黄土丘陵区房柱式开采地表塌陷特征及机理分析
——以陕北府谷县新民镇小煤矿为例

蔡怀恩,侯恩科,张强骅,贾睿涛,门清波

(1.机械工业勘察设计研究院,西安 710043;2.西安科技大学地质与环境学院,西安 710054; 3.青海煤炭地质局,西宁 810001)

黄土丘陵区房柱式开采地表塌陷特征及机理分析
——以陕北府谷县新民镇小煤矿为例

蔡怀恩1,侯恩科2,张强骅3,贾睿涛2,门清波1

(1.机械工业勘察设计研究院,西安 710043;2.西安科技大学地质与环境学院,西安 710054; 3.青海煤炭地质局,西宁 810001)

通过对陕北府谷县新民镇小煤矿采煤地表大面积塌陷的调查和分析,总结出黄土丘陵区房柱式开采地表的塌陷特征,并以西岔沟煤矿房柱式开采为例,对其两种参数顶板岩梁应力、煤柱载荷、煤柱强度进行分析及对比,结果表明合理设计煤柱和煤房尺寸可以防止采煤地表大面积塌陷。

黄土丘陵;房柱式;塌陷;机理

房柱式开采是陕北小煤矿普遍采用的一种开采方法,其本质是留设煤柱维护开采空间。合理的煤柱尺寸是提高房柱式开采资源回采率、保持煤柱的稳定性和控制地表沉陷的关键。府谷县新民镇地处黄土高原北部,毛乌素沙漠南缘,黄土层覆盖厚,基岩薄,在地貌类型上属于黄土丘陵地貌。因黄土丘陵区地形地貌及黄土物理力学性质的特殊性(垂直节理发育、抗拉强度低、大孔隙、湿陷性),地表塌陷也表现出特殊性,如发生不同程度的裂缝、崩塌、滑塌、滑坡等。煤柱失稳和岩层垮落还会产生地震, 2004年10月14日和11月29日,府谷县新民镇守口墩高石崖联办煤矿和园则沟峰联煤矿相继发生了大面积的冒顶塌陷,陕西省数字化测震台网相继接收到了震级为4.2和3.4级的地震。本文根据野外塌陷调查和走访以及理论计算,对黄土丘陵区房柱式开采地表大面积塌陷的特征和机理进行分析,为其安全开采提供指导。

1 新民镇地质概况

区内沟谷纵横,梁峁相间,梁峁之上多被黄土和活动沙丘所覆盖,基岩仅出露于沟谷两侧。总体地势是四周高,中央沟谷低,区内植被稀疏,农牧业不发达,水土流失严重。该区处于鄂尔多斯台向斜陕北斜坡之上,地层倾角平缓,构造简单,无大的褶曲和断层。地层从老到新依次为:三叠系上统永坪组,侏罗系下统富县组,侏罗系中下统延安组,新近系上新统三趾马红土,第四系离石组黄土。

区内含煤地层主要为侏罗系中下统延安组,含煤16层,主要开采3-1煤层。3-1煤层位于延安组第三段顶部,煤层层位稳定,平均厚度6.0 m,不含夹矸,埋藏浅,一般为50～150 m,最厚处达183 m,深厚比≤30,煤层倾角∠1°。

2 地面塌陷特征

2.1 不同地貌类型的塌陷特征

(1)沟谷边缘崩塌、滑塌及裂缝密集区

黄土垂直节理发育,在沟谷边缘以及沟脑区域,陡坎高,高度大多数在3 m以上,崖顶地形起伏较小,崖顶边缘以崩塌、滑塌和密集杂乱的倒台阶状错动坎为主,土体破碎严重。崩塌以及密集杂乱的倒台阶错动坎的范围与陡坎的高度及陡坎下部地形的坡度有关。地形坡度大、陡坎高,则形成崩塌和倒台阶状的错动坎范围大、拉伸裂缝的宽度大、垂直方向延伸大。反之,所形成的崩塌和倒台阶错动坎的范围小、拉伸裂缝的宽度小、垂直方向延伸小。在沟谷边缘,若存在结构面或软弱面,易形成滑塌,这种结构面或软弱面主要为黄土中的节理面或不整合面,如西岔沟煤矿与府谷镇二矿的交接地带发生的滑塌。

(2)沟谷边缘较远区域阶梯状裂缝区

沟谷边缘较远区域主要为沟谷边缘向梁峁的过渡区域,地势起伏较小,因受向沟谷方向移动分量的影响,地表主要出现阶梯状裂缝,裂缝的密度、宽度以及相互错动的高度受地表的起伏以及采高、采深、基岩厚度、黄土层厚度等因素的影响。

