大埋深條件下地表沉陷規(guī)律相似模擬研究

劉文靜，屈曉榮，楊 棟，朱少杰

（1.太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所，山西 太原 030024；2.山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院，山西 太原 030006）

大埋深條件下地表沉陷規(guī)律相似模擬研究

劉文靜1，屈曉榮2，楊 棟1，朱少杰1

（1.太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所，山西 太原 030024；2.山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院，山西 太原 030006）

以山西河?xùn)|煤田北部某大埋深煤礦為研究對(duì)象，采用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，分析了受采動(dòng)影響的采場(chǎng)上覆巖層移動(dòng)變形規(guī)律以及地表移動(dòng)變形規(guī)律。結(jié)果表明，采動(dòng)結(jié)束后的上覆巖層依次形成垮落帶、裂隙帶、彎沉帶；采空區(qū)上方地表形成一個(gè)比采空區(qū)大得多的下沉盆地，并從地表移動(dòng)的力學(xué)過(guò)程及工程技術(shù)問(wèn)題的需要出發(fā)，地表移動(dòng)及變形采用下沉、水平移動(dòng)、傾斜、曲率、水平變形來(lái)描述下沉盆地的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)。

深部開(kāi)采；相似模擬；上覆巖層移動(dòng)；地表移動(dòng)與變形

由于深部開(kāi)采地質(zhì)條件復(fù)雜，使得采場(chǎng)圍巖環(huán)境惡化、事故發(fā)生幾率增加、上覆巖層及地表移動(dòng)與變形，都會(huì)帶來(lái)很大威脅。深部開(kāi)采條件下，巖石處于高圍壓、高溫度、高孔隙壓力的“三高”環(huán)境，與淺部開(kāi)采相比,隨著開(kāi)采深度的增加,地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力急劇增加，深部開(kāi)采工程的災(zāi)害形式和頻度并不同于淺部。因此，研究其上覆巖層及地表活動(dòng)規(guī)律，顯得尤為重要。相似材料模擬試驗(yàn)，能夠模擬整個(gè)研究區(qū)域的上覆巖層及地表在開(kāi)采過(guò)程中受采動(dòng)影響，以及后續(xù)地表穩(wěn)定的整個(gè)變形過(guò)程。

1 工程概況

根據(jù)河?xùn)|煤田某深部開(kāi)采的地質(zhì)背景和目前技術(shù)水平，選擇某工作面為模擬對(duì)象，煤層傾角6°～8°，屬于近水平煤層，平均采深718 m，煤層均厚7.2 m，工作面走向長(zhǎng)2120 m，傾向長(zhǎng)230 m，實(shí)行大采高一次采全高綜合機(jī)械化采煤，頂板管理采用全部垮落法，工作面推進(jìn)速度4.8m/d。

2 模型制作與試驗(yàn)分析

2.1 模型設(shè)計(jì)與制作

本次試驗(yàn)是在相似理論基礎(chǔ)上[1]，總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)，依據(jù)實(shí)際地質(zhì)資料，選擇合理地段進(jìn)行模擬，模型試驗(yàn)臺(tái)尺寸長(zhǎng)×寬×高=4.25 m×0.2 m×3.5 m，模擬采深718 m。因此選擇幾何相似常數(shù)αl=300；根據(jù)巖石巖性及以往經(jīng)驗(yàn)，選擇容重相似常數(shù)αγ=1.5，由此推出應(yīng)力相似常數(shù)ασ=αl×αγ=450，時(shí)間相似常數(shù)為αt=17.4。根據(jù)原型巖層的力學(xué)性質(zhì)，依據(jù)阜新院所作的試驗(yàn)結(jié)果，主要考慮模型材料容重、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等物理力學(xué)指標(biāo)，選擇合適的相似材料的配方及配比。本試驗(yàn)選取河沙、鐵砂做骨料，石灰、碳酸鈣、高嶺土，石膏做膠結(jié)材料。由于石膏凝結(jié)硬化快，試驗(yàn)選取硼砂做緩凝劑；選取云母粉模擬各巖層分層及構(gòu)造層。

本次試驗(yàn)制作模型高度240 cm，煤層上方高度220 cm，底板厚度20 cm，煤層厚2.4 cm；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采煤每日4.8 m、以及幾何相似比、時(shí)間相似比得出次本試驗(yàn)中每日開(kāi)挖28 cm分四次開(kāi)挖，開(kāi)挖總長(zhǎng)度2.25 m，開(kāi)挖區(qū)域位于模型正中央，使開(kāi)采既能達(dá)到充分開(kāi)采，又能在兩側(cè)留設(shè)足夠?qū)挼拿褐允沟乇硪苿?dòng)與變形曲線完整地呈現(xiàn)出來(lái)。本次試驗(yàn)主要監(jiān)測(cè)上覆巖層和地表位移及變形，所以在地表布設(shè)37塊百分表監(jiān)測(cè)地表垂直位移，18塊水平表監(jiān)測(cè)地表水平位移。

