煤層群重復(fù)采動對坡體穩(wěn)定影響的物理模擬研究

劉棟林 朱衛(wèi)兵 王路軍 張 超

（1.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇省徐州市，221008；2.中國礦業(yè)大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221008）

煤層群重復(fù)采動對坡體穩(wěn)定影響的物理模擬研究

劉棟林1，2朱衛(wèi)兵1，2王路軍1，2張 超1，2

（1.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇省徐州市，221008；2.中國礦業(yè)大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221008）

為了研究山體下3層煤開采對坡體穩(wěn)定的影響，采用理論分析與物理模擬方法，對煤層群開采引起坡體移動變形的程度進行了分析，結(jié)果表明：原設(shè)計方案中1＃煤層開采對坡體穩(wěn)定影響較小，2＃煤層開采將導致坡體的移動變形急劇增大，在坡體中產(chǎn)生的開采裂縫易致坡體失穩(wěn)，3＃煤層開采則對坡體的移動變形影響較??；實驗結(jié)果與理論計算結(jié)果基本一致。

煤層群 重復(fù)采動 采動應(yīng)力 坡體 巖層移動

我國很多煤礦位于山地、丘陵地區(qū)，對于山區(qū)煤礦開采，突出的問題是地下開采引起的山體滑坡。山體下采煤會使坡體發(fā)生移動和變形，產(chǎn)生山體裂縫，遇到強降雨極有可能發(fā)生山體滑坡。由于很多重要建筑依山而建，山體滑坡對礦山生產(chǎn)建設(shè)威脅很大，因此進行礦山開采引起滑坡的研究，對工業(yè)建設(shè)具有重要意義。以往對采動滑坡的研究主要是從地層、構(gòu)造、巖性結(jié)構(gòu)以及水的作用等方面分析滑坡成因和機理，對地下開采如何誘發(fā)山體滑坡以及采礦與滑坡的關(guān)系等問題的研究目前還很不成熟。本文利用相似材料模擬試驗，從巖層移動的角度研究煤層群開采對山體穩(wěn)定的影響。

1 工程概況

山西陽泉礦區(qū)某重要建筑物位于坡體邊緣，為地面Ⅰ級保護設(shè)施，建筑物與山體剖面位置關(guān)系如圖1所示，建設(shè)時按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》留設(shè)了足夠的保護煤柱，因而建筑物自身是安全的，但山體下不合理采煤會破壞坡體的穩(wěn)定，誘發(fā)山體滑坡，進而危及建筑物及附近設(shè)施的安全。

圖1 建筑物與山體剖面位置關(guān)系

與建筑物毗鄰山體標高＋960m，巖層巖性主要為泥巖和砂巖，巖層傾角8°左右，呈平緩單斜構(gòu)造；山體上部巖層坡體傾角較陡，下部傾角平緩。

開采模型示意圖如圖2所示，山體之下有3層可采煤層：由上而下依次為1＃、2＃和3＃煤層，1＃和2＃煤層厚均為3m，層間距為60m，3＃煤層厚7m，與2＃煤層間距80m，3層煤均為近水平煤層。1＃和2＃煤層的切眼位置均位于坡頂正下方，開采范圍均為538m，3＃煤層切眼位置與1＃和2＃煤層相距150m，煤層開采方向均背向坡體向山體內(nèi)部。

圖2 開采模型示意圖

2 坡體穩(wěn)定力學分析

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，坡傾角小于40°時，邊坡滑動可能性很小，結(jié)合該坡體實際情況，傾角大于40°的情況僅有一處，見圖3，即坡體AC段，A點為坡體傾角大于40°段的起點，C點為坡體傾角大于40°段的截止點，因C點為坡體大于40°的分界點，故為坡體張裂縫最易產(chǎn)生處，C點與3層煤切眼的連線即為各煤層最易產(chǎn)生坡體張裂縫所在位置。按最危險狀態(tài)計算，即滑面角為40°，以A點為起點，角度為40°作線段AB交坡體于B點，AB與3層煤產(chǎn)生坡體張裂縫直線分別交于D1D2D3點，AB面確定為滑動面。