(3)梁峁区域塌陷槽区

梁峁区域主要形成塌陷槽和两侧没有错动的裂缝,塌陷槽的长度一般较大,大多数贯通整个梁峁,宽度变化也很大,小的宽度不到1 m,大的可达几十米。塌陷槽底部平坦,基本保持原有地形不变,塌陷槽两帮的陷落一般较整齐,裂缝落差一般几十厘米,最大可达1 m多。

(4)沟谷中特殊地貌滑坡区

滑坡是山体在重力作用下沿着一个面(带)发生的缓慢或剧烈的位移现象,而滑坡发生的重要条件是具有一定的临空面。田家琦[1]对陕西煤矿开采引起的6个典型滑坡进行分析后,把开采滑坡按地形分为3种,即:两沟夹梁型、孤立土峁型、深切沟谷型。在调查中发现,黄土丘陵中这3种类型的地形地貌在覆岩垮落时极易发生滑坡,如西岔沟煤矿塌陷区沟谷中发育有一处黄土崩滑,后缘台阶高4～5 m,宽度30～50 m,长约80～90 m,滑坡体为两小沟夹梁型,滑坡前缘为深切的“V”型谷。

2.2 塌陷具有突发性

无论是大面积的煤柱失稳、岩层垮落还是崩塌、滑坡及滑塌的发生,与走向长壁开采有很大的区别。走向长壁开采是随着工作面的向前推进,地表逐渐下沉而产生裂缝等。房柱式开采若煤柱不失稳,则上覆岩层不垮落,地面也不会发生大的变形和对建筑物的影响。一旦煤柱失稳,上覆岩层垮落,地表塌陷则会在短时间内完成,如守口墩高石崖联办煤矿等。

2.3 塌陷前预兆明显

采空塌陷前期,一般预兆十分明显。府谷县新民镇园则沟峰联煤矿在塌陷的前两天,矿井下有如同放鞭炮一样的声响,之后的地面塌陷诱发了3.4级地震;2006年9月14日发生地面塌陷的西岔沟煤矿在塌陷前期,矿井下的岩石发生过崩崩的声响。

2.4 塌陷破坏性大

采空上覆岩层未发生大面积垮落时,地表一般不会产生大的变形,一旦塌陷发生,将对塌陷区域的建筑物、土地和井下设施等造成严重破坏,严重者可能诱发地震。

2.5 塌陷范围大

不同深度的黄土层压实程度不同,移动角不同。当黄土层厚且处于山区丘陵地带时,地表一般有较大的向沟谷地带移动的分量。因此,采空地面塌陷范围要比相同条件平原地带的塌陷范围大。

3 塌陷机理分析

府谷县新民镇西岔沟煤矿设计的煤房宽度6 m,煤柱宽度8 m,在实际的操作过程中使部分煤房宽度增至8 m,而煤柱留舍不足6 m,因此,本文以采6 m留8 m和采8 m留6 m两种开采参数分别为方案Ⅰ和Ⅱ进行覆岩应力、煤柱强度和煤柱荷载理论计算及对比分析。

3.1 顶板岩梁应力分析

在煤层开掘形成煤房后,顶板岩层被煤房两侧的煤柱支撑,形成类似于“梁”的结构。根据煤房两侧煤柱对顶板岩梁的约束条件,顶板岩梁可视为“简支梁”或“固定梁”[2]。本文根据实际情况,取单位宽度的固定梁进行计算分析,如图1所示。

图1 顶板岩梁的受力分析Fig.1 Themechanic analysis of roof rock beam

梁两端的反力为:R1=R2=qL/2,最大剪切力发生在固定梁的两端,Qmxa=qL/2,此时最大剪应力为:

最大弯矩发生在两端,为Mmax=qL2/12,此处的最大拉应力为:

取L1=6 m,L2=8 m,q==20.57 kN/m3×132 m=2.7 M Pa,h=8 m。把参数代入公式得:

方案Ⅰ:tmax1=3qL1/4 h=3×2.7×6/(4×8) =1.5 M Pa

σmax1=/2 h2=2.7×62/(2×82) =0.8 M Pa

方案Ⅱ:tmax2=3qL2/4 h=3×2.7×8/(4×8) =2.0 M Pa

σmax2=/2 h2=2.7×82/(2×82) =1.4 M Pa

3.2 煤柱的载荷分析

对近水平煤层,煤柱所承受的荷载可按辅助面积法计算[3],如图2所示。

式中,σa为煤柱承受的荷载,M Pa;Wp、Lp分别为煤柱宽度和长度,m;W0为煤房的宽度,m;σv为深度为H的地层处开挖前的原岩应力,2.7 M Pa;Δσ为支承压力,M Pa,取Δσ=2σv=5.4 M Pa。

