徐 兵，常晉雷，李見波

(1.山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046600；2.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

霍爾辛赫煤礦雖然按照經(jīng)驗值留設(shè)了地表保護煤柱，但是地表異常沉陷導(dǎo)致村莊部分民房損壞，給煤礦帶來了經(jīng)濟損失和在社會上形成不良的影響。地表沉陷異常的因素有很多，其中，地表賦存濕陷性黃土是一個重要因素，井田全部為新生界黃土掩蓋；另一方面地質(zhì)構(gòu)造亦會導(dǎo)致地表沉陷規(guī)律異常，如陷落柱構(gòu)造。陷落柱發(fā)育會破壞基巖結(jié)構(gòu)，從而影響地表的沉陷規(guī)律。

早在十九世紀(jì)，采礦活動導(dǎo)致地表破壞問題已被關(guān)注[1-3]。近年來，隨著我國經(jīng)濟發(fā)展，煤炭需求量加大，煤炭開采導(dǎo)致的地表沉陷和生態(tài)環(huán)境破壞日益嚴重，深部開采時地表沉陷亦是未來研究解決的現(xiàn)實問題[4]。然而由于開采沉陷問題會受到不同采礦環(huán)境和復(fù)雜地質(zhì)條件的影響，目前還未形成一種通用的地表沉陷預(yù)計方法。數(shù)值計算是解決地表沉陷問題的有效手段，其中本構(gòu)模型選取對模擬結(jié)果非常重要[5]。朱慶偉等分析了采動覆巖結(jié)構(gòu)演化特征及對地表下沉的影響和覆巖層結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)[6]。胡青峰等采用數(shù)值手段研究地表下沉系數(shù)、下沉盆地范圍等[7-8]。鄧小龍等對礦區(qū)開采誘發(fā)的地表沉陷變形進行了數(shù)值模擬研究，得出不同采礦參數(shù)下的圍巖移動及地表變形的規(guī)律[8]。許延春等采用離散元法計算得到厚松散層厚度與移動角的關(guān)系[9]。

可以看出，相關(guān)文獻針對開采地表沉降的研究有很多，但采動作用下陷落柱構(gòu)造影響下的基巖和黃土沉降異常機制研究較少。為此開展采動條件下陷落柱構(gòu)造對基巖與黃土地表沉降影響分析研究，為類似礦區(qū)的地表異常沉陷的研究提供了參考。

1 研究區(qū)地質(zhì)條件

研究工作面可采長度約1400 m，工作面斜長220 m，工作面埋藏深度為476.73～432.26 m。工作面采用綜合機械化一次采全高采煤方法，正常采高為5.3 m。工作面回采前方可能存在隱伏性陷落柱、斷層等構(gòu)造。工作面有淋水增大等異?，F(xiàn)象，回采期間煤層頂板及煤壁壓力大，裂隙發(fā)育處頂板易破碎、塌頂，煤質(zhì)軟硬發(fā)育不均，容易片幫。該區(qū)域?qū)儆跐裣菪渣S土[10]，結(jié)構(gòu)疏松、空隙多、發(fā)育垂直節(jié)理易滲水，抵抗拉伸變形能力很小。在地表水浸蝕和沖刷作用下，地表裂縫會繼續(xù)變大，當(dāng)裂縫相互聯(lián)通會形成地表塌陷坑或沖刷溝。

2 考慮陷落柱作用基巖與地表變形數(shù)值模型

根據(jù)研究工作面內(nèi)鉆孔獲得巖層柱狀，煤層上方巖層巖性主要為黃土、鋁土、粗粒砂巖、粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、細粒砂巖、中粒砂巖。其中，黃土約20.27%；鋁土層約0.6%。以實際地層條件為參考，假設(shè)發(fā)育陷落柱條件下，建立模型的長寬高為800×500×468 m，陷落柱直徑60 m，工作面傾斜長220 m。本文主要研究陷落柱構(gòu)造對地表變形的影響，以地表下沉為主要指標(biāo)，為了使問題簡化，本文假設(shè)陷落柱為不導(dǎo)水情形，暫不考慮陷落柱的突水威脅。為了更好地監(jiān)測地表位移變化，測線應(yīng)設(shè)在地表移動盆地的主斷面上，測線的長度要大于地表移動盆地的范圍，測點應(yīng)有一定的密度，本次模擬共布置9條測線，每條測線設(shè)9個測點。陷落柱、開采區(qū)域與測點的關(guān)系如圖1所示。

