煤炭科学技术大同矿区地表沉陷类型及成因初探

1、煤炭科学技术，2008,36(9)；92-95.大同矿区地表沉陷类型及成因初探黄庆国1，赵军2（1.山西大同大学工学院，山西 大同037003；2.同煤集团公司技术中心，山西 大同037003）摘要：为研究大同矿区地表大面积沉陷成因，对不同采煤方法引起的不同沉陷类型进行分析，总结出大同地区坚硬顶板具有大面积冒落的特征。同时，通过对顶板冒落前煤柱受力情况和地表塌陷机理进行的模拟，得出如下结论：在采空区部分煤柱丧失承载能力后，上部覆岩将围岩应力转移到周边仍具有一定承载力的尚未完全失效的煤柱上，致使相邻煤柱发生破坏，产生“多米诺骨牌”连锁破坏效应，并最终引起坚硬顶板冒落，造成地表大面积沉陷。关键词：

2、大同矿区；沉陷类型；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大同矿区煤层、顶板坚硬，普遍存在有厚层状整体砂岩顶板，

6、普氏系数一般为f=616，最高甚至达20以上，采后顶板难以垮落，形成大面积悬顶隐患1。在这种特殊的“两硬”条件下（煤层和煤层顶板坚硬），岩层破坏和地表移动表现出特有的复杂性和特殊性，煤层开采过程的初期地表沉陷变形不明显，但采空区覆岩一旦发生切冒，地表就将在短时间内产生突发性变形、裂缝和沉陷，从而导致地表建筑物严重破坏，甚至造成房屋倒塌和人员伤亡的严重后果。20世纪70年代以后，虽然采取了科学的开采方法和顶板管理技术，但随着采空区面积不断增加，以及多煤层联合开采导致的采煤沉陷，加剧了对地表及其建筑物的破坏。据不完全统计，截止2001年底，大同矿区地表采煤沉陷区总面积450km2。1大同矿区地表塌

7、陷类型1.1 即时型突发性切冒塌陷整体一次性即时型切冒是指用仓房、房柱和刀柱法开采的浅层采空区，柱采面积比小于20%，当开采达到一定面积时，在开采过程中发生的一次性切冒。大同矿区历年来发生整体一次性即时型切冒多达数十起2。例如1975年6月马脊梁矿402盘区2号煤长壁刀柱采空区发生的大面积切冒，冒落区距地表垂深55.8106m，煤层采厚5.56.7m，冒落面积12.5万m2，地面塌陷面积约7万m2，并形成一个近似椭圆形的环状塌陷坑，面积0.7万m2，深度0.7m，塌陷坑周围出现13条大裂缝，最大宽度3.6m。外围还有环状小裂缝，宽度0.10.4m。切冒引起的地震达3.2级，附近房屋的窗户玻璃被

8、震碎，全矿区都有震感。1.2滞后型突发性切冒塌陷整体一次性滞后型切冒是指仓房、房柱和刀柱开采的浅层采空区，其柱采面积比大于20%，开采之后未发生即时切冒，但经过多年之后突然发生切冒，导致地面突然塌陷。例如1994年8月云岗和四台井田之间的黄土坡联合楼及其附近的20多间民房突然倒塌，造成20人死亡和23人受伤。周围的学校、仓库、机修房和泵房裂缝。现场勘察发现地面出现数十条环状大裂缝，宽度0.50.6m，此外还有许多小裂缝，影响面积约2.8万m2。勘测结果表明，这些受损建筑物均位于黄土坡2号煤采空区上，下方2号煤距地表3040m，用短壁刀柱和穿巷法开采，开采时间为1983年前后，采厚3.2m左右。

9、此一事故显然是由于下方2号刀柱采空区发生一次性滞后型瞬间切冒形成的地面突然塌陷所致。1.3裂缝发育型缓慢沉陷长壁陷落法或刀柱、长壁重复采空区开采深度小于200m，开采深厚比大于40但小于7080时，地表会在开采后13年内发生沉陷并出现较大裂缝。永定庄矿406采区11号煤层长壁陷落采空区采厚3.2m，采深150m，开采深厚比46.9，地表发生大于0.1m的较大裂缝，最大下沉达2630mm。云岗矿303南翼采区3号煤长壁综合机械化采空区采厚3m，采深200m，开采深厚比69.0，地表出现大于0.1m的较大裂缝。各矿调查结果表明，如上部2号煤用刀柱开采，地表一般不出现裂缝。如2号煤刀柱采空区下方有长

10、壁陷落法煤层开采，则在12年内地表会出现裂缝。1.4裂缝不发育型缓慢沉陷长壁陷落法采空区采深大于200m；或开采深厚比大于80；刀柱、房柱或仓房式采空区开采深度大于150m或开采深厚比大于60，柱采面积比大于20时，地表可在开采36年后发生裂缝，但裂缝数量较少，宽度也不大。如忻州窑矿目前开采9号和11号煤层，其开采深厚比分别为200228和8692，9号煤以上的2-1号、2-3号、3号和7号各煤层多为刀柱或短壁陷落法开采， 9号和11号为长壁陷落开采或长壁综合机械化开采，由于上部2号层整体性好的砾岩顶板厚度达3040m，因而开采后地表裂缝不发育，只出现少量小裂缝，仅某些断裂构造和沟谷边缘部位裂

