礦井采空區(qū)地表塌陷的機(jī)理探究

王競(jìng)爭(zhēng)

（神東地測(cè)公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

當(dāng)下，國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)應(yīng)用整體垮落法處理地下礦井的采空區(qū)，由于處理方法欠缺規(guī)范性，故而很可能引起采空區(qū)出現(xiàn)塌陷，形成了地表塌陷區(qū)，對(duì)本地居民日常生活活動(dòng)形成較明顯影響，也干擾交通、工業(yè)生產(chǎn)等有序運(yùn)作過(guò)程。文章結(jié)合礦井每層的現(xiàn)實(shí)賦存情況，通過(guò)數(shù)據(jù)模擬研究作業(yè)面開采以后圍巖結(jié)構(gòu)的移位、形變情況，以此為基礎(chǔ)，探究采空區(qū)地表塌陷形成機(jī)理。

1 構(gòu)建數(shù)值模擬模型

針對(duì)本次研究中涉及到的礦區(qū)沉降變動(dòng)特征，可以采用圖1表示[1]。圖內(nèi)I-I～I(xiàn)V-IV被細(xì)化為4個(gè)剖面，經(jīng)勘測(cè)發(fā)現(xiàn)II-II剖面的沉降量量最大值為5.1m，塌陷范疇為170.1m。基于以上特征，本次研究擬定選用II-II剖面為目標(biāo)對(duì)象，構(gòu)建數(shù)值測(cè)算模型。

圖1 礦區(qū)沉降變化特征圖示

解讀基坑的現(xiàn)實(shí)開采現(xiàn)狀，擬定規(guī)劃出三個(gè)水平面完成挖掘任務(wù)，第一、二、三水平挖掘到高程依次為959m、821m、599m。數(shù)值模型規(guī)格大小為2350mm×820mm，兩端均有水平管束條件，下表層在橫向和縱向兩個(gè)方向均施加管束條件，上表面是自由面，選用庫(kù)倫摩爾作為試驗(yàn)研究中的構(gòu)方程，在以上諸多條件的協(xié)助下，便能較順利的獲得數(shù)值模型。

2 解讀數(shù)值模擬結(jié)果

（1）水平應(yīng)力場(chǎng)。對(duì)三個(gè)水平上開采挖掘后形成的圍巖水平應(yīng)力分布特點(diǎn)加以分析，我們觀察到當(dāng)?shù)谝凰介_采結(jié)束后，開采區(qū)上方部分位置及下方實(shí)體煤區(qū)形成了應(yīng)力匯聚的情況，上、下層煤圍巖應(yīng)力集中水平存在差異，發(fā)現(xiàn)本水平上經(jīng)開采以后頂板構(gòu)件所承載的水平應(yīng)力有增加趨勢(shì)，水平應(yīng)力分布特征同第一水平，但是在該水平層上采動(dòng)行為對(duì)地表受力特點(diǎn)形成的擾動(dòng)程度嚴(yán)重化，這預(yù)示著地表承載的水平應(yīng)力有很大增幅。

圖2 采場(chǎng)圍巖垂直應(yīng)力分布特征圖

（2）垂直應(yīng)力場(chǎng)。圖2是為水平存在差異的巖層經(jīng)開采處理后圍巖在垂直方向的應(yīng)力分布特征圖。對(duì)圖2樣態(tài)進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)首個(gè)水平開采活動(dòng)終止后，采空區(qū)下側(cè)方煤柱有應(yīng)力集中化表象，最大值為6.1MPa，在采動(dòng)卸壓作用下頂板巖層應(yīng)力有一定跌落，拉應(yīng)力是上半段頂板應(yīng)力的典型表現(xiàn)，因?yàn)樵搶用汉偷乇黹g距較小，故而可以推測(cè)出其對(duì)部分區(qū)段地表巖層的受力狀態(tài)形成較明顯的影響，拉應(yīng)力為采空區(qū)地表局部范疇中主要的受力形式，很可能產(chǎn)出“漏斗樣”的塌陷坑。第二水平開采作業(yè)完成后，一、二層煤下側(cè)煤柱各自承載的集中應(yīng)力是23.1MPa、27.9MPa，在首個(gè)層煤采場(chǎng)區(qū)上部頂巖層中產(chǎn)出了拉應(yīng)力區(qū)，并且因采空區(qū)段范疇偏大，故而誘導(dǎo)了首個(gè)層煤采場(chǎng)底板巖層中拉應(yīng)力區(qū)的行程過(guò)程，這在很大程度上削弱了巖體的安穩(wěn)性。

（3）剪應(yīng)力場(chǎng)。水平開采完成后，采場(chǎng)區(qū)下側(cè)方煤柱所承載的剪應(yīng)力形態(tài)和“馬鞍狀”高度相似，該水平上頂、地板承載的剪應(yīng)力均有持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)；第三水平開采結(jié)束后，煤柱所承受的剪應(yīng)力形態(tài)類似“X”樣，上部區(qū)巖層被較大剪應(yīng)力作用，增加了覆巖斷裂、失穩(wěn)情況發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

由采動(dòng)誘發(fā)的水平應(yīng)力與剪應(yīng)力整體作用下，采場(chǎng)區(qū)各巖層層面結(jié)構(gòu)被拉斷的概率明顯增加，當(dāng)確定采場(chǎng)區(qū)基本頂板承載的受應(yīng)力為拉應(yīng)力時(shí)，其對(duì)應(yīng)的上方地表處很容易形成“漏斗樣”塌陷坑。

