賀桂成，李玉蘭，張志軍

（南華大學(xué)核資源工程學(xué)院，湖南衡陽421001）

緩傾斜層狀石膏礦開采沉陷相似模擬

賀桂成，李玉蘭，張志軍

（南華大學(xué)核資源工程學(xué)院，湖南衡陽421001）

采用相似模擬的實(shí)驗(yàn)方法，模擬了衡山石膏礦開采上覆巖層的破斷、運(yùn)移特征及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度和開采沉陷規(guī)律，并對(duì)其開采沉陷進(jìn)行了實(shí)測。相似模擬結(jié)果表明：當(dāng)?shù)V房跨度大于10m時(shí)，采空區(qū)上覆巖層開始產(chǎn)生豎向裂隙和層間水平裂隙；隨著礦房跨度的增大，直接頂呈懸臂梁結(jié)構(gòu)破斷而逐漸逐層垮落，老頂則出現(xiàn)了初次來壓和幾次周期性來壓；當(dāng)?shù)V房跨度為164m時(shí)，地面已整體塌陷，最終垮落帶高度和層間水平裂隙發(fā)育高度分別為55m和94．5m，為采空區(qū)高度的18．3倍和31．5倍；地表沉降的最大值和地面塌陷的影響范圍分別為115 cm和342m，與其實(shí)測結(jié)果吻合良好，且兩者的相對(duì)誤差分別為15%和2．3%。

緩傾斜層狀石膏礦；相似材料模擬；開采沉陷；巖層移動(dòng)；裂隙帶高度

石膏礦是一種賦存地質(zhì)條件差、礦層薄、埋深淺、強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差的礦體，采用房柱法回采［1］。由于石膏礦屬于低價(jià)值資源，采用不科學(xué)開采或者掠奪式采礦，導(dǎo)致留設(shè)的礦柱極不規(guī)范，造成礦柱無法支撐上覆巖層圍巖壓力而失穩(wěn)破壞，引起頂板大面積冒落而誘發(fā)地面塌陷［2］。因此，研究石膏礦上覆巖層的破斷機(jī)理及開采沉陷規(guī)律對(duì)預(yù)防和控制地面塌陷具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

相似材料模擬實(shí)驗(yàn)方法能克服力學(xué)求解中的不足，較真實(shí)的模擬采場上覆巖層移動(dòng)和地表沉降規(guī)律，目前廣泛地應(yīng)用于采礦工程中［3－5］。劉純貴［6］、楊真［7］、賈明魁［8］等采用物理相似模擬方法研究了采場頂板巖層破斷垮落及裂隙擴(kuò)展和采場上覆巖層破壞、運(yùn)移演化規(guī)律；張軍［9］、李樹清［10］等采用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)方法研究了工作面采動(dòng)覆巖“三帶”的分布規(guī)律；任艷芳［11］、付玉平［12］等利用相似模擬實(shí)驗(yàn)方法分析了采場工作面頂板破斷特征；REN［13］、GUO［14］、高明中［15］等采用相似材料模型試驗(yàn)，分析了采空區(qū)圍巖變形和破壞特性，以及地表沉降規(guī)律。

采用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)方法，在一定程度上定性甚至定量地反映了采空區(qū)上覆巖層的運(yùn)移規(guī)律，能較好地再現(xiàn)采空區(qū)上覆巖層的破裂、彎曲、離層下沉、破斷失穩(wěn)以及地面塌陷的全過程，對(duì)人們清楚地認(rèn)識(shí)開采沉陷具有十分重要的意義［16］。

因此，本文以衡山石膏礦為工程背景，根據(jù)相似理論，采用相似材料，建立了平面應(yīng)變的相似材料模擬模型，模擬該礦采空區(qū)在不同礦房跨度下，上覆巖層的變形、破壞和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度和開采沉陷規(guī)律，從而為該地區(qū)確定合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)提供理論基礎(chǔ)。

