王創(chuàng)業(yè)，岳 明

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院, 內(nèi)蒙古 包頭市 014010)

神東礦區(qū)在資源開發(fā)過程中出現(xiàn)了一些環(huán)境問題：地表沉陷破壞，地下水流失造成的植被破壞以及土地荒漠化。這些問題嚴(yán)重阻礙著礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。神東礦區(qū)具有煤層厚度大、埋藏淺、薄基巖、松散沙層厚等特點(diǎn)，開采沉陷損害具有一定的特殊性，關(guān)于此種條件下的開采損害問題研究具有重要意義。

1 礦區(qū)地質(zhì)及開采損害概況

神東礦區(qū)煤層賦存穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造簡單，斷層發(fā)育較少。礦區(qū)干旱少雨，多風(fēng)沙，地表植被稀疏。本文研究的12407工作面所在煤層為1-2煤，位于補(bǔ)連塔井田四盤區(qū)，走向長度2842 m，傾斜長度300 m，圈定回采面積為854076.59 m2。煤層傾角1°～3°，煤厚4.0 m，埋藏深度196.7 m。工作面采用走向長壁后退式布置，綜采一次采全高，全部垮落法處理采空區(qū)[1]。

12407工作面在回采過程中,地面出現(xiàn)了較多的裂縫和塌陷坑。隨著采空區(qū)的持續(xù)擴(kuò)大，裂隙逐漸增多，塌陷范圍不斷擴(kuò)大，塌陷坑呈橢圓形分布，最大下沉量為2585 mm，最大下沉系數(shù)0.55。

2 地表切落式裂縫破壞分析

2.1 關(guān)鍵層破斷失穩(wěn)分析

神東礦區(qū)煤層開采引發(fā)的地表裂縫破壞及塌陷坑，是由于覆巖中關(guān)鍵層出現(xiàn)失穩(wěn)，突然切落下陷造成的，關(guān)鍵層對這種地表損害起到控制作用。關(guān)鍵層理論的提出為礦山壓力與巖層移動和地表沉陷等領(lǐng)域的研究提供了相互聯(lián)系的紐帶[2]。

因此，研究關(guān)鍵層的破斷失穩(wěn)條件是解決神東礦區(qū)開采沉陷問題的關(guān)鍵技術(shù)手段，是研究巖層移動與地表沉陷相互耦合的重要前提，可以通過控制采高的方法保證關(guān)鍵層不發(fā)生或延緩發(fā)生破斷失穩(wěn)現(xiàn)象，進(jìn)而減輕地表沉陷損害。

2.2 關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

工作面頂板結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)造成臺階下沉。因此，防止老頂關(guān)鍵塊滑落失穩(wěn)是保證關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要條件，也是實(shí)現(xiàn)控制地表切落式裂縫破壞的關(guān)鍵因素。老頂關(guān)鍵塊不出現(xiàn)滑落失穩(wěn)的最大下沉量(Δ) 近似表示為[3]:

Δ=lzsinθ1

(1)

式中:lz—未考慮墊層作用的關(guān)鍵層周期破斷距,m；

θ1—老頂關(guān)鍵塊的初始回轉(zhuǎn)角,θ1<4°。

老頂關(guān)鍵塊允許的下沉量(w)為：

w=m-[mf+(kp-1)>∑h]

(2)

式中：m—開采高度,m；

mf—采空區(qū)有效充填厚度,m；

kp—直接頂碎脹系數(shù)；

∑h—直接頂厚度,m。

根據(jù)補(bǔ)連塔礦12407工作面實(shí)際工作條件計(jì)算，老頂關(guān)鍵塊不出現(xiàn)滑落失穩(wěn)的最大采高應(yīng)不大于2.05 m，即m-mf≤2.05 m。

3 關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定條件的FLAC3D數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

計(jì)算模型以補(bǔ)連塔礦12407工作面地質(zhì)條件為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行構(gòu)建。走向上，長度取100 m，同時(shí)兩邊各加300 m邊界影響區(qū)域共700 m；傾向上，長度取300 m，同時(shí)兩邊各加300 m邊界影響區(qū)域共900 m；傾角取0°，按水平煤層考慮；垂直方向上按各煤巖層實(shí)際厚度進(jìn)行模擬。模型長×寬×高為0.7 km×0.9 km×0.2 km，共計(jì)126000個(gè)單元，134261個(gè)節(jié)點(diǎn)。三維模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

采用Mohr-Coulomb塑性本構(gòu)模型,對各巖層進(jìn)行煤巖物理力學(xué)參數(shù)賦值。分別對采高2 m和4 m的模型，進(jìn)行分步開挖。工作面每推進(jìn)10 m進(jìn)行一次運(yùn)算,分10步開挖完畢。經(jīng)計(jì)算得出，補(bǔ)連塔礦12407工作面頂板之上的關(guān)鍵層為厚度4.66 m的中粒砂巖,位于煤層上方16.08 m處，破斷的依據(jù)為拉破壞。

