黃土覆蓋下開采沉陷影響研究分析

張 磊，魯 杰

(1.山西大同大學(xué) 建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，山西 大同 037003；2.山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003)

我國(guó)作為世界人口最多，資源消耗量最大的國(guó)家，煤炭資源更是占總的資源消耗量的一半以上，因此煤炭資源在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家發(fā)展中有重要作用，而煤炭資源占比較大的地區(qū)就是北方黃土覆蓋地區(qū)。黃土覆蓋地區(qū)地形起伏比較大，節(jié)理發(fā)育不規(guī)則，在煤炭資源開采中往往會(huì)形成不同的災(zāi)害影響[1]。近些年來大規(guī)模煤炭資源的開采所引起的地表沉降對(duì)居民生活和生態(tài)嚴(yán)重破壞已逐步影響到了下一步的煤炭資源開采和國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展[2-3]，因此本文應(yīng)用相似模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，以山西省同煤集團(tuán)麻家梁煤礦井工開采對(duì)地表沉降為研究對(duì)象，綜合分析，所得結(jié)果可為今后的礦山實(shí)踐和安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 工程概況

麻家梁礦作為山西省同煤集團(tuán)最大的立井，也是同煤集團(tuán)11個(gè)千萬噸礦井之一，井田南北大概有12km之長(zhǎng)，東西約長(zhǎng)8km，井田總的面積約為104.16km2，礦井年產(chǎn)量設(shè)計(jì)為12Mt，最大服務(wù)年限約為85a。

麻家梁井田位于山西省朔州市南，距朔州市區(qū)約為10km，煤層主要為山西組和石炭系太原組，一共可采煤層有8層，其中主要可采煤層為4號(hào)、9號(hào)煤層，煤層平均厚度為6.32m和11.15m，煤種為中灰、低硫、低磷的動(dòng)力煤，煤層所含瓦斯比較少，十分便于開采。但是隨著煤層逐步向前開采，由于采空區(qū)覆巖的垮落逐步對(duì)地表形成影響使地表形成沉降，因此本文采用相似模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)4號(hào)煤層開采狀況下麻家梁煤礦黃土覆蓋區(qū)域的沉陷進(jìn)行研究。

2 數(shù)值模擬開采及結(jié)果分析

2.1 數(shù)值模擬模型的建立

通過大量實(shí)例論證和對(duì)麻家梁礦的現(xiàn)場(chǎng)勘察及表1的物理力學(xué)數(shù)據(jù)，確立模型長(zhǎng)、寬、高分別為460m，280m，216m。模型四周采用邊界約束條件，頂面采用自由邊界。模型每次開采長(zhǎng)度為20m，高為11m，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，在模型表面每隔20m處設(shè)置1個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共布置13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.2 井工開采及結(jié)果分析

根據(jù)對(duì)以往井工開采地表沉降研究成果的總結(jié)，本次實(shí)驗(yàn)需從模型后方向前50m處進(jìn)行開切眼布置，模型從后方開切眼處每次向前方掘進(jìn)20m，由圖1模型各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降曲線可以看出，在井工開采初期布置于模型表面的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)不受來自開采的影響，地表沒有發(fā)生沉降。但隨著井采擾動(dòng)強(qiáng)度的持續(xù)加大，當(dāng)采掘工作面推進(jìn)到60m時(shí)，位于采空區(qū)正上方的地表逐步受到來自采空區(qū)垮落的影響，監(jiān)測(cè)點(diǎn)逐步發(fā)生沉降變化，但沉降值微??；當(dāng)井采工作面繼續(xù)向前，采空區(qū)覆巖垮落范圍不斷加大，其地表沉降呈線性增大趨勢(shì)，其位于采空區(qū)中心區(qū)域的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化更加明顯，兩邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化則比較緩慢；當(dāng)井采工作面推進(jìn)到380m時(shí)，其地表沉降在采空區(qū)上覆巖層的破壞下沉降基本已經(jīng)達(dá)到最大限度，地表最大沉降值為12.5m左右，且其沉降向四周發(fā)展，逐步形成盆地形狀。

