不均勻上覆荷載對露天礦采空區(qū)沉陷的影響規(guī)律研究

蘇二換，陳 濤，鈕景付，劉 宇

（1.神華準能集團有限責任公司 哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中國礦業(yè)大學，江蘇 徐州 221116）

進入21世紀以來，隨著國家經(jīng)濟高速發(fā)展和對煤炭需求量的不斷增加，我國新疆、內(nèi)蒙古等地區(qū)的露天煤礦得到了快速發(fā)展。由于工程地質(zhì)條件的限制，煤炭開采不斷向深部開拓。在井工開采煤炭資源的過程中，由于受充填開采等技術經(jīng)濟成本的限制，一些煤礦在開采后留下大量采空區(qū)[1-2]。特別在20世紀80年代，一些個人或集體為了節(jié)省開采成本，只采富礦、采后不回填的開采現(xiàn)象屢見不鮮，這樣在許多礦區(qū)附近留下了大量的不明采空區(qū)。在露天礦區(qū)附近的不明采空區(qū)受爆破震動、大型機械碾壓擾動及端幫排土場連續(xù)堆載等影響，造成露天礦采空區(qū)坍塌、地表沉陷及開裂等現(xiàn)象發(fā)生[3-5]。由于地下采空區(qū)引發(fā)的露天礦道路塌陷、邊坡失穩(wěn)已經(jīng)嚴重威脅到露天開采的生產(chǎn)安全[6-7]。因此，研究不均勻上覆荷載對露天礦采空區(qū)沉陷的影響規(guī)律，具有重要的理論意義和工程實用價值。

為探究此類采空區(qū)沉陷的影響規(guī)律，許多學者運用不同的方法對其開展了研究[8-19]，并取得許多成果，這些研究成果為后續(xù)的露天礦境界內(nèi)的采空區(qū)沉陷研究奠定了理論基礎；但是露天礦區(qū)內(nèi)采空區(qū)的不連續(xù)性及形狀差異較大，對于不均勻上覆荷載對露天礦采空區(qū)（井工開采余留下的廢棄巷道）沉陷的影響規(guī)律有待深入研究。為此，基于開采沉陷理論與技術，建立采空區(qū)沉陷模型，通過建立數(shù)值分析了排土場堆載過程中產(chǎn)生的不均勻載荷對采空區(qū)、不同外排土場形狀對采空區(qū)的地表沉陷過程中的應力分布形態(tài)及變形規(guī)律，為實現(xiàn)露天礦安全高效開采提供保障。

1 采空區(qū)沉陷機理及模型分析

當煤層開采后，采空區(qū)周圍的原巖應力受到擾動，引起應力重新分布，采空區(qū)頂板在上覆巖層的壓力及不均勻載荷下發(fā)生顯著的下沉、彎曲和離層，并由下向上發(fā)展至地表引起地表的移動，從而造成地表沉陷現(xiàn)象[20]。在采空區(qū)巖層的下沉過程中，在豎直方向上，由于巖層自重和上覆巖層的壓力作用，破裂巖石逐漸被壓實，完整巖石被重新壓縮，地表的活動逐漸趨于穩(wěn)定；同時，在工作面推進方向上，采空區(qū)上覆巖層周期性重復下沉彎曲、破裂和移動過程，造成地表塌陷區(qū)域不斷變大。

根據(jù)開采沉陷巖體內(nèi)部移動變形規(guī)律，建立露天礦排土場堆載下采空區(qū)上覆巖體的結構模型，露天礦排土場下覆采空區(qū)巖層移動模型如圖1。該模型反映了露天礦排土場地表沉陷穩(wěn)定后的覆巖結構特征。模型最下部頂板破斷后的巖塊呈不規(guī)則垮落，巖層喪失了結構連續(xù)性，稱為垮落帶。垮落帶之上，巖層雖然斷裂，但巖塊間仍然排列有序，保持自身“砌體梁”結構，稱為裂縫帶。在裂縫帶之上，各巖層保持原有力學性質(zhì)和結構連續(xù)性，以整體形式彎曲下沉，稱為彎曲帶，該帶的上下巖層在豎直方向上的下沉差值很小。最上部的是露天礦剝離物堆積而成的排土場，排土場將會對下覆巖層造成不均勻載荷，致使原本下沉穩(wěn)定的采空區(qū)發(fā)生二次沉陷，直接影響露天礦排土場邊坡的穩(wěn)定性。

