王 鵬
(山西焦煤西山煤電西曲礦工程一隊(duì) ,山西 古交 030200)
陷落柱是分布在我國華北煤田中的一種特殊的地質(zhì)構(gòu)造,陷落柱的存在一方面破壞了煤炭資源,使資源大量浪費(fèi),另一方面,陷落柱可能溝通地下含水層,增加工作面突水的危險性,給礦井安全生產(chǎn)帶來巨大的隱患。在西山煤田,巖溶陷落柱較為發(fā)育,是影響礦井正常生產(chǎn)的一種常見的地質(zhì)構(gòu)造。西銘礦屬于西山煤電旗下主力礦井,受井田范圍內(nèi)的陷落柱影響,礦井生產(chǎn)受到了較大的影響,局部區(qū)域陷落柱極為發(fā)育,導(dǎo)致礦井巷道難以正常布置,甚至在部分采區(qū)被迫采用刀柱式開采,嚴(yán)重制約了礦井的生產(chǎn)能力,也對工作面生產(chǎn)安全造成了一定影響[1-2]。本文以西銘礦實(shí)際地質(zhì)條件為背景,分析井田內(nèi)陷落柱的分布規(guī)律,并研究其形成的力學(xué)機(jī)理。
西銘礦位于山西省太原市附近,井田面積約為56km2,其中南北長度約為4km,東西長度約17km。礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為360萬t/a,主采煤層包括2#、3#、8#和9#煤層,是西山煤電旗下的現(xiàn)代化大型礦井。
西銘礦處于整個西山井田的東北部,井田范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較為發(fā)育,目前,已經(jīng)揭露落差超過1m的斷層就有600多條,其中,落差超過5m的大斷層就有30多條,對礦井生產(chǎn)造成了一定影響。而井田內(nèi)陷落柱也十分發(fā)育,僅就8號煤層而言,目前已揭露的陷落柱就有900多個,其中,最小的陷落柱面積為4.8m2,最大的可達(dá) 32151m2。
對于陷落柱的形成機(jī)理,目前在我國已基本形成統(tǒng)一認(rèn)識,即陷落柱是由可溶性巖溶洞發(fā)育而成。
在地下水作用下,可溶性巖層(一般為石灰?guī)r)被逐漸溶解,形成溶洞,溶洞頂板進(jìn)一步破壞,形成陷落柱,下面,主要分析溶洞受力破壞的這一過程。
可溶性巖溶洞的形狀一般多為圓形或者橢圓形,因此,我們可以將溶洞簡化為四周固支的圓形薄板,簡化溶洞的受力模型,將溶洞頂板所受壓力視為均布載荷,根據(jù)圓形薄板理論,薄板任意一點(diǎn)所受的應(yīng)力值為:
式中:σr為該點(diǎn)所受的徑向應(yīng)力,MPa;σθ為該點(diǎn)所受的切向應(yīng)力,MPa;τrz為該點(diǎn)所受的剪應(yīng)力,MPa;q為溶洞頂板所受的均布載荷,MPa;z為該點(diǎn)距離中面的距離,m;hb為薄板的厚度,m;a為薄板的直徑,m;r為該點(diǎn)至圓心的距離,m;v為巖層泊松比。
通過式(1)~(3)可知,薄板所受切應(yīng)力與該點(diǎn)距離圓心的距離有關(guān),因此,在溶洞邊緣處,即r=a時,所受剪應(yīng)力達(dá)到最大值,而通過分析井下應(yīng)力和切向應(yīng)力值,溶洞內(nèi)所受的最大拉應(yīng)力也在邊緣處出現(xiàn),而對于巖層而言,通常為受拉破壞,因此,下面對溶洞邊緣最大拉應(yīng)力處進(jìn)行分析。
根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)表明[3-4],在陷落柱較為發(fā)育的井田,大多受多期構(gòu)造應(yīng)力影響,受構(gòu)造應(yīng)力影響,井田內(nèi)形成大量節(jié)理,且應(yīng)力方向不同,導(dǎo)致節(jié)理方向也不相同,尤其在向斜或者斷層帶附近,層理發(fā)育較為集中,是形成陷落柱的主要區(qū)域。
因此,對于溶洞頂板處,節(jié)理較為發(fā)育,通過斷裂力學(xué)的方法,對溶洞邊緣的受力分析,認(rèn)為在溶洞下表面邊緣處,與圓周相切的節(jié)理處所受的拉應(yīng)力應(yīng)為最大,裂紋擴(kuò)展最容易,而裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子為
式中:K1為裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子;為裂紋表面所受的拉應(yīng)力,MPa,近似于圓板邊緣所受的軸向應(yīng)力;l1為裂紋的長度的二分之一,m。
