地質構造對采煤沉陷的控制作用

姚榮勝

（山西省煤炭工業(yè)廳煤炭資源地質局，山西 太原 030045）

引言

煤炭的開采關乎人類的正常生活，只有提高開采效率才能帶來可觀的經濟效益。與此同時，如果采煤沉陷嚴重，還會對周邊環(huán)境造成不可恢復的破壞，影響附近居民的生命財產安全。不同礦區(qū)往往呈現(xiàn)出不同的地質構造形態(tài)，這便加大了采煤沉陷的研究難度。以往很少有關于地質構造對采煤沉陷控制作用的研究，鑒于此，將針對采煤沉陷的發(fā)生規(guī)律以及地質構造對其的影響進行分析，對保護土地資源和生態(tài)環(huán)境有重要指導意義。

1 采煤沉陷研究基礎理論

采煤沉陷研究是一項復雜的工程，為了提高研究的準確性和可操作性，數學、計算機、力學等學科的最新研究方法均要運用其中，使得采煤沉陷的研究有更多的思路。目前主要采用的理論包括地表移動及變形的預計公式、導水裂縫帶高度計算公式、巖體內部移動計算式、動態(tài)預計模型等，使研究有據可循。

1.1 定性分析

通常，接近水平和緩傾斜的煤層采空后，煤層頂部巖層會在垂直方向發(fā)生彎曲，頂板冒落的巖石將會填充采空區(qū)，直至冒落過程結束。傾斜煤層則不僅會在垂直方向出現(xiàn)崩落現(xiàn)象，在切線方向也會發(fā)生巖層的位移，一旦巖石到達采空區(qū)的底板，俯視觀察會發(fā)現(xiàn)下沉盆地是形狀不規(guī)則的盤狀。急傾斜煤層的上盤巖會以懸臂梁的彎曲形式發(fā)生位移，進行采煤作業(yè)后，不同的巖層都會不同程度地發(fā)生錯位移動，使巖層呈現(xiàn)為臺階狀，這種情況下覆巖的破壞方向為往上山方向移動，整個冒落帶為橢圓形［1］。

1.2 力學分析

根據力學知識可知煤層采空后，巖層受力情況以采空區(qū)作為分界點，采空區(qū)以上的巖層除受到重力作用以外，還會受到采空區(qū)前后巖區(qū)的支撐力，因此為了研究方便，將上覆巖層抽象的作為簡支梁結構。

煤層頂板的撓度和覆巖產生的垂直應力都和采空區(qū)的長度的四次方成正比，且撓度和梁的厚度的三次方成反比，通常巖層越薄，則發(fā)生彎曲的概率越大。覆巖中具有較大厚度的部分對采煤沉陷有相當重要的影響。傾角增大，會使得垂直方向上的分力變小，從而增加了切向力的大小，使上山方向的巖層存在被剪短的風險，下山方向的巖層受到擠壓力作用。

由上述分析可以確定合適的頂板撓度，但需要注意的是，通常模擬時選用的載荷都是均勻載荷，實際采煤過程中使用的多為三角形載荷。在載荷分析的過程中，將會運用到載荷分解原理、疊加原理等，在最終得出撓曲函數之后，要確定最大下沉量的位置，此時由于載荷為非均勻載荷，因而最大下沉量位置不在幾何中心，通常會向山下方向偏移。

2 單斜構造對采煤沉陷的控制理論

如果地殼的運動不均勻，板塊之間相互碰撞和擠壓，就會在縱向上產生不同的升降效果，表現(xiàn)為地殼的隆起和凹陷，從而使得地質表現(xiàn)為大區(qū)域單斜構造。一般而言，單斜構造對采煤沉陷有控制作用，在相同的開采條件下，覆巖會隨著地層傾角不同產生不同的沉陷效果。

研究時通常將煤層的傾斜角分為接近水平、緩傾斜、傾斜和急傾斜四種。在考慮地質構造和采煤沉陷二者之間的關系時，應當以煤層的埋層條件作為變量，分析地表受破壞情況。在具體研究時，主要采用力學、定性等分析方式［2］。

完成理論分析之后，就要進入數值試驗階段。首先應當盡可能將原地質情況抽象簡化為較為簡單的模型，在剖分網格時要對頂板和靠近地表巖層的網格進行垂直方向上的二次加密，具體畫網格過程中，可以將模型首先分區(qū)，然后以區(qū)為單位實現(xiàn)分層，最終把不同層的模型粘合起來。模型構建完成后，首先進行自平衡處理，然后才能模擬。

