大埋深条件下地表沉陷规律相似模拟研究

刘文静，屈晓荣，杨 栋，朱少杰

（1.太原理工大学 采矿工艺研究所，山西 太原 030024；2.山西省煤炭地质勘查研究院，山西 太原 030006）

大埋深条件下地表沉陷规律相似模拟研究

刘文静1，屈晓荣2，杨 栋1，朱少杰1

（1.太原理工大学 采矿工艺研究所，山西 太原 030024；2.山西省煤炭地质勘查研究院，山西 太原 030006）

以山西河东煤田北部某大埋深煤矿为研究对象，采用相似材料模拟实验，分析了受采动影响的采场上覆岩层移动变形规律以及地表移动变形规律。结果表明，采动结束后的上覆岩层依次形成垮落带、裂隙带、弯沉带；采空区上方地表形成一个比采空区大得多的下沉盆地，并从地表移动的力学过程及工程技术问题的需要出发，地表移动及变形采用下沉、水平移动、倾斜、曲率、水平变形来描述下沉盆地的动力学状态。

深部开采；相似模拟；上覆岩层移动；地表移动与变形

由于深部开采地质条件复杂，使得采场围岩环境恶化、事故发生几率增加、上覆岩层及地表移动与变形，都会带来很大威胁。深部开采条件下，岩石处于高围压、高温度、高孔隙压力的“三高”环境，与浅部开采相比,随着开采深度的增加,地应力、构造应力急剧增加，深部开采工程的灾害形式和频度并不同于浅部。因此，研究其上覆岩层及地表活动规律，显得尤为重要。相似材料模拟试验，能够模拟整个研究区域的上覆岩层及地表在开采过程中受采动影响，以及后续地表稳定的整个变形过程。

1 工程概况

根据河东煤田某深部开采的地质背景和目前技术水平，选择某工作面为模拟对象，煤层倾角6°～8°，属于近水平煤层，平均采深718 m，煤层均厚7.2 m，工作面走向长2120 m，倾向长230 m，实行大采高一次采全高综合机械化采煤，顶板管理采用全部垮落法，工作面推进速度4.8m/d。

2 模型制作与试验分析

2.1 模型设计与制作

本次试验是在相似理论基础上[1]，总结前人经验，依据实际地质资料，选择合理地段进行模拟，模型试验台尺寸长×宽×高=4.25 m×0.2 m×3.5 m，模拟采深718 m。因此选择几何相似常数αl=300；根据岩石岩性及以往经验，选择容重相似常数αγ=1.5，由此推出应力相似常数ασ=αl×αγ=450，时间相似常数为αt=17.4。根据原型岩层的力学性质，依据阜新院所作的试验结果，主要考虑模型材料容重、抗压强度、弹性模量、泊松比等物理力学指标，选择合适的相似材料的配方及配比。本试验选取河沙、铁砂做骨料，石灰、碳酸钙、高岭土，石膏做胶结材料。由于石膏凝结硬化快，试验选取硼砂做缓凝剂；选取云母粉模拟各岩层分层及构造层。

本次试验制作模型高度240 cm，煤层上方高度220 cm，底板厚度20 cm，煤层厚2.4 cm；根据现场采煤每日4.8 m、以及几何相似比、时间相似比得出次本试验中每日开挖28 cm分四次开挖，开挖总长度2.25 m，开挖区域位于模型正中央，使开采既能达到充分开采，又能在两侧留设足够宽的煤柱，以使地表移动与变形曲线完整地呈现出来。本次试验主要监测上覆岩层和地表位移及变形，所以在地表布设37块百分表监测地表垂直位移，18块水平表监测地表水平位移。

2.2 试验分析

2.2.1 覆岩的破坏机理及分带特征

深部开采覆岩垮落的一些新特征，见图1。初次垮落步距较长，当工作面推进距离L=72m时，直接顶出现离层裂隙。当L=93m时，直接顶垮落，垮落长度89m，垮落高度9 m，空顶高度7 m，垮落角50°。当L=158 m时，发生第二次老顶垮落，垮落长度149 m，垮落步距50 m，垮落高度24 m，空顶高度6.5 m，垮落角52°。当L=213m时，发生第三次悬臂梁垮落，垮落长度206m，垮落步距57m。此后随着工作面的推进，上覆岩层继续垮落。由此看出，深部开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，采动影响范围有所扩大[2]。垮落过程见图1。

图1 模l=93 m型岩体垮落情况

采动结束后，垮落停止，移动稳定后的岩层，按其破坏程度大致分为三个不同的开采影响带：冒落带、裂隙带、弯曲带。冒落带高度30m，为采高的4.17倍；裂隙带高度279 m，为采高的38.75倍；自裂隙带顶界到地表的整个岩系为弯曲带，由此看出深部开采上覆岩层受采动影响范围较浅部开采扩大。

