大埋深條件下地表沉陷規律相似模擬研究

劉文靜，屈曉榮，楊 棟，朱少杰

（1.太原理工大學 采礦工藝研究所，山西 太原 030024；2.山西省煤炭地質勘查研究院，山西 太原 030006）

大埋深條件下地表沉陷規律相似模擬研究

劉文靜1，屈曉榮2，楊 棟1，朱少杰1

（1.太原理工大學 采礦工藝研究所，山西 太原 030024；2.山西省煤炭地質勘查研究院，山西 太原 030006）

以山西河東煤田北部某大埋深煤礦為研究對象，采用相似材料模擬實驗，分析了受采動影響的采場上覆巖層移動變形規律以及地表移動變形規律。結果表明，采動結束后的上覆巖層依次形成垮落帶、裂隙帶、彎沉帶；采空區上方地表形成一個比采空區大得多的下沉盆地，并從地表移動的力學過程及工程技術問題的需要出發，地表移動及變形采用下沉、水平移動、傾斜、曲率、水平變形來描述下沉盆地的動力學狀態。

深部開采；相似模擬；上覆巖層移動；地表移動與變形

由于深部開采地質條件復雜，使得采場圍巖環境惡化、事故發生幾率增加、上覆巖層及地表移動與變形，都會帶來很大威脅。深部開采條件下，巖石處于高圍壓、高溫度、高孔隙壓力的“三高”環境，與淺部開采相比,隨著開采深度的增加,地應力、構造應力急劇增加，深部開采工程的災害形式和頻度并不同于淺部。因此，研究其上覆巖層及地表活動規律，顯得尤為重要。相似材料模擬試驗，能夠模擬整個研究區域的上覆巖層及地表在開采過程中受采動影響，以及后續地表穩定的整個變形過程。

1 工程概況

根據河東煤田某深部開采的地質背景和目前技術水平，選擇某工作面為模擬對象，煤層傾角6°～8°，屬于近水平煤層，平均采深718 m，煤層均厚7.2 m，工作面走向長2120 m，傾向長230 m，實行大采高一次采全高綜合機械化采煤，頂板管理采用全部垮落法，工作面推進速度4.8m/d。

2 模型制作與試驗分析

2.1 模型設計與制作

本次試驗是在相似理論基礎上[1]，總結前人經驗，依據實際地質資料，選擇合理地段進行模擬，模型試驗臺尺寸長×寬×高=4.25 m×0.2 m×3.5 m，模擬采深718 m。因此選擇幾何相似常數αl=300；根據巖石巖性及以往經驗，選擇容重相似常數αγ=1.5，由此推出應力相似常數ασ=αl×αγ=450，時間相似常數為αt=17.4。根據原型巖層的力學性質，依據阜新院所作的試驗結果，主要考慮模型材料容重、抗壓強度、彈性模量、泊松比等物理力學指標，選擇合適的相似材料的配方及配比。本試驗選取河沙、鐵砂做骨料，石灰、碳酸鈣、高嶺土，石膏做膠結材料。由于石膏凝結硬化快，試驗選取硼砂做緩凝劑；選取云母粉模擬各巖層分層及構造層。

本次試驗制作模型高度240 cm，煤層上方高度220 cm，底板厚度20 cm，煤層厚2.4 cm；根據現場采煤每日4.8 m、以及幾何相似比、時間相似比得出次本試驗中每日開挖28 cm分四次開挖，開挖總長度2.25 m，開挖區域位于模型正中央，使開采既能達到充分開采，又能在兩側留設足夠寬的煤柱，以使地表移動與變形曲線完整地呈現出來。本次試驗主要監測上覆巖層和地表位移及變形，所以在地表布設37塊百分表監測地表垂直位移，18塊水平表監測地表水平位移。

2.2 試驗分析

2.2.1 覆巖的破壞機理及分帶特征

深部開采覆巖垮落的一些新特征，見圖1。初次垮落步距較長，當工作面推進距離L=72m時，直接頂出現離層裂隙。當L=93m時，直接頂垮落，垮落長度89m，垮落高度9 m，空頂高度7 m，垮落角50°。當L=158 m時，發生第二次老頂垮落，垮落長度149 m，垮落步距50 m，垮落高度24 m，空頂高度6.5 m，垮落角52°。當L=213m時，發生第三次懸臂梁垮落，垮落長度206m，垮落步距57m。此后隨著工作面的推進，上覆巖層繼續垮落。由此看出，深部開采的初次垮落步距和周期垮落步距都增大，垮落高度增加，垮落角增大，采動影響范圍有所擴大[2]?？迓溥^程見圖1。

圖1 模l=93 m型巖體垮落情況

采動結束后，垮落停止，移動穩定后的巖層，按其破壞程度大致分為三個不同的開采影響帶：冒落帶、裂隙帶、彎曲帶。冒落帶高度30m，為采高的4.17倍；裂隙帶高度279 m，為采高的38.75倍；自裂隙帶頂界到地表的整個巖系為彎曲帶，由此看出深部開采上覆巖層受采動影響范圍較淺部開采擴大。

