姚榮勝

（山西省煤炭工業(yè)廳煤炭資源地質(zhì)局，山西 太原 030045）

引言

煤炭的開(kāi)采關(guān)乎人類的正常生活，只有提高開(kāi)采效率才能帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。與此同時(shí)，如果采煤沉陷嚴(yán)重，還會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成不可恢復(fù)的破壞，影響附近居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。不同礦區(qū)往往呈現(xiàn)出不同的地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)，這便加大了采煤沉陷的研究難度。以往很少有關(guān)于地質(zhì)構(gòu)造對(duì)采煤沉陷控制作用的研究，鑒于此，將針對(duì)采煤沉陷的發(fā)生規(guī)律以及地質(zhì)構(gòu)造對(duì)其的影響進(jìn)行分析，對(duì)保護(hù)土地資源和生態(tài)環(huán)境有重要指導(dǎo)意義。

1 采煤沉陷研究基礎(chǔ)理論

采煤沉陷研究是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，為了提高研究的準(zhǔn)確性和可操作性，數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、力學(xué)等學(xué)科的最新研究方法均要運(yùn)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(dòng)及變形的預(yù)計(jì)公式、導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算公式、巖體內(nèi)部移動(dòng)計(jì)算式、動(dòng)態(tài)預(yù)計(jì)模型等，使研究有據(jù)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(huì)在垂直方向發(fā)生彎曲，頂板冒落的巖石將會(huì)填充采空區(qū)，直至冒落過(guò)程結(jié)束。傾斜煤層則不僅會(huì)在垂直方向出現(xiàn)崩落現(xiàn)象，在切線方向也會(huì)發(fā)生巖層的位移，一旦巖石到達(dá)采空區(qū)的底板，俯視觀察會(huì)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(huì)以懸臂梁的彎曲形式發(fā)生位移，進(jìn)行采煤作業(yè)后，不同的巖層都會(huì)不同程度地發(fā)生錯(cuò)位移動(dòng)，使巖層呈現(xiàn)為臺(tái)階狀，這種情況下覆巖的破壞方向?yàn)橥仙椒较蛞苿?dòng)，整個(gè)冒落帶為橢圓形［1］。

1.2 力學(xué)分析

根據(jù)力學(xué)知識(shí)可知煤層采空后，巖層受力情況以采空區(qū)作為分界點(diǎn)，采空區(qū)以上的巖層除受到重力作用以外，還會(huì)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(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)。

煤層頂板的撓度和覆巖產(chǎn)生的垂直應(yīng)力都和采空區(qū)的長(zhǎng)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(duì)采煤沉陷有相當(dāng)重要的影響。傾角增大，會(huì)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(fēng)險(xiǎn)，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(shí)選用的載荷都是均勻載荷，實(shí)際采煤過(guò)程中使用的多為三角形載荷。在載荷分析的過(guò)程中，將會(huì)運(yùn)用到載荷分解原理、疊加原理等，在最終得出撓曲函數(shù)之后，要確定最大下沉量的位置，此時(shí)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(huì)向山下方向偏移。

2 單斜構(gòu)造對(duì)采煤沉陷的控制理論

如果地殼的運(yùn)動(dòng)不均勻，板塊之間相互碰撞和擠壓，就會(huì)在縱向上產(chǎn)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(zhì)表現(xiàn)為大區(qū)域單斜構(gòu)造。一般而言，單斜構(gòu)造對(duì)采煤沉陷有控制作用，在相同的開(kāi)采條件下，覆巖會(huì)隨著地層傾角不同產(chǎn)生不同的沉陷效果。

研究時(shí)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(zhì)構(gòu)造和采煤沉陷二者之間的關(guān)系時(shí)，應(yīng)當(dāng)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(shí)，主要采用力學(xué)、定性等分析方式［2］。

完成理論分析之后，就要進(jìn)入數(shù)值試驗(yàn)階段。首先應(yīng)當(dāng)盡可能將原地質(zhì)情況抽象簡(jiǎn)化為較為簡(jiǎn)單的模型，在剖分網(wǎng)格時(shí)要對(duì)頂板和靠近地表巖層的網(wǎng)格進(jìn)行垂直方向上的二次加密，具體畫(huà)網(wǎng)格過(guò)程中，可以將模型首先分區(qū)，然后以區(qū)為單位實(shí)現(xiàn)分層，最終把不同層的模型粘合起來(lái)。模型構(gòu)建完成后，首先進(jìn)行自平衡處理，然后才能模擬。

