地表切落式裂縫破壞及控制研究*

王創(chuàng)業(yè)，岳 明

(內蒙古科技大學礦業(yè)研究院, 內蒙古 包頭市 014010)

神東礦區(qū)在資源開發(fā)過程中出現(xiàn)了一些環(huán)境問題：地表沉陷破壞，地下水流失造成的植被破壞以及土地荒漠化。這些問題嚴重阻礙著礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。神東礦區(qū)具有煤層厚度大、埋藏淺、薄基巖、松散沙層厚等特點，開采沉陷損害具有一定的特殊性，關于此種條件下的開采損害問題研究具有重要意義。

1 礦區(qū)地質及開采損害概況

神東礦區(qū)煤層賦存穩(wěn)定，地質構造簡單，斷層發(fā)育較少。礦區(qū)干旱少雨，多風沙，地表植被稀疏。本文研究的12407工作面所在煤層為1-2煤，位于補連塔井田四盤區(qū)，走向長度2842 m，傾斜長度300 m，圈定回采面積為854076.59 m2。煤層傾角1°～3°，煤厚4.0 m，埋藏深度196.7 m。工作面采用走向長壁后退式布置，綜采一次采全高，全部垮落法處理采空區(qū)[1]。

12407工作面在回采過程中,地面出現(xiàn)了較多的裂縫和塌陷坑。隨著采空區(qū)的持續(xù)擴大，裂隙逐漸增多，塌陷范圍不斷擴大，塌陷坑呈橢圓形分布，最大下沉量為2585 mm，最大下沉系數(shù)0.55。

2 地表切落式裂縫破壞分析

2.1 關鍵層破斷失穩(wěn)分析

神東礦區(qū)煤層開采引發(fā)的地表裂縫破壞及塌陷坑，是由于覆巖中關鍵層出現(xiàn)失穩(wěn)，突然切落下陷造成的，關鍵層對這種地表損害起到控制作用。關鍵層理論的提出為礦山壓力與巖層移動和地表沉陷等領域的研究提供了相互聯(lián)系的紐帶[2]。

因此，研究關鍵層的破斷失穩(wěn)條件是解決神東礦區(qū)開采沉陷問題的關鍵技術手段，是研究巖層移動與地表沉陷相互耦合的重要前提，可以通過控制采高的方法保證關鍵層不發(fā)生或延緩發(fā)生破斷失穩(wěn)現(xiàn)象，進而減輕地表沉陷損害。

2.2 關鍵層結構穩(wěn)定分析

工作面頂板結構的滑落失穩(wěn)造成臺階下沉。因此，防止老頂關鍵塊滑落失穩(wěn)是保證關鍵層結構穩(wěn)定的重要條件，也是實現(xiàn)控制地表切落式裂縫破壞的關鍵因素。老頂關鍵塊不出現(xiàn)滑落失穩(wěn)的最大下沉量(Δ) 近似表示為[3]:

Δ=lzsinθ1

(1)

式中:lz—未考慮墊層作用的關鍵層周期破斷距,m；

θ1—老頂關鍵塊的初始回轉角,θ1<4°。

老頂關鍵塊允許的下沉量(w)為：

w=m-[mf+(kp-1)>∑h]

(2)

式中：m—開采高度,m；

mf—采空區(qū)有效充填厚度,m；

kp—直接頂碎脹系數(shù)；

∑h—直接頂厚度,m。

根據(jù)補連塔礦12407工作面實際工作條件計算，老頂關鍵塊不出現(xiàn)滑落失穩(wěn)的最大采高應不大于2.05 m，即m-mf≤2.05 m。

3 關鍵層結構穩(wěn)定條件的FLAC3D數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值計算模型建立

計算模型以補連塔礦12407工作面地質條件為標準進行構建。走向上，長度取100 m，同時兩邊各加300 m邊界影響區(qū)域共700 m；傾向上，長度取300 m，同時兩邊各加300 m邊界影響區(qū)域共900 m；傾角取0°，按水平煤層考慮；垂直方向上按各煤巖層實際厚度進行模擬。模型長×寬×高為0.7 km×0.9 km×0.2 km，共計126000個單元，134261個節(jié)點。三維模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值計算模型

采用Mohr-Coulomb塑性本構模型,對各巖層進行煤巖物理力學參數(shù)賦值。分別對采高2 m和4 m的模型，進行分步開挖。工作面每推進10 m進行一次運算,分10步開挖完畢。經計算得出，補連塔礦12407工作面頂板之上的關鍵層為厚度4.66 m的中粒砂巖,位于煤層上方16.08 m處，破斷的依據(jù)為拉破壞。