3.2 關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定條件的FLAC3D數(shù)值模擬分析

圖2 采高4 m時(shí)關(guān)鍵層初次破斷的應(yīng)力分布

對圖2進(jìn)行分析：采高4 m時(shí)，當(dāng)工作面推進(jìn)到60 m，采空區(qū)上方直接頂?shù)膽?yīng)力σ=0.5 MPa(正號表示受拉應(yīng)力作用)，表明直接頂已經(jīng)發(fā)生破壞；關(guān)鍵層中最大拉應(yīng)力σ=1.2 MPa，表明關(guān)鍵層即將發(fā)生破斷，破斷距60 m。關(guān)鍵層破斷的應(yīng)力分布(圖2)，證實(shí)了隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)上方頂板裂縫持續(xù)擴(kuò)展，當(dāng)關(guān)鍵層破斷時(shí)，裂縫貫通，出現(xiàn)大范圍冒落。

圖3 采高2 m時(shí)覆巖的應(yīng)力分布

對圖3進(jìn)行分析：采高2 m時(shí)，當(dāng)工作面推進(jìn)到60 m，采空區(qū)上方直接頂?shù)膽?yīng)力σ=0.5 MPa(正號表示受拉應(yīng)力作用)，表明直接頂已發(fā)生破壞；然而關(guān)鍵層的應(yīng)力σ=-0.5 MPa(負(fù)號表示受壓應(yīng)力作用)，表明關(guān)鍵層并未失穩(wěn)，還具有承載能力。覆巖的應(yīng)力分布(圖3)，證實(shí)了當(dāng)采高減小時(shí)，直接頂冒落產(chǎn)生的破碎巖塊起到了充填作用，使關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)不會立刻發(fā)生失穩(wěn)，從而避免地表出現(xiàn)裂縫破壞。

模擬結(jié)果表明：由于拉破壞為關(guān)鍵層的破壞形式，故限高開采(分層開采)可以較好的控制關(guān)鍵層不發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，從而避免地表出現(xiàn)切落式裂縫破壞。

4 地表損害控制方法

神東礦區(qū)特殊地質(zhì)條件下可以采取相應(yīng)的控制措施以減輕地表損害程度[4-7]。

4.1 限高開采

神東礦區(qū)具有薄基巖，松散沙層厚的特點(diǎn)，而且一次采全高的采煤方法對地表損害較為嚴(yán)重。數(shù)值模擬結(jié)果表明：對于12407工作面，采高4 m時(shí)，當(dāng)工作面推進(jìn)到60 m，關(guān)鍵層出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，將要發(fā)生破斷；采高2 m時(shí)，當(dāng)工作面推進(jìn)到60 m，關(guān)鍵層仍沒有出現(xiàn)失穩(wěn)。因此，神東礦區(qū)實(shí)施分層開采能有效地控制地表切落式破壞。方案為：先開采第一分層，覆巖穩(wěn)定之后，開采第二分層，分層厚度為2 m。實(shí)踐結(jié)果表明：此種控制開采的方法能較好地減輕地表破壞。

4.2 覆巖離層帶注漿充填減沉方法

現(xiàn)如今，一些專家提出了一種新的沉陷控制方法，即覆巖離層帶注漿充填減沉措施。通過對采空區(qū)上覆巖層中形成的離層空間進(jìn)行注漿充填，從而阻止地表切落下沉。由于離層注漿時(shí)對離層裂縫的發(fā)育情況難以掌握，而且注漿工藝復(fù)雜，故大面積煤層開采下實(shí)施的地表減沉技術(shù)還未應(yīng)用于實(shí)踐。

4.3 二次條帶式開采沉陷控制方法

由于關(guān)鍵層破斷導(dǎo)致地表下沉量突然增大，故可將關(guān)鍵層不發(fā)生破斷失穩(wěn)作為開采沉陷控制的原則。

根據(jù)荷載置換原理，一些專家提出了條帶開采-注漿充填固結(jié)采空區(qū)-剩余條帶開采的三步法(二次條帶式)開采沉陷控制的新思路[8]。這種方法主要利用關(guān)鍵層進(jìn)行覆巖控制，不干涉開采工作。根據(jù)關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)條件，從地表選擇適當(dāng)?shù)奈恢勉@孔充填或在工作面推進(jìn)過程中，運(yùn)用局部條帶充填，以控制關(guān)鍵層，達(dá)到緩慢下沉的目的，從而避免地表切落裂縫的發(fā)生。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)采動損害現(xiàn)狀，分析了開采過程中關(guān)鍵層的破斷規(guī)律及其特點(diǎn)，結(jié)合補(bǔ)連塔礦12407工作面具體實(shí)例，對關(guān)鍵層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬，確定了關(guān)鍵層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定條件和沉陷控制方法：

(1) 限高分層開采；

(2) 覆巖離層帶注漿充填減沉方法；

(3)二次條帶式開采沉陷控制方法。

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