煤炭科學(xué)技術(shù)大同礦區(qū)地表沉陷類型及成因初探

1、煤炭科學(xué)技術(shù)，2008,36(9)；92-95.大同礦區(qū)地表沉陷類型及成因初探黃慶國1，趙軍2（1.山西大同大學(xué)工學(xué)院，山西 大同037003；2.同煤集團(tuán)公司技術(shù)中心，山西 大同037003）摘要：為研究大同礦區(qū)地表大面積沉陷成因，對不同采煤方法引起的不同沉陷類型進(jìn)行分析，總結(jié)出大同地區(qū)堅硬頂板具有大面積冒落的特征。同時，通過對頂板冒落前煤柱受力情況和地表塌陷機(jī)理進(jìn)行的模擬，得出如下結(jié)論：在采空區(qū)部分煤柱喪失承載能力后，上部覆巖將圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移到周邊仍具有一定承載力的尚未完全失效的煤柱上，致使相鄰煤柱發(fā)生破壞，產(chǎn)生“多米諾骨牌”連鎖破壞效應(yīng)，并最終引起堅硬頂板冒落，造成地表大面積沉陷。關(guān)鍵詞：

2、大同礦區(qū)；沉陷類型；煤柱；冒落Discussion of surface subsidence type and cause in Datong Mining AreaHuang Qing-guo1，ZhAO Jun2(1.School of Technology, Shanxi Datong University, Datong,037003,China;2.Technology Center，Datong Coal Mine Group Corporation Ltd, Datong 037003,China;)Abstract: In order to study the large-s

3、cale subsidence causes in Datong Mining Area,the paper analyzed the different type subsidence occurred with different coal mining methods and summarized the large area roof failing features of the hard roof in datong area.Meanwhile,a simulation was conducted on the coal pillar stressed condition and

4、 the surface subsidence mechanism before the roof in the coal mining face failed down.The conclusion was as followings;When some coal pillars in the goaf lost the loading capacity,the above strata would pass the stress of the surrounding rock to the nearby coal pillars with certain loading capacity

5、but not lalling down yet.Then the nearby coal pillars would be failure and cause “domino”linked failure effect.Finally,the hard roof would be failed down and a large scale surface subsidence occurred.Key words: Datong Mining area; subsidence type; Coal pillar; falling down大同礦區(qū)煤層、頂板堅硬，普遍存在有厚層狀整體砂巖頂板，

6、普氏系數(shù)一般為f=616，最高甚至達(dá)20以上，采后頂板難以垮落，形成大面積懸頂隱患1。在這種特殊的“兩硬”條件下（煤層和煤層頂板堅硬），巖層破壞和地表移動表現(xiàn)出特有的復(fù)雜性和特殊性，煤層開采過程的初期地表沉陷變形不明顯，但采空區(qū)覆巖一旦發(fā)生切冒，地表就將在短時間內(nèi)產(chǎn)生突發(fā)性變形、裂縫和沉陷，從而導(dǎo)致地表建筑物嚴(yán)重破壞，甚至造成房屋倒塌和人員傷亡的嚴(yán)重后果。20世紀(jì)70年代以后，雖然采取了科學(xué)的開采方法和頂板管理技術(shù)，但隨著采空區(qū)面積不斷增加，以及多煤層聯(lián)合開采導(dǎo)致的采煤沉陷，加劇了對地表及其建筑物的破壞。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止2001年底，大同礦區(qū)地表采煤沉陷區(qū)總面積450km2。1大同礦區(qū)地表塌

7、陷類型1.1 即時型突發(fā)性切冒塌陷整體一次性即時型切冒是指用倉房、房柱和刀柱法開采的淺層采空區(qū)，柱采面積比小于20%，當(dāng)開采達(dá)到一定面積時，在開采過程中發(fā)生的一次性切冒。大同礦區(qū)歷年來發(fā)生整體一次性即時型切冒多達(dá)數(shù)十起2。例如1975年6月馬脊梁礦402盤區(qū)2號煤長壁刀柱采空區(qū)發(fā)生的大面積切冒，冒落區(qū)距地表垂深55.8106m，煤層采厚5.56.7m，冒落面積12.5萬m2，地面塌陷面積約7萬m2，并形成一個近似橢圓形的環(huán)狀塌陷坑，面積0.7萬m2，深度0.7m，塌陷坑周圍出現(xiàn)13條大裂縫，最大寬度3.6m。外圍還有環(huán)狀小裂縫，寬度0.10.4m。切冒引起的地震達(dá)3.2級，附近房屋的窗戶玻璃被