1 工程背景

衡山石膏礦礦體埋深為30～120m，鉛垂厚度為1．98～2．58m，平均厚2．4m，礦體傾角為4°～6°，呈層狀產(chǎn)出。圍巖及石膏礦體從上往下依次為第四系砂質(zhì)黏土、砂土及砂礫層；白堊系上統(tǒng)戴家坪組上部有紫紅色、棕褐色粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖夾細(xì)砂巖，石膏礦賦存于該層的底部，該層巖石為石膏礦頂板，堅(jiān)硬完整，結(jié)構(gòu)緊密，抗壓強(qiáng)度大，穩(wěn)固性好，為相對(duì)隔水層，厚10～20m，直接頂為薄層青灰色泥巖，厚0．3～0．5m，易垮落；白堊系上統(tǒng)戴家坪組下部有紫紅色粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及細(xì)砂巖，厚30～40m，為礦體底板。該礦礦巖分布如圖1所示。

衡山石膏礦采用房柱法回采，采場垂直礦體走向布置。由于回采時(shí)不按設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致該礦大多數(shù)采空區(qū)礦房跨度為10～20m，沿走向長30～80 m，礦柱跨度為0．5～2．0m，采空區(qū)高度為1．98～2．58m。

衡山石膏礦經(jīng)過多年開采已形成頂板暴露面積達(dá)8萬m2的采空區(qū)群。該礦于2009年4月23日閉坑，由于閉坑前未進(jìn)行科學(xué)處理，閉坑后地下水灌入采空區(qū)淹沒整個(gè)礦井，導(dǎo)致該礦地面于2009年11月28日發(fā)生了150畝稻田整體塌陷事故［2］。

與衡山石膏礦相鄰的屬同一礦脈的石膏礦有10多個(gè)，部分礦山的老采空區(qū)與相鄰礦山的老采空區(qū)已經(jīng)連成一片，形成了大規(guī)模的老采空區(qū)群，這些老采空區(qū)群亂采亂挖，極不規(guī)范，存在著嚴(yán)重的地面塌陷的安全隱患。因此，亟須對(duì)衡山石膏礦上覆巖層的破斷機(jī)理及開采沉陷進(jìn)行研究，對(duì)預(yù)防和控制該地區(qū)石膏礦地面塌陷具有十分重要的意義。

圖1 石膏礦地質(zhì)鉆孔柱狀圖Fig．1 Drill bore column of the gypsum mine

2 相似材料模擬實(shí)驗(yàn)

2．1 相似材料及配比

采用長5m、高2m、寬0．2m的平面模型架模擬衡山石膏礦開采上覆巖層的破裂、彎曲、離層下沉、破斷失穩(wěn)以及開采沉陷規(guī)律。

根據(jù)相似理論的三大定理，得到了相似材料模擬模型的相似比。模型的幾何相似比為1∶100，可以模擬埋深為200m的開采深度。模型幾何相似常數(shù)為αL＝100，密度相似常數(shù)為αY＝1．57，應(yīng)力相似常數(shù)為α＝αLαY＝100×1．57＝157。

相似模擬材料采用石英砂為骨料，石膏和碳酸鈣為膠結(jié)材料。將其按一定比例混合配制成各種模擬的巖層，然后將其裝填到模型架中。在裝填過程中，模擬巖層的層與層之間撒入少量云母粉模擬層面。模擬巖層的配比及裝填順序如表1所示。

2．2 巖層移動(dòng)及地表沉降監(jiān)測

相似材料模擬模型裝填好后，為了監(jiān)測上覆巖層的運(yùn)移規(guī)律，在擬開采的上覆巖層中距石膏礦頂板20、40、60、80、100、120m處各布置一條測線，編號(hào)分別為a、b、c、d、e、f。各測線之間的間距為20m，每條測線上布置24個(gè)測點(diǎn)，編號(hào)分別為a1～a24、b1～b24、c1～c24、d1～d24、e1～e24、f1～f24。采用全站儀對(duì)各測點(diǎn)的豎向位移進(jìn)行監(jiān)測。在裝填模型的地表均勻地安設(shè)10個(gè)百分表，間距45m，監(jiān)測地表沉降。

