房柱式开采采空区覆岩移动变形规律的模型试验研究①

李 鹏 张永波

(太原理工大学水利科学与工程学院,山西太原 030024)

房柱式开采采空区覆岩移动变形规律的模型试验研究①

李 鹏②张永波

(太原理工大学水利科学与工程学院,山西太原 030024)

本文以山西省阳城至关门高速公路下伏的蒿峪煤矿采空区环境条件为基础,运用相似材料模拟实验的方法,初步探讨了在不同等级荷载作用下,房柱式开采所形成老采空区的再次变形和冒落的规律,以及影响范围和深度。

荷载;采空区;房柱式开采;模型试验

0 引言

目前,在我国因长壁开采形成的采空区所引发的地质灾害和工程治理已经引起学者和工程师的高度重视,在采空区覆岩变形与地表移动规律等研究方面积累了丰富的资料。然而对于房柱式开采,这种曾经在国内外被广泛使用的采煤方式,至今仍被许多小煤窑广泛使用的开采方式所形成的采空区及其治理未得到应有的重视。许多老矿区普遍存在的问题中,相当一部分是由古窑、老窑和小窑留下的房柱式老采空区引起[1]。对于房柱式开采形成的采空区在荷载作用下地表的残余变形和采空区稳定性的影响因数研究更是少有研究,从研究发展角度来看,开展房柱式老采空区在荷载作用下的地表残余变形和稳定性研究十分必要。

1 研究区概况

本课题以山西省阳城至关门高速公路下伏的蒿峪煤矿 (K5+000～K7+120)采空区为试验研究基地为试验基地。拟建线路在阳城一带可开采煤层共 3层,自上而下为二叠系山西组 (P1s)3#煤,石炭系太原组 (C3t)9+10#及 15#煤层,煤层厚度分别为 4～6m、1.5～3m、3～5m。现开采 3#煤层,该煤层层位比较稳定,倾角一般小于 5°,埋藏深度 30～200m。本试验段内全为基岩,全～强风化,为二叠系底层,由砂岩、泥岩及砂质泥岩组成,颜色为浅黄～灰黄,105.05～111.45m为采空塌陷区,开采方式为房柱式或短壁式,煤柱支撑,顶板管理为自然跨落。影响拟建高速公路中线长度为 2180m,采空区上为隧道[2]。

2 模型试验

本次实验选用几何相似常数αL=100,容重相似常数αγ=1.5,则应力相似常数α σ=100×1.5=150。根据煤矿的地层条件和实验台的尺寸,采用 2.5m×4.4m的平面相似模拟实验架进行实验。模型设计高度 2.47m,长 4.4m,宽0.4m。相似材料以石英砂、河砂、云母做骨料,以石灰、石膏、滑石粉做胶料,硼砂做缓凝剂[3]。模型开采顶板为中等坚硬顶板的 3#煤层,开采最大埋深为 223m,最小埋深为 115m,高差达到 108m,开采厚度为 8m,开采最大采深采厚比为 28,最小采深采厚比为 14。模型设置十层 163个观测点,同层观测点水平等距布设,观测点横向间距为20cm,垂直向靠近煤层布置较密的观测点。随着实验的进行,测定不同阶段采空区冒落带、裂隙带、弯沉带岩体裂隙的分布。

3 采空区覆岩沉陷与变形规律

实际工程中共有四个工作面,工作面采宽同为 60m。本次试验中 3-1工作面采宽为 60m,3-2工作面采宽为 80m,3-3工作面采宽为60m,3-4工作面采宽为 30m,详见图 1。四个工作面在开采过程中均无冒落现象发生,仅有 3-1工作面在开采结束后较短时间内发生冒落,顶板冒落一层,冒落高度为 2m。四个工作面都是在开挖结束一段时间后发生冒落,3-1工作面冒落高度最大为 30m;3-2工作面冒落高度最小为14m;3-3工作面冒落高度为 20m;3-4工作面冒落高度为 14m。开采结束后每个工作面上都存在一定的空洞,实验过程中及实验结束后未发现开采工作面以上的岩层及周围岩层中出现明显的垂直裂隙和沿层向的水平裂隙,地表未观测到有明显的裂缝、塌陷及沉降。

实验结果表明,当开采宽度相同时,煤层埋深较浅的岩层冒落高度较大;采宽越小,煤层的埋深越大,冒落的高度越小;覆岩在移动和破坏过程中只发生冒落,仅在开采过程中出现沿层面发育的离层裂隙,离层裂隙主要是因岩层间力学性质差异性较大,岩层向下异步弯曲移动所致。

4 采空区覆岩加载后变形规律

模型加载重物横截面积为 17.5cm×15.2cm,第一次加载 20kg(0.074Mp),第二、三次加载11kg(0.041Mp),第四、五次加载 10kg(0.037Mp)。加载位置分别为距模型左侧 80m,160m,260m和 370m,如图 1所示。