2.2.2 采动对地表移动及变形规律

从地表移动的力学过程及工程技术问题的需要出发，地表移动的状态可用垂直移动和水平移动描述。常用的定量指标有：下沉、水平移动、倾斜、曲率、水平变形等[3]。

（1）采动地表下沉变形规律：依据地表百分表测得各监测点下沉值做得下沉曲线，见图2，由图可知：①采动过程中地表下沉的变化规律：随着工作面的推进，地表移动盆地的范围和移动量均增加。当工作面推进到某位置时，地表下沉值达到最大值，地表达到充分采动。当工作面再往前推进时，地表移动盆地增大，但地表下沉量不再增大。②下沉曲线的分布规律：地表下沉最大值出现在采空区中央上方，从下沉最大值处向采空区两侧边缘各点的下沉值逐渐减小，下沉曲线关于采空区中心近似对称。

图2 地表下沉曲线

（2）采动对地表倾斜变形规律：倾斜曲线表示地表移动盆地倾斜的变化规律，是下沉的一阶导数。见图3采动地表倾斜曲线，图可知：拐点至盆地边界倾斜值逐渐减小，最大下沉点至拐点间的倾斜逐渐增大，在拐点处倾斜值最大，而在最大下沉值点处倾斜值为零，并在两个拐点处有两个相反的最大倾斜值，倾斜曲线以采空区中央反对称。

图3 地表倾斜曲线

（3）采动对地表曲率变形规律：图4是地表曲率变形曲线，它是倾斜的一阶导数。由图可知曲率的分布规律：盆地边缘地带为正曲率区，盆地中央地带为负曲率区，曲率曲线有两个相等的最大正曲率和一个最大的负曲率。最大正曲率处在拐点和盆地边界点之间，最大负曲率在盆地中央的最大下沉点处，边界点和拐点的曲率为零。

图4 地表曲率变形曲线

（4）采动地表水平移动规律：图5为采动地表水平移动曲线，水平移动分布规律与倾斜曲线类似，拐点至盆地边界间水平移动逐渐减小，最大下沉点至拐点间水平移动逐渐减小，两个拐点处有两个相反的水平移动最大值，最大下沉点处水平移动最小为零，水平移动曲线以采空区中央反对称。

图5 地表水平移动曲线

（5）采动地表水平变形规律：图6为采动地表水平变形曲线，水平变形曲线与曲率曲线的分布规律类似，有一个最大压缩变形和两个相等的最大拉伸变形，最大压缩变形位于盆地中央的最大下沉点处，最大拉伸变形位于拐点和边界点之间，边界点拐点处水平变形为零，盆地中部地带为压缩区，盆地边缘区为拉伸区。

图6 地表水平变形曲线

3 结论

本文以河东煤田某深部开采为例，通过研究受采动影响的地表移动及变形规律的相似材料模拟实验，主要结论如下：（1）随着工作面推进，采空区周围的岩层发生了较大的移动变形。一般的移动过程是：从煤层的直接顶板岩层开始，由下而上依次进行冒落、断裂、离层、弯曲，最后移动终止。冒落带高度为30 m（为采高的4.17倍），裂隙带高度279 m（为采高的38.75倍），自裂隙带顶界到地表的整个岩系为弯曲带。由此看出，深部开采上覆岩层受采动影响范围较浅部开采扩大[4]。（2）根据地表移动及变形曲线分析，可按其激烈程度分为三个区域：下沉均匀区——盆地中心平坦地带，该区地表下沉均匀，一般不出现裂缝，对建筑物的破坏作用较小。移动剧烈区——位于外侧上方，地表下沉不均匀，产生倾斜变形，出现明显裂缝，对建筑物的破坏作用较大[5]。轻微变性区——位于采空区外侧上方较远处，地表下沉不均匀但较小，呈凸形，产生拉伸变形，有轻微的裂缝产生。

[1]崔广心.相似理论与模型试验[M].江苏：中国矿业大学出版社，1990：1-60.

[2]范体军，胡清淮.东乡铜矿采空区上覆岩层的稳定性分析[J].化工矿物与加工，2000(6):7-24.

[3]邹友峰，邓喀中，马伟民.矿山开采沉陷工程[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[4]刘秀英.采空区建筑地基稳定性分析的相似模拟试验研究[D].太原：太原理工大学，2004.

[5]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[S].北京:煤炭工业出版社,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

刘文静（1984—），男，陕西神木人，在读硕士研究生，从事“三下”开采、开采沉陷等研究。

刘新光