3 采空區(qū)地表塌陷形成的影響因素

既往有諸多研究資料記載，采空區(qū)地表沉陷特征和采空區(qū)規(guī)格、煤層開采厚度、開采作業(yè)深度、重復(fù)性采動(dòng)、地形地貌、松散層厚度和分布、松散層構(gòu)成及井田地質(zhì)構(gòu)造等諸多因素存在相關(guān)性。

（1）煤層厚度與開采深度。煤層開采厚度（h）、采空區(qū)在垂直方向和地表的間距即垂直深度（H）是對(duì)地表塌陷起決定性作用的兩個(gè)主要參數(shù)，通常使用深厚比（H/h）做出權(quán)衡。煤層開采越淺顯或者采空區(qū)厚度指標(biāo)越大，地表塌陷事件發(fā)生率就越高。結(jié)合某礦區(qū)調(diào)研和工程勘測(cè)材料發(fā)現(xiàn)多數(shù)采空區(qū)的H/h＜30，這提示地表通常不會(huì)產(chǎn)出“三帶”型沉陷情況，只有發(fā)育冒落帶、裂隙帶會(huì)出現(xiàn)沉陷。

（2）地形地勢(shì)。地形地勢(shì)對(duì)采空區(qū)地表塌陷形成的影響多體現(xiàn)在陡坡地帶常發(fā)育地裂縫，陡坡的延伸方向?qū)α严斗秶卣惯^(guò)程起到主要的調(diào)控作用，于地形平緩位置經(jīng)常會(huì)產(chǎn)出塌陷盆地。地表坡度越大，不均勻地表塌陷發(fā)生率就越低。

4 分析采空區(qū)地表塌陷形成的機(jī)理

為更好的開展地表塌陷機(jī)制的分析工作，筆者擬定在數(shù)據(jù)模擬研究的基礎(chǔ)上，基于格里菲斯強(qiáng)度理論，更為全面的解讀巖體不同單元的受力狀況。

已知巖石隸屬于脆性材料，純天然巖體內(nèi)部形成數(shù)目較多的裂隙，可以將其看成是橢圓結(jié)構(gòu)，在外力作用下，一旦裂隙頂端承載的應(yīng)力抵達(dá)裂隙拓展的極限強(qiáng)度時(shí)，裂隙范圍有拓展的表征。裂隙頂部斷裂時(shí)，所承載的拉應(yīng)力最大值可采用（1）式計(jì)算：

[式中：E-巖體自身的楊氏模量，ρ-裂隙對(duì)應(yīng)的比表面積，c-橢圓長(zhǎng)軸的50%]

把巖體內(nèi)部形成的裂隙狀態(tài)看成等效橢圓，而后以彈性力學(xué)理論為基礎(chǔ)，獲得判斷格里菲斯強(qiáng)度的憑據(jù)，即為（2）式：

針對(duì)以隨機(jī)形式排布于巖體內(nèi)部的裂隙，我們將在客觀因素的作用下，最易出現(xiàn)斷裂的方向叫做裂隙方位角，可以采用公式（3）測(cè)算出具體值：

整體分析①～③式，能夠做出如下判斷：當(dāng)巖體承受的主應(yīng)力存在差異時(shí)，那么引起巖體出現(xiàn)斷裂情況的作用條件也有別。

分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)符合σ1+3σ3＜0關(guān)系式時(shí)，強(qiáng)度判斷憑據(jù)體現(xiàn)為和σ1軸成角為180°的直線，即EF直線；當(dāng)符合σ1+3σ3＞0關(guān)系式時(shí)，判別依據(jù)呈現(xiàn)為一次與二次曲線。鑒于以上情況，針對(duì)以上數(shù)據(jù)擬化獲得的采空區(qū)圍巖不同方位的受力狀態(tài)做出判斷，繼而解讀其安穩(wěn)性特征。本文如下把第一水平的開采作業(yè)為實(shí)例，探究采空區(qū)頂巖層上、下端的受力狀態(tài)，結(jié)果見表1。

表1 采空區(qū)頂巖層的上下端巖體的受力狀態(tài)統(tǒng)計(jì)表

基于格里菲斯強(qiáng)度理論判斷獲得的結(jié)果和數(shù)據(jù)模擬結(jié)果大體一致，于一煤二水平采場(chǎng)區(qū)與二層煤一水平采場(chǎng)上端對(duì)應(yīng)的地表巖層易產(chǎn)生塌陷區(qū)，張拉破損是主要的失穩(wěn)形式，伴隨著作業(yè)面開采活動(dòng)的持續(xù)推進(jìn)，形成斷裂、失穩(wěn)表象的巖層產(chǎn)出冒落塊體，對(duì)下方采空區(qū)形成充填，而對(duì)上覆巖層狀態(tài)起到一定支持作用，以上便是第三水平開采以后地表巖層塌陷現(xiàn)象發(fā)生率偏低的主要原因，采動(dòng)對(duì)地表沉陷過(guò)程形成的影響降低。

5 結(jié)語(yǔ)

本次研究中，通過(guò)模擬數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)伴隨第一到第三水平開采作業(yè)的推進(jìn)過(guò)程，采場(chǎng)區(qū)下方應(yīng)力集中程度就越為顯著，采動(dòng)行進(jìn)過(guò)程中，采場(chǎng)區(qū)覆巖層承受的應(yīng)力類型有所變化，具體是由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)型成拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力作用范疇有逐漸拓展趨勢(shì)，增加了覆巖層斷裂、失穩(wěn)情況發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，主要以張力破壞的形式表現(xiàn)出來(lái)。基于格里菲斯強(qiáng)度能精確判別出歷經(jīng)第三水平開采活動(dòng)后，地表巖層塌陷綠偏低的結(jié)論，這提示采場(chǎng)內(nèi)采動(dòng)行為對(duì)地表沉降、凹陷過(guò)程形成的影響偏低。