淺部黃土覆蓋在基巖上方，黃土層厚度在40～60 m 之間，垂直應(yīng)力顯現(xiàn)更明顯。礦井深部地應(yīng)力總體上以水平應(yīng)力為主[11]，屬于構(gòu)造應(yīng)力場。褶曲構(gòu)造對礦井應(yīng)力方向的分布有很大關(guān)系，加之礦井的斷層和陷落柱等非常發(fā)育，更加劇了局部應(yīng)力方向的偏轉(zhuǎn)和分散。陷落柱柱體自身強度低，屬于低應(yīng)力區(qū)，使得原巖應(yīng)力場發(fā)生變化，陷落柱形成過程中釋放的應(yīng)力向兩側(cè)轉(zhuǎn)移，集中應(yīng)力分布在陷落柱兩側(cè)煤巖體上，集中應(yīng)力會使柱體周圍煤、巖層產(chǎn)狀產(chǎn)生裂隙或者破壞。本次陷落柱對初始應(yīng)力場的影響效果如圖2所示。數(shù)值研究中主要巖層的參數(shù)見表1。

圖1 數(shù)值模型與測線布置

圖2 陷落柱影響下初始應(yīng)力場

表1 模擬關(guān)鍵巖層的物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值計算過程中，在判斷基巖破壞時，采用摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則：

其中，σ1、σ3為分別是最大和最小主應(yīng)力，MPa；c為巖石內(nèi)聚力，MPa；φ為巖石內(nèi)摩擦角。

當(dāng)fs≥0時，巖石將發(fā)生剪切破壞。材料在達到屈服極限后，在恒定的應(yīng)力水平下產(chǎn)生塑性變形。在拉應(yīng)力狀態(tài)下，拉應(yīng)力超過材料的抗拉強度，則材料將發(fā)生破壞。基巖破壞后，上覆黃土抗拉強度小，基巖的變形為主要變形，黃土依附在基巖上方，其變形受到基巖的移動變形的影響。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 陷落柱對沉陷盆地形態(tài)對稱性影響

監(jiān)測點、陷落柱與地表下沉盆地形態(tài)對照如圖3所示。無陷落柱時，開采沉陷盆地形態(tài)穩(wěn)定后基本是軸對稱的，如圖3(a)。陷落柱構(gòu)造對地表沉降形態(tài)和下沉值均有影響。與無陷落柱時，煤炭開采導(dǎo)致的地表沉陷盆地幾何中心發(fā)生偏移，如圖3(b)。

圖3 監(jiān)測點、陷落柱與地表下沉盆地形態(tài)對照

3.2 陷落柱對基巖和地表垂向位移影響機制

3.2.1 陷落柱對基巖結(jié)構(gòu)的影響

陷落柱破壞了基巖的結(jié)構(gòu)，如圖4(a)，松散層和煤層之間的關(guān)鍵巖層結(jié)構(gòu)被破壞，使得基巖的承載能力降低，上覆松散層更容易變形。在傾斜曲線上表現(xiàn)為陷落柱影響區(qū)域內(nèi)傾斜曲線的絕對值大于無陷落柱影響時的傾斜曲線的絕對值。陷落柱在垂向上發(fā)育，會減少巖塊水平方向的約束，當(dāng)陷落柱發(fā)育高度穿過關(guān)鍵層，甚至到達松散層時，巖層在水平方向的完整性被破壞。在覆巖作用下，更容易導(dǎo)致關(guān)鍵巖層失穩(wěn)，裂隙向上方發(fā)育。

圖4 陷落柱發(fā)育對關(guān)鍵基巖受力影響示意圖

三鉸拱結(jié)構(gòu)巖梁是砌體梁的重要理論依據(jù)[12]。根據(jù)三鉸拱的平衡原理，如圖4(b),巖塊保持平衡的水平推力T為：

T=qL2/8h

(1)

式中，q為巖梁的載荷集度；L為跨距；h為老頂巖層厚度。

當(dāng)剪切力R與摩擦力相等時，呈極限平衡狀態(tài)，在陷落柱影響區(qū)域，陷落柱的發(fā)育破壞了三鉸拱穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，不能夠提供足夠的剪切力，上覆關(guān)鍵巖層更容易失穩(wěn)破壞，繼而向上波及到上覆黃土地層，會導(dǎo)致地表出現(xiàn)異常破壞。采動作用下，陷落柱活化會影響地表盆地形態(tài)，陷落柱區(qū)域上方地表變化明顯。根據(jù)陷落柱形態(tài)的大小，地表可能出現(xiàn)局部破壞形態(tài)如“小盆地”或者“次生小盆地”。