表1 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

注：每1000步為井工開采20m圖1 模型各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降曲線

3 相似模擬實(shí)驗(yàn)布置、開采及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)布置

根據(jù)對(duì)麻家梁礦所取巖樣的分析和總結(jié)，得出表2的巖層力學(xué)參數(shù)和相似模擬配比數(shù)據(jù)。

表2 煤層巖石材料配比

由表2可知，本次實(shí)驗(yàn)所需的材料有河沙、石膏、碳酸鈣、云母粉及硼砂。而作為本次實(shí)驗(yàn)骨料的是河沙，膠結(jié)材料為石膏、蛋白粉，在實(shí)驗(yàn)中云母粉起分層作用，硼砂起緩凝作用。待所有材料準(zhǔn)備好之后，按表2配比數(shù)據(jù)稱重，用攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌后，進(jìn)行人工鋪裝，然后用鐵板均勻進(jìn)行壓實(shí),以此反復(fù)直到模型全部鋪裝完成為止。待模型鋪裝完成后，等待5d左右使模型粘結(jié)更加充分，達(dá)到相似模擬實(shí)驗(yàn)所要求的預(yù)計(jì)強(qiáng)度后，用千斤頂進(jìn)行加壓，使其壓力與礦山巖層重力達(dá)到相似。

根據(jù)相似模擬第三定律可以確定本次相似模擬實(shí)驗(yàn)所要確定的相似常數(shù)為200，因位移常數(shù)和相似常數(shù)是一致的，因此本文所要確定的位移相似常數(shù)也為200，而重度相似常數(shù)則為1.5。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室已有的條件和礦山已有的開采狀況確定本文所采用的相似模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，長(zhǎng)1.86m(372m)、寬為0.2m(40m)、高為2.1m(420m)。模型鋪裝結(jié)束后高為1.84m(368m)。模型沉降采用電子經(jīng)緯儀和所標(biāo)定的可視物方塊監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其可視物監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。本次實(shí)驗(yàn)選取第1排白色監(jiān)測(cè)點(diǎn)和第4排白色監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)各覆巖移動(dòng)進(jìn)行分析，從右向左從下到上依次為1-3，1-4，……，1-11，4-6，……4-9。

圖2 模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3.2 模型開采及結(jié)果分析

3.2.1 煤層開采準(zhǔn)備及開采過程

通過對(duì)以往的相似模擬總結(jié)可以得出，在模型開挖前，為了消除模型開挖所引起的邊界效應(yīng)，都會(huì)在模型開挖處留有一定數(shù)值的長(zhǎng)度的邊界煤柱，以保證模型開采的順利完成，由此本次相似模擬實(shí)驗(yàn)在模型架右側(cè)邊界300mm(60m)處進(jìn)行開切眼，每次模型開采長(zhǎng)度為40mm(8m)，采掘高度為煤層厚度。

隨著模型開挖的進(jìn)行，當(dāng)井采工作面推進(jìn)至200mm(40m)時(shí)，煤層上方直接頂逐步出現(xiàn)微小離層裂隙；當(dāng)井采工作面開采至280mm(56m)時(shí)，煤層上方直接發(fā)生初次垮落現(xiàn)象，垮落高度為16mm(3.2m)左右，采掘工作面發(fā)生初次來壓，來壓步距280mm(56m)，垮落區(qū)上邊緣垮落長(zhǎng)度為210mm(42m)，如圖3所示；隨著采掘工作面向前推進(jìn)擾動(dòng)強(qiáng)度的不斷加大，采空區(qū)上方的覆巖離層發(fā)育現(xiàn)象越發(fā)明顯，當(dāng)井采工作面掘進(jìn)到360mm(72m)時(shí)，直接頂發(fā)生第二次來壓，來壓高度27mm(5.4m)，來壓長(zhǎng)度為280mm(56m),形成基礎(chǔ)垮落角，垮落角分別為左54°，右56°；隨著采掘工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，由于覆巖重力和開采擾動(dòng)破壞了巖層原有的穩(wěn)定和其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此開采來壓對(duì)覆巖的破壞和擾動(dòng)強(qiáng)度越大，其來壓現(xiàn)象會(huì)越加明顯，當(dāng)采掘工作面推進(jìn)到440mm(88m)時(shí)，直接頂發(fā)生第3次垮落，垮落高度21mm(4.2m)，垮距360mm(72m)；隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，在采掘推力和覆巖自身重力下，采空區(qū)從開采開始到采掘終止一共發(fā)生9次來壓現(xiàn)象，其平均來壓步距為131mm(26.2m)，直到工作面推進(jìn)到1480mm(296m)時(shí)，開采擾動(dòng)使覆巖垮落逐步影響到黃土覆蓋地表，并且地表沉降區(qū)域逐步向盆地形狀發(fā)生，為了不影響下部煤層開采，因此開采終止，如圖4所示。

