黃土丘陵區(qū)房柱式開采地表塌陷特征及機理分析
——以陜北府谷縣新民鎮(zhèn)小煤礦為例

蔡懷恩,侯恩科,張強驊,賈睿濤,門清波

(1.機械工業(yè)勘察設計研究院,西安 710043;2.西安科技大學地質與環(huán)境學院,西安 710054; 3.青海煤炭地質局,西寧 810001)

黃土丘陵區(qū)房柱式開采地表塌陷特征及機理分析
——以陜北府谷縣新民鎮(zhèn)小煤礦為例

蔡懷恩1,侯恩科2,張強驊3,賈睿濤2,門清波1

(1.機械工業(yè)勘察設計研究院,西安 710043;2.西安科技大學地質與環(huán)境學院,西安 710054; 3.青海煤炭地質局,西寧 810001)

通過對陜北府谷縣新民鎮(zhèn)小煤礦采煤地表大面積塌陷的調查和分析,總結出黃土丘陵區(qū)房柱式開采地表的塌陷特征,并以西岔溝煤礦房柱式開采為例,對其兩種參數(shù)頂板巖梁應力、煤柱載荷、煤柱強度進行分析及對比,結果表明合理設計煤柱和煤房尺寸可以防止采煤地表大面積塌陷。

黃土丘陵;房柱式;塌陷;機理

房柱式開采是陜北小煤礦普遍采用的一種開采方法,其本質是留設煤柱維護開采空間。合理的煤柱尺寸是提高房柱式開采資源回采率、保持煤柱的穩(wěn)定性和控制地表沉陷的關鍵。府谷縣新民鎮(zhèn)地處黃土高原北部,毛烏素沙漠南緣,黃土層覆蓋厚,基巖薄,在地貌類型上屬于黃土丘陵地貌。因黃土丘陵區(qū)地形地貌及黃土物理力學性質的特殊性(垂直節(jié)理發(fā)育、抗拉強度低、大孔隙、濕陷性),地表塌陷也表現(xiàn)出特殊性,如發(fā)生不同程度的裂縫、崩塌、滑塌、滑坡等。煤柱失穩(wěn)和巖層垮落還會產(chǎn)生地震, 2004年10月14日和11月29日,府谷縣新民鎮(zhèn)守口墩高石崖聯(lián)辦煤礦和園則溝峰聯(lián)煤礦相繼發(fā)生了大面積的冒頂塌陷,陜西省數(shù)字化測震臺網(wǎng)相繼接收到了震級為4.2和3.4級的地震。本文根據(jù)野外塌陷調查和走訪以及理論計算,對黃土丘陵區(qū)房柱式開采地表大面積塌陷的特征和機理進行分析,為其安全開采提供指導。

1 新民鎮(zhèn)地質概況

區(qū)內溝谷縱橫,梁峁相間,梁峁之上多被黃土和活動沙丘所覆蓋,基巖僅出露于溝谷兩側?？傮w地勢是四周高,中央溝谷低,區(qū)內植被稀疏,農(nóng)牧業(yè)不發(fā)達,水土流失嚴重。該區(qū)處于鄂爾多斯臺向斜陜北斜坡之上,地層傾角平緩,構造簡單,無大的褶曲和斷層。地層從老到新依次為:三疊系上統(tǒng)永坪組,侏羅系下統(tǒng)富縣組,侏羅系中下統(tǒng)延安組,新近系上新統(tǒng)三趾馬紅土,第四系離石組黃土。

區(qū)內含煤地層主要為侏羅系中下統(tǒng)延安組,含煤16層,主要開采3-1煤層。3-1煤層位于延安組第三段頂部,煤層層位穩(wěn)定,平均厚度6.0 m,不含夾矸,埋藏淺,一般為50～150 m,最厚處達183 m,深厚比≤30,煤層傾角∠1°。

2 地面塌陷特征

2.1 不同地貌類型的塌陷特征

(1)溝谷邊緣崩塌、滑塌及裂縫密集區(qū)

黃土垂直節(jié)理發(fā)育,在溝谷邊緣以及溝腦區(qū)域,陡坎高,高度大多數(shù)在3 m以上,崖頂?shù)匦纹鸱^小,崖頂邊緣以崩塌、滑塌和密集雜亂的倒臺階狀錯動坎為主,土體破碎嚴重。崩塌以及密集雜亂的倒臺階錯動坎的范圍與陡坎的高度及陡坎下部地形的坡度有關。地形坡度大、陡坎高,則形成崩塌和倒臺階狀的錯動坎范圍大、拉伸裂縫的寬度大、垂直方向延伸大。反之,所形成的崩塌和倒臺階錯動坎的范圍小、拉伸裂縫的寬度小、垂直方向延伸小。在溝谷邊緣,若存在結構面或軟弱面,易形成滑塌,這種結構面或軟弱面主要為黃土中的節(jié)理面或不整合面,如西岔溝煤礦與府谷鎮(zhèn)二礦的交接地帶發(fā)生的滑塌。

(2)溝谷邊緣較遠區(qū)域階梯狀裂縫區(qū)

