地质构造对采煤沉陷的控制作用

姚荣胜

（山西省煤炭工业厅煤炭资源地质局，山西 太原 030045）

引言

煤炭的开采关乎人类的正常生活，只有提高开采效率才能带来可观的经济效益。与此同时，如果采煤沉陷严重，还会对周边环境造成不可恢复的破坏，影响附近居民的生命财产安全。不同矿区往往呈现出不同的地质构造形态，这便加大了采煤沉陷的研究难度。以往很少有关于地质构造对采煤沉陷控制作用的研究，鉴于此，将针对采煤沉陷的发生规律以及地质构造对其的影响进行分析，对保护土地资源和生态环境有重要指导意义。

1 采煤沉陷研究基础理论

采煤沉陷研究是一项复杂的工程，为了提高研究的准确性和可操作性，数学、计算机、力学等学科的最新研究方法均要运用其中，使得采煤沉陷的研究有更多的思路。目前主要采用的理论包括地表移动及变形的预计公式、导水裂缝带高度计算公式、岩体内部移动计算式、动态预计模型等，使研究有据可循。

1.1 定性分析

通常，接近水平和缓倾斜的煤层采空后，煤层顶部岩层会在垂直方向发生弯曲，顶板冒落的岩石将会填充采空区，直至冒落过程结束。倾斜煤层则不仅会在垂直方向出现崩落现象，在切线方向也会发生岩层的位移，一旦岩石到达采空区的底板，俯视观察会发现下沉盆地是形状不规则的盘状。急倾斜煤层的上盘岩会以悬臂梁的弯曲形式发生位移，进行采煤作业后，不同的岩层都会不同程度地发生错位移动，使岩层呈现为台阶状，这种情况下覆岩的破坏方向为往上山方向移动，整个冒落带为椭圆形［1］。

1.2 力学分析

根据力学知识可知煤层采空后，岩层受力情况以采空区作为分界点，采空区以上的岩层除受到重力作用以外，还会受到采空区前后岩区的支撑力，因此为了研究方便，将上覆岩层抽象的作为简支梁结构。

煤层顶板的挠度和覆岩产生的垂直应力都和采空区的长度的四次方成正比，且挠度和梁的厚度的三次方成反比，通常岩层越薄，则发生弯曲的概率越大。覆岩中具有较大厚度的部分对采煤沉陷有相当重要的影响。倾角增大，会使得垂直方向上的分力变小，从而增加了切向力的大小，使上山方向的岩层存在被剪短的风险，下山方向的岩层受到挤压力作用。

由上述分析可以确定合适的顶板挠度，但需要注意的是，通常模拟时选用的载荷都是均匀载荷，实际采煤过程中使用的多为三角形载荷。在载荷分析的过程中，将会运用到载荷分解原理、叠加原理等，在最终得出挠曲函数之后，要确定最大下沉量的位置，此时由于载荷为非均匀载荷，因而最大下沉量位置不在几何中心，通常会向山下方向偏移。

2 单斜构造对采煤沉陷的控制理论

如果地壳的运动不均匀，板块之间相互碰撞和挤压，就会在纵向上产生不同的升降效果，表现为地壳的隆起和凹陷，从而使得地质表现为大区域单斜构造。一般而言，单斜构造对采煤沉陷有控制作用，在相同的开采条件下，覆岩会随着地层倾角不同产生不同的沉陷效果。

研究时通常将煤层的倾斜角分为接近水平、缓倾斜、倾斜和急倾斜四种。在考虑地质构造和采煤沉陷二者之间的关系时，应当以煤层的埋层条件作为变量，分析地表受破坏情况。在具体研究时，主要采用力学、定性等分析方式［2］。

完成理论分析之后，就要进入数值试验阶段。首先应当尽可能将原地质情况抽象简化为较为简单的模型，在剖分网格时要对顶板和靠近地表岩层的网格进行垂直方向上的二次加密，具体画网格过程中，可以将模型首先分区，然后以区为单位实现分层，最终把不同层的模型粘合起来。模型构建完成后，首先进行自平衡处理，然后才能模拟。

