礦井采空區(qū)地表塌陷的機理探究

王競爭

（神東地測公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

當下，國內大部分地區(qū)應用整體垮落法處理地下礦井的采空區(qū)，由于處理方法欠缺規(guī)范性，故而很可能引起采空區(qū)出現(xiàn)塌陷，形成了地表塌陷區(qū)，對本地居民日常生活活動形成較明顯影響，也干擾交通、工業(yè)生產等有序運作過程。文章結合礦井每層的現(xiàn)實賦存情況，通過數(shù)據(jù)模擬研究作業(yè)面開采以后圍巖結構的移位、形變情況，以此為基礎，探究采空區(qū)地表塌陷形成機理。

1 構建數(shù)值模擬模型

針對本次研究中涉及到的礦區(qū)沉降變動特征，可以采用圖1表示[1]。圖內I-I～IV-IV被細化為4個剖面，經勘測發(fā)現(xiàn)II-II剖面的沉降量量最大值為5.1m，塌陷范疇為170.1m?；谝陨咸卣?，本次研究擬定選用II-II剖面為目標對象，構建數(shù)值測算模型。

圖1 礦區(qū)沉降變化特征圖示

解讀基坑的現(xiàn)實開采現(xiàn)狀，擬定規(guī)劃出三個水平面完成挖掘任務，第一、二、三水平挖掘到高程依次為959m、821m、599m。數(shù)值模型規(guī)格大小為2350mm×820mm，兩端均有水平管束條件，下表層在橫向和縱向兩個方向均施加管束條件，上表面是自由面，選用庫倫摩爾作為試驗研究中的構方程，在以上諸多條件的協(xié)助下，便能較順利的獲得數(shù)值模型。

2 解讀數(shù)值模擬結果

（1）水平應力場。對三個水平上開采挖掘后形成的圍巖水平應力分布特點加以分析，我們觀察到當?shù)谝凰介_采結束后，開采區(qū)上方部分位置及下方實體煤區(qū)形成了應力匯聚的情況，上、下層煤圍巖應力集中水平存在差異，發(fā)現(xiàn)本水平上經開采以后頂板構件所承載的水平應力有增加趨勢，水平應力分布特征同第一水平，但是在該水平層上采動行為對地表受力特點形成的擾動程度嚴重化，這預示著地表承載的水平應力有很大增幅。

圖2 采場圍巖垂直應力分布特征圖

（2）垂直應力場。圖2是為水平存在差異的巖層經開采處理后圍巖在垂直方向的應力分布特征圖。對圖2樣態(tài)進行分析后，發(fā)現(xiàn)首個水平開采活動終止后，采空區(qū)下側方煤柱有應力集中化表象，最大值為6.1MPa，在采動卸壓作用下頂板巖層應力有一定跌落，拉應力是上半段頂板應力的典型表現(xiàn)，因為該層煤和地表間距較小，故而可以推測出其對部分區(qū)段地表巖層的受力狀態(tài)形成較明顯的影響，拉應力為采空區(qū)地表局部范疇中主要的受力形式，很可能產出“漏斗樣”的塌陷坑。第二水平開采作業(yè)完成后，一、二層煤下側煤柱各自承載的集中應力是23.1MPa、27.9MPa，在首個層煤采場區(qū)上部頂巖層中產出了拉應力區(qū)，并且因采空區(qū)段范疇偏大，故而誘導了首個層煤采場底板巖層中拉應力區(qū)的行程過程，這在很大程度上削弱了巖體的安穩(wěn)性。

（3）剪應力場。水平開采完成后，采場區(qū)下側方煤柱所承載的剪應力形態(tài)和“馬鞍狀”高度相似，該水平上頂、地板承載的剪應力均有持續(xù)增長趨勢；第三水平開采結束后，煤柱所承受的剪應力形態(tài)類似“X”樣，上部區(qū)巖層被較大剪應力作用，增加了覆巖斷裂、失穩(wěn)情況發(fā)生的風險。

由采動誘發(fā)的水平應力與剪應力整體作用下，采場區(qū)各巖層層面結構被拉斷的概率明顯增加，當確定采場區(qū)基本頂板承載的受應力為拉應力時，其對應的上方地表處很容易形成“漏斗樣”塌陷坑。

3 采空區(qū)地表塌陷形成的影響因素

既往有諸多研究資料記載，采空區(qū)地表沉陷特征和采空區(qū)規(guī)格、煤層開采厚度、開采作業(yè)深度、重復性采動、地形地貌、松散層厚度和分布、松散層構成及井田地質構造等諸多因素存在相關性。