表1 石膏礦相似模擬模型材料配比及分層厚度Table 1 Material ratios and layer thinness of the similar model

圖2 巖層移動(dòng)及地表沉降測點(diǎn)布置圖Fig．2 Monitoring points of surface subsidence and strata movement

2．3 相似材料模擬模型開采方案

據(jù)礦方的技術(shù)人員及作者的現(xiàn)場踏勘可知：衡山石膏礦礦房跨度均超過了15m，甚至幾個(gè)礦房相互連通使得礦房跨度達(dá)到50m以上，且留設(shè)的礦柱跨度為0．5～2．0m。由文獻(xiàn)［2］可知，石膏礦遇水膨脹、侵蝕、剝落，導(dǎo)致其承載能力大大降低，且當(dāng)?shù)V柱跨度小于4m時(shí)，礦柱已無法支承上覆巖層圍巖壓力而破壞失穩(wěn)。因此，原先留設(shè)的石膏礦柱已失去了支承作用。

基于上述分析，在相似材料模擬實(shí)驗(yàn)中，不考慮礦柱的作用，僅模擬從左至右的順序依次開采石膏礦，分析其上覆巖層移動(dòng)、破壞、失穩(wěn)、垮塌及其導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，以及開采沉陷規(guī)律。

3 石膏礦上覆巖層破斷特征及裂隙帶發(fā)育高度相似模擬結(jié)果

3．1 石膏礦上覆巖層破斷特征相似模擬結(jié)果

石膏礦采空區(qū)上覆巖層的破斷特征與礦房跨度的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 不同礦房跨度的巖層破斷特征Fig．3 Broken characteristics of overlying strata in different room spans

從圖3可知：當(dāng)?shù)V房跨度小于8m時(shí)，采空區(qū)頂板比較完整，不產(chǎn)生豎向裂隙和層間水平裂隙；當(dāng)?shù)V房跨度大于10m時(shí)，采空區(qū)上覆巖層將產(chǎn)生豎向裂隙和層間水平裂隙，且隨礦房跨度的增大，其豎向裂隙和層間水平裂隙逐漸增大；當(dāng)?shù)V房跨度為16m時(shí)，距采空區(qū)頂板1m范圍內(nèi)的直接頂巖層垮落，垮落直接頂沿中部受拉斷裂為長11m的兩個(gè)塊體；隨礦房跨度的繼續(xù)增大，上覆巖層呈懸臂梁結(jié)構(gòu)垮落；礦房跨度為36m時(shí)，采空區(qū)上覆巖層將出現(xiàn)整體垮落；隨礦房跨度的增加上覆巖層將逐漸逐層垮落。

由相似模擬結(jié)果可知：礦房跨度為56m時(shí)，上覆巖層破壞發(fā)展至距采空區(qū)頂板11m處，老頂初次來壓，且呈平拱狀垮落，平拱跨長47m，最大間隙0．6m；礦房跨度為100m時(shí)，老頂?shù)诙沃芷趤韷汉蛶r層垮落；隨礦房跨度的增加老頂出現(xiàn)了幾次周期來壓和巖層垮落的現(xiàn)象。礦房跨度為164m時(shí)，上覆巖層的破壞發(fā)展至地表，導(dǎo)致地面整體塌陷，此時(shí)采空區(qū)兩端巖層垮落角分別為62°和60°，地表整個(gè)拉裂范圍距采空區(qū)邊界約89m，最大的裂縫寬度為6．5cm。

3．2 石膏礦上覆巖層垮落高度相似模擬結(jié)果

從上述相似模擬結(jié)果，可得到巖層垮落帶高度與礦房跨度之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 巖層垮落高度與礦房跨度關(guān)系曲線圖Fig．4 Relationship curve between the height of caved zone and room span