最终结果表明，采煤会使得岩层受力发生变化，所受应力将会得到重新分布。接近水平的煤层最大下沉点在采空区的中心与地表的投影处，并呈现出形状规则对称的盆形；缓倾斜煤层的最大下沉点位于偏向采空区的下山方向，盆地形状是不对称的；倾斜煤层的最大下沉点位置和缓倾斜煤层相似，均为下山方向，但是盆地形状呈半地堑式箕形盆地；急倾斜煤层的最大下沉点位于采空区的上方，靠近煤层顶板的一侧，盆地形状则是半地堑式塌陷槽。采煤沉陷的垂向下沉值随着倾斜度的增加而增加，急倾斜煤层的垂向下沉值最大。

3 褶皱构造对采煤沉陷的控制作用

通常我们依据翼间角的大小把褶皱分为平缓褶皱、开阔褶皱、闭合褶皱、等斜褶皱。为研究方便，通常按照褶皱规模不同将其分为大、中、小三类，这三类对于生产的影响有较大区别。通常小褶皱在准备阶段较为常见，中型褶皱对于采煤过程影响较小，但是往往会决定采区的分布情况，大型褶皱对整个井田的划分和开拓都有重要意义。本文研究的对象主要是中小型的褶皱构造，因为该对象对于采煤沉陷的控制作用更具研究价值。

在采煤过程中，岩体所受的力主要在于垂直的压应力和侧向的膨胀。垂直方向上受到的应力主要是压应力，岩石受到压缩力会在内部聚集弹性能量。弹性能量的大小和开采深度成二次方关系，一旦弹性能量释放出来，岩体将会发生明显的位移，并且会在地下形成开挖空间，使得应力分布得到新的平衡状态。

褶皱形态与最大下沉量密切相关，根据“背斜构造”的力学模型分析，能够发现水平力的产生使得弯矩减小，由此可以得出拱受力大于梁受力的结论。为了使“背斜拱”保持稳定，应当首先确保拱脚是稳定的，拱的轴线在力学模型中为抛物线，“背斜拱”的稳定性很大程度取决于采空区的结构参数，以及覆岩上的载荷大小。褶皱的构造可以简化为两个单斜构造的简单组合，因此最大下沉点的确定会更加困难。为了便于数值试验的进行，模型的建立使用了FLAC，模型分为背斜模型M5和向斜模型M6两种，M5和M6的划分过程、尺寸等几乎一致，唯一差别在于岩层的弯曲方向。以两种模型的翼间角作为变量，可以分别得到8个模型。

完成8个背斜构造模型的模拟后，发现开采状况相同时，最大下沉量和翼间角是成正相关的，与地表沉陷的盆地范围呈负相关，即随着翼间角的增大，地表下沉量也会增大。但是二者的依变关系不成简单的线性或二次函数关系，需要依据线性回归进行分析。向斜构造煤层在开采时地表最大下沉量最大，水平煤层的最大下沉量次之，背斜构造开采的最大地表下沉量则是最小的。因此，只有保证开采条件不变，背斜构造会随着翼间角的减小，具备不断减小的地表下沉量［3］。

4 其他地质构造对采煤深陷的控制作用

节理和断层也是重要的地质构造参数，对于采煤沉陷的控制作用也不尽相同。其中断层对于岩层的连续性不利，这无疑使岩石的强度被削弱，应力集中更加明了。如果节理发育情况良好，则采煤深陷状况也较严重，地表的最大沉陷值随之提高，表明水平节理并非会产生明显的地表下沉。随着断层的倾斜角增加，地表位移量会大大增加。

5 结语

地质构造对于采煤沉陷有重要的控制作用，其中煤层倾角、褶皱构造、节理的发育以及断层的控制作用最为明显。给出了若干分析方法，并指出建模时可能出现的问题。这些地质构造参数都与最大下沉量呈一定关系，只有全面的把握其规律，才能有效缓解采煤沉陷所带来的生态污染和土地资源浪费等现象。

［1］ 李晓军.采煤沉陷控制中构造压力与节理耦合的作用分析［J］.科技风，2011（17）：106.

［2］ 白红梅.地质构造对采煤沉陷的控制作用研究［D］.西安：西安科技大学，2006.

［3］ 马智.论地质构造对采煤沉陷的影响［J］.黑龙江科技信息，2010（16）：4－6.