最終結果表明，采煤會使得巖層受力發(fā)生變化，所受應力將會得到重新分布。接近水平的煤層最大下沉點在采空區(qū)的中心與地表的投影處，并呈現(xiàn)出形狀規(guī)則對稱的盆形；緩傾斜煤層的最大下沉點位于偏向采空區(qū)的下山方向，盆地形狀是不對稱的；傾斜煤層的最大下沉點位置和緩傾斜煤層相似，均為下山方向，但是盆地形狀呈半地塹式箕形盆地；急傾斜煤層的最大下沉點位于采空區(qū)的上方，靠近煤層頂板的一側，盆地形狀則是半地塹式塌陷槽。采煤沉陷的垂向下沉值隨著傾斜度的增加而增加，急傾斜煤層的垂向下沉值最大。

3 褶皺構造對采煤沉陷的控制作用

通常我們依據翼間角的大小把褶皺分為平緩褶皺、開闊褶皺、閉合褶皺、等斜褶皺。為研究方便，通常按照褶皺規(guī)模不同將其分為大、中、小三類，這三類對于生產的影響有較大區(qū)別。通常小褶皺在準備階段較為常見，中型褶皺對于采煤過程影響較小，但是往往會決定采區(qū)的分布情況，大型褶皺對整個井田的劃分和開拓都有重要意義。本文研究的對象主要是中小型的褶皺構造，因為該對象對于采煤沉陷的控制作用更具研究價值。

在采煤過程中，巖體所受的力主要在于垂直的壓應力和側向的膨脹。垂直方向上受到的應力主要是壓應力，巖石受到壓縮力會在內部聚集彈性能量。彈性能量的大小和開采深度成二次方關系，一旦彈性能量釋放出來，巖體將會發(fā)生明顯的位移，并且會在地下形成開挖空間，使得應力分布得到新的平衡狀態(tài)。

褶皺形態(tài)與最大下沉量密切相關，根據“背斜構造”的力學模型分析，能夠發(fā)現(xiàn)水平力的產生使得彎矩減小，由此可以得出拱受力大于梁受力的結論。為了使“背斜拱”保持穩(wěn)定，應當首先確保拱腳是穩(wěn)定的，拱的軸線在力學模型中為拋物線，“背斜拱”的穩(wěn)定性很大程度取決于采空區(qū)的結構參數，以及覆巖上的載荷大小。褶皺的構造可以簡化為兩個單斜構造的簡單組合，因此最大下沉點的確定會更加困難。為了便于數值試驗的進行，模型的建立使用了FLAC，模型分為背斜模型M5和向斜模型M6兩種，M5和M6的劃分過程、尺寸等幾乎一致，唯一差別在于巖層的彎曲方向。以兩種模型的翼間角作為變量，可以分別得到8個模型。

完成8個背斜構造模型的模擬后，發(fā)現(xiàn)開采狀況相同時，最大下沉量和翼間角是成正相關的，與地表沉陷的盆地范圍呈負相關，即隨著翼間角的增大，地表下沉量也會增大。但是二者的依變關系不成簡單的線性或二次函數關系，需要依據線性回歸進行分析。向斜構造煤層在開采時地表最大下沉量最大，水平煤層的最大下沉量次之，背斜構造開采的最大地表下沉量則是最小的。因此，只有保證開采條件不變，背斜構造會隨著翼間角的減小，具備不斷減小的地表下沉量［3］。

4 其他地質構造對采煤深陷的控制作用

節(jié)理和斷層也是重要的地質構造參數，對于采煤沉陷的控制作用也不盡相同。其中斷層對于巖層的連續(xù)性不利，這無疑使巖石的強度被削弱，應力集中更加明了。如果節(jié)理發(fā)育情況良好，則采煤深陷狀況也較嚴重，地表的最大沉陷值隨之提高，表明水平節(jié)理并非會產生明顯的地表下沉。隨著斷層的傾斜角增加，地表位移量會大大增加。

5 結語

地質構造對于采煤沉陷有重要的控制作用，其中煤層傾角、褶皺構造、節(jié)理的發(fā)育以及斷層的控制作用最為明顯。給出了若干分析方法，并指出建模時可能出現(xiàn)的問題。這些地質構造參數都與最大下沉量呈一定關系，只有全面的把握其規(guī)律，才能有效緩解采煤沉陷所帶來的生態(tài)污染和土地資源浪費等現(xiàn)象。

［1］ 李曉軍.采煤沉陷控制中構造壓力與節(jié)理耦合的作用分析［J］.科技風，2011（17）：106.

［2］ 白紅梅.地質構造對采煤沉陷的控制作用研究［D］.西安：西安科技大學，2006.

［3］ 馬智.論地質構造對采煤沉陷的影響［J］.黑龍江科技信息，2010（16）：4－6.