地表切落式裂縫破壞及控制研究*

王創業，岳 明

(內蒙古科技大學礦業研究院, 內蒙古 包頭市 014010)

神東礦區在資源開發過程中出現了一些環境問題：地表沉陷破壞，地下水流失造成的植被破壞以及土地荒漠化。這些問題嚴重阻礙著礦區的可持續發展。神東礦區具有煤層厚度大、埋藏淺、薄基巖、松散沙層厚等特點，開采沉陷損害具有一定的特殊性，關于此種條件下的開采損害問題研究具有重要意義。

1 礦區地質及開采損害概況

神東礦區煤層賦存穩定，地質構造簡單，斷層發育較少。礦區干旱少雨，多風沙，地表植被稀疏。本文研究的12407工作面所在煤層為1-2煤，位于補連塔井田四盤區，走向長度2842 m，傾斜長度300 m，圈定回采面積為854076.59 m2。煤層傾角1°～3°，煤厚4.0 m，埋藏深度196.7 m。工作面采用走向長壁后退式布置，綜采一次采全高，全部垮落法處理采空區[1]。

12407工作面在回采過程中,地面出現了較多的裂縫和塌陷坑。隨著采空區的持續擴大，裂隙逐漸增多，塌陷范圍不斷擴大，塌陷坑呈橢圓形分布，最大下沉量為2585 mm，最大下沉系數0.55。

2 地表切落式裂縫破壞分析

2.1 關鍵層破斷失穩分析

神東礦區煤層開采引發的地表裂縫破壞及塌陷坑，是由于覆巖中關鍵層出現失穩，突然切落下陷造成的，關鍵層對這種地表損害起到控制作用。關鍵層理論的提出為礦山壓力與巖層移動和地表沉陷等領域的研究提供了相互聯系的紐帶[2]。

因此，研究關鍵層的破斷失穩條件是解決神東礦區開采沉陷問題的關鍵技術手段，是研究巖層移動與地表沉陷相互耦合的重要前提，可以通過控制采高的方法保證關鍵層不發生或延緩發生破斷失穩現象，進而減輕地表沉陷損害。

2.2 關鍵層結構穩定分析

工作面頂板結構的滑落失穩造成臺階下沉。因此，防止老頂關鍵塊滑落失穩是保證關鍵層結構穩定的重要條件，也是實現控制地表切落式裂縫破壞的關鍵因素。老頂關鍵塊不出現滑落失穩的最大下沉量(Δ) 近似表示為[3]:

Δ=lzsinθ1

(1)

式中:lz—未考慮墊層作用的關鍵層周期破斷距,m；

θ1—老頂關鍵塊的初始回轉角,θ1<4°。

老頂關鍵塊允許的下沉量(w)為：

w=m-[mf+(kp-1)>∑h]

(2)

式中：m—開采高度,m；

mf—采空區有效充填厚度,m；

kp—直接頂碎脹系數；

∑h—直接頂厚度,m。

根據補連塔礦12407工作面實際工作條件計算，老頂關鍵塊不出現滑落失穩的最大采高應不大于2.05 m，即m-mf≤2.05 m。

3 關鍵層結構穩定條件的FLAC3D數值模擬分析

3.1 數值計算模型建立

計算模型以補連塔礦12407工作面地質條件為標準進行構建。走向上，長度取100 m，同時兩邊各加300 m邊界影響區域共700 m；傾向上，長度取300 m，同時兩邊各加300 m邊界影響區域共900 m；傾角取0°，按水平煤層考慮；垂直方向上按各煤巖層實際厚度進行模擬。模型長×寬×高為0.7 km×0.9 km×0.2 km，共計126000個單元，134261個節點。三維模型如圖1所示。

圖1 數值計算模型

采用Mohr-Coulomb塑性本構模型,對各巖層進行煤巖物理力學參數賦值。分別對采高2 m和4 m的模型，進行分步開挖。工作面每推進10 m進行一次運算,分10步開挖完畢。經計算得出，補連塔礦12407工作面頂板之上的關鍵層為厚度4.66 m的中粒砂巖,位于煤層上方16.08 m處，破斷的依據為拉破壞。

3.2 關鍵層結構穩定條件的FLAC3D數值模擬分析

圖2 采高4 m時關鍵層初次破斷的應力分布

對圖2進行分析：采高4 m時，當工作面推進到60 m，采空區上方直接頂的應力σ=0.5 MPa(正號表示受拉應力作用)，表明直接頂已經發生破壞；關鍵層中最大拉應力σ=1.2 MPa，表明關鍵層即將發生破斷，破斷距60 m。關鍵層破斷的應力分布(圖2)，證實了隨著工作面的推進，采空區上方頂板裂縫持續擴展，當關鍵層破斷時，裂縫貫通，出現大范圍冒落。

