黄土覆盖下开采沉陷影响研究分析

张 磊，鲁 杰

(1.山西大同大学 建筑与测绘工程学院，山西 大同 037003；2.山西大同大学 煤炭工程学院，山西 大同 037003)

我国作为世界人口最多，资源消耗量最大的国家，煤炭资源更是占总的资源消耗量的一半以上，因此煤炭资源在国民经济和国家发展中有重要作用，而煤炭资源占比较大的地区就是北方黄土覆盖地区。黄土覆盖地区地形起伏比较大，节理发育不规则，在煤炭资源开采中往往会形成不同的灾害影响[1]。近些年来大规模煤炭资源的开采所引起的地表沉降对居民生活和生态严重破坏已逐步影响到了下一步的煤炭资源开采和国家经济发展[2-3]，因此本文应用相似模拟实验和数值模拟实验，以山西省同煤集团麻家梁煤矿井工开采对地表沉降为研究对象，综合分析，所得结果可为今后的矿山实践和安全生产提供依据。

1 工程概况

麻家梁矿作为山西省同煤集团最大的立井，也是同煤集团11个千万吨矿井之一，井田南北大概有12km之长，东西约长8km，井田总的面积约为104.16km2，矿井年产量设计为12Mt，最大服务年限约为85a。

麻家梁井田位于山西省朔州市南，距朔州市区约为10km，煤层主要为山西组和石炭系太原组，一共可采煤层有8层，其中主要可采煤层为4号、9号煤层，煤层平均厚度为6.32m和11.15m，煤种为中灰、低硫、低磷的动力煤，煤层所含瓦斯比较少，十分便于开采。但是随着煤层逐步向前开采，由于采空区覆岩的垮落逐步对地表形成影响使地表形成沉降，因此本文采用相似模拟实验和数值模拟实验对4号煤层开采状况下麻家梁煤矿黄土覆盖区域的沉陷进行研究。

2 数值模拟开采及结果分析

2.1 数值模拟模型的建立

通过大量实例论证和对麻家梁矿的现场勘察及表1的物理力学数据，确立模型长、宽、高分别为460m，280m，216m。模型四周采用边界约束条件，顶面采用自由边界。模型每次开采长度为20m，高为11m，采用摩尔-库伦本构模型，在模型表面每隔20m处设置1个沉降监测点，共布置13个监测点对地表沉降进行监测。

2.2 井工开采及结果分析

根据对以往井工开采地表沉降研究成果的总结，本次实验需从模型后方向前50m处进行开切眼布置，模型从后方开切眼处每次向前方掘进20m，由图1模型各监测点沉降曲线可以看出，在井工开采初期布置于模型表面的各监测点不受来自开采的影响，地表没有发生沉降。但随着井采扰动强度的持续加大，当采掘工作面推进到60m时，位于采空区正上方的地表逐步受到来自采空区垮落的影响，监测点逐步发生沉降变化，但沉降值微小；当井采工作面继续向前，采空区覆岩垮落范围不断加大，其地表沉降呈线性增大趋势，其位于采空区中心区域的监测点沉降变化更加明显，两边监测点变化则比较缓慢；当井采工作面推进到380m时，其地表沉降在采空区上覆岩层的破坏下沉降基本已经达到最大限度，地表最大沉降值为12.5m左右，且其沉降向四周发展，逐步形成盆地形状。

表1 岩土体物理力学指标

注：每1000步为井工开采20m图1 模型各监测点沉降曲线

3 相似模拟实验布置、开采及结果分析

3.1 实验布置

根据对麻家梁矿所取岩样的分析和总结，得出表2的岩层力学参数和相似模拟配比数据。

表2 煤层岩石材料配比

由表2可知，本次实验所需的材料有河沙、石膏、碳酸钙、云母粉及硼砂。而作为本次实验骨料的是河沙，胶结材料为石膏、蛋白粉，在实验中云母粉起分层作用，硼砂起缓凝作用。待所有材料准备好之后，按表2配比数据称重，用搅拌机进行搅拌后，进行人工铺装，然后用铁板均匀进行压实,以此反复直到模型全部铺装完成为止。待模型铺装完成后，等待5d左右使模型粘结更加充分，达到相似模拟实验所要求的预计强度后，用千斤顶进行加压，使其压力与矿山岩层重力达到相似。