（1）煤層厚度與開采深度。煤層開采厚度（h）、采空區(qū)在垂直方向和地表的間距即垂直深度（H）是對地表塌陷起決定性作用的兩個主要參數(shù)，通常使用深厚比（H/h）做出權衡。煤層開采越淺顯或者采空區(qū)厚度指標越大，地表塌陷事件發(fā)生率就越高。結合某礦區(qū)調研和工程勘測材料發(fā)現(xiàn)多數(shù)采空區(qū)的H/h＜30，這提示地表通常不會產出“三帶”型沉陷情況，只有發(fā)育冒落帶、裂隙帶會出現(xiàn)沉陷。

（2）地形地勢。地形地勢對采空區(qū)地表塌陷形成的影響多體現(xiàn)在陡坡地帶常發(fā)育地裂縫，陡坡的延伸方向對裂隙范圍拓展過程起到主要的調控作用，于地形平緩位置經常會產出塌陷盆地。地表坡度越大，不均勻地表塌陷發(fā)生率就越低。

4 分析采空區(qū)地表塌陷形成的機理

為更好的開展地表塌陷機制的分析工作，筆者擬定在數(shù)據(jù)模擬研究的基礎上，基于格里菲斯強度理論，更為全面的解讀巖體不同單元的受力狀況。

已知巖石隸屬于脆性材料，純天然巖體內部形成數(shù)目較多的裂隙，可以將其看成是橢圓結構，在外力作用下，一旦裂隙頂端承載的應力抵達裂隙拓展的極限強度時，裂隙范圍有拓展的表征。裂隙頂部斷裂時，所承載的拉應力最大值可采用（1）式計算：

[式中：E-巖體自身的楊氏模量，ρ-裂隙對應的比表面積，c-橢圓長軸的50%]

把巖體內部形成的裂隙狀態(tài)看成等效橢圓，而后以彈性力學理論為基礎，獲得判斷格里菲斯強度的憑據(jù)，即為（2）式：

針對以隨機形式排布于巖體內部的裂隙，我們將在客觀因素的作用下，最易出現(xiàn)斷裂的方向叫做裂隙方位角，可以采用公式（3）測算出具體值：

整體分析①～③式，能夠做出如下判斷：當巖體承受的主應力存在差異時，那么引起巖體出現(xiàn)斷裂情況的作用條件也有別。

分析發(fā)現(xiàn)當符合σ1+3σ3＜0關系式時，強度判斷憑據(jù)體現(xiàn)為和σ1軸成角為180°的直線，即EF直線；當符合σ1+3σ3＞0關系式時，判別依據(jù)呈現(xiàn)為一次與二次曲線。鑒于以上情況，針對以上數(shù)據(jù)擬化獲得的采空區(qū)圍巖不同方位的受力狀態(tài)做出判斷，繼而解讀其安穩(wěn)性特征。本文如下把第一水平的開采作業(yè)為實例，探究采空區(qū)頂巖層上、下端的受力狀態(tài)，結果見表1。

表1 采空區(qū)頂巖層的上下端巖體的受力狀態(tài)統(tǒng)計表

基于格里菲斯強度理論判斷獲得的結果和數(shù)據(jù)模擬結果大體一致，于一煤二水平采場區(qū)與二層煤一水平采場上端對應的地表巖層易產生塌陷區(qū)，張拉破損是主要的失穩(wěn)形式，伴隨著作業(yè)面開采活動的持續(xù)推進，形成斷裂、失穩(wěn)表象的巖層產出冒落塊體，對下方采空區(qū)形成充填，而對上覆巖層狀態(tài)起到一定支持作用，以上便是第三水平開采以后地表巖層塌陷現(xiàn)象發(fā)生率偏低的主要原因，采動對地表沉陷過程形成的影響降低。

5 結語

本次研究中，通過模擬數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)伴隨第一到第三水平開采作業(yè)的推進過程，采場區(qū)下方應力集中程度就越為顯著，采動行進過程中，采場區(qū)覆巖層承受的應力類型有所變化，具體是由壓應力轉型成拉應力，且拉應力作用范疇有逐漸拓展趨勢，增加了覆巖層斷裂、失穩(wěn)情況發(fā)生的風險，主要以張力破壞的形式表現(xiàn)出來?；诟窭锓扑箯姸饶芫_判別出歷經第三水平開采活動后，地表巖層塌陷綠偏低的結論，這提示采場內采動行為對地表沉降、凹陷過程形成的影響偏低。