2.2 試驗(yàn)分析

2.2.1 覆巖的破壞機(jī)理及分帶特征

深部開(kāi)采覆巖垮落的一些新特征，見(jiàn)圖1。初次垮落步距較長(zhǎng)，當(dāng)工作面推進(jìn)距離L=72m時(shí)，直接頂出現(xiàn)離層裂隙。當(dāng)L=93m時(shí)，直接頂垮落，垮落長(zhǎng)度89m，垮落高度9 m，空頂高度7 m，垮落角50°。當(dāng)L=158 m時(shí)，發(fā)生第二次老頂垮落，垮落長(zhǎng)度149 m，垮落步距50 m，垮落高度24 m，空頂高度6.5 m，垮落角52°。當(dāng)L=213m時(shí)，發(fā)生第三次懸臂梁垮落，垮落長(zhǎng)度206m，垮落步距57m。此后隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層繼續(xù)垮落。由此看出，深部開(kāi)采的初次垮落步距和周期垮落步距都增大，垮落高度增加，垮落角增大，采動(dòng)影響范圍有所擴(kuò)大[2]。垮落過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 模l=93 m型巖體垮落情況

采動(dòng)結(jié)束后，垮落停止，移動(dòng)穩(wěn)定后的巖層，按其破壞程度大致分為三個(gè)不同的開(kāi)采影響帶：冒落帶、裂隙帶、彎曲帶。冒落帶高度30m，為采高的4.17倍；裂隙帶高度279 m，為采高的38.75倍；自裂隙帶頂界到地表的整個(gè)巖系為彎曲帶，由此看出深部開(kāi)采上覆巖層受采動(dòng)影響范圍較淺部開(kāi)采擴(kuò)大。

2.2.2 采動(dòng)對(duì)地表移動(dòng)及變形規(guī)律

從地表移動(dòng)的力學(xué)過(guò)程及工程技術(shù)問(wèn)題的需要出發(fā)，地表移動(dòng)的狀態(tài)可用垂直移動(dòng)和水平移動(dòng)描述。常用的定量指標(biāo)有：下沉、水平移動(dòng)、傾斜、曲率、水平變形等[3]。

（1）采動(dòng)地表下沉變形規(guī)律：依據(jù)地表百分表測(cè)得各監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉值做得下沉曲線，見(jiàn)圖2，由圖可知：①采動(dòng)過(guò)程中地表下沉的變化規(guī)律：隨著工作面的推進(jìn)，地表移動(dòng)盆地的范圍和移動(dòng)量均增加。當(dāng)工作面推進(jìn)到某位置時(shí)，地表下沉值達(dá)到最大值，地表達(dá)到充分采動(dòng)。當(dāng)工作面再往前推進(jìn)時(shí)，地表移動(dòng)盆地增大，但地表下沉量不再增大。②下沉曲線的分布規(guī)律：地表下沉最大值出現(xiàn)在采空區(qū)中央上方，從下沉最大值處向采空區(qū)兩側(cè)邊緣各點(diǎn)的下沉值逐漸減小，下沉曲線關(guān)于采空區(qū)中心近似對(duì)稱。

圖2 地表下沉曲線

（2）采動(dòng)對(duì)地表傾斜變形規(guī)律：傾斜曲線表示地表移動(dòng)盆地傾斜的變化規(guī)律，是下沉的一階導(dǎo)數(shù)。見(jiàn)圖3采動(dòng)地表傾斜曲線，圖可知：拐點(diǎn)至盆地邊界傾斜值逐漸減小，最大下沉點(diǎn)至拐點(diǎn)間的傾斜逐漸增大，在拐點(diǎn)處傾斜值最大，而在最大下沉值點(diǎn)處傾斜值為零，并在兩個(gè)拐點(diǎn)處有兩個(gè)相反的最大傾斜值，傾斜曲線以采空區(qū)中央反對(duì)稱。

圖3 地表傾斜曲線

（3）采動(dòng)對(duì)地表曲率變形規(guī)律：圖4是地表曲率變形曲線，它是傾斜的一階導(dǎo)數(shù)。由圖可知曲率的分布規(guī)律：盆地邊緣地帶為正曲率區(qū)，盆地中央地帶為負(fù)曲率區(qū)，曲率曲線有兩個(gè)相等的最大正曲率和一個(gè)最大的負(fù)曲率。最大正曲率處在拐點(diǎn)和盆地邊界點(diǎn)之間，最大負(fù)曲率在盆地中央的最大下沉點(diǎn)處，邊界點(diǎn)和拐點(diǎn)的曲率為零。