根据相似模拟第三定律可以确定本次相似模拟实验所要确定的相似常数为200，因位移常数和相似常数是一致的，因此本文所要确定的位移相似常数也为200，而重度相似常数则为1.5。根据实验室已有的条件和矿山已有的开采状况确定本文所采用的相似模拟实验台，长1.86m(372m)、宽为0.2m(40m)、高为2.1m(420m)。模型铺装结束后高为1.84m(368m)。模型沉降采用电子经纬仪和所标定的可视物方块监测点进行监测，其可视物监测点布置如图2所示。本次实验选取第1排白色监测点和第4排白色监测点对各覆岩移动进行分析，从右向左从下到上依次为1-3，1-4，……，1-11，4-6，……4-9。

图2 模型监测点布置

3.2 模型开采及结果分析

3.2.1 煤层开采准备及开采过程

通过对以往的相似模拟总结可以得出，在模型开挖前，为了消除模型开挖所引起的边界效应，都会在模型开挖处留有一定数值的长度的边界煤柱，以保证模型开采的顺利完成，由此本次相似模拟实验在模型架右侧边界300mm(60m)处进行开切眼，每次模型开采长度为40mm(8m)，采掘高度为煤层厚度。

随着模型开挖的进行，当井采工作面推进至200mm(40m)时，煤层上方直接顶逐步出现微小离层裂隙；当井采工作面开采至280mm(56m)时，煤层上方直接发生初次垮落现象，垮落高度为16mm(3.2m)左右，采掘工作面发生初次来压，来压步距280mm(56m)，垮落区上边缘垮落长度为210mm(42m)，如图3所示；随着采掘工作面向前推进扰动强度的不断加大，采空区上方的覆岩离层发育现象越发明显，当井采工作面掘进到360mm(72m)时，直接顶发生第二次来压，来压高度27mm(5.4m)，来压长度为280mm(56m),形成基础垮落角，垮落角分别为左54°，右56°；随着采掘工作面继续向前推进，由于覆岩重力和开采扰动破坏了岩层原有的稳定和其内部结构，因此开采来压对覆岩的破坏和扰动强度越大，其来压现象会越加明显，当采掘工作面推进到440mm(88m)时，直接顶发生第3次垮落，垮落高度21mm(4.2m)，垮距360mm(72m)；随着工作面继续向前推进，在采掘推力和覆岩自身重力下，采空区从开采开始到采掘终止一共发生9次来压现象，其平均来压步距为131mm(26.2m)，直到工作面推进到1480mm(296m)时，开采扰动使覆岩垮落逐步影响到黄土覆盖地表，并且地表沉降区域逐步向盆地形状发生，为了不影响下部煤层开采，因此开采终止，如图4所示。

图3 初次来压

图4 充分采动

3.2.2 结果分析

由图5、图6可以看出，在井采工作面开采初期，由于受到来自水平推力和开采扰动较小，其地表基本不发生沉降变化，但是随着井采工作面持续向前推进，当工作面推进到240mm(48m)时，其位于采掘工作面正上方的监测点数据逐步发生变化，虽然变化幅度不是很大，但是其变化也可以说明井采扰动是对地表沉降有影响。随着采掘工作面继续向前推进，当工作面推进到880mm(176m)时，由图5(b)可以看出，井采扰动已经影响到模型前方的监测点，监测点数据变化呈线性变化，这就可以说明，当开采扰动达到一定强度后，地表受重力和推力作用下，其沉降变化非常大。当工作面推进到1240mm(248m)时，采空区沉降变化对地表影响已经非常大了，但是还没有使地表完全发生大规模和大范围的沉陷，随着工作面继续向前推进，位于第4排监测点的黄土层沉降变形基本保持和基岩同步移动趋势，基岩的断裂沉陷直接对黄土覆盖的地表形成结构性的破坏，使黄土覆盖区域逐步发生沉降，直到工作面开采至1480mm(296m)时，黄土覆盖的地表最大沉降值为36.48mm(7.296m)，已经达到沉陷的最大范围，因此开采终止。

图5 第1排垂直位移监测点位移曲线

图6 第4排垂直位移监测点位移曲线

4 结 论

(1)采用数值模拟实验对进行黄土覆盖区域的开采沉陷研究中，由于煤层开采时受开采推力和上覆岩层自重的影响，位于采空区上部的覆岩会不断发生向采空区方向的垮落，在覆岩垮落达到一定程度时会逐步使地表发生沉降，且沉降是随采掘长度不断增加而不断加大。

(2)采用相似模拟实验对黄土覆盖区域的开采沉陷研究中，在工作面向前推进下，位于采空区上方的顶板发生初次垮落，长度为280mm(56m)，来压长度210mm(42m)，垮落高度16mm(3.2m)，即初次来压。

(3)相似模拟实验中，在水平推力和开采扰动的影响下，黄土覆盖地表沉降和数值模拟基本相似，当开采终止后，最大沉降值为36.48mm(7.296m)，共发生9次来压，其平均来压步距为131mm(26.2m)。