11、缝比较发育。应当指出的是，裂缝不发育的缓慢沉陷区内仍存在很大的下沉、移动和变形，位于裂缝不发育缓慢沉陷区内的建（构）筑物，仍可发生不同程度的损坏。2大同坚硬顶板大面积冒落特征大同矿区侏罗纪煤系顶板岩体结构调查表明，大多数采场顶板属于坚硬或极坚硬的岩体。坚硬顶板分层厚度大，整体性强，但是构成顶板岩体的岩石并不是完全的整体。在岩体中存在许多结构面和充填物，使岩体呈现出一种非均质的具有各向异性的不连续体。而顶板煤柱系统是由这类坚硬岩体顶板和规格、强度不一的煤柱群构成。因此，这类顶板的塌陷是由确定性因素和非确定性、模糊性等因素共同控制的过程。2.1大面积顶板瞬时冒落类型一般而言，顶板大面积来压的冒顶类

12、型有两种：切冒型（图1a）和拱冒型（图1b），而最具大同特色的应为切冒型，其冒落过程见图2。 图1 大同矿区顶板的冒落类型 图2 切冒型冒落过程示意Fig.1 Roof falling types in Datong mine Fig.2 The illustration of shear-falling procedure顶板切冒型冒落的一般特征是：1）一次冒落面积大、时间短。2）冒落一般发生在浅部，开采深度100m以内，个别深部开采发生切冒型，往往是由于上部煤层已经开采，下部煤层开采时波及到地表的。 3）冒落形状呈反漏斗状，冒落角65°85°，地表呈圆形、椭圆形的沉陷，

13、其面积小于开采面积，沉陷深度0.51.0m，个别达34m，与采高和采深有关。4）冒落后地表出现纵横交错的张开裂缝，裂缝宽度0.10.5m，深不见底，裂缝位置均在采空区平面范围内侧，或在采空区正上方，或是在沉陷区的边缘。2.2顶板大面积冒落前的煤柱受力特征大面积冒落发生之前，由于大面积长时间空顶和后期回收煤柱引起的应力重新分布，在破坏之前，顶板和煤柱是处于较高应力水平的承载能力弱化阶段；当煤柱上的荷载达到其极限强度时，煤柱的承载能力降低到零，煤柱就会破坏。如挖金湾矿青羊湾井404盘区832采区距地面垂深84104m，煤层厚44.3m，老顶为中粗砂岩，节理、裂隙等断裂构造极不发育。采用房柱式开采，

14、一次采全厚，房宽810m，房间煤柱68m。上覆岩层的容重约为2.5×104N/m3，煤的单向抗压强度C23MPa。由于，当时煤柱上的荷载已经超出了上述范围，放生了大面积切冒。3大同矿区地表塌陷机理工作面开采完后，在采场上方存在明显的应力拱结构，如图3所示。拱中主应力大于拱内外岩体的应力，应力拱拱顶在煤柱失效的起始阶段就抬升至关键层上位岩体中，在整个煤柱失效过程中应力拱的形态变化不大，拱脚一般作用在工作面前后方和侧翼未采煤层边缘，拱顶、拱脚处应力集中较大。图3（b）中区、区为拉应力区，区为拉应力集中区，区为拉压应力复合区，拉应力分布呈宽“U”字形，此范围内岩体发生拉破坏。区拉压复合，直

15、接导致关键层在此部位受拉开裂。关键层上位岩体受弯曲应力的影响压应力集中，工作面底板受卸荷影响而应力降低。（a）最大主应力（b）最小主应力图3 地表塌陷时覆岩应力状态Fig. 3 The stress state of the cove-rock during the ground collapse process“复合应力拱”结构是由主应力束所组成，是应力作用于客观实体的一种力学表现形式，反应覆岩中应力传递关系的主应力迹线。复合应力拱的存在可将大部分自重荷载向煤柱及两侧实体煤内转移，对维护覆岩及地表稳定起着极其重要的作用。但当关键层悬露面积达到临界值时，拉应力区连通并扩张至内应力拱拱肩上方，并

16、在该处拉压应力复合使得岩体开裂，破坏了应力拱结构，从而在强大的覆岩自重作用下导致覆岩断裂破坏。如图4所示。（a） 工作面初采后（b） 煤柱达到峰值强度后（c） 中央小范围煤柱失效后（d） 失效煤柱范围扩大（e） 煤柱失效引发地表塌陷图4煤柱失效过程示意Fig. 4 The illustration of the failure process of the pillars在采空区中央一小部分煤柱失效丧失承载能力后，上部覆岩通过应力拱的形式将围岩应力转移到失效煤柱周边仍然具有一定承载力的尚未完全失效的煤柱上。直到失效煤柱范围扩展到某一临界值，关键层粗砂岩悬露面积达到极限，最终弯曲变形引起的附加应力超过其极限强度值时，将会发生突然垮断失稳3，上覆黄土层因失去支撑而随动沉陷。此种围岩应力转移过程可以形象的称之为煤柱失效的“多米诺骨牌”效应。失效煤柱范围逐步扩大引起的地表竖向位移，形成大面积的沉陷区。4基本结论（1）大同矿区坚硬顶板和覆岩条件下浅煤层刀柱和仓房开采的主要破坏形式是整体一次性切冒，具有明显的突发性，表现为塌陷过程时间短、破坏性大、难以预测预防。（2）当开采深度较大时，破坏形式转变为缓慢沉陷型，但其裂隙一直到地面，一般情况下裂缝较大，可和井下采空区连通，造成漏风，易引起采空区自燃。（3）大同矿区地表塌陷的基本机理为：在采空区