當(dāng)裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子大于巖層斷裂韌度時,裂紋擴(kuò)展,溶洞頂板受到破壞。
隨著溶洞頂板裂紋擴(kuò)展范圍不斷增加,相互貫通,在頂板邊緣形成一個圓形斷裂帶,同時,裂紋也不斷向著頂板上部擴(kuò)展,擴(kuò)展至一定距離后,由裂紋破壞形成一個圓柱形的巖塊,其形成過程如圖1所示。
圖1 圓柱形巖塊形成過程
圖2 圓柱形巖塊受力模型
由圖1可以看出,裂紋由AB面向CD面延伸,形成圓柱形巖塊,巖塊下沉分離,導(dǎo)致溶洞頂板坍塌。根據(jù)極限平衡理論,設(shè)溶洞頂板巖層厚度為b,溶洞頂板周長為l,溶洞頂板上覆巖層厚度為h,建立受力模型如圖2所示。
此時,巖塊所受的垂直地應(yīng)力為:
式中:σz為垂直地應(yīng)力,MPa;γ為上覆巖層平均容重,MN/m3;h 為上覆巖層厚度,m。所受水平應(yīng)力為
式中:σn為垂直地應(yīng)力,MPa;λ 為測壓系數(shù);其余符號含義與前面相同。
巖塊邊界處所受的極限剪應(yīng)力滿足:
式中:τj為極限剪應(yīng)力,MPa;C為裂隙間的內(nèi)聚力,MPa;φ為內(nèi)摩擦角,°;其余符號含義與前面相同。
對上式進(jìn)行積分,求得邊界面上的抗剪力為:
式中:Q為極限抗剪力,MN;l為溶洞頂板周長,m;b為頂板巖層厚度,m;其余符號含義與前面相同。
該圓柱形巖塊所受載荷為:
式中:P為巖塊所受載荷,MN;P0為地下水對巖塊的作用面力,MPa;s為巖塊截面積,m2;其余符號含義與前面相同。
當(dāng)巖塊所受載荷P大于巖塊極限抗剪力Q時,溶洞上部頂板圓柱形巖塊分離下沉,溶洞頂板開始坍塌,形成陷落柱,陷落柱由下至上不斷擴(kuò)展,直至地下水流作用發(fā)生變化或遇到一層硬巖,巖層抗剪性較好,陷落柱停止向上擴(kuò)展,否則,一直發(fā)展至地表。
前面對陷落柱形成的力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)分析,下面根據(jù)西銘礦實(shí)際條件,對陷落柱形態(tài)特點(diǎn)和分布規(guī)律進(jìn)行研究,
西銘礦目前已經(jīng)揭露的陷落柱超過1000個,其中最小的陷落柱面積為4.8m2,最大的可達(dá)32151m2,陷落柱截面形狀也以圓形和橢圓形為主。西銘礦的陷落柱分布圖如圖3所示。
圖3 西銘礦陷落柱分布圖
西銘礦陷落柱發(fā)育程度不一,但大多為隱伏陷落柱,僅發(fā)育至最下組的煤系地層中,少數(shù)陷落柱發(fā)育較好,可直至地表。陷落柱長軸直徑最小僅為3.0m,最大可至251m,平均為28m,陷落柱短軸最小僅為2.0m,最大為163m,平均21m。
陷落柱附近多數(shù)存在伴生斷層,斷層大多出現(xiàn)在陷落柱10~30m處,最遠(yuǎn)不超過50m,且伴生斷層落差一般較小,大多小于2.0m。西銘井田內(nèi)的陷落柱導(dǎo)水性較差,礦井至今未發(fā)生過底板陷落柱突水事故,陷落柱內(nèi)大多不含水,部分含有少量水,對底板突水的影響不大。
研究陷落柱的分布規(guī)律為合理預(yù)測為揭露的陷落柱位置有著十分重要的作用。
西銘礦陷落柱呈條帶狀分布,在與杜兒坪礦交界處分布十分密集,且根據(jù)已經(jīng)揭露的陷落柱分布情況來看,上組2、3號煤層和下組8、9號煤層的陷落柱分布區(qū)域十分接近,但由于陷落柱由下至上的發(fā)育特點(diǎn),下組煤的陷落柱密度明顯高于上組煤,即上組煤陷落柱分布密度較大時,下組煤陷落柱分布密度也較大,甚至更大,上組煤陷落柱分布密度較小時,下組煤陷落柱分布密度同樣減小。
因此,在實(shí)際生產(chǎn)中,我們可以通過上組已揭露陷落柱的分布規(guī)律和密度,來大致預(yù)測下組煤中的下組煤中的陷落柱分布規(guī)律,為下組煤開采時工作面布置提供借鑒意義。
陷落柱是西山井田中一種常見的地質(zhì)構(gòu)造,在西銘礦內(nèi)較為發(fā)育,本文通過收集實(shí)測數(shù)據(jù)并結(jié)合理論分析,得到以下結(jié)論:
1)根據(jù)斷裂力學(xué)和極限平衡理論,簡化溶洞受力情況,分析陷落柱形成的力學(xué)機(jī)理;
2)根據(jù)西銘礦實(shí)際地質(zhì)條件,對礦井范圍內(nèi)陷落柱形態(tài)特點(diǎn)和分布規(guī)律進(jìn)行分析研究,為合理預(yù)測未揭露的陷落柱位置提供合理建議。