王 鵬

（山西焦煤西山煤電西曲礦工程一隊(duì) ，山西 古交 030200）

0 引 言

陷落柱是分布在我國(guó)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(xiǎn)性，給礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)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(jiàn)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(kāi)采，嚴(yán)重制約了礦井的生產(chǎn)能力，也對(duì)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。

1 礦井概況

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(zhǎng)度約為4km，東西長(zhǎng)度約17km。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為360萬(wàn)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(gè)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(guò)1m的斷層就有600多條，其中，落差超過(guò)5m的大斷層就有30多條，對(duì)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(hào)煤層而言，目前已揭露的陷落柱就有900多個(gè)，其中，最小的陷落柱面積為4.8m2，最大的可達(dá) 32151m2。

2 陷落柱形成的力學(xué)機(jī)理

2.1 溶洞的破壞機(jī)理分析

對(duì)于陷落柱的形成機(jī)理，目前在我國(guó)已基本形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，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(guò)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(jiǎn)化為四周固支的圓形薄板，簡(jiǎn)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(guò)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(shí)，所受剪應(yīng)力達(dá)到最大值，而通過(guò)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(duì)于巖層而言，通常為受拉破壞，因此，下面對(duì)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(duì)于溶洞頂板處，節(jié)理較為發(fā)育，通過(guò)斷裂力學(xué)的方法，對(duì)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(zhǎng)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(shí)，裂紋擴(kuò)展，溶洞頂板受到破壞。

2.2 陷落柱形成的力學(xué)機(jī)理

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(gè)圓形斷裂帶，同時(shí)，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(gè)圓柱形的巖塊，其形成過(guò)程如圖1所示。

圖1 圓柱形巖塊形成過(guò)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(zhǎng)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(shí)，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(cè)壓系數(shù)；其余符號(hào)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(hào)含義與前面相同。

對(duì)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(zhǎng)，m；b為頂板巖層厚度，m；其余符號(hào)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(duì)巖塊的作用面力，MPa；s為巖塊截面積，m2；其余符號(hào)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(shí)，溶洞上部頂板圓柱形巖塊分離下沉，溶洞頂板開(kāi)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。

3 西銘礦陷落柱分布規(guī)律

前面對(duì)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(duì)陷落柱形態(tài)特點(diǎn)和分布規(guī)律進(jìn)行研究，

3.1 陷落柱發(fā)育特點(diǎn)

西銘礦目前已經(jīng)揭露的陷落柱超過(guò)1000個(gè)，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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(duì)底板突水的影響不大。

3.2 陷落柱分布規(guī)律

研究陷落柱的分布規(guī)律為合理預(yù)測(cè)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(lái)看，上組2、3號(hào)煤層和下組8、9號(hào)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(shí)，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(shí)，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(guò)上組已揭露陷落柱的分布規(guī)律和密度，來(lái)大致預(yù)測(cè)下組煤中的下組煤中的陷落柱分布規(guī)律，為下組煤開(kāi)采時(shí)工作面布置提供借鑒意義。

4 結(jié) 論

陷落柱是西山井田中一種常見(jiàn)的地質(zhì)構(gòu)造，在西銘礦內(nèi)較為發(fā)育，本文通過(guò)收集實(shí)測(cè)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(jiǎn)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(duì)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(cè)未揭露的陷落柱位置提供合理建議。