張 磊，魯 杰

(1.山西大同大學 建筑與測繪工程學院，山西 大同 037003；2.山西大同大學 煤炭工程學院，山西 大同 037003)

我國作為世界人口最多，資源消耗量最大的國家，煤炭資源更是占總的資源消耗量的一半以上，因此煤炭資源在國民經(jīng)濟和國家發(fā)展中有重要作用，而煤炭資源占比較大的地區(qū)就是北方黃土覆蓋地區(qū)。黃土覆蓋地區(qū)地形起伏比較大，節(jié)理發(fā)育不規(guī)則，在煤炭資源開采中往往會形成不同的災害影響[1]。近些年來大規(guī)模煤炭資源的開采所引起的地表沉降對居民生活和生態(tài)嚴重破壞已逐步影響到了下一步的煤炭資源開采和國家經(jīng)濟發(fā)展[2-3]，因此本文應用相似模擬實驗和數(shù)值模擬實驗，以山西省同煤集團麻家梁煤礦井工開采對地表沉降為研究對象，綜合分析，所得結(jié)果可為今后的礦山實踐和安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 工程概況

麻家梁礦作為山西省同煤集團最大的立井，也是同煤集團11個千萬噸礦井之一，井田南北大概有12km之長，東西約長8km，井田總的面積約為104.16km2，礦井年產(chǎn)量設(shè)計為12Mt，最大服務年限約為85a。

麻家梁井田位于山西省朔州市南，距朔州市區(qū)約為10km，煤層主要為山西組和石炭系太原組，一共可采煤層有8層，其中主要可采煤層為4號、9號煤層，煤層平均厚度為6.32m和11.15m，煤種為中灰、低硫、低磷的動力煤，煤層所含瓦斯比較少，十分便于開采。但是隨著煤層逐步向前開采，由于采空區(qū)覆巖的垮落逐步對地表形成影響使地表形成沉降，因此本文采用相似模擬實驗和數(shù)值模擬實驗對4號煤層開采狀況下麻家梁煤礦黃土覆蓋區(qū)域的沉陷進行研究。

2 數(shù)值模擬開采及結(jié)果分析

2.1 數(shù)值模擬模型的建立

通過大量實例論證和對麻家梁礦的現(xiàn)場勘察及表1的物理力學數(shù)據(jù)，確立模型長、寬、高分別為460m，280m，216m。模型四周采用邊界約束條件，頂面采用自由邊界。模型每次開采長度為20m，高為11m，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，在模型表面每隔20m處設(shè)置1個沉降監(jiān)測點，共布置13個監(jiān)測點對地表沉降進行監(jiān)測。

2.2 井工開采及結(jié)果分析

根據(jù)對以往井工開采地表沉降研究成果的總結(jié)，本次實驗需從模型后方向前50m處進行開切眼布置，模型從后方開切眼處每次向前方掘進20m，由圖1模型各監(jiān)測點沉降曲線可以看出，在井工開采初期布置于模型表面的各監(jiān)測點不受來自開采的影響，地表沒有發(fā)生沉降。但隨著井采擾動強度的持續(xù)加大，當采掘工作面推進到60m時，位于采空區(qū)正上方的地表逐步受到來自采空區(qū)垮落的影響，監(jiān)測點逐步發(fā)生沉降變化，但沉降值微??；當井采工作面繼續(xù)向前，采空區(qū)覆巖垮落范圍不斷加大，其地表沉降呈線性增大趨勢，其位于采空區(qū)中心區(qū)域的監(jiān)測點沉降變化更加明顯，兩邊監(jiān)測點變化則比較緩慢；當井采工作面推進到380m時，其地表沉降在采空區(qū)上覆巖層的破壞下沉降基本已經(jīng)達到最大限度，地表最大沉降值為12.5m左右，且其沉降向四周發(fā)展，逐步形成盆地形狀。

表1 巖土體物理力學指標

注：每1000步為井工開采20m圖1 模型各監(jiān)測點沉降曲線

3 相似模擬實驗布置、開采及結(jié)果分析

3.1 實驗布置

根據(jù)對麻家梁礦所取巖樣的分析和總結(jié)，得出表2的巖層力學參數(shù)和相似模擬配比數(shù)據(jù)。

表2 煤層巖石材料配比

由表2可知，本次實驗所需的材料有河沙、石膏、碳酸鈣、云母粉及硼砂。而作為本次實驗骨料的是河沙，膠結(jié)材料為石膏、蛋白粉，在實驗中云母粉起分層作用，硼砂起緩凝作用。待所有材料準備好之后，按表2配比數(shù)據(jù)稱重，用攪拌機進行攪拌后，進行人工鋪裝，然后用鐵板均勻進行壓實,以此反復直到模型全部鋪裝完成為止。待模型鋪裝完成后，等待5d左右使模型粘結(jié)更加充分，達到相似模擬實驗所要求的預計強度后，用千斤頂進行加壓，使其壓力與礦山巖層重力達到相似。

根據(jù)相似模擬第三定律可以確定本次相似模擬實驗所要確定的相似常數(shù)為200，因位移常數(shù)和相似常數(shù)是一致的，因此本文所要確定的位移相似常數(shù)也為200，而重度相似常數(shù)則為1.5。根據(jù)實驗室已有的條件和礦山已有的開采狀況確定本文所采用的相似模擬實驗臺，長1.86m(372m)、寬為0.2m(40m)、高為2.1m(420m)。模型鋪裝結(jié)束后高為1.84m(368m)。模型沉降采用電子經(jīng)緯儀和所標定的可視物方塊監(jiān)測點進行監(jiān)測，其可視物監(jiān)測點布置如圖2所示。本次實驗選取第1排白色監(jiān)測點和第4排白色監(jiān)測點對各覆巖移動進行分析，從右向左從下到上依次為1-3，1-4，……，1-11，4-6，……4-9。