3.2.2 陷落柱對地表沉降曲線影響

陷落柱構(gòu)造影響了地表沉陷曲線形態(tài)和沉降位移值。當(dāng)工作面推進300 m時，測線4#、5#和6#各點的監(jiān)測曲線如圖5所示。一條曲線表示陷落柱影響下地表沉陷規(guī)律。另一條曲線表示無陷落柱時地表沉降變化。宏觀上，陷落柱影響下地表沉降最大值要大于沒有時的下沉值。

圖5 工作面推進300 m時陷落柱影響地表沉降形態(tài)分析

陷落柱影響傾斜曲線，傾斜曲線表示地表移動盆地傾斜的變化規(guī)律，是下沉曲線的一階導(dǎo)數(shù)。通過下沉曲線的變化規(guī)律可知，陷落柱在3號點和4號點之間，陷落柱影響下的斜率絕對值大于無陷落柱時的情形，說明陷落柱構(gòu)造增大了地表沉陷的傾斜曲線，使得地表破壞顯現(xiàn)更明顯。

陷落柱影響傾斜曲線，同時影響下沉曲線。以穿過陷落柱中心的5號測線為例，有陷落柱時最大位移值為2.67 m，無陷落柱時最大位移值為2.61 m。結(jié)果表明當(dāng)陷落柱存在時，對地表沉降位移的影響更大，位移的變化更大。數(shù)值分析工作面推進300 m時地表沉降規(guī)律，沿著工作面推采方向，兩條下沉曲線相交，沉降位移相等。然而定量方面的問題仍應(yīng)通過現(xiàn)場綜合防治技術(shù)研究得到。

3.3 陷落柱對應(yīng)力場演化特征影響

地質(zhì)歷史中，陷落柱形成過程中，應(yīng)力場動態(tài)變化。陷落柱發(fā)育相對穩(wěn)定后，應(yīng)力場亦區(qū)域穩(wěn)定。煤炭開采時，受到采動影響陷落柱活化，圍巖應(yīng)力場隨之變化。數(shù)值計算得到的初始應(yīng)力場如圖2所示。陷落柱形成穩(wěn)定以后，在柱體“肩部”形成陷落柱的圍巖應(yīng)力集中區(qū)；而陷落柱本身為低應(yīng)力區(qū)，且為低強度區(qū)域，不能承受大的應(yīng)力，原巖應(yīng)力向柱體兩側(cè)轉(zhuǎn)移，集中應(yīng)力分布在陷落柱靠近工作面?zhèn)鹊耐暾麕r層上，柱體周邊一定范圍圍巖發(fā)生破壞。陷落柱開采后，采空區(qū)上方覆巖應(yīng)力變化，呈現(xiàn)為低應(yīng)力區(qū)。開采后，采動擾動作用下，陷落柱活化，關(guān)鍵巖層破斷，使得應(yīng)力場重新分布。

無構(gòu)造的理想條件下，采空區(qū)上覆巖層的應(yīng)力場呈現(xiàn)拋物線規(guī)則形態(tài)。陷落柱影響下，應(yīng)力形態(tài)發(fā)生變化。工作面推采60 m時，采空區(qū)頂板巖層應(yīng)力場形態(tài)變化如圖6所示。隨著工作面向陷落柱推采，拋物線形狀應(yīng)力泡，向不規(guī)則狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

圖6 工作面推采60 m采空區(qū)頂板巖層應(yīng)力形態(tài)

4 結(jié)論

(1) 陷落柱的發(fā)育破壞了三鉸拱穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，上覆關(guān)鍵巖層更容易發(fā)生破壞，繼而波及到上覆黃土地層，地表出現(xiàn)異常破壞。陷落柱形成穩(wěn)定以后，在柱體兩側(cè)“肩部”形成陷落柱的圍巖應(yīng)力集中區(qū)；開采后，采動擾動作用下，陷落柱活化，關(guān)鍵巖層破斷，使得應(yīng)力場重新分布。

(2) 陷落柱影響下的地表傾斜曲線絕對值大于無陷落柱時的情形，陷落柱構(gòu)造使得地表破壞顯現(xiàn)更明顯。有陷落柱時最大位移值為2.67 m，無陷落柱時最大位移值為2.61 m。數(shù)值計算能夠清楚地展示和闡明陷落柱的存在通過改變基巖結(jié)構(gòu)繼而影響地表沉降的機制，但定量方面的問題應(yīng)通過現(xiàn)場綜合防治技術(shù)研究得到。