最終結(jié)果表明，采煤會(huì)使得巖層受力發(fā)生變化，所受應(yīng)力將會(huì)得到重新分布。接近水平的煤層最大下沉點(diǎn)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(duì)稱的盆形；緩傾斜煤層的最大下沉點(diǎn)位于偏向采空區(qū)的下山方向，盆地形狀是不對(duì)稱的；傾斜煤層的最大下沉點(diǎn)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(diǎn)位于采空區(qū)的上方，靠近煤層頂板的一側(cè)，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(gòu)造對(duì)采煤沉陷的控制作用

通常我們依據(jù)翼間角的大小把褶皺分為平緩褶皺、開(kāi)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(duì)于生產(chǎn)的影響有較大區(qū)別。通常小褶皺在準(zhǔn)備階段較為常見(jiàn)，中型褶皺對(duì)于采煤過(guò)程影響較小，但是往往會(huì)決定采區(qū)的分布情況，大型褶皺對(duì)整個(gè)井田的劃分和開(kāi)拓都有重要意義。本文研究的對(duì)象主要是中小型的褶皺構(gòu)造，因?yàn)樵搶?duì)象對(duì)于采煤沉陷的控制作用更具研究?jī)r(jià)值。

在采煤過(guò)程中，巖體所受的力主要在于垂直的壓應(yīng)力和側(cè)向的膨脹。垂直方向上受到的應(yīng)力主要是壓應(yīng)力，巖石受到壓縮力會(huì)在內(nèi)部聚集彈性能量。彈性能量的大小和開(kāi)采深度成二次方關(guān)系，一旦彈性能量釋放出來(lái)，巖體將會(huì)發(fā)生明顯的位移，并且會(huì)在地下形成開(kāi)挖空間，使得應(yīng)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(guān)，根據(jù)“背斜構(gòu)造”的力學(xué)模型分析，能夠發(fā)現(xiàn)水平力的產(chǎn)生使得彎矩減小，由此可以得出拱受力大于梁受力的結(jié)論。為了使“背斜拱”保持穩(wěn)定，應(yīng)當(dāng)首先確保拱腳是穩(wěn)定的，拱的軸線在力學(xué)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(jié)構(gòu)參數(shù)，以及覆巖上的載荷大小。褶皺的構(gòu)造可以簡(jiǎn)化為兩個(gè)單斜構(gòu)造的簡(jiǎn)單組合，因此最大下沉點(diǎn)的確定會(huì)更加困難。為了便于數(shù)值試驗(yàn)的進(jìn)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(guò)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(gè)模型。

完成8個(gè)背斜構(gòu)造模型的模擬后，發(fā)現(xiàn)開(kāi)采狀況相同時(shí)，最大下沉量和翼間角是成正相關(guān)的，與地表沉陷的盆地范圍呈負(fù)相關(guān)，即隨著翼間角的增大，地表下沉量也會(huì)增大。但是二者的依變關(guān)系不成簡(jiǎn)單的線性或二次函數(shù)關(guān)系，需要依據(jù)線性回歸進(jìn)行分析。向斜構(gòu)造煤層在開(kāi)采時(shí)地表最大下沉量最大，水平煤層的最大下沉量次之，背斜構(gòu)造開(kāi)采的最大地表下沉量則是最小的。因此，只有保證開(kāi)采條件不變，背斜構(gòu)造會(huì)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(zhì)構(gòu)造對(duì)采煤深陷的控制作用

節(jié)理和斷層也是重要的地質(zhì)構(gòu)造參數(shù)，對(duì)于采煤沉陷的控制作用也不盡相同。其中斷層對(duì)于巖層的連續(xù)性不利，這無(wú)疑使巖石的強(qiáng)度被削弱，應(yīng)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(yán)重，地表的最大沉陷值隨之提高，表明水平節(jié)理并非會(huì)產(chǎn)生明顯的地表下沉。隨著斷層的傾斜角增加，地表位移量會(huì)大大增加。

5 結(jié)語(yǔ)

地質(zhì)構(gòu)造對(duì)于采煤沉陷有重要的控制作用，其中煤層傾角、褶皺構(gòu)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(shí)可能出現(xiàn)的問(wèn)題。這些地質(zhì)構(gòu)造參數(shù)都與最大下沉量呈一定關(guān)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(lái)的生態(tài)污染和土地資源浪費(fèi)等現(xiàn)象。

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

［2］ 白紅梅.地質(zhì)構(gòu)造對(duì)采煤沉陷的控制作用研究［D］.西安：西安科技大學(xué)，2006.

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