基于虎龍溝礦開(kāi)采沉陷的相似模擬研究

楊曉磊

（同煤集團(tuán)挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000）

山西煤炭資源儲(chǔ)量是全國(guó)最大的，但是作為煤炭之都的山西其地表被黃土覆蓋，相對(duì)于其他地區(qū)而言，黃土覆蓋地區(qū)地表地形發(fā)育極其不規(guī)則，地形起伏比較大，節(jié)理發(fā)育不完整[1-3]。由于地形、地表發(fā)育不完整，可能造成煤炭資源開(kāi)采的不安全性和地表大面積的沉降，從而對(duì)安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響[4-5]，因此本文采用相似模擬試驗(yàn)對(duì)同煤集團(tuán)虎龍溝煤礦在井采條件下地表沉陷進(jìn)行研究。

1 工程概況

挖金灣虎龍溝煤礦隸屬于山西省大同煤礦集團(tuán)挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司，前身是懷仁縣虎龍溝聯(lián)營(yíng)煤礦，2010年實(shí)現(xiàn)了資源整合。該礦位于大同市西南約37km，朔州市懷仁縣鵝毛口鎮(zhèn)西約1.2km處，距大秦鐵路線配套工程-南窯集運(yùn)站11km，其間均有公路相通，交通條件十分便利，管轄地區(qū)為朔州市懷仁縣鵝毛口鎮(zhèn)。礦井位于大同煤田西南，南為柴溝煤礦，東與塔山井田相鄰。井田面積12.21km2，可采煤層為石炭系5#、8#煤層，目前正在開(kāi)采5#煤層。礦井保有儲(chǔ)量16608萬(wàn)t，可采儲(chǔ)量為9345.5萬(wàn)t，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為120萬(wàn)t/a，服務(wù)年限55年。礦井現(xiàn)在基本實(shí)現(xiàn)了完全的機(jī)械化程度。

2 試驗(yàn)布置及地表沉陷結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)布置

通過(guò)對(duì)虎龍溝煤礦鉆探取樣、三軸壓縮試驗(yàn)及相似模擬研究理論得出了表1煤巖層的材料配比系數(shù)表。在相似模擬試驗(yàn)中對(duì)于用料情況，不僅要考慮價(jià)格及經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，也要考慮取材方便與否的問(wèn)題。因此，根據(jù)上述結(jié)論可以確定此次相似模擬試驗(yàn)所用材料有細(xì)河沙、大白粉、碳酸鈣及片狀的云母粉。待所有材料準(zhǔn)備齊全后，用稱量設(shè)備對(duì)所要用的材料都進(jìn)行稱量準(zhǔn)備，其次對(duì)混合攪拌過(guò)后的材料進(jìn)行分層鋪裝，每鋪裝一層進(jìn)行壓實(shí),直到模型全部鋪裝完成。

通過(guò)相似模擬定律及實(shí)驗(yàn)室基本條件，確定此次相似模擬的相似常數(shù)為200，位移相似常數(shù)也為200，重度常數(shù)則為1.5。相似模擬試驗(yàn)臺(tái)長(zhǎng)、寬、高分別為1.8m、0.2m、2m。對(duì)模型的開(kāi)采沉陷研究是通過(guò)模型煤層的開(kāi)挖，在煤層開(kāi)挖過(guò)程中模型發(fā)生變形破壞，再通過(guò)模電子經(jīng)緯儀對(duì)設(shè)定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而得到開(kāi)采沉陷數(shù)據(jù)，再對(duì)開(kāi)采沉陷數(shù)據(jù)進(jìn)行整理得到開(kāi)采沉陷數(shù)據(jù)圖。模型各監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，本次試驗(yàn)特選取第一和第四排監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)地表沉陷進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)點(diǎn)從右向左從下到上布置情況依次為1-3、1-4……1-11、4-6……4-9。

圖1 模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2 模型開(kāi)挖及地表沉陷結(jié)果分析

2.2.1 模型開(kāi)挖

在相似模擬中為了消除模型煤層開(kāi)挖所引起的邊界效應(yīng)，在煤層開(kāi)挖處要留有足夠長(zhǎng)度的邊界煤柱，確保模型開(kāi)挖過(guò)程中模型的整體安全性，因此通過(guò)實(shí)驗(yàn)室條件和模型基本情況確定本次所留邊界煤柱為模型右側(cè)30cm的邊界煤柱，也就是從模型右側(cè)30cm處進(jìn)行開(kāi)切眼，煤層每次向左推進(jìn)5cm。