圖2 模型監(jiān)測點布置

3.2 模型開采及結(jié)果分析

3.2.1 煤層開采準備及開采過程

通過對以往的相似模擬總結(jié)可以得出，在模型開挖前，為了消除模型開挖所引起的邊界效應，都會在模型開挖處留有一定數(shù)值的長度的邊界煤柱，以保證模型開采的順利完成，由此本次相似模擬實驗在模型架右側(cè)邊界300mm(60m)處進行開切眼，每次模型開采長度為40mm(8m)，采掘高度為煤層厚度。

隨著模型開挖的進行，當井采工作面推進至200mm(40m)時，煤層上方直接頂逐步出現(xiàn)微小離層裂隙；當井采工作面開采至280mm(56m)時，煤層上方直接發(fā)生初次垮落現(xiàn)象，垮落高度為16mm(3.2m)左右，采掘工作面發(fā)生初次來壓，來壓步距280mm(56m)，垮落區(qū)上邊緣垮落長度為210mm(42m)，如圖3所示；隨著采掘工作面向前推進擾動強度的不斷加大，采空區(qū)上方的覆巖離層發(fā)育現(xiàn)象越發(fā)明顯，當井采工作面掘進到360mm(72m)時，直接頂發(fā)生第二次來壓，來壓高度27mm(5.4m)，來壓長度為280mm(56m),形成基礎(chǔ)垮落角，垮落角分別為左54°，右56°；隨著采掘工作面繼續(xù)向前推進，由于覆巖重力和開采擾動破壞了巖層原有的穩(wěn)定和其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此開采來壓對覆巖的破壞和擾動強度越大，其來壓現(xiàn)象會越加明顯，當采掘工作面推進到440mm(88m)時，直接頂發(fā)生第3次垮落，垮落高度21mm(4.2m)，垮距360mm(72m)；隨著工作面繼續(xù)向前推進，在采掘推力和覆巖自身重力下，采空區(qū)從開采開始到采掘終止一共發(fā)生9次來壓現(xiàn)象，其平均來壓步距為131mm(26.2m)，直到工作面推進到1480mm(296m)時，開采擾動使覆巖垮落逐步影響到黃土覆蓋地表，并且地表沉降區(qū)域逐步向盆地形狀發(fā)生，為了不影響下部煤層開采，因此開采終止，如圖4所示。

圖3 初次來壓

圖4 充分采動

3.2.2 結(jié)果分析

由圖5、圖6可以看出，在井采工作面開采初期，由于受到來自水平推力和開采擾動較小，其地表基本不發(fā)生沉降變化，但是隨著井采工作面持續(xù)向前推進，當工作面推進到240mm(48m)時，其位于采掘工作面正上方的監(jiān)測點數(shù)據(jù)逐步發(fā)生變化，雖然變化幅度不是很大，但是其變化也可以說明井采擾動是對地表沉降有影響。隨著采掘工作面繼續(xù)向前推進，當工作面推進到880mm(176m)時，由圖5(b)可以看出，井采擾動已經(jīng)影響到模型前方的監(jiān)測點，監(jiān)測點數(shù)據(jù)變化呈線性變化，這就可以說明，當開采擾動達到一定強度后，地表受重力和推力作用下，其沉降變化非常大。當工作面推進到1240mm(248m)時，采空區(qū)沉降變化對地表影響已經(jīng)非常大了，但是還沒有使地表完全發(fā)生大規(guī)模和大范圍的沉陷，隨著工作面繼續(xù)向前推進，位于第4排監(jiān)測點的黃土層沉降變形基本保持和基巖同步移動趨勢，基巖的斷裂沉陷直接對黃土覆蓋的地表形成結(jié)構(gòu)性的破壞，使黃土覆蓋區(qū)域逐步發(fā)生沉降，直到工作面開采至1480mm(296m)時，黃土覆蓋的地表最大沉降值為36.48mm(7.296m)，已經(jīng)達到沉陷的最大范圍，因此開采終止。

圖5 第1排垂直位移監(jiān)測點位移曲線

圖6 第4排垂直位移監(jiān)測點位移曲線

4 結(jié) 論

(1)采用數(shù)值模擬實驗對進行黃土覆蓋區(qū)域的開采沉陷研究中，由于煤層開采時受開采推力和上覆巖層自重的影響，位于采空區(qū)上部的覆巖會不斷發(fā)生向采空區(qū)方向的垮落，在覆巖垮落達到一定程度時會逐步使地表發(fā)生沉降，且沉降是隨采掘長度不斷增加而不斷加大。

(2)采用相似模擬實驗對黃土覆蓋區(qū)域的開采沉陷研究中，在工作面向前推進下，位于采空區(qū)上方的頂板發(fā)生初次垮落，長度為280mm(56m)，來壓長度210mm(42m)，垮落高度16mm(3.2m)，即初次來壓。

(3)相似模擬實驗中，在水平推力和開采擾動的影響下，黃土覆蓋地表沉降和數(shù)值模擬基本相似，當開采終止后，最大沉降值為36.48mm(7.296m)，共發(fā)生9次來壓，其平均來壓步距為131mm(26.2m)。