地表切落式裂缝破坏及控制研究*

2014-03-22王创业

采矿技术 2014年4期

王创业，岳明

(内蒙古科技大学矿业研究院, 内蒙古包头市 014010)

神东矿区在资源开发过程中出现了一些环境问题：地表沉陷破坏，地下水流失造成的植被破坏以及土地荒漠化。这些问题严重阻碍着矿区的可持续发展。神东矿区具有煤层厚度大、埋藏浅、薄基岩、松散沙层厚等特点，开采沉陷损害具有一定的特殊性，关于此种条件下的开采损害问题研究具有重要意义。

1 矿区地质及开采损害概况

神东矿区煤层赋存稳定，地质构造简单，断层发育较少。矿区干旱少雨，多风沙，地表植被稀疏。本文研究的12407工作面所在煤层为1-2煤，位于补连塔井田四盘区，走向长度2842 m，倾斜长度300 m，圈定回采面积为854076.59 m2。煤层倾角1°～3°，煤厚4.0 m，埋藏深度196.7 m。工作面采用走向长壁后退式布置，综采一次采全高，全部垮落法处理采空区[1]。

12407工作面在回采过程中,地面出现了较多的裂缝和塌陷坑。随着采空区的持续扩大，裂隙逐渐增多，塌陷范围不断扩大，塌陷坑呈椭圆形分布，最大下沉量为2585 mm，最大下沉系数0.55。

2 地表切落式裂缝破坏分析

2.1 关键层破断失稳分析

神东矿区煤层开采引发的地表裂缝破坏及塌陷坑，是由于覆岩中关键层出现失稳，突然切落下陷造成的，关键层对这种地表损害起到控制作用。关键层理论的提出为矿山压力与岩层移动和地表沉陷等领域的研究提供了相互联系的纽带[2]。

因此，研究关键层的破断失稳条件是解决神东矿区开采沉陷问题的关键技术手段，是研究岩层移动与地表沉陷相互耦合的重要前提，可以通过控制采高的方法保证关键层不发生或延缓发生破断失稳现象，进而减轻地表沉陷损害。

2.2 关键层结构稳定分析

工作面顶板结构的滑落失稳造成台阶下沉。因此，防止老顶关键块滑落失稳是保证关键层结构稳定的重要条件，也是实现控制地表切落式裂缝破坏的关键因素。老顶关键块不出现滑落失稳的最大下沉量(Δ) 近似表示为[3]:

Δ=lzsinθ1

(1)

式中:lz—未考虑垫层作用的关键层周期破断距,m；

θ1—老顶关键块的初始回转角,θ1<4°。

老顶关键块允许的下沉量(w)为：

w=m-[mf+(kp-1)>∑h]

(2)

式中：m—开采高度,m；

mf—采空区有效充填厚度,m；

kp—直接顶碎胀系数；

∑h—直接顶厚度,m。

根据补连塔矿12407工作面实际工作条件计算，老顶关键块不出现滑落失稳的最大采高应不大于2.05 m，即m-mf≤2.05 m。

3 关键层结构稳定条件的FLAC3D数值模拟分析

3.1 数值计算模型建立

计算模型以补连塔矿12407工作面地质条件为标准进行构建。走向上，长度取100 m，同时两边各加300 m边界影响区域共700 m；倾向上，长度取300 m，同时两边各加300 m边界影响区域共900 m；倾角取0°，按水平煤层考虑；垂直方向上按各煤岩层实际厚度进行模拟。模型长×宽×高为0.7 km×0.9 km×0.2 km，共计126000个单元，134261个节点。三维模型如图1所示。

图1 数值计算模型

采用Mohr-Coulomb塑性本构模型,对各岩层进行煤岩物理力学参数赋值。分别对采高2 m和4 m的模型，进行分步开挖。工作面每推进10 m进行一次运算,分10步开挖完毕。经计算得出，补连塔矿12407工作面顶板之上的关键层为厚度4.66 m的中粒砂岩,位于煤层上方16.08 m处，破断的依据为拉破坏。

3.2 关键层结构稳定条件的FLAC3D数值模拟分析

图2 采高4 m时关键层初次破断的应力分布

对图2进行分析：采高4 m时，当工作面推进到60 m，采空区上方直接顶的应力σ=0.5 MPa(正号表示受拉应力作用)，表明直接顶已经发生破坏；关键层中最大拉应力σ=1.2 MPa，表明关键层即将发生破断，破断距60 m。关键层破断的应力分布(图2)，证实了随着工作面的推进，采空区上方顶板裂缝持续扩展，当关键层破断时，裂缝贯通，出现大范围冒落。

图3 采高2 m时覆岩的应力分布

对图3进行分析：采高2 m时，当工作面推进到60 m，采空区上方直接顶的应力σ=0.5 MPa(正号表示受拉应力作用)，表明直接顶已发生破坏；然而关键层的应力σ=-0.5 MPa(负号表示受压应力作用)，表明关键层并未失稳，还具有承载能力。覆岩的应力分布(图3)，证实了当采高减小时，直接顶冒落产生的破碎岩块起到了充填作用，使关键层结构不会立刻发生失稳，从而避免地表出现裂缝破坏。

模拟结果表明：由于拉破坏为关键层的破坏形式，故限高开采(分层开采)可以较好的控制关键层不发生结构失稳，从而避免地表出现切落式裂缝破坏。

4 地表损害控制方法

神东矿区特殊地质条件下可以采取相应的控制措施以减轻地表损害程度[4-7]。

4.1 限高开采

神东矿区具有薄基岩，松散沙层厚的特点，而且一次采全高的采煤方法对地表损害较为严重。数值模拟结果表明：对于12407工作面，采高4 m时，当工作面推进到60 m，关键层出现失稳现象，将要发生破断；采高2 m时，当工作面推进到60 m，关键层仍没有出现失稳。因此，神东矿区实施分层开采能有效地控制地表切落式破坏。方案为：先开采第一分层，覆岩稳定之后，开采第二分层，分层厚度为2 m。实践结果表明：此种控制开采的方法能较好地减轻地表破坏。

4.2 覆岩离层带注浆充填减沉方法

现如今，一些专家提出了一种新的沉陷控制方法，即覆岩离层带注浆充填减沉措施。通过对采空区上覆岩层中形成的离层空间进行注浆充填，从而阻止地表切落下沉。由于离层注浆时对离层裂缝的发育情况难以掌握，而且注浆工艺复杂，故大面积煤层开采下实施的地表减沉技术还未应用于实践。

4.3 二次条带式开采沉陷控制方法

由于关键层破断导致地表下沉量突然增大，故可将关键层不发生破断失稳作为开采沉陷控制的原则。

根据荷载置换原理，一些专家提出了条带开采-注浆充填固结采空区-剩余条带开采的三步法(二次条带式)开采沉陷控制的新思路[8]。这种方法主要利用关键层进行覆岩控制，不干涉开采工作。根据关键层结构失稳条件，从地表选择适当的位置钻孔充填或在工作面推进过程中，运用局部条带充填，以控制关键层，达到缓慢下沉的目的，从而避免地表切落裂缝的发生。