不均匀上覆荷载对露天矿采空区沉陷的影响规律研究

2021-08-23苏二换钮景付

煤矿安全 2021年8期

苏二换，陈涛，钮景付，刘宇

（1.神华准能集团有限责任公司哈尔乌素露天煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017000；2.中国矿业大学，江苏徐州 221116）

进入21世纪以来，随着国家经济高速发展和对煤炭需求量的不断增加，我国新疆、内蒙古等地区的露天煤矿得到了快速发展。由于工程地质条件的限制，煤炭开采不断向深部开拓。在井工开采煤炭资源的过程中，由于受充填开采等技术经济成本的限制，一些煤矿在开采后留下大量采空区[1-2]。特别在20世纪80年代，一些个人或集体为了节省开采成本，只采富矿、采后不回填的开采现象屡见不鲜，这样在许多矿区附近留下了大量的不明采空区。在露天矿区附近的不明采空区受爆破震动、大型机械碾压扰动及端帮排土场连续堆载等影响，造成露天矿采空区坍塌、地表沉陷及开裂等现象发生[3-5]。由于地下采空区引发的露天矿道路塌陷、边坡失稳已经严重威胁到露天开采的生产安全[6-7]。因此，研究不均匀上覆荷载对露天矿采空区沉陷的影响规律，具有重要的理论意义和工程实用价值。

为探究此类采空区沉陷的影响规律，许多学者运用不同的方法对其开展了研究[8-19]，并取得许多成果，这些研究成果为后续的露天矿境界内的采空区沉陷研究奠定了理论基础；但是露天矿区内采空区的不连续性及形状差异较大，对于不均匀上覆荷载对露天矿采空区（井工开采余留下的废弃巷道）沉陷的影响规律有待深入研究。为此，基于开采沉陷理论与技术，建立采空区沉陷模型，通过建立数值分析了排土场堆载过程中产生的不均匀载荷对采空区、不同外排土场形状对采空区的地表沉陷过程中的应力分布形态及变形规律，为实现露天矿安全高效开采提供保障。

1 采空区沉陷机理及模型分析

当煤层开采后，采空区周围的原岩应力受到扰动，引起应力重新分布，采空区顶板在上覆岩层的压力及不均匀载荷下发生显著的下沉、弯曲和离层，并由下向上发展至地表引起地表的移动，从而造成地表沉陷现象[20]。在采空区岩层的下沉过程中，在竖直方向上，由于岩层自重和上覆岩层的压力作用，破裂岩石逐渐被压实，完整岩石被重新压缩，地表的活动逐渐趋于稳定；同时，在工作面推进方向上，采空区上覆岩层周期性重复下沉弯曲、破裂和移动过程，造成地表塌陷区域不断变大。

根据开采沉陷岩体内部移动变形规律，建立露天矿排土场堆载下采空区上覆岩体的结构模型，露天矿排土场下覆采空区岩层移动模型如图1。该模型反映了露天矿排土场地表沉陷稳定后的覆岩结构特征。模型最下部顶板破断后的岩块呈不规则垮落，岩层丧失了结构连续性，称为垮落带。垮落带之上，岩层虽然断裂，但岩块间仍然排列有序，保持自身“砌体梁”结构，称为裂缝带。在裂缝带之上，各岩层保持原有力学性质和结构连续性，以整体形式弯曲下沉，称为弯曲带，该带的上下岩层在竖直方向上的下沉差值很小。最上部的是露天矿剥离物堆积而成的排土场，排土场将会对下覆岩层造成不均匀载荷，致使原本下沉稳定的采空区发生二次沉陷，直接影响露天矿排土场边坡的稳定性。

图1 露天矿排土场下覆采空区岩层移动模型Fig.1 Rock strata movement model of overlying goaf in open-pit mine dump

露天矿的采空区种类众多，包括普通采空区、采空巷道、采空积水区和采空自燃区。对不同几何尺寸的采空区巷道，建立采空区断面力学模型，并将排土场堆积载荷附加到采空区上覆岩层表面。露天矿由于先前小煤窑的私挖乱采造成采空区几何结构多为“平顶”采空区，其力学模型属于组合梁结构，对于这种力学模型，其断裂破坏过程中的力学机理是：层状梁结构破坏取决于悬空岩体的抗拉强度、搭接位置岩体的抗剪强度。

