基于相似模擬下地表沉陷的相似理論研究

王利強(qiáng)

（大同煤礦集團(tuán)挖金灣虎龍溝煤業(yè)公司，山西大同037000）

關(guān)鍵字：地表沉陷；覆巖破壞；來(lái)壓步距；

0 引言

煤炭資源作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展必不可少的化石能源。因此，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的加速對(duì)于煤炭需求也是與日俱增，但在煤炭資源開(kāi)采過(guò)程中會(huì)對(duì)煤層上方的覆巖形成破壞，從而會(huì)影響地表使地表形成沉降破壞[1-2]。因此，根據(jù)我國(guó)煤炭安全生產(chǎn)管理原則：“安全第一、預(yù)防為主、綜合治理”和國(guó)家相關(guān)安全生產(chǎn)管理法令、法規(guī)和規(guī)程，對(duì)于煤炭生產(chǎn)中需要做到安全、高效生產(chǎn)，避免不必要的損失和破壞[3]。由此，本文采用相似模擬實(shí)驗(yàn)方法和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際考察相結(jié)合，對(duì)大同煤礦集團(tuán)恒寶源煤業(yè)有限公司煤層開(kāi)采中覆巖破壞和地表沉陷的相似理論進(jìn)行研究。

1 工程概況

恒寶源煤業(yè)有限公司隸屬大同煤礦集團(tuán)，位于山西省朔州市朔城區(qū)下團(tuán)堡鄉(xiāng)上磨石村和白家窯村一帶，煤田主要位于寧武煤田平朔礦區(qū)西部，北鄰山西朔州平魯西易黨新煤礦和中煤西沙河煤礦，東為已關(guān)閉的朔城區(qū)上磨石煤礦，南與馬營(yíng)堡井田接壤，西為露頭煤礦。該礦東距平魯-朔州二級(jí)公路8 km，距離大同-運(yùn)城二級(jí)公路10 km，東距劉家口煤炭集運(yùn)站7 km，距離朔州市區(qū)16 km，北同蒲鐵路線經(jīng)朔州市通過(guò)，目前礦井開(kāi)拓一個(gè)采區(qū)，開(kāi)拓方式為斜井開(kāi)拓，現(xiàn)主要開(kāi)采8105工作面4#煤層，采用綜采放頂煤開(kāi)采，恒寶源煤業(yè)有限公司位于寧武煤田北部，屬神頭泉水文地質(zhì)單元，礦區(qū)從上到下含水層分為：新生界孔隙含水層組、太原組砂巖裂隙含水層組、奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層組，新生界含水層組相對(duì)4#煤層較近容易影響煤層開(kāi)采。開(kāi)采工作面8105頭巷相鄰的為未開(kāi)采的8107綜采工作面，尾巷相鄰的是已經(jīng)開(kāi)采完畢且封閉的8103采空區(qū)，受8103綜采工作面開(kāi)采影響，位于上方的地表也存在不同程度的沉陷現(xiàn)象，但沉陷現(xiàn)象在治理后基本不影響8105工作面正常開(kāi)采，具體如圖1所示。

表1煤層頂、底板圍巖的巖石力學(xué)參數(shù)以及材料配比

圖1治理后8103采空區(qū)上方地表沉陷圖

2 相似模擬理論及模型布置

2.1 相似模擬理論

實(shí)驗(yàn)室相似模擬實(shí)驗(yàn)，具有實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀、實(shí)驗(yàn)周期短、條件易控制和經(jīng)濟(jì)高效的顯著優(yōu)點(diǎn)，是科學(xué)研究在自然資源開(kāi)采下覆巖破壞和地表沉降的主要方法和手段之一。在實(shí)際地下煤層開(kāi)采的過(guò)程中，上覆巖層破壞和沉降是不能及時(shí)觀察和控制的，而相似模擬實(shí)驗(yàn)在滿足幾何相似、時(shí)間相似、容重相似、等條件的情況下，可以真實(shí)的反映煤層開(kāi)采對(duì)覆巖破壞和地表沉降的真實(shí)反映[4]。

2.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及相似模型布置

在相似模擬實(shí)驗(yàn)中，需要對(duì)所涉及的巖石力學(xué)參數(shù)和相似模擬配比進(jìn)行確定，因此，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前首先需要對(duì)實(shí)驗(yàn)所需的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行查閱和確定，通過(guò)對(duì)恒寶源煤業(yè)開(kāi)采設(shè)計(jì)說(shuō)明書和以往相似模擬實(shí)驗(yàn)配比的查閱確定表1的巖石力學(xué)參數(shù)和配比數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

通過(guò)相似模擬三定律和表1所要研究的巖石力學(xué)、材料配比數(shù)據(jù)、相似模擬材料經(jīng)濟(jì)合理要求可以確定本次實(shí)驗(yàn)所需材料有細(xì)水洗沙、粘稠的石膏、云母粉、硼砂、水等。河沙和石膏是本次實(shí)驗(yàn)中所需最多的材料，其中河沙是骨料，起支撐作用，石膏是起凝結(jié)作用的，云母粉是起分層作用的，硼砂是對(duì)混合骨料進(jìn)行緩凝作用的，水是對(duì)混合物進(jìn)行混合攪拌的。