圖4 地表曲率變形曲線

（4）采動(dòng)地表水平移動(dòng)規(guī)律：圖5為采動(dòng)地表水平移動(dòng)曲線，水平移動(dòng)分布規(guī)律與傾斜曲線類似，拐點(diǎn)至盆地邊界間水平移動(dòng)逐漸減小，最大下沉點(diǎn)至拐點(diǎn)間水平移動(dòng)逐漸減小，兩個(gè)拐點(diǎn)處有兩個(gè)相反的水平移動(dòng)最大值，最大下沉點(diǎn)處水平移動(dòng)最小為零，水平移動(dòng)曲線以采空區(qū)中央反對(duì)稱。

圖5 地表水平移動(dòng)曲線

（5）采動(dòng)地表水平變形規(guī)律：圖6為采動(dòng)地表水平變形曲線，水平變形曲線與曲率曲線的分布規(guī)律類似，有一個(gè)最大壓縮變形和兩個(gè)相等的最大拉伸變形，最大壓縮變形位于盆地中央的最大下沉點(diǎn)處，最大拉伸變形位于拐點(diǎn)和邊界點(diǎn)之間，邊界點(diǎn)拐點(diǎn)處水平變形為零，盆地中部地帶為壓縮區(qū)，盆地邊緣區(qū)為拉伸區(qū)。

圖6 地表水平變形曲線

3 結(jié)論

本文以河?xùn)|煤田某深部開(kāi)采為例，通過(guò)研究受采動(dòng)影響的地表移動(dòng)及變形規(guī)律的相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，主要結(jié)論如下：（1）隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)周圍的巖層發(fā)生了較大的移動(dòng)變形。一般的移動(dòng)過(guò)程是：從煤層的直接頂板巖層開(kāi)始，由下而上依次進(jìn)行冒落、斷裂、離層、彎曲，最后移動(dòng)終止。冒落帶高度為30 m（為采高的4.17倍），裂隙帶高度279 m（為采高的38.75倍），自裂隙帶頂界到地表的整個(gè)巖系為彎曲帶。由此看出，深部開(kāi)采上覆巖層受采動(dòng)影響范圍較淺部開(kāi)采擴(kuò)大[4]。（2）根據(jù)地表移動(dòng)及變形曲線分析，可按其激烈程度分為三個(gè)區(qū)域：下沉均勻區(qū)——盆地中心平坦地帶，該區(qū)地表下沉均勻，一般不出現(xiàn)裂縫，對(duì)建筑物的破壞作用較小。移動(dòng)劇烈區(qū)——位于外側(cè)上方，地表下沉不均勻，產(chǎn)生傾斜變形，出現(xiàn)明顯裂縫，對(duì)建筑物的破壞作用較大[5]。輕微變性區(qū)——位于采空區(qū)外側(cè)上方較遠(yuǎn)處，地表下沉不均勻但較小，呈凸形，產(chǎn)生拉伸變形，有輕微的裂縫產(chǎn)生。

[1]崔廣心.相似理論與模型試驗(yàn)[M].江蘇：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1990：1-60.

[2]范體軍，胡清淮.東鄉(xiāng)銅礦采空區(qū)上覆巖層的穩(wěn)定性分析[J].化工礦物與加工，2000(6):7-24.

[3]鄒友峰，鄧喀中，馬偉民.礦山開(kāi)采沉陷工程[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[4]劉秀英.采空區(qū)建筑地基穩(wěn)定性分析的相似模擬試驗(yàn)研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2004.

[5]國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程[S].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000.

Analogy Simulation Study on Surface Subsidence Regularity in Deep Mining Condition

LIU Wen-jing1,QU Xiao-rong2，YANG Dong1，ZHU Shao-jie1
(1.Mining Technology Institute,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024；2.Shanxi Coal Geology Surveys Research Institute,Taiyuan Shanxi 030006)

A deep mine of Hedong field in Shanxi was studied.Similar materials were used in simulation experiment.The movement and deformation of overburden strata and surface were analyzed under the mining influence.The results showed that after mining,in the overburden strata,collapsing strap,crack strap and deflection strap were formed in turn.A sinking basin appeared in the surface over the mined-out area.From the mechanical process of surface movement and engineering technology requirement,the dynamics state of the sinking basin was described with subsidence,horizontal movement,inclination,curvature and horizontal deformation.

deep mining;analogy simulation;overburden strata movement;surface movement and deformation

TD325.4

A

1672-5050（2012）02-0041-04

2011-11-20

劉文靜（1984—），男，陜西神木人，在讀碩士研究生，從事“三下”開(kāi)采、開(kāi)采沉陷等研究。

劉新光