巨厚松散层下开采地表损害机理研究

陈俊杰，陶宛东，黄成飞

(河南理工大学，河南焦作 454003)

0 引言

我国煤田，特别是华中、华东地区的煤田，煤系地层上面多被厚及巨厚松散层覆盖，在这些地区的建筑物、铁路、水体下(简称“三下”)压占着大量的煤炭资源［1-2］。自20世纪80年代起，我国许多矿井在厚松散层下开采时发现了一些特殊的现象，如工作面开采后，地表破坏剧烈，下沉系数偏大，保留煤柱上方垂直变形异常，水平移动范围大于下沉范围等［3-6］。这些现象的产生是常规的开采沉陷理论所无法解释的［7］。厚松散层下开采造成的地表移动变形的特殊性，需要重新认识厚松散厚度在开采沉陷所起作用的机理。国内外对一般的地质条件开采沉陷机理方面已有很多研究，但是对于厚松散层开采条件下开采沉陷机理与地表移动变形之间的关系，需要进一步探讨。

1 研究区概况

新郑煤电有限责任公司赵家寨煤矿开采设计生产规模为300×104t/a。11206综采工作面为赵家寨煤矿首采工作面，走向长壁布置，设计走向长2165m，倾斜长170m。开采煤层为二1煤层，煤层厚度变化较大，在1.8～17.07m，平均煤厚6.54m，煤层倾角为6.5°。工作面开采深度为313m，其中松散层厚度为120m，约占开采深度的40%，为巨厚湿陷性松散层。采煤方法采用走向长壁综合机械化放顶煤回采，全部垮落法管理顶板。

2 地表非连续变形特征

2.1 倒台阶裂缝及塌陷坑

根据现场监测，当11206首采工作面开采6个月后，在工作面的开切眼附近，出现多个塌陷坑及倒台阶状裂缝，倒台阶落差约在0.5～0.7m。塌陷坑为圆形或椭圆形，深度为3～7m不等(图1、图2)。

图1 倒台阶裂缝Fig.1 Reverse step cracks

图2 塌陷坑Fig.2 Collapse pit

2.2 台阶裂缝

在工作面推进过程中，地表裂缝总是在采空区边界的外侧上方产生，裂缝宽度最大达到0.6m，裂缝深度在10～15m不等。裂缝台阶落差达到了0.4～0.6m。裂缝发育平行于工作面推进方向，其延伸方向与地表变形主拉伸方向正交(图3)。

图3 台阶裂缝Fig.3 Step cracks

2.3 超前裂缝

由井上下对照图可知，裂缝区域地表非连续移动变形明显，工作面前方出现了明显周期性的台阶状张口裂缝群，超前裂缝距离工作面切眼为44～87m不等，裂缝之间的距离为9～12m不等。同时，在工作面推进的后方，裂缝出现了逐渐闭合趋势，裂缝闭合位置距工作面推进切眼距离为80～100m(图4)。

图4 超前台阶裂缝群Fig.4 Advancing step crack groups

2.4 隐蔽的塌陷坑

现场大量的观测表明，11206工作面开采后，在地表形成的裂缝，在雨水侵蚀、冲刷的作用下，部分区域在工作面开采的地表上方，形成隐蔽性的空穴，表面上似乎平整的地表，实际存在着突发性、随机性、不连续性的塌陷坑［8］。

3 数值模拟应力分析

3.1 模拟方案

为了研究巨厚湿陷性松散层下开采地表出现非连续变形的机理，采用UDEC数值模拟软件，分析松散层厚度对地表竖向应力的影响。在模型设计时，建立了5个数值模拟模型，松散层厚度分别取50m、100m、150m、200m和250m。为使各方案模拟结果具有可比性，5个模型的长×高均为3300m×800m，左右边界均各留900m煤柱［9］，采深320m，采宽170m，采厚6.5m。

3.2 岩体物理力学参数

岩体力学参数对数值模拟计算的结果影响很大，岩体力学参数是以流变理论为基础，通过物理实验确定的。数值模型模拟岩体物理力学参数以赵家寨煤矿综合柱状图为依据，通过适当的简化，从上至下依次是:表土层、细砂岩与泥岩互层、泥岩、中粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、老顶粉砂岩、直接顶砂质泥岩、煤层、直接底板细砂岩(表1)。

表1 岩体物理力学参数表Table 1 Physical and mechanic parameters of strata

3.3 覆岩应力模拟结果及分析

通过对上述各方案进行模拟，得到了不同松散层厚度时岩层竖向应力云图和应力集中曲线图(图5～图10)。

从图5～图10中可以看出:

(1)在巨厚松散层开采条件下，随着开采工作面不断推进，上覆岩层出现了应力集中区域，且出现在采空区的两端，形成开切眼处的应力集中值要比工作面停采处的应力集中值大，造成下沉拐点附近为覆岩拉、应力快速变化区域。其拉伸变形达到或超过土体的极限抗拉强度时，反映地表就会产生裂缝。

图5 原岩竖向应力云图Fig.5 The vertical stress cloud map of rock strata

图6 松散厚度为50m岩层竖向应力云图Fig.6 The vertical stress cloud map of rock strata as alluvium is 50m

图7 松散厚度为100m岩层竖向应力云图Fig.7 The vertical stress cloud map of rock strata as alluvium is 100m

图8 松散厚度为150m岩层竖向应力云图Fig.8 The vertical stress cloud map of rock strata as alluvium is 150m

图9 松散厚度为200m岩层竖向应力云图Fig.9 The vertical stress cloud map of rock strata as alluvium is 200m

图10 松散厚度为250m岩层竖向应力云图Fig.10 The vertical stress cloud map of rock strata as alluvium is 250m

(2)在工作面推进过程中，采空区会出现应力释放区域。根据图5～图9的应力云图的比较来看，在松散层厚度50～200m变化过程中，应力释放区域逐步增大，具备了基岩顶面移动破坏强度大的条件。从图10的应力云图可以看出，当松散层厚度由200～250 m过程中，应力释放区域又出现逐渐减小的趋势，其主要原因是，随着松散层厚度的不断增加，基岩在开采深度中所占比例逐渐减小，煤层开采后，上覆岩层不能形成拱形的支承结构，导致应力释放区域减小，造成地表移动盆地更加平缓，下沉系数增大的趋势较为缓慢。

(3)随着松散层厚度从50～200m逐渐增加，应力集中系数也逐渐增加，最大值达到了2.08。在厚煤层综采放开采、全部垮落法管理顶板条件下，开采强度相对较大，造成地表下沉破坏剧烈，地表出现台阶状裂缝。当松散层厚度从200m增加到250m时，应力集中系数逐渐减小。

4 地表裂缝形成机理

在厚湿陷性黄土层下，随着11206首采工作面不断推进，地下采空区的不断扩大，当基岩面上的抗拉强度超过其自身的强度时，垂直裂隙沟通扩张，在裂缝中释放水平移动与水平变形，造成基岩面上产生裂缝。当开采影响将传递到地表，由于地表点各处之间的移动量不均衡，当其拉伸变形达到或超过土体的极限抗拉强度时，地表就可能产生裂缝。尤其是厚黄土层本身抗拉强度非常弱，表现在地表出现超前台阶状裂缝及塌陷坑。

同时，随着工作面的推进，在工作面前方地表形成的动态拉伸区范围内，不断地形成裂缝，而后的区域即采空区上方地表转化为压缩区，裂缝在挤压力的作用下有所闭合。随着工作面不断推进，裂缝逐渐加深、加宽，地表集中变形加强，破坏程度逐渐加剧，达到地表移动变形的活跃期，裂缝宽度逐渐稳定到一定范围。同时，地表裂缝形成后，裂缝将吸收周围的地表变形，使得裂缝两侧的土体变形降低，所以通常两条裂缝之间相隔一定距离。

随着开采的继续进行，开采面积不断扩大，当采动裂缝的位置位于开采影响范围之外时，裂缝处的移动变形逐渐稳定，移动变形量逐渐减小，地表裂缝随着地表移动变形的逐渐稳定而产生一定闭合［10］，地表裂缝沿推进方向经历了拉伸—压缩的动态过程，最终达到地表移动变形的衰退期。在巨厚松散层开采条件下，衰退期比活跃期持续时间更长，现场观测表明，活跃期为1个月左右，而衰退期达6～8个月左右。

5 结论

(1)描述了巨厚松散层综放开采条件下周期性裂缝、台阶、塌陷坑等地表非连续移动变形破坏特征。

(2)建立了数值模拟模型，得到了松散层厚度分别为50～250m时的覆岩竖向应力云图，分析了巨厚松散层开采条件下覆岩应力集中、释放区域以及应力集中系数的变化与地表变形之间的关系。

(3)分析了巨厚松散层开采条件下地表出现非连续变形的破坏机理，指出了应力变化与巨厚松散层性质是造成地表出现非连续变形的主要原因。

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