根據(jù)相似模擬三定律中的第一定律，兩個(gè)研究對(duì)象各自對(duì)應(yīng)的物理量之比，稱為“相似常數(shù)”可以確定本次實(shí)驗(yàn)所需的相似常數(shù)為200、容量相似常數(shù)為1.5，因?yàn)槲灰葡嗨瞥?shù)和實(shí)驗(yàn)所需相似常數(shù)值是相同的，所以本次實(shí)驗(yàn)地表沉降的位移相似常數(shù)也為200。

根據(jù)本次相似模擬實(shí)驗(yàn)室條件確定本次相似采用二維相似模擬試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)長(zhǎng)為180 cm（360 m）、寬為20 cm（40 m）、高為100 cm（200 m），地表沉降采用模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)和全站儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)目較多和所要研究的地表沉降需求，特選取模型上部6排監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)地表沉降進(jìn)行研究，測(cè)點(diǎn)從下到上分別為第一排，依次往下，具體布置如下圖2所示。

圖2模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒删蚋矌r破壞狀況及地表沉降分析

為使實(shí)驗(yàn)效果和實(shí)際工程開(kāi)采情況相似，因此需要在模型右側(cè)進(jìn)行切眼，并且留有足夠長(zhǎng)度的保護(hù)煤柱，保護(hù)煤柱長(zhǎng)度為30 cm（60 m）從而消除邊界效應(yīng)。模型設(shè)計(jì)從右側(cè)開(kāi)切眼處向左開(kāi)采，每次開(kāi)采長(zhǎng)度為2 cm（4 m）。

從模型工作面右側(cè)逐步向工作面左側(cè)進(jìn)行開(kāi)采，在開(kāi)采初期由于采掘工作面開(kāi)采強(qiáng)度較小，采空區(qū)上方頂板基本不發(fā)生離層破壞狀況，隨著采掘強(qiáng)度和采掘工作面不斷向左推進(jìn)至16 cm（32 m）時(shí)，發(fā)生第一次來(lái)壓現(xiàn)象，并且在上層頂板垮落下?tīng)縿?dòng)上層頂板發(fā)生離層破壞現(xiàn)象，離層現(xiàn)象比較明顯，如圖3所示。

圖3第一次來(lái)壓及頂板離層破壞圖

在第一次來(lái)壓之后，隨著工作面繼續(xù)向左推進(jìn)，采空區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，上方頂板離層破壞不斷加大，并且伴隨沉降現(xiàn)象垮落現(xiàn)象發(fā)生，在工作面推進(jìn)至停采線120 cm（240 m）時(shí)，整個(gè)開(kāi)采過(guò)程發(fā)生8次來(lái)壓現(xiàn)象，平均來(lái)壓步距15.25 cm（30.5 m），形成垮落角分別為左55。，右58。。

圖4工作面推進(jìn)至120 cm沉降圖

通過(guò)上圖4工作面推進(jìn)至120 cm沉降圖可以看出，位于采空區(qū)頂板的第一排監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降系數(shù)最大，最大沉降值為3 cm（6 m）左右，沉降系數(shù)依次往上逐步縮小，當(dāng)采掘停止后位于模型最上部的第六排監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降是最小的，這是因?yàn)槭芟虏扛矌r沉降壓實(shí)支撐影響，從而控制了地表沉降，最大沉降區(qū)域的沉降值為0.5 cm（1 m）左右，具體沉降如圖5、6所示。

圖5模型地表沉降圖

圖6礦山實(shí)際地表沉降圖

通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及地表沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，在本次相似模擬實(shí)驗(yàn)中由于實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)室條件所限，實(shí)驗(yàn)效果有待改善和提高，但總體還是達(dá)到了所想取得的效果，在相似模擬實(shí)驗(yàn)中最終地表沉降系數(shù)為0.5 cm（1 m）左右，沉降范圍相對(duì)較小，而在礦山實(shí)際開(kāi)采中，地表沉降范圍較大，而且各沉降值大小也是不同的，但總體而言實(shí)際工程的沉降值也在1 m左右，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相接近，由此可以推斷出對(duì)于開(kāi)采沉陷研究相似模擬實(shí)驗(yàn)是符合客觀條件的。

4 結(jié)論

(1)在本次實(shí)驗(yàn)中，采掘工作面開(kāi)采至16 cm（32 m），發(fā)生第一次來(lái)壓現(xiàn)象，且伴隨上部頂板離層發(fā)育。

(2)當(dāng)工作面開(kāi)采至120 cm（240 m）時(shí)，共發(fā)生8次來(lái)壓現(xiàn)象，平均來(lái)壓步距15.25 cm（30.5 m），形成垮落角分別為左55。，右58。。

(3)當(dāng)工作面開(kāi)采至120 cm（240 m）時(shí)，模型最大沉降區(qū)域位于煤層上方第一條監(jiān)測(cè)線，最大沉降值為3 cm（6 m）左右，地表最大沉降值為0.5 cm（1 m）左右，與實(shí)際地表沉降相符。