圖3 采高2 m時覆巖的應力分布

對圖3進行分析：采高2 m時，當工作面推進到60 m，采空區上方直接頂的應力σ=0.5 MPa(正號表示受拉應力作用)，表明直接頂已發生破壞；然而關鍵層的應力σ=-0.5 MPa(負號表示受壓應力作用)，表明關鍵層并未失穩，還具有承載能力。覆巖的應力分布(圖3)，證實了當采高減小時，直接頂冒落產生的破碎巖塊起到了充填作用，使關鍵層結構不會立刻發生失穩，從而避免地表出現裂縫破壞。

模擬結果表明：由于拉破壞為關鍵層的破壞形式，故限高開采(分層開采)可以較好的控制關鍵層不發生結構失穩，從而避免地表出現切落式裂縫破壞。

4 地表損害控制方法

神東礦區特殊地質條件下可以采取相應的控制措施以減輕地表損害程度[4-7]。

4.1 限高開采

神東礦區具有薄基巖，松散沙層厚的特點，而且一次采全高的采煤方法對地表損害較為嚴重。數值模擬結果表明：對于12407工作面，采高4 m時，當工作面推進到60 m，關鍵層出現失穩現象，將要發生破斷；采高2 m時，當工作面推進到60 m，關鍵層仍沒有出現失穩。因此，神東礦區實施分層開采能有效地控制地表切落式破壞。方案為：先開采第一分層，覆巖穩定之后，開采第二分層，分層厚度為2 m。實踐結果表明：此種控制開采的方法能較好地減輕地表破壞。

4.2 覆巖離層帶注漿充填減沉方法

現如今，一些專家提出了一種新的沉陷控制方法，即覆巖離層帶注漿充填減沉措施。通過對采空區上覆巖層中形成的離層空間進行注漿充填，從而阻止地表切落下沉。由于離層注漿時對離層裂縫的發育情況難以掌握，而且注漿工藝復雜，故大面積煤層開采下實施的地表減沉技術還未應用于實踐。

4.3 二次條帶式開采沉陷控制方法

由于關鍵層破斷導致地表下沉量突然增大，故可將關鍵層不發生破斷失穩作為開采沉陷控制的原則。

根據荷載置換原理，一些專家提出了條帶開采-注漿充填固結采空區-剩余條帶開采的三步法(二次條帶式)開采沉陷控制的新思路[8]。這種方法主要利用關鍵層進行覆巖控制，不干涉開采工作。根據關鍵層結構失穩條件，從地表選擇適當的位置鉆孔充填或在工作面推進過程中，運用局部條帶充填，以控制關鍵層，達到緩慢下沉的目的，從而避免地表切落裂縫的發生。

5 結 論

本文根據采動損害現狀，分析了開采過程中關鍵層的破斷規律及其特點，結合補連塔礦12407工作面具體實例，對關鍵層的結構穩定性進行數值模擬，確定了關鍵層的結構穩定條件和沉陷控制方法：

(1) 限高分層開采；

(2) 覆巖離層帶注漿充填減沉方法；

(3)二次條帶式開采沉陷控制方法。

參考文獻：

[1]伊茂森.神東礦區淺埋煤層關鍵層理論及其應用研究[D].北京:中國礦業大學,2008.

[2]錢鳴高,繆協興,許家林,等.巖層控制的關鍵層理論[M].徐州:中國礦業大學出版社,2003:17-27.

[3]黃慶享.淺埋煤層長壁開采頂板結構及巖層控制研究[M].徐州:中國礦業大學出版社,2000:28-31.

[4]郭廣禮,王悅漢,馬占國.煤礦開采沉陷有效控制的新途徑[J].中國礦業大學學報, 2004,33(2):150-153.

[5]余學義.采動損害及治理應用技術現狀分析[C]//科技創新與發展西安科技學院2002年學術大會論文集.西安:西安科技學院,2002:27-30.

[6]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.

[7]錢鳴高，許家林，繆協興.煤礦綠色開采技術[J]. 中國礦業大學學報,2003,32(4):343-348.

[8]蘇仲杰,劉文生.減緩地表沉降的覆巖離層注漿新技術的研究[J].中國安全科學學報, 2001,11(4): 21-24.