图2 煤柱荷载计算示例Fig.2 Calculating examp le of coal pillar load

取W1p=8 m,W2p=6 m,L1p=8 m,L2p=6 m, W10=6 m,W20=8 m,计算得:

3.3 煤柱的强度分析

考虑几何形状对煤柱强度的影响,煤柱强度可按下列公式[4]进行计算。

式中,Wp为煤柱的最小横向尺寸,m;h为煤柱的高度,取值与采高相同,6 m;σc为立方体试块的单轴抗压强度,M Pa;σp为煤柱强度,M Pa。

取W1p=8 m,W2p=6 m,σc=5 M Pa,h=8 m

3.4 两种方案的计算结果对比及机理分析

根据该区域顶板岩层的力学试验和分析,该煤层上覆顶板岩梁的抗拉强度为3.37 M Pa,抗剪强度为5.47 M Pa。从表1来看,方案Ⅰ和方案Ⅱ岩梁无论是拉应力还是剪应力都没有达到其极限强度,说明两种方案的顶板岩梁都是稳定的。从煤柱的稳定性来看,方案Ⅰ的安全系数(煤柱强度与煤柱荷载的比值)为1.2,方案Ⅱ安全系数为0.9,说明方案Ⅰ的煤柱是稳定的,方案Ⅱ的煤柱趋于破坏。在实际开采中,因利益驱使,部分煤柱留舍宽度可能不足6 m,致使单个煤柱失稳破坏,顶板岩梁的应力发生转移,就会导致其他煤柱发生连锁破坏。煤柱群的破坏使大面积的顶板悬空,使覆岩应力超过极限强度,在短时间内发生大面积顶板垮落。这种垮落与传统的顶板大面积垮落不同,破坏性极大,短时间内可直达地表形成严重地面塌陷,甚至诱发地震。

表1 两种方案计算结果Table 1 The resultsof two schemes

4 结论及建议

(1)黄土丘陵地面塌陷具有不同的地形地貌下塌陷形态不同、塌陷在过程上具有突发性、塌陷前期预兆明显、塌陷范围以及破坏性大等特征。

(2)煤房尺寸的增加、煤柱尺寸的减小可使顶板覆岩最大剪应力、最大拉应力和煤柱的荷载增大而煤柱的强度和安全系数降低。单个煤柱失稳会导致煤柱群失稳而使顶板大面积悬空进而发生破坏,形成严重的地面塌陷。因此,在开采过程中必须按照设计留设足够尺寸的煤柱,以免发生大面积的顶板垮落和地面塌陷。

[1]田家琦,梁明.陕西开采滑坡的特点及其分析[J].陕西煤炭技术,1994,(1):29-35.

[2]钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.

[3]卫建清.房柱式开采煤房与煤柱参数的合理确定[J].矿山压力与顶板管理,2003,(1):106-108.

[4]蒋济联.浅谈近水平煤层房柱式开采煤柱留设尺寸的确定[J].煤矿安全,2005,36(5):27-29.

FEATURESAND M ECHANISM ANALYSISOF GROUND COLLAPSE CAUSED BY“PILLAR”M ETHOD M INING IN COAL M INES IN LOESS HILLY AREAS

CA IHuai-en1,HOU En-ke2,ZHANG Qiang-hua3,JIA Rui-tao2,M EN Qing-bo1
(1.China Jikan Geotechnical Institute,Xi'an 710043,China;2.Dep t.of Geological and Environmental Engineering Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China; 3.Qinghai Bureau Of Coal Geology,Xining 810001,China)

Based on investigation into and analysis of the large area ground collapse of small coal mines in Xinmin Tow n in Fugu County,no rth of Shanxi,and summarized the features of ground collapse caused by“Pillar”mining in loess hilly region, the paper took Xichagou coalmine as an examp le,by analyzing and contrasting the stressof roof rock beam,load and strength of pillar w ith its two parameters,and the results indicate a reasonable size of room and coal pillar can p revent a large-area ground collapse.

loess hilly region;room and pillar mining;ground collapse;mechanism

TD324;P642.26

:A

1006-4362(2010)02-0101-04

蔡怀恩(1981- )男,汉族,硕士,工程师,主要从事地质灾害、矿山地质环境方面的工作。

2009-12-25改回日期:2010-04-02