圖1 露天礦排土場下覆采空區(qū)巖層移動模型Fig.1 Rock strata movement model of overlying goaf in open-pit mine dump

露天礦的采空區(qū)種類眾多，包括普通采空區(qū)、采空巷道、采空積水區(qū)和采空自燃區(qū)。對不同幾何尺寸的采空區(qū)巷道，建立采空區(qū)斷面力學模型，并將排土場堆積載荷附加到采空區(qū)上覆巖層表面。露天礦由于先前小煤窯的私挖亂采造成采空區(qū)幾何結構多為“平頂”采空區(qū)，其力學模型屬于組合梁結構，對于這種力學模型，其斷裂破壞過程中的力學機理是：層狀梁結構破壞取決于懸空巖體的抗拉強度、搭接位置巖體的抗剪強度。

根據(jù)平頂采空區(qū)力學模型以及不均勻上覆荷載，分別進行不同上覆載荷幾何狀態(tài)的采空區(qū)沉陷數(shù)值模擬過程中的應力及變形位移計算，分析不同條件下采空區(qū)地表沉陷規(guī)律。采用FLAC3D軟件建立的平頂采空區(qū)力學模型如圖2，模型中采空區(qū)的寬度為30 m，高為6 m（根據(jù)某露天煤礦采空區(qū)勘探結果的平均尺寸[21]），將試驗所得的力學參數(shù)賦入模型中，進行不均勻上覆荷載下的采空區(qū)安全性模擬，分析其地表沉陷規(guī)律。為了防止地層產(chǎn)狀影響本研究對于不均勻上覆載荷對采空區(qū)沉陷普遍規(guī)律的認識，特對地層產(chǎn)狀和數(shù)量進行簡化處理。煤巖物理力學參數(shù)匯總表見表1。

圖2 平頂采空區(qū)力學模型Fig.2 Mechanical model of flat-topped goaf

表1 煤巖物理力學參數(shù)匯總表Table 1 Summary of physical and mechanical parameters of coal and rock

2 堆載不平衡應力對采空區(qū)地表沉陷的影響

在排土場堆載初期，由于堆載高度較小，排土場產(chǎn)生的不均勻載荷較低，傳遞到采空區(qū)上的應力較低，對采空區(qū)的穩(wěn)定性影響較小。隨著排土場堆載高度增加，堆載體類似一個臺體形狀，由堆載體自重應力引起的豎向應力及側向應力不斷增大，當傳遞到外排土場基底下方的采空區(qū)時，造成采空區(qū)所受擠壓應力增大，導致采空區(qū)塌陷，直接影響礦山安全生產(chǎn)。

2.1 排土場堆載高度對采空區(qū)地表沉陷的影響

采用Rhino軟件在平頂采空區(qū)模型上建立堆載高度為0、20、40、60、80 m的排土場模型并進行網(wǎng)格劃分，再導入FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行地表沉降位移、應力模擬分析，分別在采空區(qū)正上方距離地表0、20、40、60、80、100、120、140、160 m處 布 置 監(jiān) 測點，得到不同位置的位移、應力曲線，對比得到排土場堆載不同高度下豎直方向上觀測線下沉規(guī)律。排土場堆載不同高度下豎直方向上的地表沉降量曲線如圖3，排土場堆載不同高度下豎直方向上的應力變化曲線如圖4。

圖3 排土場堆載不同高度下豎直方向上的地表沉降量曲線Fig.3 Surface settlement curves in the vertical direction under different heights of dump loading

圖4 排土場堆載不同高度下豎直方向上的應力變化曲線Fig.4 Stress change curves in the vertical direction under different heights of dump loading

從地表沉降位移曲線可以看出，當堆載高度從0 m增加到80 m的過程中，地表面的沉降量由24.66 mm增大到42.08 mm，受到排土場自然沉降影響較大，其中堆載高度80 m時較為明顯。排土場堆載高度40～80 m時，觀測點距離地表面40～80 m的監(jiān)測數(shù)據(jù)較為接近，是由于砂巖層在下沉彎曲變形過程中保持整體結構連續(xù)性，起到關鍵層作用。隨著排土場堆載高度的加大，采空區(qū)上覆不均勻載荷隨之增大，地表沉降量逐漸增大，其中采空區(qū)頂板的下沉累計量由未堆載排棄物的38.15 mm增加到堆載高度為80 m的81.30 mm。