圖3 坡體滑動面及張裂縫位置

規(guī)程規(guī)定，對于無水位的單滑面采動坡體，坡體下滑力與抗滑力及穩(wěn)定性評價系數(shù)計算公式：

式中：T——坡體下滑力，kN；

S——坡體抗滑力，kN；

K——坡體穩(wěn)定性評價系數(shù)；K＞1，坡體穩(wěn)定；K≤1，坡體不穩(wěn)定。

首先計算1＃煤層回采后坡體的穩(wěn)定，該坡體內(nèi)摩擦角取22°，內(nèi)聚力取40kPa，側(cè)壓系數(shù)為0.35，AD1長度為17.82m，CD1長為7.66m，1＃煤厚度為3m，開采深度為380m，滑動體密度為19.6kN／m3，滑動體面積58.38m2，坡體垂高62.4m，工作面寬度為500m，巖性系數(shù)取1.6，根據(jù)地表沉陷軟件計算得到的曲線可知，坡頂最大下沉量為0.9m，最大水平位移為0.0055m，傾斜最大值為0.013mm／m，參照規(guī)程中單滑面采動坡體計算公式，由這些參數(shù)可得：S＝1105kN，T＝1037kN，K＝1.066。因為K＞1，所以按照最危險狀況，1＃煤層開采坡體仍然穩(wěn)定。

同理，得出2＃煤層回采后，S＝1062kN，T＝1094kN，K＝0.97。因為K＜1，所以2＃煤層開采后，該坡體不穩(wěn)定，容易失穩(wěn)。

3＃煤層回采后，S＝1167kN，T＝1036kN，K＝1.126。因為K＞1，所以3＃煤回采后，該坡體按照最危險狀況仍然穩(wěn)定。

綜上所述，經(jīng)過力學分析得出，1＃和3＃煤層開采坡體仍然穩(wěn)定，2＃煤層回采坡體不穩(wěn)定，容易失穩(wěn)。

3 相似模擬實驗

3.1 相似模型的鋪設(shè)

根據(jù)相似試驗原理，結(jié)合本試驗的實際情況，確定相似比為幾何相似比1∶400，時間相似比1∶20容重相似比1∶1.5彈性模量與強度相似比1∶600。

模型在平面應(yīng)變模型架上進行，模型尺寸為2.5m×0.2m×1.4m（長×寬×高），模擬的實際高度為560m，長度為1000m。模型示意圖見圖2

相似模擬實驗所用的材料以沙子為骨料，以碳酸鈣和石膏為膠結(jié)材料，云母和水作為輔料，按照一定配比形成不同強度的巖層，模型部分分層情況參見表1。

表1 模型部分分層情況

模型鋪設(shè)時，稱重必須精確，沙子、碳酸鈣和石膏需要充分均勻混合，加水后攪拌均勻，不能有干塊存在，以保證模型各分層的厚度均勻和模型的平整，達到最佳效果。

模型鋪設(shè)過程中，為了監(jiān)測采動期間應(yīng)力和位移變化，在坡體內(nèi)部布置了5個壓力盒，分別記為Y1～Y5；沿坡體邊緣布置8個位移計，分別記為W1～W8。

模型鋪好后，經(jīng)3～4d的自然風干后對前壁進行粉刷，打上網(wǎng)格線，以使開采過程中裂隙的發(fā)展清晰表現(xiàn)出來。

3.2 模型開采方案

模型每次開采步距為50mm，由于模型是1∶400的幾何模型，相當于實際開采了20m長度，待穩(wěn)定10min后拍攝照片。之后每次開采50mm，10min后用相機定位拍攝，記錄裂隙發(fā)育高度以及位移計和壓力盒的數(shù)據(jù)。

按照煤層實際開采順序，依次開采1＃煤層、2＃煤層和3＃煤層，1＃和2＃煤層的開采起始點位于坡頂正下方，開采長度均為1140mm，3＃煤層開采邊界與1＃和2＃煤層相距390mm，開采范圍為750mm，見圖2。

4 實驗結(jié)果及分析

圖4為模型開采過程中觀測點位移和應(yīng)力變化曲線。

煤層開采后必然引起巖體向采空區(qū)內(nèi)移動，巖層移動發(fā)展至山體表面會引起山體移動和變形。1＃煤層開采后，由圖4（b）可知，坡腳水平位移為40mm，坡頂水平位移為20mm，坡腳大于坡頂；隨著1＃煤層的開采，建筑物區(qū)地表逐漸抬升，由圖4（c）知1＃煤層采完抬升量為6.7mm，這是由于采動使坡體發(fā)生水平位移，坡體向臨空面移動對坡腳產(chǎn)生擠壓作用，進而擠壓建筑物區(qū)地基，使建筑物地表抬升；由圖4（d）知，1＃煤開采過程中，坡體應(yīng)力場基本沒有發(fā)生改變，坡體依然處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4（b）結(jié)果表明，2＃煤層在開采過程中，坡體水平位移明顯增大，坡體最大水平位移為105 mm，坡腳最大水平位移為190mm，坡體的水平位移呈現(xiàn)由坡頂至坡腳逐漸增大的現(xiàn)象，這是由于坡體在移動的同時沿下坡方向?qū)ζ履_產(chǎn)生擠壓，促使坡腳水平移動增大；另外，坡頂水平為負，坡體及坡腳水平位移為正，表明坡頂巖層主要向采空區(qū)運動，坡體以及坡腳向臨空面移動；隨著2＃煤層的開采，坡腳及建筑物區(qū)地表抬升明顯增大，最大抬升為18mm；由圖4（d）知，2＃煤層開采對坡體應(yīng)力場影響很大，使坡體表面拉應(yīng)力逐漸增大，當拉應(yīng)力大于坡體的抗拉強度就會產(chǎn)生張裂縫，增加滑坡的危險性。2＃煤層開采結(jié)束后，坡體表面產(chǎn)生裂縫。