溝谷邊緣較遠區(qū)域主要為溝谷邊緣向梁峁的過渡區(qū)域,地勢起伏較小,因受向溝谷方向移動分量的影響,地表主要出現(xiàn)階梯狀裂縫,裂縫的密度、寬度以及相互錯動的高度受地表的起伏以及采高、采深、基巖厚度、黃土層厚度等因素的影響。

(3)梁峁區(qū)域塌陷槽區(qū)

梁峁區(qū)域主要形成塌陷槽和兩側沒有錯動的裂縫,塌陷槽的長度一般較大,大多數(shù)貫通整個梁峁,寬度變化也很大,小的寬度不到1 m,大的可達幾十米。塌陷槽底部平坦,基本保持原有地形不變,塌陷槽兩幫的陷落一般較整齊,裂縫落差一般幾十厘米,最大可達1 m多。

(4)溝谷中特殊地貌滑坡區(qū)

滑坡是山體在重力作用下沿著一個面(帶)發(fā)生的緩慢或劇烈的位移現(xiàn)象,而滑坡發(fā)生的重要條件是具有一定的臨空面。田家琦[1]對陜西煤礦開采引起的6個典型滑坡進行分析后,把開采滑坡按地形分為3種,即:兩溝夾梁型、孤立土峁型、深切溝谷型。在調查中發(fā)現(xiàn),黃土丘陵中這3種類型的地形地貌在覆巖垮落時極易發(fā)生滑坡,如西岔溝煤礦塌陷區(qū)溝谷中發(fā)育有一處黃土崩滑,后緣臺階高4～5 m,寬度30～50 m,長約80～90 m,滑坡體為兩小溝夾梁型,滑坡前緣為深切的“V”型谷。

2.2 塌陷具有突發(fā)性

無論是大面積的煤柱失穩(wěn)、巖層垮落還是崩塌、滑坡及滑塌的發(fā)生,與走向長壁開采有很大的區(qū)別。走向長壁開采是隨著工作面的向前推進,地表逐漸下沉而產(chǎn)生裂縫等。房柱式開采若煤柱不失穩(wěn),則上覆巖層不垮落,地面也不會發(fā)生大的變形和對建筑物的影響。一旦煤柱失穩(wěn),上覆巖層垮落,地表塌陷則會在短時間內完成,如守口墩高石崖聯(lián)辦煤礦等。

2.3 塌陷前預兆明顯

采空塌陷前期,一般預兆十分明顯。府谷縣新民鎮(zhèn)園則溝峰聯(lián)煤礦在塌陷的前兩天,礦井下有如同放鞭炮一樣的聲響,之后的地面塌陷誘發(fā)了3.4級地震;2006年9月14日發(fā)生地面塌陷的西岔溝煤礦在塌陷前期,礦井下的巖石發(fā)生過崩崩的聲響。

2.4 塌陷破壞性大

采空上覆巖層未發(fā)生大面積垮落時,地表一般不會產(chǎn)生大的變形,一旦塌陷發(fā)生,將對塌陷區(qū)域的建筑物、土地和井下設施等造成嚴重破壞,嚴重者可能誘發(fā)地震。

2.5 塌陷范圍大

不同深度的黃土層壓實程度不同,移動角不同。當黃土層厚且處于山區(qū)丘陵地帶時,地表一般有較大的向溝谷地帶移動的分量。因此,采空地面塌陷范圍要比相同條件平原地帶的塌陷范圍大。

3 塌陷機理分析

府谷縣新民鎮(zhèn)西岔溝煤礦設計的煤房寬度6 m,煤柱寬度8 m,在實際的操作過程中使部分煤房寬度增至8 m,而煤柱留舍不足6 m,因此,本文以采6 m留8 m和采8 m留6 m兩種開采參數(shù)分別為方案Ⅰ和Ⅱ進行覆巖應力、煤柱強度和煤柱荷載理論計算及對比分析。

3.1 頂板巖梁應力分析

在煤層開掘形成煤房后,頂板巖層被煤房兩側的煤柱支撐,形成類似于“梁”的結構。根據(jù)煤房兩側煤柱對頂板巖梁的約束條件,頂板巖梁可視為“簡支梁”或“固定梁”[2]。本文根據(jù)實際情況,取單位寬度的固定梁進行計算分析,如圖1所示。

圖1 頂板巖梁的受力分析Fig.1 Themechanic analysis of roof rock beam

梁兩端的反力為:R1=R2=qL/2,最大剪切力發(fā)生在固定梁的兩端,Qmxa=qL/2,此時最大剪應力為:

最大彎矩發(fā)生在兩端,為Mmax=qL2/12,此處的最大拉應力為:

取L1=6 m,L2=8 m,q==20.57 kN/m3×132 m=2.7 M Pa,h=8 m。把參數(shù)代入公式得:

方案Ⅰ:tmax1=3qL1/4 h=3×2.7×6/(4×8) =1.5 M Pa

σmax1=/2 h2=2.7×62/(2×82) =0.8 M Pa

方案Ⅱ:tmax2=3qL2/4 h=3×2.7×8/(4×8) =2.0 M Pa

σmax2=/2 h2=2.7×82/(2×82) =1.4 M Pa

3.2 煤柱的載荷分析

對近水平煤層,煤柱所承受的荷載可按輔助面積法計算[3],如圖2所示。

式中,σa為煤柱承受的荷載,M Pa;Wp、Lp分別為煤柱寬度和長度,m;W0為煤房的寬度,m;σv為深度為H的地層處開挖前的原巖應力,2.7 M Pa;Δσ為支承壓力,M Pa,取Δσ=2σv=5.4 M Pa。

圖2 煤柱荷載計算示例Fig.2 Calculating examp le of coal pillar load

取W1p=8 m,W2p=6 m,L1p=8 m,L2p=6 m, W10=6 m,W20=8 m,計算得:

3.3 煤柱的強度分析

考慮幾何形狀對煤柱強度的影響,煤柱強度可按下列公式[4]進行計算。

式中,Wp為煤柱的最小橫向尺寸,m;h為煤柱的高度,取值與采高相同,6 m;σc為立方體試塊的單軸抗壓強度,M Pa;σp為煤柱強度,M Pa。

取W1p=8 m,W2p=6 m,σc=5 M Pa,h=8 m

3.4 兩種方案的計算結果對比及機理分析

根據(jù)該區(qū)域頂板巖層的力學試驗和分析,該煤層上覆頂板巖梁的抗拉強度為3.37 M Pa,抗剪強度為5.47 M Pa。從表1來看,方案Ⅰ和方案Ⅱ巖梁無論是拉應力還是剪應力都沒有達到其極限強度,說明兩種方案的頂板巖梁都是穩(wěn)定的。從煤柱的穩(wěn)定性來看,方案Ⅰ的安全系數(shù)(煤柱強度與煤柱荷載的比值)為1.2,方案Ⅱ安全系數(shù)為0.9,說明方案Ⅰ的煤柱是穩(wěn)定的,方案Ⅱ的煤柱趨于破壞。在實際開采中,因利益驅使,部分煤柱留舍寬度可能不足6 m,致使單個煤柱失穩(wěn)破壞,頂板巖梁的應力發(fā)生轉移,就會導致其他煤柱發(fā)生連鎖破壞。煤柱群的破壞使大面積的頂板懸空,使覆巖應力超過極限強度,在短時間內發(fā)生大面積頂板垮落。這種垮落與傳統(tǒng)的頂板大面積垮落不同,破壞性極大,短時間內可直達地表形成嚴重地面塌陷,甚至誘發(fā)地震。

表1 兩種方案計算結果Table 1 The resultsof two schemes

4 結論及建議

(1)黃土丘陵地面塌陷具有不同的地形地貌下塌陷形態(tài)不同、塌陷在過程上具有突發(fā)性、塌陷前期預兆明顯、塌陷范圍以及破壞性大等特征。

(2)煤房尺寸的增加、煤柱尺寸的減小可使頂板覆巖最大剪應力、最大拉應力和煤柱的荷載增大而煤柱的強度和安全系數(shù)降低。單個煤柱失穩(wěn)會導致煤柱群失穩(wěn)而使頂板大面積懸空進而發(fā)生破壞,形成嚴重的地面塌陷。因此,在開采過程中必須按照設計留設足夠尺寸的煤柱,以免發(fā)生大面積的頂板垮落和地面塌陷。

[1]田家琦,梁明.陜西開采滑坡的特點及其分析[J].陜西煤炭技術,1994,(1):29-35.

[2]錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2003.

[3]衛(wèi)建清.房柱式開采煤房與煤柱參數(shù)的合理確定[J].礦山壓力與頂板管理,2003,(1):106-108.

[4]蔣濟聯(lián).淺談近水平煤層房柱式開采煤柱留設尺寸的確定[J].煤礦安全,2005,36(5):27-29.

FEATURESAND M ECHANISM ANALYSISOF GROUND COLLAPSE CAUSED BY“PILLAR”M ETHOD M INING IN COAL M INES IN LOESS HILLY AREAS

CA IHuai-en1,HOU En-ke2,ZHANG Qiang-hua3,JIA Rui-tao2,M EN Qing-bo1
(1.China Jikan Geotechnical Institute,Xi'an 710043,China;2.Dep t.of Geological and Environmental Engineering Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China; 3.Qinghai Bureau Of Coal Geology,Xining 810001,China)

Based on investigation into and analysis of the large area ground collapse of small coal mines in Xinmin Tow n in Fugu County,no rth of Shanxi,and summarized the features of ground collapse caused by“Pillar”mining in loess hilly region, the paper took Xichagou coalmine as an examp le,by analyzing and contrasting the stressof roof rock beam,load and strength of pillar w ith its two parameters,and the results indicate a reasonable size of room and coal pillar can p revent a large-area ground collapse.

loess hilly region;room and pillar mining;ground collapse;mechanism

TD324;P642.26

:A

1006-4362(2010)02-0101-04

蔡懷恩(1981- )男,漢族,碩士,工程師,主要從事地質災害、礦山地質環(huán)境方面的工作。

2009-12-25改回日期:2010-04-02