從豎直方向應力變化曲線可以看出，地表監(jiān)測點位0 m時的應力值和堆載高度沒有關系，這是地表面巖土層受采空區(qū)變形的影響較小，其應力值主要受自重應力影響。在采空區(qū)頂板處的應力值為正值，由于砂巖層在下沉彎曲過程中起到一個“梁模型”的作用，致使“梁模型”的下部受到拉應力，且拉應力值隨堆載高度增加逐漸增大。豎直方向應力最大值并不是出現(xiàn)在采空區(qū)頂板表面，而受堆載高度影響。堆載高度由0 m增加到80 m的過程中，出現(xiàn)最大應力值的觀測點分別為：距離地表40、60、70、80、100 m，在巖層中表現(xiàn)為相對地表往巖層上部移動，這說明上覆不均勻載荷加大，巖層受到破壞的范圍變大。隨著堆載高度增加，豎直方向應力呈現(xiàn)壓應力隨埋深增加到最大值后遞減為0后變?yōu)槔瓚?，所以在露天礦排土場下覆采空區(qū)巖層移動模型中必然曾在1個應力為0的面。通過分析排土場連續(xù)堆載下采空區(qū)應力分布特征，可以看出隨堆載高增加，在采空區(qū)的周圍受到擠壓呈現(xiàn)拉應力且影響范圍越大，應力集中越明顯。如排土場連續(xù)堆載下采空區(qū)應力分布特征如圖5。

圖5 排土場連續(xù)堆載下采空區(qū)應力分布特征Fig.5 Stress distribution characteristics of goaf under continuous loading of dump

2.2 排土場下的不同位置采空區(qū)的沉陷規(guī)律

建立排土場堆載高度為60 m，采空區(qū)位置1到位置5分別位于排土場正下方左側300、225、150、75、0 m的模型，排土場下的不同位置采空區(qū)模型如圖6。

圖6 排土場下的不同位置采空區(qū)模型Fig.6 Goaf models at different locations under the dump

分別進行FLAC3D數(shù)值模擬，并在采空區(qū)正上方距離地表0、20、40、60、80、100、120、140 m處布置監(jiān)測點，得到不同位置的采空區(qū)變形位移、應力曲線，對比得到排土場下的不同位置采空區(qū)豎直方向上觀測線下沉規(guī)律。排土場下不同位置的采空區(qū)豎直方向上的地表沉降量曲線如圖7，排土場下不同位置的采空區(qū)豎直方向上的應力變化曲線如圖8。

圖7 排土場下不同位置的豎直方向上的地表沉降量曲線Fig.7 Surface settlement curves in vertical direction of goaf at different positions under waste dump

圖8 排土場下不同位置的豎直方向上的應力變化曲線Fig.8 Stress change curves in the vertical direction of goaf at different positions under waste dump

從圖7的地表沉降位移曲線可以看出，采空區(qū)位置從位置1到位置5過程中，地表沉降量由24.56 mm增大到34.10 mm，采空區(qū)位置1與未堆載排棄物下的地表沉降量幾乎差不多，采空區(qū)位置2地表沉降量達到28.00 mm，說明采空區(qū)水平距離排土場300 m以上，排土場載荷對采空區(qū)變形影響較小。當采空區(qū)距離排土場越接近，采空區(qū)正上方的下沉量越大，且靠近采空區(qū)的下部巖層的下沉量也越大。隨著采空區(qū)位置水平距離排土場越近，采空區(qū)上覆不均勻載荷隨之增大，地表沉降量逐漸增大，其中采空區(qū)頂板的下沉累計量由位置1的38.25 mm增加到堆載高度為60 m的70.80 mm。從圖8豎直方向應力變化曲線可以看出，采空區(qū)位置從位置1到位置5過程中，排土場載荷產(chǎn)生的側向應力引起采空區(qū)上方的應力最大值增大，其中位置1到位置3過程中，采空區(qū)最頂部并未堆載排棄物，此時3個位置的垂直應力出現(xiàn)在采空區(qū)上方巖層的中部位置，且地表沉降量約為采空區(qū)頂板累計沉降量的2倍，這與黃樂亭[22]得出的結論一致。