圖3 初次來壓

圖4 充分采動(dòng)

3.2.2 結(jié)果分析

由圖5、圖6可以看出，在井采工作面開采初期，由于受到來自水平推力和開采擾動(dòng)較小，其地表基本不發(fā)生沉降變化，但是隨著井采工作面持續(xù)向前推進(jìn)，當(dāng)工作面推進(jìn)到240mm(48m)時(shí)，其位于采掘工作面正上方的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)逐步發(fā)生變化，雖然變化幅度不是很大，但是其變化也可以說明井采擾動(dòng)是對(duì)地表沉降有影響。隨著采掘工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，當(dāng)工作面推進(jìn)到880mm(176m)時(shí)，由圖5(b)可以看出，井采擾動(dòng)已經(jīng)影響到模型前方的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)變化呈線性變化，這就可以說明，當(dāng)開采擾動(dòng)達(dá)到一定強(qiáng)度后，地表受重力和推力作用下，其沉降變化非常大。當(dāng)工作面推進(jìn)到1240mm(248m)時(shí)，采空區(qū)沉降變化對(duì)地表影響已經(jīng)非常大了，但是還沒有使地表完全發(fā)生大規(guī)模和大范圍的沉陷，隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，位于第4排監(jiān)測(cè)點(diǎn)的黃土層沉降變形基本保持和基巖同步移動(dòng)趨勢(shì)，基巖的斷裂沉陷直接對(duì)黃土覆蓋的地表形成結(jié)構(gòu)性的破壞，使黃土覆蓋區(qū)域逐步發(fā)生沉降，直到工作面開采至1480mm(296m)時(shí)，黃土覆蓋的地表最大沉降值為36.48mm(7.296m)，已經(jīng)達(dá)到沉陷的最大范圍，因此開采終止。

圖5 第1排垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線

圖6 第4排垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線

4 結(jié) 論

(1)采用數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)進(jìn)行黃土覆蓋區(qū)域的開采沉陷研究中，由于煤層開采時(shí)受開采推力和上覆巖層自重的影響，位于采空區(qū)上部的覆巖會(huì)不斷發(fā)生向采空區(qū)方向的垮落，在覆巖垮落達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)逐步使地表發(fā)生沉降，且沉降是隨采掘長(zhǎng)度不斷增加而不斷加大。

(2)采用相似模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)黃土覆蓋區(qū)域的開采沉陷研究中，在工作面向前推進(jìn)下，位于采空區(qū)上方的頂板發(fā)生初次垮落，長(zhǎng)度為280mm(56m)，來壓長(zhǎng)度210mm(42m)，垮落高度16mm(3.2m)，即初次來壓。

(3)相似模擬實(shí)驗(yàn)中，在水平推力和開采擾動(dòng)的影響下，黃土覆蓋地表沉降和數(shù)值模擬基本相似，當(dāng)開采終止后，最大沉降值為36.48mm(7.296m)，共發(fā)生9次來壓，其平均來壓步距為131mm(26.2m)。