3.2 關鍵層結構穩(wěn)定條件的FLAC3D數(shù)值模擬分析

圖2 采高4 m時關鍵層初次破斷的應力分布

對圖2進行分析：采高4 m時，當工作面推進到60 m，采空區(qū)上方直接頂?shù)膽Ζ?0.5 MPa(正號表示受拉應力作用)，表明直接頂已經發(fā)生破壞；關鍵層中最大拉應力σ=1.2 MPa，表明關鍵層即將發(fā)生破斷，破斷距60 m。關鍵層破斷的應力分布(圖2)，證實了隨著工作面的推進，采空區(qū)上方頂板裂縫持續(xù)擴展，當關鍵層破斷時，裂縫貫通，出現(xiàn)大范圍冒落。

圖3 采高2 m時覆巖的應力分布

對圖3進行分析：采高2 m時，當工作面推進到60 m，采空區(qū)上方直接頂?shù)膽Ζ?0.5 MPa(正號表示受拉應力作用)，表明直接頂已發(fā)生破壞；然而關鍵層的應力σ=-0.5 MPa(負號表示受壓應力作用)，表明關鍵層并未失穩(wěn)，還具有承載能力。覆巖的應力分布(圖3)，證實了當采高減小時，直接頂冒落產生的破碎巖塊起到了充填作用，使關鍵層結構不會立刻發(fā)生失穩(wěn)，從而避免地表出現(xiàn)裂縫破壞。

模擬結果表明：由于拉破壞為關鍵層的破壞形式，故限高開采(分層開采)可以較好的控制關鍵層不發(fā)生結構失穩(wěn)，從而避免地表出現(xiàn)切落式裂縫破壞。

4 地表損害控制方法

神東礦區(qū)特殊地質條件下可以采取相應的控制措施以減輕地表損害程度[4-7]。

4.1 限高開采

神東礦區(qū)具有薄基巖，松散沙層厚的特點，而且一次采全高的采煤方法對地表損害較為嚴重。數(shù)值模擬結果表明：對于12407工作面，采高4 m時，當工作面推進到60 m，關鍵層出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，將要發(fā)生破斷；采高2 m時，當工作面推進到60 m，關鍵層仍沒有出現(xiàn)失穩(wěn)。因此，神東礦區(qū)實施分層開采能有效地控制地表切落式破壞。方案為：先開采第一分層，覆巖穩(wěn)定之后，開采第二分層，分層厚度為2 m。實踐結果表明：此種控制開采的方法能較好地減輕地表破壞。

4.2 覆巖離層帶注漿充填減沉方法

現(xiàn)如今，一些專家提出了一種新的沉陷控制方法，即覆巖離層帶注漿充填減沉措施。通過對采空區(qū)上覆巖層中形成的離層空間進行注漿充填，從而阻止地表切落下沉。由于離層注漿時對離層裂縫的發(fā)育情況難以掌握，而且注漿工藝復雜，故大面積煤層開采下實施的地表減沉技術還未應用于實踐。

4.3 二次條帶式開采沉陷控制方法

由于關鍵層破斷導致地表下沉量突然增大，故可將關鍵層不發(fā)生破斷失穩(wěn)作為開采沉陷控制的原則。

根據(jù)荷載置換原理，一些專家提出了條帶開采-注漿充填固結采空區(qū)-剩余條帶開采的三步法(二次條帶式)開采沉陷控制的新思路[8]。這種方法主要利用關鍵層進行覆巖控制，不干涉開采工作。根據(jù)關鍵層結構失穩(wěn)條件，從地表選擇適當?shù)奈恢勉@孔充填或在工作面推進過程中，運用局部條帶充填，以控制關鍵層，達到緩慢下沉的目的，從而避免地表切落裂縫的發(fā)生。

5 結 論

本文根據(jù)采動損害現(xiàn)狀，分析了開采過程中關鍵層的破斷規(guī)律及其特點，結合補連塔礦12407工作面具體實例，對關鍵層的結構穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬，確定了關鍵層的結構穩(wěn)定條件和沉陷控制方法：

(1) 限高分層開采；

(2) 覆巖離層帶注漿充填減沉方法；

(3)二次條帶式開采沉陷控制方法。

參考文獻：

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