基于虎龙沟矿开采沉陷的相似模拟研究

杨晓磊

（同煤集团挖金湾虎龙沟煤业有限公司，山西 大同 037000）

山西煤炭资源储量是全国最大的，但是作为煤炭之都的山西其地表被黄土覆盖，相对于其他地区而言，黄土覆盖地区地表地形发育极其不规则，地形起伏比较大，节理发育不完整[1-3]。由于地形、地表发育不完整，可能造成煤炭资源开采的不安全性和地表大面积的沉降，从而对安全生产造成严重影响[4-5]，因此本文采用相似模拟试验对同煤集团虎龙沟煤矿在井采条件下地表沉陷进行研究。

1 工程概况

挖金湾虎龙沟煤矿隶属于山西省大同煤矿集团挖金湾虎龙沟煤业有限公司，前身是怀仁县虎龙沟联营煤矿，2010年实现了资源整合。该矿位于大同市西南约37km，朔州市怀仁县鹅毛口镇西约1.2km处，距大秦铁路线配套工程-南窑集运站11km，其间均有公路相通，交通条件十分便利，管辖地区为朔州市怀仁县鹅毛口镇。矿井位于大同煤田西南，南为柴沟煤矿，东与塔山井田相邻。井田面积12.21km2，可采煤层为石炭系5#、8#煤层，目前正在开采5#煤层。矿井保有储量16608万t，可采储量为9345.5万t，设计产能为120万t/a，服务年限55年。矿井现在基本实现了完全的机械化程度。

2 试验布置及地表沉陷结果分析

2.1 试验布置

通过对虎龙沟煤矿钻探取样、三轴压缩试验及相似模拟研究理论得出了表1煤岩层的材料配比系数表。在相似模拟试验中对于用料情况，不仅要考虑价格及经济问题，也要考虑取材方便与否的问题。因此，根据上述结论可以确定此次相似模拟试验所用材料有细河沙、大白粉、碳酸钙及片状的云母粉。待所有材料准备齐全后，用称量设备对所要用的材料都进行称量准备，其次对混合搅拌过后的材料进行分层铺装，每铺装一层进行压实,直到模型全部铺装完成。

通过相似模拟定律及实验室基本条件，确定此次相似模拟的相似常数为200，位移相似常数也为200，重度常数则为1.5。相似模拟试验台长、宽、高分别为1.8m、0.2m、2m。对模型的开采沉陷研究是通过模型煤层的开挖，在煤层开挖过程中模型发生变形破坏，再通过模电子经纬仪对设定的监测点进行监测，从而得到开采沉陷数据，再对开采沉陷数据进行整理得到开采沉陷数据图。模型各监测点布置如图1所示，本次试验特选取第一和第四排监测点对地表沉陷进行分析，监测点从右向左从下到上布置情况依次为1-3、1-4……1-11、4-6……4-9。

图1 模型监测点布置图

2.2 模型开挖及地表沉陷结果分析

2.2.1 模型开挖

在相似模拟中为了消除模型煤层开挖所引起的边界效应，在煤层开挖处要留有足够长度的边界煤柱，确保模型开挖过程中模型的整体安全性，因此通过实验室条件和模型基本情况确定本次所留边界煤柱为模型右侧30cm的边界煤柱，也就是从模型右侧30cm处进行开切眼，煤层每次向左推进5cm。

在模型边界开切眼处对模型煤层进行开挖。在煤层开挖初期，采空区上方的覆岩没有明显破坏变化状况。随着煤层逐步向左推进，采空区上方的覆岩逐步出现离层破坏状况，直到煤层向左推进至20cm时，采空区上方的直接顶板出现离层破坏状况。当煤层向左推进到28cm时，采空区上方的覆岩发生离层破裂垮落现象及第一次来压现象，来压长度20cm，覆岩垮落高度为1.6cm左右，采空区上方覆岩第一次来压步距为28cm（图2所示）。随着煤层开挖长度的继续增大，采空区的裸露范围也会持续加大，开采扰动强度也会加大，从而使得采空区上方的覆岩破坏更加剧烈。当煤层向左开挖到36cm时，覆岩发生第二次垮落现象，破坏垮落强度明显比第一次来压强度要大。煤层继续向左开挖，受开采扰动影响，采空区上方的覆岩内部平衡应力发生变化，从而导致岩体发生破坏，加速向下沉降。当煤层继续向前开挖至44cm时，采空区上方覆岩发生了第三次来压垮落现象，垮落长度和高度分别为35cm、2cm。当煤层开挖至模型左边边界煤柱时，共发生9次来压现象，平均来压长度为13cm。

图2 初次来压

2.2.2 结果分析

图3 第1排垂直位移监测点位移曲线图

图4 第4排垂直位移监测点位移曲线图

通过上图3、4数据图可以看出，在煤层开挖初期，模型上方的各监测点基本不发生沉降变化，但随着煤层开挖长度和扰动强度的加大，当煤层开挖到24cm时，位于采空区上方的第1排监测点逐步发生向下的沉降变化，沉降变化随煤层开挖长度的加大沉降加大。当采空区上方的覆岩发生破裂垮落现象时，监测点沉降数据变化会更加明显。在上方的第4排监测点基本在煤层开挖初期不受影响，因为上部覆岩在开采扰动下内部应力基本没有发生大的变化，所以不发生沉降变化。在煤层持续向左开挖88cm时，由上图3（b）可以看出，在煤层开挖强度和采空区裸露范围加大的情况下，煤层前方的监测点也逐步受到影响，发生沉降变化，且沉降随开挖长度的加大呈直线上升。由此可以看出，模型各部位的沉降变化是受煤层开挖长度和扰动强度的影响的，而且煤层开挖长度越大，扰动是越剧烈的，破坏状况也是更加明显的。随着煤层继续向左开挖至124cm时，由图4数据表可以看出，煤层开挖长度对模型地表沉陷的影响已经非常明显了，但还没有发生完全的沉降现象。随着煤层继续向左边安全煤柱推进，图4的第4排监测点在关键覆岩的断裂下引动地表黄土层发生结构性的破坏，从而致使地表发生沉降变化。当煤层开挖到148cm开采终止时，地表黄土层最大沉降值为3.6cm。

3 结论

（1）在煤层开挖至28cm时，采空区上方的覆岩发生离层破裂垮落现象及第一次来压现象，来压长度20cm，覆岩垮落高度为1.6cm左右，采空区上方覆岩第一次来压步距为28cm。

（2）当煤层开挖至模型左边边界煤柱148cm时，采掘工作面共发生9次来压现象，平均来压长度为13cm。

（3）随着煤层开挖长度的增加，关键覆岩的断裂引起地表黄土层发生结构性的破坏，从而致使地表发生沉降变化。当煤层开挖到148cm开采终止时，地表黄土层最大沉降值为3.6cm。