由圖4可知：采空區(qū)上覆巖層的垮落帶高度隨礦房跨度的增大而逐漸增大。礦房跨度為12m時(shí)，距采空區(qū)頂板1m處巖層開始出現(xiàn)了層間水平裂隙，且在礦房跨度為16m時(shí)，該處直接頂巖層初次垮落；隨礦房跨度的增大，上覆巖層逐漸逐層垮落；礦房跨度由104m擴(kuò)大到124m時(shí)，距采空區(qū)頂板42m至55m范圍內(nèi)巖層整體下移活動(dòng)明顯，豎向裂隙發(fā)育不明顯，但距采空區(qū)頂板55m以上巖層整體活動(dòng)明顯，且不垮落。說明垮落帶高度為55m，為采空區(qū)高度的18．3倍，距采空區(qū)頂板55m以上巖層已進(jìn)入彎曲下沉帶。

3．3 石膏礦上覆巖層裂隙帶發(fā)育高度相似模擬結(jié)果

從上述相似模擬結(jié)果，可得到層間水平裂隙帶發(fā)育高度與礦房跨度之間的關(guān)系曲線，如圖5所示。

由圖5可知：采空區(qū)上覆巖層層間水平裂隙帶發(fā)育高度隨礦房跨度的增加而增大，且出現(xiàn)幾次跳躍性發(fā)展階段。當(dāng)?shù)V房跨度為164m時(shí)，層間水平裂隙帶發(fā)育高度發(fā)展至距采空區(qū)頂板94．5m處，其裂隙高度的最大值為0．4m。

圖5 層間水平裂隙發(fā)育高度與礦房跨度關(guān)系曲線圖Fig．5 Relationship curve between the height of horizonal fractured zone and room span

采空區(qū)上覆巖層豎向?qū)严稁Оl(fā)育高度隨礦房跨度的增加而增大，且距采空區(qū)頂板的距離越小，其豎向?qū)严稁У膶挾纫苍酱?。?dāng)?shù)V房跨度為164m時(shí)，豎向?qū)严稁Оl(fā)育高度貫穿了整個(gè)上覆巖層至地表；隨礦房跨度的繼續(xù)增大，豎向?qū)严稁Оl(fā)育高度貫穿地表的裂縫條數(shù)也隨之增加，且裂縫寬度也隨之?dāng)U大。

4 石膏礦巖層移動(dòng)及地表沉降相似模擬結(jié)果

4．1 石膏礦上覆巖層豎向移動(dòng)相似模擬結(jié)果

石膏礦上覆巖層豎向位移的相似模擬結(jié)果，如圖6所示。限于篇幅，只列出了部分結(jié)果。

從圖6可知：各測線豎向位移的變化趨勢是一致的，均隨礦房跨度的增大而增大，且均呈現(xiàn)出下凹盆地的形狀。當(dāng)?shù)V房跨度為52m時(shí)，距采空區(qū)頂板16．6m的巖層開始產(chǎn)生離層裂隙，即a測線處的巖層開始產(chǎn)生豎向位移；隨礦房跨度的增大，距采空區(qū)頂板距離較遠(yuǎn)的巖層，即其它測線位置處的巖層逐漸產(chǎn)生豎向位移，且越靠近采空區(qū)頂板的測線豎向位移增大的現(xiàn)象越明顯。

4．2 石膏礦地表沉降相似模擬結(jié)果

在相似材料模擬實(shí)驗(yàn)過程中，通過讀取地表沉降變化的百分表的讀數(shù)，得到了各監(jiān)測點(diǎn)地表沉降的監(jiān)測結(jié)果，如圖7所示。

圖6 各測線巖層豎向移動(dòng)相似模擬結(jié)果Fig．6 Similar simulation result of vertical movement of overburden strata of each measuring line