图 1 开采工作面布置及加载位置图

4.1 荷载的影响深度

图 2是四个采空区工作面正上方不同深度岩层的沉降量曲线图。从图 2可以看出:(1)加载后采空区上覆岩层离地表越近 (越接近加载处)沉降量越大,在不同荷载等级下荷载的影响深度是不同的。工作面一在五级荷载作用下最大影响深度为 90m,90m以下的岩层已经发生冒落,冒落的岩层与上部岩层脱离,所加荷载不足以使紧邻采空区的岩层发生破坏变形,因此荷载对采空区无影响。工作面三的最大影响深度为 110m,工作面四的最大影响深度为 125m,荷载未传递到采空区,因此对采空区无影响;工作面二的最大影响深度为 123m,采空区发生破坏,所有观测点均有不同程度的位移。(2)从四个图中可以看出,在五级荷载作用下,加载位置以下第一个观测点的沉降量达到最大值,随着覆岩厚度的不断增加,越靠近采空区岩层的沉降量越小。(3)荷载由0.1142MPa增加至 0.1547MPa时,沉降量有明显的增加;但是当继续增加荷载时,覆岩沉降量并没有明显的变化,可能是覆岩在前三级荷载作用下经过压密已达到某种稳定平衡,开采宽度相对较小,两侧的煤柱及岩层有很好的支撑能力,且荷载增加的幅度不大,变化的幅度不足以破坏新的平衡,从而没有明显的破坏及变形。

图 2 四个工作面 (中央)上方不同深度岩层的沉降量曲线图

综合分析 4种情况下的覆岩的沉降曲线可以看出:(1)荷载在采空区的不同部位引起的变形规律是有差异的,当采空区上方覆岩厚度比较接近时,在相同荷载作用下,工作面采宽越大,荷载对采空区的破坏越大;(2)当工作面采宽相近时,在相同荷载作用下,采空区上覆岩层越厚,荷载对邻近采空区的覆岩作用越小,破坏越小。

4.2 荷载的影响范围

对模型最靠近地表的一些观测点进行分析绘出曲线,绘制地表观测点沉降量曲线,如图 3所示。从图中可以看出:(1)荷载对于位于加载位置正下方的观测点沉降量影响比较大,且荷载对其左右各 10m范围之内影响较明显;(2)结合模型地形可知,距离模型左侧边缘 60m处的观测点距加载位置较近,因此受到荷载的作用比较明显,距离模型左侧 20m和 40m处的两个点都位于 80m加载处观测点之下,受地形影响荷载对其有一定的影响,且越往模型的边缘走,荷载的影响越小;(3)受到荷载的相互叠加以及地形的影响 (地形东高西低),位于中间的两个加载点之下的观测点沉降量都较大,最大沉降量达到 0.37m,中间两加载点下方观测点的沉降量基本相同。

图 3 地表观测点的沉降量曲线图

由此可见:地形对于荷载影响范围作用明显,荷载从加载位置以一定的角度向两侧传播,地势越低,叠加的荷载越大,对采空区的影响也就越大;荷载在传播过程中不断减弱,离加载位置越远,传递过来的荷载越小。

5 结语

通过对荷载作用下房柱式开采采空区的研究,使得我们对小窑房柱式开采所形成的老采空区在荷载作用下的覆岩变形破坏与地表位移规律有了更深层次的认识,荷载的影响深度、影响范围都是有限的,荷载的加载位置对于采空区覆岩位移变形作用明显。实验结果表明:我们在修建荷载较大的建筑物时,应避开地势较高的地方去修建,避免荷载在地势较低的采空区相互叠加,对地势地处采空区造成较大的破坏;在采空区处置方面,应先处置地势较低且工作面相对较大的采空区。

[1]郭广礼,何国清,崔曙光 .部分开采老采空区覆岩稳定性分析[J].矿山压力与顶板管理,2003(3):70-73

[2]山西省晋城至侯马高速公路阳城—关门煤矿采空区工程地质勘查报告,2006

[3]林韵梅 .实验岩石力学模拟研究 [M].北京:煤炭工业出版社,1984:1-109

TheM odel Exper iment Research of Overburden RockM igration and Deformation Law of Gob Area with Room-and-Pillar System

L I Peng,ZHANG Yongbo

(School ofWater Conservancy Science and Engineering,Tai yuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024)

Taking the old goaf of Haoyu under Yangcheng to Guanmen highway in Shan Xi province as a test example and adopting several researchmethods(such as experimentof analog s imulation and numerical simulation),under the different rank loads and the room-and-pillarmining condition,the rule of old gob area’s second settlement,caving and the influence and depth under load is preliminarily discussed.

loads;gob area;Room-and-pillarmining;model experiment

TD823.5+2

A

1672-7169(2010)04-0038-04

2010-10-21

李鹏 (1984- ),男,太原理工大学水利科学与工程学院硕士研究生。