在模型邊界開(kāi)切眼處對(duì)模型煤層進(jìn)行開(kāi)挖。在煤層開(kāi)挖初期，采空區(qū)上方的覆巖沒(méi)有明顯破壞變化狀況。隨著煤層逐步向左推進(jìn)，采空區(qū)上方的覆巖逐步出現(xiàn)離層破壞狀況，直到煤層向左推進(jìn)至20cm時(shí)，采空區(qū)上方的直接頂板出現(xiàn)離層破壞狀況。當(dāng)煤層向左推進(jìn)到28cm時(shí)，采空區(qū)上方的覆巖發(fā)生離層破裂垮落現(xiàn)象及第一次來(lái)壓現(xiàn)象，來(lái)壓長(zhǎng)度20cm，覆巖垮落高度為1.6cm左右，采空區(qū)上方覆巖第一次來(lái)壓步距為28cm（圖2所示）。隨著煤層開(kāi)挖長(zhǎng)度的繼續(xù)增大，采空區(qū)的裸露范圍也會(huì)持續(xù)加大，開(kāi)采擾動(dòng)強(qiáng)度也會(huì)加大，從而使得采空區(qū)上方的覆巖破壞更加劇烈。當(dāng)煤層向左開(kāi)挖到36cm時(shí)，覆巖發(fā)生第二次垮落現(xiàn)象，破壞垮落強(qiáng)度明顯比第一次來(lái)壓強(qiáng)度要大。煤層繼續(xù)向左開(kāi)挖，受開(kāi)采擾動(dòng)影響，采空區(qū)上方的覆巖內(nèi)部平衡應(yīng)力發(fā)生變化，從而導(dǎo)致巖體發(fā)生破壞，加速向下沉降。當(dāng)煤層繼續(xù)向前開(kāi)挖至44cm時(shí)，采空區(qū)上方覆巖發(fā)生了第三次來(lái)壓垮落現(xiàn)象，垮落長(zhǎng)度和高度分別為35cm、2cm。當(dāng)煤層開(kāi)挖至模型左邊邊界煤柱時(shí)，共發(fā)生9次來(lái)壓現(xiàn)象，平均來(lái)壓長(zhǎng)度為13cm。

圖2 初次來(lái)壓

2.2.2 結(jié)果分析

圖3 第1排垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線圖

圖4 第4排垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線圖

通過(guò)上圖3、4數(shù)據(jù)圖可以看出，在煤層開(kāi)挖初期，模型上方的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本不發(fā)生沉降變化，但隨著煤層開(kāi)挖長(zhǎng)度和擾動(dòng)強(qiáng)度的加大，當(dāng)煤層開(kāi)挖到24cm時(shí)，位于采空區(qū)上方的第1排監(jiān)測(cè)點(diǎn)逐步發(fā)生向下的沉降變化，沉降變化隨煤層開(kāi)挖長(zhǎng)度的加大沉降加大。當(dāng)采空區(qū)上方的覆巖發(fā)生破裂垮落現(xiàn)象時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)變化會(huì)更加明顯。在上方的第4排監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本在煤層開(kāi)挖初期不受影響，因?yàn)樯喜扛矌r在開(kāi)采擾動(dòng)下內(nèi)部應(yīng)力基本沒(méi)有發(fā)生大的變化，所以不發(fā)生沉降變化。在煤層持續(xù)向左開(kāi)挖88cm時(shí)，由上圖3（b）可以看出，在煤層開(kāi)挖強(qiáng)度和采空區(qū)裸露范圍加大的情況下，煤層前方的監(jiān)測(cè)點(diǎn)也逐步受到影響，發(fā)生沉降變化，且沉降隨開(kāi)挖長(zhǎng)度的加大呈直線上升。由此可以看出，模型各部位的沉降變化是受煤層開(kāi)挖長(zhǎng)度和擾動(dòng)強(qiáng)度的影響的，而且煤層開(kāi)挖長(zhǎng)度越大，擾動(dòng)是越劇烈的，破壞狀況也是更加明顯的。隨著煤層繼續(xù)向左開(kāi)挖至124cm時(shí)，由圖4數(shù)據(jù)表可以看出，煤層開(kāi)挖長(zhǎng)度對(duì)模型地表沉陷的影響已經(jīng)非常明顯了，但還沒(méi)有發(fā)生完全的沉降現(xiàn)象。隨著煤層繼續(xù)向左邊安全煤柱推進(jìn)，圖4的第4排監(jiān)測(cè)點(diǎn)在關(guān)鍵覆巖的斷裂下引動(dòng)地表黃土層發(fā)生結(jié)構(gòu)性的破壞，從而致使地表發(fā)生沉降變化。當(dāng)煤層開(kāi)挖到148cm開(kāi)采終止時(shí)，地表黃土層最大沉降值為3.6cm。

3 結(jié)論

（1）在煤層開(kāi)挖至28cm時(shí)，采空區(qū)上方的覆巖發(fā)生離層破裂垮落現(xiàn)象及第一次來(lái)壓現(xiàn)象，來(lái)壓長(zhǎng)度20cm，覆巖垮落高度為1.6cm左右，采空區(qū)上方覆巖第一次來(lái)壓步距為28cm。

（2）當(dāng)煤層開(kāi)挖至模型左邊邊界煤柱148cm時(shí)，采掘工作面共發(fā)生9次來(lái)壓現(xiàn)象，平均來(lái)壓長(zhǎng)度為13cm。

（3）隨著煤層開(kāi)挖長(zhǎng)度的增加，關(guān)鍵覆巖的斷裂引起地表黃土層發(fā)生結(jié)構(gòu)性的破壞，從而致使地表發(fā)生沉降變化。當(dāng)煤層開(kāi)挖到148cm開(kāi)采終止時(shí)，地表黃土層最大沉降值為3.6cm。