從圖7中可以看出：不同礦房跨度下地表沉降的形狀是相似的，均為下凹的沉降盆地，且位于采空區(qū)中央位置的地表沉降值最大；地表沉降隨礦房跨度的增加逐漸增大，且地表受開采擾動(dòng)的影響范圍也逐漸增大；當(dāng)?shù)V房跨度為164m時(shí)，地表沉降的最大值為115cm。

5 石膏礦地面塌陷實(shí)測結(jié)果

根據(jù)衡山石膏礦地面塌陷事故現(xiàn)場測量計(jì)算結(jié)果可知：衡山石膏礦塌陷坑的最大沉降值約為100 cm；其地面塌陷的影響范圍約為350m×350m。

由相似模擬結(jié)果可知，地表沉降的最大值為115cm，其與實(shí)測結(jié)果的相對(duì)誤差為15%；開采擾動(dòng)的影響范圍為距采空區(qū)邊界約89m，故其影響范圍為342m，因此，開采擾動(dòng)的影響范圍的相似模擬結(jié)果與其實(shí)測結(jié)果的相對(duì)誤差僅為2．3%。

圖7 不同礦房跨度地表沉降相似模擬結(jié)果Fig．7 Similar simulation result of surface subsidence in different room spans

綜上所述，采用相似模擬能很好地反映石膏礦開采過程中的巖層移動(dòng)及地表沉降的規(guī)律，其相似模擬結(jié)果與地面塌陷實(shí)測數(shù)據(jù)吻合良好。

6 結(jié)論

1）采空區(qū)上覆巖層隨礦房跨度的增大而逐漸破斷、垮落。當(dāng)?shù)V房跨度為16m時(shí)，直接頂巖層垮落；當(dāng)?shù)V房跨度超過36m時(shí)，上覆巖層出現(xiàn)懸臂梁整體垮落；當(dāng)?shù)V房跨度為56m時(shí)，老頂初次來壓垮落，且隨礦房跨度的增加，老頂出現(xiàn)了幾次周期性來壓和巖層垮落的現(xiàn)象。

2）當(dāng)?shù)V房跨度大于124m時(shí)，距采空區(qū)頂板55 m以上巖層整體活動(dòng)明顯，但不垮落。說明最終的垮落帶高度為55m，為采空區(qū)高度的18．3倍；距采空區(qū)頂板55m以上巖層已進(jìn)入彎曲下沉帶。

3）層間水平裂隙和豎向裂隙發(fā)育高度隨礦房跨度的增加而增大，且出現(xiàn)幾次跳躍性發(fā)展階段。最終層間水平裂隙發(fā)育高度為94．5m；豎向裂隙貫穿至地表。

4）采空區(qū)上覆巖層的豎向位移和地表沉降隨礦房跨度的增加而增大，且距采空區(qū)頂板的距離越近，其值越大。當(dāng)?shù)V房跨度為160m時(shí)，地面出現(xiàn)了整體塌陷，地表沉降的最大值為115cm，其與實(shí)測結(jié)果的相對(duì)誤差為15%；最大裂縫寬度為6．5cm，拉裂范圍距采空區(qū)邊界約89m，其與實(shí)測結(jié)果的相對(duì)誤差僅為2．3%。

［1］WANG Jin’an，SHANG Xinchun，MA Haitao．Investigation of catastrophic ground collapse in Xingtai gypsum mines inChina［J］．International Journal of Rock Mechanics ＆Mining Sciences，2008，45（8）：1480－1499．

［2］賀桂成，丁德馨，劉永，等．衡山石膏礦老采空區(qū)地表沉陷的ANFIS預(yù)測［J］．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2012，29（6）：876－881．

［3］劉三鈞，林柏泉，高杰，等．遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采上覆煤巖隙變形相似模擬［J］．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011，28（1）：51－55．

［4］劉長友，楊培舉，丁斌．兩柱掩護(hù)式綜放支架與圍巖相互作用相似模擬研究［J］．中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，40（2）：167－172．

