浅析采后煤层顶板岩层下沉机理与移动的规律

□王宏
作者简介：
    王宏，男，工程师，河北邯郸人。现任冀中能源峰峰集团科技发展部副部长；在基层从事煤矿地质工作23年，相关论文曾获河北省科技成果三等奖。从事“三下”采煤10多年，进行了各项岩层移动和矿山压力观测和实践，特别是在水体和冲积层下开采岩层破坏上限的合理确定，密集村庄下采后岩层移动及其对民用建筑物的损坏等进行了广泛实践和探索，现就工作面采后上覆岩层下沉机理和移动规律提出理论性观点。
    岩层下沉的机理
    煤层采后，原始地应力场被打破，新的矿山应力场形成，也称矿山压力。在平面上，围绕采空区四周形成框状集中应力分布区，在垂向上（包括走向和倾斜方向）围绕采空区形成扁椭球体壮应力分布区，称之为扁椭球体应力模型，采空区为低应力球心区，球心区外围为高应力区，逐步衰减至应力场空间边界。三维分布状况：长轴位于采空区中心且垂直于煤层；次长轴位于采空区中心与煤层倾斜方向一致；短轴位于采空区中心与煤层走向 （或工作面推进方向）一致。整个扁椭球应力体随工作面推进而移动。当采深与采长比大于等于2~2.6时，垂向上的应力椭球体完整，当采深、采长比小于2时，在垂向上椭球体部分将暴露于地表，形成不完整椭球体。采深、采厚、开采次数和累计厚度、工作面长度等参数都直接影响着椭球体的形状、大小，且呈正变函数关系。
    矿山压力与上覆岩层
    下沉过程关系
    矿山压力是上覆岩层下沉运动的动力。煤层开采前，煤层及其围岩各质点六面承受均等的自然压应力，即原始平衡状态。煤层采后，矿山应力场内各质点应力平衡状态被打破，在采空区四周垂直方向上，由于压力升高，产生压缩变形；在水平方向上产生由高应力区向低应力区发生位移变形；在低应力区 （采空区）因重力作用产生下沉运动。下沉过程是一个时间和空间的运动体系，一是垂直下沉的空间过程，二是下沉的时间过程。
    首先是应力升高与拽动区。初采时，以岩层断裂面为后界，宽度约60~120米，复采时为62~135米。随着工作面推进，上覆岩体形成压力拱，拱的超前嵌入部分岩体其重量向采空区方向转嫁过来，形成超前工作面支撑压力区，即高压区。垂向上煤岩体受压缩，水平方向煤岩体受张力。拱的后部部分受低压区的负压拽动作用移向低压区（采空区及其上方）。
    其次是应力恢复与缓慢下沉区。由于工作面不断向前推进，采场压力拱后半部分随之形成，在初采25~75米，复采42~65米之后，初采160~200米，复采65~140米之前，自下而上出现应力恢复区，上覆岩层缓慢下沉，逐渐被压实与固结。
    最后是应力恢复与基本稳定区。在缓慢下沉区之后，工作面中间部分的上覆岩层趋于正常状态，工作面上下端上覆岩层仍有微量下沉，其趋于正常状态的时间可能延长数月不等。
    岩层下沉规律
    岩层下沉范围的规律：下沉范围受工作面空间几何形状和煤层赋存条件制约。地表下沉轮廓基本和采空区形似，面积为采空区的3.6倍。空间形状为似倒梯形体，四边为不对称的曲面围成，不同地质条件曲面形状各异。倾斜方向上下沉范围是一个不对称的槽状。走向上，初采时在基岩内超前工作面60~120米，滞后工作面110~190米有压力升高现象，呈不对称的倒喇叭口状。
    下沉过程在垂向上的分布规律：从顶板跨落，下沉过程开始，自下向上以拱形分层次或周期逐步传播直至地表，每一层次或周期的传播高度与传播时间比为始端传播速度。一定时间后，出现自下而上下沉过程的终端传播。始端传播和终端传播构成了岩层空间下沉过程。在水平方向上，下沉空间内不同高度平面下沉范围和下沉量不同。但都存在下沉开始和终止两个时间，时间差为下沉时间过程，也称下沉期。
    下沉特征与应用
    按岩层质点下沉轨迹，在采空区上方为垂直下沉区，对地标建筑和井下工程保护有利；外围各点下沉趋向采空区，为倾斜下沉区，对地表建筑和井下工程保护不利。
    按下沉充分程度：充分下沉区，岩体破坏充分，下沉周期短，采动裂隙率小，岩体处于压缩状态，对地标建筑保护有利。非充分下沉区，岩体破坏不充分，采动裂隙率大，下沉周期长，对建筑物保护不利。
    按岩体结构和压实作用过程：从上覆岩层下沉过程看，岩体结构包含破坏和压实两种作用过程。宏观上看，剧烈下沉区为破坏作用区，岩体裂隙最发育，透水性好，是开采煤层上部和下部水体突出的危险期，也是疏放的有利时期。对地面建筑保护来讲，此时应停止使用和进行加固维修。
    在了解上述煤层采后上覆岩层下沉机理和规律，矿山压力与岩层下沉过程的内在联系，下沉过程的始末及其在时空上的作用和影响等规律后，可以有效地利用规律，进行科学设计，避免事故的发生。