2.2.2 采動對地表移動及變形規律

從地表移動的力學過程及工程技術問題的需要出發，地表移動的狀態可用垂直移動和水平移動描述。常用的定量指標有：下沉、水平移動、傾斜、曲率、水平變形等[3]。

（1）采動地表下沉變形規律：依據地表百分表測得各監測點下沉值做得下沉曲線，見圖2，由圖可知：①采動過程中地表下沉的變化規律：隨著工作面的推進，地表移動盆地的范圍和移動量均增加。當工作面推進到某位置時，地表下沉值達到最大值，地表達到充分采動。當工作面再往前推進時，地表移動盆地增大，但地表下沉量不再增大。②下沉曲線的分布規律：地表下沉最大值出現在采空區中央上方，從下沉最大值處向采空區兩側邊緣各點的下沉值逐漸減小，下沉曲線關于采空區中心近似對稱。

圖2 地表下沉曲線

（2）采動對地表傾斜變形規律：傾斜曲線表示地表移動盆地傾斜的變化規律，是下沉的一階導數。見圖3采動地表傾斜曲線，圖可知：拐點至盆地邊界傾斜值逐漸減小，最大下沉點至拐點間的傾斜逐漸增大，在拐點處傾斜值最大，而在最大下沉值點處傾斜值為零，并在兩個拐點處有兩個相反的最大傾斜值，傾斜曲線以采空區中央反對稱。

圖3 地表傾斜曲線

（3）采動對地表曲率變形規律：圖4是地表曲率變形曲線，它是傾斜的一階導數。由圖可知曲率的分布規律：盆地邊緣地帶為正曲率區，盆地中央地帶為負曲率區，曲率曲線有兩個相等的最大正曲率和一個最大的負曲率。最大正曲率處在拐點和盆地邊界點之間，最大負曲率在盆地中央的最大下沉點處，邊界點和拐點的曲率為零。

圖4 地表曲率變形曲線

（4）采動地表水平移動規律：圖5為采動地表水平移動曲線，水平移動分布規律與傾斜曲線類似，拐點至盆地邊界間水平移動逐漸減小，最大下沉點至拐點間水平移動逐漸減小，兩個拐點處有兩個相反的水平移動最大值，最大下沉點處水平移動最小為零，水平移動曲線以采空區中央反對稱。

圖5 地表水平移動曲線

（5）采動地表水平變形規律：圖6為采動地表水平變形曲線，水平變形曲線與曲率曲線的分布規律類似，有一個最大壓縮變形和兩個相等的最大拉伸變形，最大壓縮變形位于盆地中央的最大下沉點處，最大拉伸變形位于拐點和邊界點之間，邊界點拐點處水平變形為零，盆地中部地帶為壓縮區，盆地邊緣區為拉伸區。

圖6 地表水平變形曲線

3 結論

本文以河東煤田某深部開采為例，通過研究受采動影響的地表移動及變形規律的相似材料模擬實驗，主要結論如下：（1）隨著工作面推進，采空區周圍的巖層發生了較大的移動變形。一般的移動過程是：從煤層的直接頂板巖層開始，由下而上依次進行冒落、斷裂、離層、彎曲，最后移動終止。冒落帶高度為30 m（為采高的4.17倍），裂隙帶高度279 m（為采高的38.75倍），自裂隙帶頂界到地表的整個巖系為彎曲帶。由此看出，深部開采上覆巖層受采動影響范圍較淺部開采擴大[4]。（2）根據地表移動及變形曲線分析，可按其激烈程度分為三個區域：下沉均勻區——盆地中心平坦地帶，該區地表下沉均勻，一般不出現裂縫，對建筑物的破壞作用較小。移動劇烈區——位于外側上方，地表下沉不均勻，產生傾斜變形，出現明顯裂縫，對建筑物的破壞作用較大[5]。輕微變性區——位于采空區外側上方較遠處，地表下沉不均勻但較小，呈凸形，產生拉伸變形，有輕微的裂縫產生。

[1]崔廣心.相似理論與模型試驗[M].江蘇：中國礦業大學出版社，1990：1-60.

[2]范體軍，胡清淮.東鄉銅礦采空區上覆巖層的穩定性分析[J].化工礦物與加工，2000(6):7-24.

[3]鄒友峰，鄧喀中，馬偉民.礦山開采沉陷工程[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[4]劉秀英.采空區建筑地基穩定性分析的相似模擬試驗研究[D].太原：太原理工大學，2004.

[5]國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[S].北京:煤炭工業出版社,2000.

Analogy Simulation Study on Surface Subsidence Regularity in Deep Mining Condition

LIU Wen-jing1,QU Xiao-rong2，YANG Dong1，ZHU Shao-jie1
(1.Mining Technology Institute,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024；2.Shanxi Coal Geology Surveys Research Institute,Taiyuan Shanxi 030006)

A deep mine of Hedong field in Shanxi was studied.Similar materials were used in simulation experiment.The movement and deformation of overburden strata and surface were analyzed under the mining influence.The results showed that after mining,in the overburden strata,collapsing strap,crack strap and deflection strap were formed in turn.A sinking basin appeared in the surface over the mined-out area.From the mechanical process of surface movement and engineering technology requirement,the dynamics state of the sinking basin was described with subsidence,horizontal movement,inclination,curvature and horizontal deformation.

deep mining;analogy simulation;overburden strata movement;surface movement and deformation

TD325.4

A

1672-5050（2012）02-0041-04

2011-11-20

劉文靜（1984—），男，陜西神木人，在讀碩士研究生，從事“三下”開采、開采沉陷等研究。

劉新光