3 不同排土場形狀對采空區(qū)地表沉陷規(guī)律的影響

剝離物在界外沿幫排棄，隨著堆載工程量的不斷增大，外排土場高度逐漸增加，形成高陡外排土場，常見的外排土場有方形基礎和圓形基礎2種形式[23]。根據(jù)這2種基礎分別建立方形和圓形排土場堆載下的采空區(qū)三維模型，2個模型排土場的高度為50 m，排棄物的體積一樣（即保證2個排土場的自重一樣大），分別進行FLAC3D數(shù)值模擬，并在采空區(qū)正上方距離地表0、20、40、60、80、100、130 m處布置監(jiān)測點，得到不同位置的位移、應力曲線，對比得到方形和圓形排土場堆載下的采空區(qū)豎直方向上觀測線下沉規(guī)律。不同排土場形狀下豎直方向上的地表沉降量曲線如圖9，不同排土場形狀下豎直方向上的應力變化曲線如圖10。

圖9 不同排土場形狀下豎直方向上的地表沉降量曲線Fig.9 Surface settlement curves in the vertical direction under different dump shapes

圖10 不同排土場形狀下豎直方向上的應力變化曲線Fig.10 Stress change curves in the vertical direction under different dump shapes

從地表沉降位移曲線可以看出，在采空區(qū)上覆載荷一樣大小，但方形排土場和圓形排土場的幾何結構差異產(chǎn)生的不均勻應力不一致，導致方形排土場的地表下沉位移量比圓形排土場的大。2種排土場結構影響的地表面下沉為幾乎一樣大小且整體的下沉速度較為均勻。從豎直方向應力變化曲線可以看出，2種排土場結構對采空區(qū)上覆巖層的垂直應力影響較小且兩者幾乎接近，也呈現(xiàn)出豎直方向應力的壓應力隨埋深增加到最大值后遞減為0后變?yōu)槔瓚Α?/p>

為了更好揭示排土場結構對采空區(qū)變形的影響，在采空區(qū)長度上頂板處每間隔50 m布置1個位移和應力監(jiān)測點，根據(jù)模擬分析得到監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線，不同排土場形狀下采空區(qū)長度上頂板處下沉曲線如圖11，不同排土場形狀下采空區(qū)長度上頂板處應力變化曲線如圖12。

圖11 不同排土場形狀下采空區(qū)長度上頂板處下沉曲線Fig.11 Subsidence curves at upper roof of goaf length under different dump shapes

圖12 不同排土場形狀下采空區(qū)長度上頂板處應力變化曲線Fig.12 Stress change curves at upper roof of goaf length under different dump shapes

由圖11可以看出，2種排土場結構下的頂板下沉量都在采空區(qū)長度上頂板的中間位置達到最大，且下沉位移曲線呈V型對稱。方形排土場對采空區(qū)頂板的下沉位移量比圓形排土場的大，且相同埋深位置的2種結構下的位移差值逐漸增加，在采空區(qū)長度上頂板的中間位置達到最大。由圖12可以看出，2種排土場結構下的頂板應力都為拉應力，且應力曲線呈M型對稱。在采空區(qū)長度上頂板中間位置，圓形排土場造成的采空區(qū)頂板應力比方形排土場的小。

分析上述地表沉降位移曲線和應力曲線圖可知，在露天礦剝離量相同的情況下，選擇圓形排土場對下覆巖層中采空區(qū)變形影響更小，更有利于排土場邊坡的穩(wěn)定性。

4 結 語

1）隨著排土場連續(xù)堆載高度加大，采空區(qū)上覆不均勻載荷隨之增大，地表沉降量逐漸增大，豎直方向應力呈現(xiàn)壓應力隨埋深增加到最大值后遞減為0后變?yōu)槔瓚Γ诼短斓V排土場下伏采空區(qū)的上覆巖層中存在1個應力為零的面。

2）隨著采空區(qū)位置水平距離排土場越近，地表沉降量逐漸增大，采空區(qū)水平距離排土場300 m以上，排土場載荷對采空區(qū)變形影響較小，采空區(qū)最頂部并未堆載排棄物，垂直應力出現(xiàn)在采空區(qū)上方巖層的中部位置，且地表沉降量約為采空區(qū)頂板累計沉降量的2倍。

3）方形排土場的地表下沉位移量比圓形排土場的大，2種排土場結構下的頂板下沉量都在采空區(qū)長度上頂板的中間位置達到最大，且下沉位移曲線呈V型對稱，應力位移曲線呈M型。圓形排土場對下覆巖層中采空區(qū)變形影響更小，更有利于露天礦排土場的穩(wěn)定性。