根据平顶采空区力学模型以及不均匀上覆荷载，分别进行不同上覆载荷几何状态的采空区沉陷数值模拟过程中的应力及变形位移计算，分析不同条件下采空区地表沉陷规律。采用FLAC3D软件建立的平顶采空区力学模型如图2，模型中采空区的宽度为30 m，高为6 m（根据某露天煤矿采空区勘探结果的平均尺寸[21]），将试验所得的力学参数赋入模型中，进行不均匀上覆荷载下的采空区安全性模拟，分析其地表沉陷规律。为了防止地层产状影响本研究对于不均匀上覆载荷对采空区沉陷普遍规律的认识，特对地层产状和数量进行简化处理。煤岩物理力学参数汇总表见表1。

图2 平顶采空区力学模型Fig.2 Mechanical model of flat-topped goaf

表1 煤岩物理力学参数汇总表Table 1 Summary of physical and mechanical parameters of coal and rock

2 堆载不平衡应力对采空区地表沉陷的影响

在排土场堆载初期，由于堆载高度较小，排土场产生的不均匀载荷较低，传递到采空区上的应力较低，对采空区的稳定性影响较小。随着排土场堆载高度增加，堆载体类似一个台体形状，由堆载体自重应力引起的竖向应力及侧向应力不断增大，当传递到外排土场基底下方的采空区时，造成采空区所受挤压应力增大，导致采空区塌陷，直接影响矿山安全生产。

2.1 排土场堆载高度对采空区地表沉陷的影响

采用Rhino软件在平顶采空区模型上建立堆载高度为0、20、40、60、80 m的排土场模型并进行网格划分，再导入FLAC3D数值模拟软件进行地表沉降位移、应力模拟分析，分别在采空区正上方距离地表0、20、40、60、80、100、120、140、160 m处布置监测点，得到不同位置的位移、应力曲线，对比得到排土场堆载不同高度下竖直方向上观测线下沉规律。排土场堆载不同高度下竖直方向上的地表沉降量曲线如图3，排土场堆载不同高度下竖直方向上的应力变化曲线如图4。

图3 排土场堆载不同高度下竖直方向上的地表沉降量曲线Fig.3 Surface settlement curves in the vertical direction under different heights of dump loading

图4 排土场堆载不同高度下竖直方向上的应力变化曲线Fig.4 Stress change curves in the vertical direction under different heights of dump loading

从地表沉降位移曲线可以看出，当堆载高度从0 m增加到80 m的过程中，地表面的沉降量由24.66 mm增大到42.08 mm，受到排土场自然沉降影响较大，其中堆载高度80 m时较为明显。排土场堆载高度40～80 m时，观测点距离地表面40～80 m的监测数据较为接近，是由于砂岩层在下沉弯曲变形过程中保持整体结构连续性，起到关键层作用。随着排土场堆载高度的加大，采空区上覆不均匀载荷随之增大，地表沉降量逐渐增大，其中采空区顶板的下沉累计量由未堆载排弃物的38.15 mm增加到堆载高度为80 m的81.30 mm。

从竖直方向应力变化曲线可以看出，地表监测点位0 m时的应力值和堆载高度没有关系，这是地表面岩土层受采空区变形的影响较小，其应力值主要受自重应力影响。在采空区顶板处的应力值为正值，由于砂岩层在下沉弯曲过程中起到一个“梁模型”的作用，致使“梁模型”的下部受到拉应力，且拉应力值随堆载高度增加逐渐增大。竖直方向应力最大值并不是出现在采空区顶板表面，而受堆载高度影响。堆载高度由0 m增加到80 m的过程中，出现最大应力值的观测点分别为：距离地表40、60、70、80、100 m，在岩层中表现为相对地表往岩层上部移动，这说明上覆不均匀载荷加大，岩层受到破坏的范围变大。随着堆载高度增加，竖直方向应力呈现压应力随埋深增加到最大值后递减为0后变为拉应力，所以在露天矿排土场下覆采空区岩层移动模型中必然曾在1个应力为0的面。通过分析排土场连续堆载下采空区应力分布特征，可以看出随堆载高增加，在采空区的周围受到挤压呈现拉应力且影响范围越大，应力集中越明显。如排土场连续堆载下采空区应力分布特征如图5。

图5 排土场连续堆载下采空区应力分布特征Fig.5 Stress distribution characteristics of goaf under continuous loading of dump

2.2 排土场下的不同位置采空区的沉陷规律

建立排土场堆载高度为60 m，采空区位置1到位置5分别位于排土场正下方左侧300、225、150、75、0 m的模型，排土场下的不同位置采空区模型如图6。

图6 排土场下的不同位置采空区模型Fig.6 Goaf models at different locations under the dump

分别进行FLAC3D数值模拟，并在采空区正上方距离地表0、20、40、60、80、100、120、140 m处布置监测点，得到不同位置的采空区变形位移、应力曲线，对比得到排土场下的不同位置采空区竖直方向上观测线下沉规律。排土场下不同位置的采空区竖直方向上的地表沉降量曲线如图7，排土场下不同位置的采空区竖直方向上的应力变化曲线如图8。

