王 鵬

（山西焦煤西山煤電西曲礦工程一隊 ，山西 古交 030200）

0 引 言

陷落柱是分布在我國華北煤田中的一種特殊的地質構造，陷落柱的存在一方面破壞了煤炭資源，使資源大量浪費，另一方面，陷落柱可能溝通地下含水層，增加工作面突水的危險性，給礦井安全生產帶來巨大的隱患。在西山煤田，巖溶陷落柱較為發(fā)育，是影響礦井正常生產的一種常見的地質構造。西銘礦屬于西山煤電旗下主力礦井，受井田范圍內的陷落柱影響，礦井生產受到了較大的影響，局部區(qū)域陷落柱極為發(fā)育，導致礦井巷道難以正常布置，甚至在部分采區(qū)被迫采用刀柱式開采，嚴重制約了礦井的生產能力，也對工作面生產安全造成了一定影響[1-2]。本文以西銘礦實際地質條件為背景，分析井田內陷落柱的分布規(guī)律，并研究其形成的力學機理。

1 礦井概況

西銘礦位于山西省太原市附近，井田面積約為56km2，其中南北長度約為4km，東西長度約17km。礦井設計生產能力為360萬t/a，主采煤層包括2#、3#、8#和9#煤層，是西山煤電旗下的現(xiàn)代化大型礦井。

西銘礦處于整個西山井田的東北部，井田范圍內地質構造較為發(fā)育，目前，已經揭露落差超過1m的斷層就有600多條，其中，落差超過5m的大斷層就有30多條，對礦井生產造成了一定影響。而井田內陷落柱也十分發(fā)育，僅就8號煤層而言，目前已揭露的陷落柱就有900多個，其中，最小的陷落柱面積為4.8m2，最大的可達 32151m2。

2 陷落柱形成的力學機理

2.1 溶洞的破壞機理分析

對于陷落柱的形成機理，目前在我國已基本形成統(tǒng)一認識，即陷落柱是由可溶性巖溶洞發(fā)育而成。

在地下水作用下，可溶性巖層（一般為石灰?guī)r）被逐漸溶解，形成溶洞，溶洞頂板進一步破壞，形成陷落柱，下面，主要分析溶洞受力破壞的這一過程。

可溶性巖溶洞的形狀一般多為圓形或者橢圓形，因此，我們可以將溶洞簡化為四周固支的圓形薄板，簡化溶洞的受力模型，將溶洞頂板所受壓力視為均布載荷，根據(jù)圓形薄板理論，薄板任意一點所受的應力值為：

式中：σr為該點所受的徑向應力，MPa；σθ為該點所受的切向應力，MPa；τrz為該點所受的剪應力，MPa；q為溶洞頂板所受的均布載荷，MPa；z為該點距離中面的距離，m；hb為薄板的厚度，m；a為薄板的直徑，m；r為該點至圓心的距離，m；v為巖層泊松比。

通過式（1）～（3）可知，薄板所受切應力與該點距離圓心的距離有關，因此，在溶洞邊緣處，即r=a時，所受剪應力達到最大值，而通過分析井下應力和切向應力值，溶洞內所受的最大拉應力也在邊緣處出現(xiàn)，而對于巖層而言，通常為受拉破壞，因此，下面對溶洞邊緣最大拉應力處進行分析。

根據(jù)相關文獻表明[3-4]，在陷落柱較為發(fā)育的井田，大多受多期構造應力影響，受構造應力影響，井田內形成大量節(jié)理，且應力方向不同，導致節(jié)理方向也不相同，尤其在向斜或者斷層帶附近，層理發(fā)育較為集中，是形成陷落柱的主要區(qū)域。

因此，對于溶洞頂板處，節(jié)理較為發(fā)育，通過斷裂力學的方法，對溶洞邊緣的受力分析，認為在溶洞下表面邊緣處，與圓周相切的節(jié)理處所受的拉應力應為最大，裂紋擴展最容易，而裂紋的應力強度因子為

式中：K1為裂紋應力強度因子；為裂紋表面所受的拉應力，MPa，近似于圓板邊緣所受的軸向應力；l1為裂紋的長度的二分之一，m。

當裂紋的應力強度因子大于巖層斷裂韌度時，裂紋擴展，溶洞頂板受到破壞。

2.2 陷落柱形成的力學機理

隨著溶洞頂板裂紋擴展范圍不斷增加，相互貫通，在頂板邊緣形成一個圓形斷裂帶，同時，裂紋也不斷向著頂板上部擴展，擴展至一定距離后，由裂紋破壞形成一個圓柱形的巖塊，其形成過程如圖1所示。

