化或者单孔裂缝泯灭则换位。
摘 要 本文以鲍店 5305 工作面为例，对其地表裂缝的发育深度进行了实测与理论研 究，并对实测与理论计算结果进行比较分析。研究结果表明：裂缝沿竖直方向的发育深度是 有限的，存在裂缝发育的极限深度。在兖州矿区泗河下厚煤层开采的条件下，通过建立裂缝 发育深度预测模型预测的结果与实测结果保持一致。
关键词 开采深陷；地表裂缝；发育深度 中图分类号：TD325+.2 文献标志码：A 文章编号：1009- 0797（2011）06- 0039- 03
粘土
<2
18.1 13.7
57
10.1 5.54 0.38
（1）利用方法一中的理论计算公式得到兖州矿 区 5305 工作面的裂缝发育极限深度为 3.53m。
（2）根据方法二中求极限裂缝的公式得 h=3.85m。 二种方法计算的裂缝发育深度与实测裂缝深
度基本一致。
5 结论
（1）地 表 裂 缝 随 地 表 的 起 伏 而 变 化 ，但 都 从 地 表开始向下发育，不会从某一深处开始产生。
1 引言
煤炭开采在给人们带来巨大经济效益的同时， 也带来了不小的负面影响。地下煤炭开采引起地表 沉 陷 ，随 着 沉 陷 的 发 展 ，地 表 土 层 各 点 的 受 力 状 态 发生相应的变化，土层的原始平衡状态被破坏[1]。由 于地表各点的不均匀沉降和水平移动，在沉陷盆地 内的部分区域将产生裂缝。地表裂缝影响农作物的 生 长 ，降 低 河 堤 防 洪 能 力 ，是 土 地 生 产 能 力 下 降 和 山区滑坡产生的主要原因之一，也是影响地表水工 建筑安全的关键因素之一。因此，地表裂缝发育深 度的研究对于沉陷治理具有十分重要的现实意义。 本文以鲍店 5305 工作面地表裂缝为例，对其发育 深度进行了实测与理论研究，并对实测与理论计算 结果进行比较分析。
（4）
近似使 σ1=σx,σ3=σz=0，代入土的极限平衡
条件式（莫尔 - 库仑破坏准则），
σ1=σ3tan（2 45+
φ 2
）+2c·tan（45·+
φ 2
）
（5）
从中解出
εσ=
2 E
（1-
μ2）·c·tan（45·+
φ 2
）
（6）
式中 c—粘聚力；
φ—内摩擦角。
再通过实测获得地表裂缝临界水平变形值后
1 提高浮选精煤产率
选煤的目的是为了提取精煤去除杂质、优质利 用资源，所以首先要保证精煤产量。提高精煤产率 有两种思想:一是把煤泥中的精煤全部浮选出来，避 免遗失在尾煤中；二是对中煤单独处理的方法，把 煤泥中矸石和煤的连生体进一步粉碎，使矸石和煤 充分解离，新生出一部分精煤浮选出来。 1.1 为保证最大回收精煤，最重要的一点就是避免 “跑粗”
图 1 提高精煤产量的途径
1.2 煤中杂质矿物的嵌布粒度有时很细，需经进一 步磨细方可解离杂质
当煤泥中含有较多矸石和精煤的连生体时，可 以首先采用常规的浮选分选出灰分较低的精煤和
（3）裂缝沿竖直方向的发育是有限的，因此，存 在裂缝发育的极限深度。在兖州矿区泗河下厚煤层 开采这种开采条件下，最深裂缝不超过 4m，并建立 了裂缝发育深度预测模型，模型的预测结果与实测 结果保持一致。
3 人工开挖观测
为了判别裂缝在深度上的发育，对裂缝采取了 人工方式进行开挖，开挖点位与钻孔开挖法开挖点 位相同。
4 实测与理论计算比较分析
4.1 开采引起的地表裂缝发育深度预计模型 4.1.1 方法一