图7 排土场下不同位置的竖直方向上的地表沉降量曲线Fig.7 Surface settlement curves in vertical direction of goaf at different positions under waste dump

图8 排土场下不同位置的竖直方向上的应力变化曲线Fig.8 Stress change curves in the vertical direction of goaf at different positions under waste dump

从图7的地表沉降位移曲线可以看出，采空区位置从位置1到位置5过程中，地表沉降量由24.56 mm增大到34.10 mm，采空区位置1与未堆载排弃物下的地表沉降量几乎差不多，采空区位置2地表沉降量达到28.00 mm，说明采空区水平距离排土场300 m以上，排土场载荷对采空区变形影响较小。当采空区距离排土场越接近，采空区正上方的下沉量越大，且靠近采空区的下部岩层的下沉量也越大。随着采空区位置水平距离排土场越近，采空区上覆不均匀载荷随之增大，地表沉降量逐渐增大，其中采空区顶板的下沉累计量由位置1的38.25 mm增加到堆载高度为60 m的70.80 mm。从图8竖直方向应力变化曲线可以看出，采空区位置从位置1到位置5过程中，排土场载荷产生的侧向应力引起采空区上方的应力最大值增大，其中位置1到位置3过程中，采空区最顶部并未堆载排弃物，此时3个位置的垂直应力出现在采空区上方岩层的中部位置，且地表沉降量约为采空区顶板累计沉降量的2倍，这与黄乐亭[22]得出的结论一致。

3 不同排土场形状对采空区地表沉陷规律的影响

剥离物在界外沿帮排弃，随着堆载工程量的不断增大，外排土场高度逐渐增加，形成高陡外排土场，常见的外排土场有方形基础和圆形基础2种形式[23]。根据这2种基础分别建立方形和圆形排土场堆载下的采空区三维模型，2个模型排土场的高度为50 m，排弃物的体积一样（即保证2个排土场的自重一样大），分别进行FLAC3D数值模拟，并在采空区正上方距离地表0、20、40、60、80、100、130 m处布置监测点，得到不同位置的位移、应力曲线，对比得到方形和圆形排土场堆载下的采空区竖直方向上观测线下沉规律。不同排土场形状下竖直方向上的地表沉降量曲线如图9，不同排土场形状下竖直方向上的应力变化曲线如图10。

图9 不同排土场形状下竖直方向上的地表沉降量曲线Fig.9 Surface settlement curves in the vertical direction under different dump shapes

图10 不同排土场形状下竖直方向上的应力变化曲线Fig.10 Stress change curves in the vertical direction under different dump shapes

从地表沉降位移曲线可以看出，在采空区上覆载荷一样大小，但方形排土场和圆形排土场的几何结构差异产生的不均匀应力不一致，导致方形排土场的地表下沉位移量比圆形排土场的大。2种排土场结构影响的地表面下沉为几乎一样大小且整体的下沉速度较为均匀。从竖直方向应力变化曲线可以看出，2种排土场结构对采空区上覆岩层的垂直应力影响较小且两者几乎接近，也呈现出竖直方向应力的压应力随埋深增加到最大值后递减为0后变为拉应力。

为了更好揭示排土场结构对采空区变形的影响，在采空区长度上顶板处每间隔50 m布置1个位移和应力监测点，根据模拟分析得到监测数据曲线，不同排土场形状下采空区长度上顶板处下沉曲线如图11，不同排土场形状下采空区长度上顶板处应力变化曲线如图12。

图11 不同排土场形状下采空区长度上顶板处下沉曲线Fig.11 Subsidence curves at upper roof of goaf length under different dump shapes

图12 不同排土场形状下采空区长度上顶板处应力变化曲线Fig.12 Stress change curves at upper roof of goaf length under different dump shapes

由图11可以看出，2种排土场结构下的顶板下沉量都在采空区长度上顶板的中间位置达到最大，且下沉位移曲线呈V型对称。方形排土场对采空区顶板的下沉位移量比圆形排土场的大，且相同埋深位置的2种结构下的位移差值逐渐增加，在采空区长度上顶板的中间位置达到最大。由图12可以看出，2种排土场结构下的顶板应力都为拉应力，且应力曲线呈M型对称。在采空区长度上顶板中间位置，圆形排土场造成的采空区顶板应力比方形排土场的小。

分析上述地表沉降位移曲线和应力曲线图可知，在露天矿剥离量相同的情况下，选择圆形排土场对下覆岩层中采空区变形影响更小，更有利于排土场边坡的稳定性。