8、震碎，全礦區(qū)都有震感。1.2滯后型突發(fā)性切冒塌陷整體一次性滯后型切冒是指倉房、房柱和刀柱開采的淺層采空區(qū)，其柱采面積比大于20%，開采之后未發(fā)生即時切冒，但經(jīng)過多年之后突然發(fā)生切冒，導(dǎo)致地面突然塌陷。例如1994年8月云崗和四臺井田之間的黃土坡聯(lián)合樓及其附近的20多間民房突然倒塌，造成20人死亡和23人受傷。周圍的學(xué)校、倉庫、機(jī)修房和泵房裂縫?，F(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)地面出現(xiàn)數(shù)十條環(huán)狀大裂縫，寬度0.50.6m，此外還有許多小裂縫，影響面積約2.8萬m2。勘測結(jié)果表明，這些受損建筑物均位于黃土坡2號煤采空區(qū)上，下方2號煤距地表3040m，用短壁刀柱和穿巷法開采，開采時間為1983年前后，采厚3.2m左右。

9、此一事故顯然是由于下方2號刀柱采空區(qū)發(fā)生一次性滯后型瞬間切冒形成的地面突然塌陷所致。1.3裂縫發(fā)育型緩慢沉陷長壁陷落法或刀柱、長壁重復(fù)采空區(qū)開采深度小于200m，開采深厚比大于40但小于7080時，地表會在開采后13年內(nèi)發(fā)生沉陷并出現(xiàn)較大裂縫。永定莊礦406采區(qū)11號煤層長壁陷落采空區(qū)采厚3.2m，采深150m，開采深厚比46.9，地表發(fā)生大于0.1m的較大裂縫，最大下沉達(dá)2630mm。云崗礦303南翼采區(qū)3號煤長壁綜合機(jī)械化采空區(qū)采厚3m，采深200m，開采深厚比69.0，地表出現(xiàn)大于0.1m的較大裂縫。各礦調(diào)查結(jié)果表明，如上部2號煤用刀柱開采，地表一般不出現(xiàn)裂縫。如2號煤刀柱采空區(qū)下方有長

10、壁陷落法煤層開采，則在12年內(nèi)地表會出現(xiàn)裂縫。1.4裂縫不發(fā)育型緩慢沉陷長壁陷落法采空區(qū)采深大于200m；或開采深厚比大于80；刀柱、房柱或倉房式采空區(qū)開采深度大于150m或開采深厚比大于60，柱采面積比大于20時，地表可在開采36年后發(fā)生裂縫，但裂縫數(shù)量較少，寬度也不大。如忻州窯礦目前開采9號和11號煤層，其開采深厚比分別為200228和8692，9號煤以上的2-1號、2-3號、3號和7號各煤層多為刀柱或短壁陷落法開采， 9號和11號為長壁陷落開采或長壁綜合機(jī)械化開采，由于上部2號層整體性好的礫巖頂板厚度達(dá)3040m，因而開采后地表裂縫不發(fā)育，只出現(xiàn)少量小裂縫，僅某些斷裂構(gòu)造和溝谷邊緣部位裂

11、縫比較發(fā)育。應(yīng)當(dāng)指出的是，裂縫不發(fā)育的緩慢沉陷區(qū)內(nèi)仍存在很大的下沉、移動和變形，位于裂縫不發(fā)育緩慢沉陷區(qū)內(nèi)的建（構(gòu)）筑物，仍可發(fā)生不同程度的損壞。2大同堅硬頂板大面積冒落特征大同礦區(qū)侏羅紀(jì)煤系頂板巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查表明，大多數(shù)采場頂板屬于堅硬或極堅硬的巖體。堅硬頂板分層厚度大，整體性強(qiáng)，但是構(gòu)成頂板巖體的巖石并不是完全的整體。在巖體中存在許多結(jié)構(gòu)面和充填物，使巖體呈現(xiàn)出一種非均質(zhì)的具有各向異性的不連續(xù)體。而頂板煤柱系統(tǒng)是由這類堅硬巖體頂板和規(guī)格、強(qiáng)度不一的煤柱群構(gòu)成。因此，這類頂板的塌陷是由確定性因素和非確定性、模糊性等因素共同控制的過程。2.1大面積頂板瞬時冒落類型一般而言，頂板大面積來壓的冒頂類

12、型有兩種：切冒型（圖1a）和拱冒型（圖1b），而最具大同特色的應(yīng)為切冒型，其冒落過程見圖2。 圖1 大同礦區(qū)頂板的冒落類型 圖2 切冒型冒落過程示意Fig.1 Roof falling types in Datong mine Fig.2 The illustration of shear-falling procedure頂板切冒型冒落的一般特征是：1）一次冒落面積大、時間短。2）冒落一般發(fā)生在淺部，開采深度100m以內(nèi)，個別深部開采發(fā)生切冒型，往往是由于上部煤層已經(jīng)開采，下部煤層開采時波及到地表的。 3）冒落形狀呈反漏斗狀，冒落角65°85°，地表呈圓形、橢圓形的沉陷，