（1）表土层相同或相近时裂缝发育深度的计算 公式
为了建立实用的裂缝发育深度的预计模型，选
煤矿现代化
令 εσ=- rh(即仅考虑土层自重，不考虑由于开
采引起的附加压应力)，εx=εσ, εx=εz 代入上式
后经简化后得:
h= 1 ·E·εσ γ 1+μ
（3）
式中 γ 为土的干容重；h 为地表裂缝发育的极
限深度。
（2）地表裂缝临界水平变形值的求取
在地表面上，令 σz=0 得:
σx=
Eεσ 1- μ2
求取后求取裂缝发育最大深度的公式，得到计算法
求取裂缝发育最大深度的公式为[3]:
h=
2 γ
（1-
μ）·c·tan（45°+
φ 2
）
（7）
将公式（7）代入公式（3）得到，计算法求取的裂
缝发育最大深度的理论公式为:
h=（2/r）·（1- μ）·C·tan（45°+0.5φ） （8）
4.1.2 方法二
土体产生流动变形的速度，即拉张裂缝发育的
极限深度。拉伸裂缝是由表面逐渐向深部发育，而
裂缝两壁的土体受力不断发生变化。根据土体中点
的 受 力 情 况 ，当 土 体 未 产 生 裂 缝 之 前 ，各 点 的 受 力
情 况 简 化 为 平 面 问 题 ，根 据 摩 尔 圆 等 定 理 ，拉 伸 裂
ห้องสมุดไป่ตู้缝极限深度 h 的计算公式为[4]：
h=
2C r
参考文献 [1] 何国清,杨伦,凌庚娣等. 矿山开采沉陷学[M ],中
国矿业大学出版社,1994 . [2] 徐芝纶. 弹性力学简明教程[M ].高等教育出版
·41·
社,1983. [3] 吴侃,李亮. 开采沉陷引起地表土体裂缝极限深
度探讨[J]. 煤炭科学技术, 2010,(06). [4] 袁亮,吴侃. 淮河堤下采煤的理论研究与技术实
图 4 裂缝发育深度和土层结构
从 图 中 可 知 ：裂 缝 的 形 态 是 上 宽 下 窄 状（裂 缝
L20 在地下 1.5m 处变宽是因为与地面上另一条发
育至此位置的裂缝重合），裂缝发育深度是有限的。
其中发育最深的为 L31 裂缝，为 3.44m。
4.2.3 鲍店矿开采裂缝发育深度的理论计算
兖州矿区地表土的实测有关参数如表 2。
关键词 煤泥浮选；精煤产率；灰分；药剂消耗 中图分类号：TD923 文献标志码：A 文章编号：1009- 0797（2011）06- 0041- 03
煤炭在我国一次能源生产和消费中占比重很 大 ，近 年 来 ，重 介 质 主 选 工 艺 的 推 广 和 选 煤 自 动 化 的 应 用 ，我 国 原 煤 入 洗 量 在 逐 年 增 加 ，更 多 的 大 中 型选煤厂在全国建成。在采煤和选煤过程中，不可 避 免 地 会 造 成 煤 炭 的 粉 碎 ，产 生 大 量 煤 泥 ，在 重 力 场 分 选 中 ，煤 泥 很 难 能 得 到 有 效 分 选 ，而 浮 选 是 处 理 煤 泥 最 有 效 的 方 法 ，所 以 在 浮 选 过 程 中 ，进 行 提 高 精 煤 产 量 、降 低 精 煤 灰 分 、减 少 浮 选 药 剂 的 消 耗 的 研 究 ，对 选 煤 厂 节 约 成 本 ，提 高 经 济 效 益 有 重 要 的意义。本文结合现今实际较为成熟的技术水平， 对煤泥高效浮选进行了探讨。
DOI:10.13606/ki.37-1205/td.2011.06.022
煤矿现代化
2011 年第 6 期