［5］呂祥鋒，王振偉，潘一山．煤巖巷道沖擊破壞過程相似模擬試驗(yàn)研究［J］．實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2012，27（3）：311－317．

［6］劉純貴．馬脊梁煤礦淺埋煤層開采覆巖活動(dòng)規(guī)律的相似模擬［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2011，36（1）：7－11．

［7］楊真，童兵，黃成成．近距離房柱采空區(qū)下長壁采場頂板垮落特征研究［J］．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2012，29（2）：157－161．

［8］賈明魁．薄基巖突水威脅煤層開采覆巖變形破壞演化規(guī)律研究［J］．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2012，29（2）：168－172．

［9］張軍，王建鵬．采動(dòng)覆巖“三帶”高度相似模擬及實(shí)證研究［J］．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2014，31（2）：249－254．

［10］李樹清，何學(xué)秋，李紹泉，等．煤層群雙重卸壓開采覆巖移動(dòng)及裂隙動(dòng)態(tài)演化的實(shí)驗(yàn)研究［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2013，38（12）：2146－2152．

［11］任艷芳，寧宇，齊慶新．淺埋深長壁工作面覆巖破斷特征相似模擬［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2013，38（1）：61－66．

［12］付玉平，宋選民，邢平偉，等．淺埋厚煤層大采高工作面頂板巖層斷裂演化規(guī)律的模擬研究［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2012，37（3）：366－371．

［13］REN Wei－zhong，GUO Cheng－mai，PENG Zi－qiang，et al．Model experimental research on deformation and subsidence characteristics of ground and wall rock due to mining under thick overlying terrane［J］．International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2010，47（4）：614－624．

［14］GUO Guangli，ZHA Jianfeng，Miao Xiexing，et al．Similar material and numerical simulation of strata movement laws with long wall fully mechanized gangue backfilling［J］．Procedia Earth and Planetary Science，2009，1（1）：1089－1094．

［15］高明中，余忠林．厚沖積層急傾斜煤層群開采重復(fù)采動(dòng)下的開采沉陷［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2007，32（4）：347－352．

［16］邵小平，石平五．急斜煤層大段高開采采空?qǐng)鰢鷰r穩(wěn)定性［J］．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，29（3）：353－356．

Similar simulation of mining subsidence of gently inclined bedded gypsum mine

HE Guicheng，LI Yulan，ZHANG Zhijun
（School of Nuclear Resources Engineering，University of South China，Hengyang Hunan 421001，China）

The broken characteristics，the movement law，the height of the transmissive fractured belt and the mining subsidence of the overlying strata of a gypsum mine in Hengshan are investigated by similar material simulation experimental method，and the practical surface subsidence was measured．The similar material simulation results show that the overlying strata of the goaf of the gypsum mine begins to produce the vertical transmissive fractured belt and the horizontal transmissive fractured belt between layers when the room span is more than 10m．The immediate roof of a cantilever beam structure begins to break and gradaully collapses layer by layer with the room span increases，and the first weighting and the periodic weighting of the main roof appears with the room span increases．The surface collapse happens to appearance when the room span is 164m，and the height of the caving zone and the height of the horizontal transmissive fractured belt between layers are 55mand 94．5mrespectively，which is 18．3times and 31．5times that the height of the goaf．The maximum of the surface subsidence and the range of the influence of the mining subsidence are 115cm and 342m，which is good agreement with the measured results，and the relative error between the simulation result and the measured result are 15%and 2．3%．

gently inclined bedded gypsum mine；similar material simulation；mining subsidence；strata movement；height of fractured belt

TD325

Α

1671－4172（2015）04－0013－06

10．3969/j．issn．1671－4172．2015．04．004

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51374129）

賀桂成（1977－），男，副教授，博士，采礦工程專業(yè)，主要從事礦山巖土工程災(zāi)害預(yù)測與控制方向的研究。