13、其面積小于開采面積，沉陷深度0.51.0m，個別達(dá)34m，與采高和采深有關(guān)。4）冒落后地表出現(xiàn)縱橫交錯的張開裂縫，裂縫寬度0.10.5m，深不見底，裂縫位置均在采空區(qū)平面范圍內(nèi)側(cè)，或在采空區(qū)正上方，或是在沉陷區(qū)的邊緣。2.2頂板大面積冒落前的煤柱受力特征大面積冒落發(fā)生之前，由于大面積長時間空頂和后期回收煤柱引起的應(yīng)力重新分布，在破壞之前，頂板和煤柱是處于較高應(yīng)力水平的承載能力弱化階段；當(dāng)煤柱上的荷載達(dá)到其極限強(qiáng)度時，煤柱的承載能力降低到零，煤柱就會破壞。如挖金灣礦青羊灣井404盤區(qū)832采區(qū)距地面垂深84104m，煤層厚44.3m，老頂為中粗砂巖，節(jié)理、裂隙等斷裂構(gòu)造極不發(fā)育。采用房柱式開采，

14、一次采全厚，房寬810m，房間煤柱68m。上覆巖層的容重約為2.5×104N/m3，煤的單向抗壓強(qiáng)度C23MPa。由于，當(dāng)時煤柱上的荷載已經(jīng)超出了上述范圍，放生了大面積切冒。3大同礦區(qū)地表塌陷機(jī)理工作面開采完后，在采場上方存在明顯的應(yīng)力拱結(jié)構(gòu)，如圖3所示。拱中主應(yīng)力大于拱內(nèi)外巖體的應(yīng)力，應(yīng)力拱拱頂在煤柱失效的起始階段就抬升至關(guān)鍵層上位巖體中，在整個煤柱失效過程中應(yīng)力拱的形態(tài)變化不大，拱腳一般作用在工作面前后方和側(cè)翼未采煤層邊緣，拱頂、拱腳處應(yīng)力集中較大。圖3（b）中區(qū)、區(qū)為拉應(yīng)力區(qū)，區(qū)為拉應(yīng)力集中區(qū)，區(qū)為拉壓應(yīng)力復(fù)合區(qū)，拉應(yīng)力分布呈寬“U”字形，此范圍內(nèi)巖體發(fā)生拉破壞。區(qū)拉壓復(fù)合，直

15、接導(dǎo)致關(guān)鍵層在此部位受拉開裂。關(guān)鍵層上位巖體受彎曲應(yīng)力的影響壓應(yīng)力集中，工作面底板受卸荷影響而應(yīng)力降低。（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖3 地表塌陷時覆巖應(yīng)力狀態(tài)Fig. 3 The stress state of the cove-rock during the ground collapse process“復(fù)合應(yīng)力拱”結(jié)構(gòu)是由主應(yīng)力束所組成，是應(yīng)力作用于客觀實體的一種力學(xué)表現(xiàn)形式，反應(yīng)覆巖中應(yīng)力傳遞關(guān)系的主應(yīng)力跡線。復(fù)合應(yīng)力拱的存在可將大部分自重荷載向煤柱及兩側(cè)實體煤內(nèi)轉(zhuǎn)移，對維護(hù)覆巖及地表穩(wěn)定起著極其重要的作用。但當(dāng)關(guān)鍵層懸露面積達(dá)到臨界值時，拉應(yīng)力區(qū)連通并擴(kuò)張至內(nèi)應(yīng)力拱拱肩上方，并

16、在該處拉壓應(yīng)力復(fù)合使得巖體開裂，破壞了應(yīng)力拱結(jié)構(gòu)，從而在強(qiáng)大的覆巖自重作用下導(dǎo)致覆巖斷裂破壞。如圖4所示。（a） 工作面初采后（b） 煤柱達(dá)到峰值強(qiáng)度后（c） 中央小范圍煤柱失效后（d） 失效煤柱范圍擴(kuò)大（e） 煤柱失效引發(fā)地表塌陷圖4煤柱失效過程示意Fig. 4 The illustration of the failure process of the pillars在采空區(qū)中央一小部分煤柱失效喪失承載能力后，上部覆巖通過應(yīng)力拱的形式將圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移到失效煤柱周邊仍然具有一定承載力的尚未完全失效的煤柱上。直到失效煤柱范圍擴(kuò)展到某一臨界值，關(guān)鍵層粗砂巖懸露面積達(dá)到極限，最終彎曲變形引起的附加應(yīng)力超過其極限強(qiáng)度值時，將會發(fā)生突然垮斷失穩(wěn)3，上覆黃土層因失去支撐而隨動沉陷。此種圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移過程可以形象的稱之為煤柱失效的“多米諾骨牌”效應(yīng)。失效煤柱范圍逐步擴(kuò)大引起的地表豎向位移，形成大面積的沉陷區(qū)。4基本結(jié)論（1）大同礦區(qū)堅硬頂板和覆巖條件下淺煤層刀柱和倉房開采的主要破壞形式是整體一次性切冒，具有明顯的突發(fā)性，表現(xiàn)為塌陷過程時間短、破壞性大、難以預(yù)測預(yù)防。（2）當(dāng)開采深度較大時，破壞形式轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛料菪?，但其裂隙一直到地面，一般情況下裂縫較大，可和井下采空區(qū)連通，造成漏風(fēng)，易引起采空區(qū)自燃。（3）大同礦區(qū)地表塌陷的基本機(jī)理為：在采空區(qū)