圖1 圓柱形巖塊形成過程

圖2 圓柱形巖塊受力模型

由圖1可以看出，裂紋由AB面向CD面延伸，形成圓柱形巖塊，巖塊下沉分離，導致溶洞頂板坍塌。根據(jù)極限平衡理論，設溶洞頂板巖層厚度為b，溶洞頂板周長為l，溶洞頂板上覆巖層厚度為h，建立受力模型如圖2所示。

此時，巖塊所受的垂直地應力為：

式中：σz為垂直地應力，MPa；γ為上覆巖層平均容重，MN/m3；h 為上覆巖層厚度，m。所受水平應力為

式中：σn為垂直地應力，MPa；λ 為測壓系數(shù)；其余符號含義與前面相同。

巖塊邊界處所受的極限剪應力滿足：

式中：τj為極限剪應力，MPa；C為裂隙間的內聚力，MPa；φ為內摩擦角，°；其余符號含義與前面相同。

對上式進行積分，求得邊界面上的抗剪力為：

式中：Q為極限抗剪力，MN；l為溶洞頂板周長，m；b為頂板巖層厚度，m；其余符號含義與前面相同。

該圓柱形巖塊所受載荷為：

式中：P為巖塊所受載荷，MN；P0為地下水對巖塊的作用面力，MPa；s為巖塊截面積，m2；其余符號含義與前面相同。

當巖塊所受載荷P大于巖塊極限抗剪力Q時，溶洞上部頂板圓柱形巖塊分離下沉，溶洞頂板開始坍塌，形成陷落柱，陷落柱由下至上不斷擴展，直至地下水流作用發(fā)生變化或遇到一層硬巖，巖層抗剪性較好，陷落柱停止向上擴展，否則，一直發(fā)展至地表。

3 西銘礦陷落柱分布規(guī)律

前面對陷落柱形成的力學機理進行了系統(tǒng)分析，下面根據(jù)西銘礦實際條件，對陷落柱形態(tài)特點和分布規(guī)律進行研究，

3.1 陷落柱發(fā)育特點

西銘礦目前已經揭露的陷落柱超過1000個，其中最小的陷落柱面積為4.8m2，最大的可達32151m2，陷落柱截面形狀也以圓形和橢圓形為主。西銘礦的陷落柱分布圖如圖3所示。

圖3 西銘礦陷落柱分布圖

西銘礦陷落柱發(fā)育程度不一，但大多為隱伏陷落柱，僅發(fā)育至最下組的煤系地層中，少數(shù)陷落柱發(fā)育較好，可直至地表。陷落柱長軸直徑最小僅為3.0m，最大可至251m，平均為28m，陷落柱短軸最小僅為2.0m，最大為163m，平均21m。

陷落柱附近多數(shù)存在伴生斷層，斷層大多出現(xiàn)在陷落柱10～30m處，最遠不超過50m，且伴生斷層落差一般較小，大多小于2.0m。西銘井田內的陷落柱導水性較差，礦井至今未發(fā)生過底板陷落柱突水事故，陷落柱內大多不含水，部分含有少量水，對底板突水的影響不大。

3.2 陷落柱分布規(guī)律

研究陷落柱的分布規(guī)律為合理預測為揭露的陷落柱位置有著十分重要的作用。

西銘礦陷落柱呈條帶狀分布，在與杜兒坪礦交界處分布十分密集，且根據(jù)已經揭露的陷落柱分布情況來看，上組2、3號煤層和下組8、9號煤層的陷落柱分布區(qū)域十分接近，但由于陷落柱由下至上的發(fā)育特點，下組煤的陷落柱密度明顯高于上組煤，即上組煤陷落柱分布密度較大時，下組煤陷落柱分布密度也較大，甚至更大，上組煤陷落柱分布密度較小時，下組煤陷落柱分布密度同樣減小。

因此，在實際生產中，我們可以通過上組已揭露陷落柱的分布規(guī)律和密度，來大致預測下組煤中的下組煤中的陷落柱分布規(guī)律，為下組煤開采時工作面布置提供借鑒意義。

4 結 論

陷落柱是西山井田中一種常見的地質構造，在西銘礦內較為發(fā)育，本文通過收集實測數(shù)據(jù)并結合理論分析，得到以下結論：

1）根據(jù)斷裂力學和極限平衡理論，簡化溶洞受力情況，分析陷落柱形成的力學機理；

2）根據(jù)西銘礦實際地質條件，對礦井范圍內陷落柱形態(tài)特點和分布規(guī)律進行分析研究，為合理預測未揭露的陷落柱位置提供合理建議。