3＃煤層開采過程中坡體已經(jīng)逐漸趨于穩(wěn)定，坡體水平位移基本沒有發(fā)生變化；建筑物地表抬升量亦沒有增加，已經(jīng)穩(wěn)定；坡體內(nèi)部應(yīng)力基本沒有改變。

圖4 位移和應(yīng)力曲線圖

5 結(jié)論

（1）實驗結(jié)果表明：煤層開采使坡體發(fā)生水平位移，沿下坡方向?qū)ζ履_產(chǎn)生擠壓作用，擠壓建筑物區(qū)地基使建筑物區(qū)地表抬升，最大抬升為18mm。

（2）1＃煤層開采引起坡體水平位移為40mm，坡腳抬升6.7mm，坡體仍然穩(wěn)定；2＃煤層開采引起坡體水平位移最大，為190mm，坡腳抬升18mm，坡體表面產(chǎn)生裂縫，表明坡體已經(jīng)失穩(wěn)，與理論計算結(jié)果一致，為確保坡體穩(wěn)定，應(yīng)增大2＃煤層保護煤柱寬度；3＃煤層開采對坡體穩(wěn)定基本沒有影響。

[1] 湯伏全.采動滑坡的機理分析[J].西安礦業(yè)學院學報，1989（3）

[2] 國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000

[3] 錢鳴高，石平五，許家林.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2010

[4] 劉君，曾凡宇.強風化軟巖高邊坡穩(wěn)定性評價[J].中國煤炭，2008（1）

[5] 余學義，張恩強.開采損害學[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2004

[6] 杜計平，汪理全.煤礦特殊開采方法[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2005

[7] 林叔中.地下采動山體變形活動的模型實驗[J].西安地質(zhì)學院學報，1989（4）

[8] 胡廣韜，林叔中.大跨度采空影響順傾構(gòu)造山體側(cè)向變動的復(fù)合機理[J].工程地質(zhì)學報，1993（1）

[9] 劉愛華，趙國彥，李夕兵等.羅山礦區(qū)滑坡穩(wěn)定性分析及治理的特殊性[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學報，2009（3）

[10] 孫學陽，楊梅忠，肖良等.銅川礦區(qū)采動滑坡的發(fā)生機理[J].黑龍江科技學院學報，2009（5）

[11] 上官科峰，王更雨.窯街礦區(qū)采動影響的山體滑坡機理探討[J].煤炭科學技術(shù)，2009（6）

[12] 楊孟達.煤礦地質(zhì)學[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2006

[13] 何國清等.礦山開采沉陷學[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1991

[14] 曾凡宇.風峪溝滑坡變形特征與治理方案[J].中國煤炭，2007（5）

Physical simulation study on slope stability in repeated coal seams mining

Liu Donglin1，2，Zhu Weibing1，2，Wang Lujun1，2，Zhang Chao1，2
（1.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；2.State Key Lab of Coal Resources and Mining Safety，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

In order to study the impact of 3－layers－of－coal mining under mountain on the slope stability，the paper uses theoretical analysis and physical simulation methods to analyze the degree of the slope displacement and deformation that are induced by coal seams mining.The results show that according to the original design，1＃coal seam mining has smaller impact on the slope stability，but 2＃coal mining will make the slope have sharp displacement and deformation，for the fracture resulted from the mining under the slope will cause the slope to lose stability，and then 3＃coal mining also has less effect on the displacement and deformation of the slope.The experimental results are basically consistent with the theoretical calculation results.

coal seams，repeated mining，mining－induced stress，slope body，rock displacement

TD823.88

A

劉棟林（1985－），男，河南平頂山人，中國礦業(yè)大學采礦工程專業(yè)研究生。主要從事巖層移動與綠色開采方面的研究。

（責任編輯 張毅玲）