□王宏
作者簡(jiǎn)介：
    王宏，男，工程師，河北邯鄲人�，F(xiàn)任冀中能源峰峰集團(tuán)科技發(fā)展部副部長(zhǎng)；在基層從事煤礦地質(zhì)工作23年，相關(guān)論文曾獲河北省科技成果三等獎(jiǎng)。從事“三下”采煤10多年，進(jìn)行了各項(xiàng)巖層移動(dòng)和礦山壓力觀測(cè)和實(shí)踐，特別是在水體和沖積層下開采巖層破壞上限的合理確定，密集村莊下采后巖層移動(dòng)及其對(duì)民用建筑物的損壞等進(jìn)行了廣泛實(shí)踐和探索，現(xiàn)就工作面采后上覆巖層下沉機(jī)理和移動(dòng)規(guī)律提出理論性觀點(diǎn)。
    巖層下沉的機(jī)理
    煤層采后，原始地應(yīng)力場(chǎng)被打破，新的礦山應(yīng)力場(chǎng)形成，也稱礦山壓力。在平面上，圍繞采空區(qū)四周形成框狀集中應(yīng)力分布區(qū)，在垂向上（包括走向和傾斜方向）圍繞采空區(qū)形成扁橢球體壯應(yīng)力分布區(qū)，稱之為扁橢球體應(yīng)力模型，采空區(qū)為低應(yīng)力球心區(qū)，球心區(qū)外圍為高應(yīng)力區(qū)，逐步衰減至應(yīng)力場(chǎng)空間邊界。三維分布狀況：長(zhǎng)軸位于采空區(qū)中心且垂直于煤層；次長(zhǎng)軸位于采空區(qū)中心與煤層傾斜方向一致；短軸位于采空區(qū)中心與煤層走向 （或工作面推進(jìn)方向）一致。整個(gè)扁橢球應(yīng)力體隨工作面推進(jìn)而移動(dòng)。當(dāng)采深與采長(zhǎng)比大于等于2~2.6時(shí)，垂向上的應(yīng)力橢球體完整，當(dāng)采深、采長(zhǎng)比小于2時(shí)，在垂向上橢球體部分將暴露于地表，形成不完整橢球體。采深、采厚、開采次數(shù)和累計(jì)厚度、工作面長(zhǎng)度等參數(shù)都直接影響著橢球體的形狀、大小，且呈正變函數(shù)關(guān)系。
    礦山壓力與上覆巖層
    下沉過程關(guān)系
    礦山壓力是上覆巖層下沉運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。煤層開采前，煤層及其圍巖各質(zhì)點(diǎn)六面承受均等的自然壓應(yīng)力，即原始平衡狀態(tài)。煤層采后，礦山應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，在采空區(qū)四周垂直方向上，由于壓力升高，產(chǎn)生壓縮變形；在水平方向上產(chǎn)生由高應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)發(fā)生位移變形；在低應(yīng)力區(qū) （采空區(qū)）因重力作用產(chǎn)生下沉運(yùn)動(dòng)。下沉過程是一個(gè)時(shí)間和空間的運(yùn)動(dòng)體系，一是垂直下沉的空間過程，二是下沉的時(shí)間過程。
    首先是應(yīng)力升高與拽動(dòng)區(qū)。初采時(shí)，以巖層斷裂面為后界，寬度約60~120米，復(fù)采時(shí)為62~135米。隨著工作面推進(jìn)，上覆巖體形成壓力拱，拱的超前嵌入部分巖體其重量向采空區(qū)方向轉(zhuǎn)嫁過來(lái)，形成超前工作面支撐壓力區(qū)，即高壓區(qū)。垂向上煤巖體受壓縮，水平方向煤巖體受張力。拱的后部部分受低壓區(qū)的負(fù)壓拽動(dòng)作用移向低壓區(qū)（采空區(qū)及其上方）。
    其次是應(yīng)力恢復(fù)與緩慢下沉區(qū)。由于工作面不斷向前推進(jìn)，采場(chǎng)壓力拱后半部分隨之形成，在初采25~75米，復(fù)采42~65米之后，初采160~200米，復(fù)采65~140米之前，自下而上出現(xiàn)應(yīng)力恢復(fù)區(qū)，上覆巖層緩慢下沉，逐漸被壓實(shí)與固結(jié)。
    最后是應(yīng)力恢復(fù)與基本穩(wěn)定區(qū)。在緩慢下沉區(qū)之后，工作面中間部分的上覆巖層趨于正常狀態(tài)，工作面上下端上覆巖層仍有微量下沉，其趨于正常狀態(tài)的時(shí)間可能延長(zhǎng)數(shù)月不等。
    巖層下沉規(guī)律
    巖層下沉范圍的規(guī)律：下沉范圍受工作面空間幾何形狀和煤層賦存條件制約。地表下沉輪廓基本和采空區(qū)形似，面積為采空區(qū)的3.6倍�？臻g形狀為似倒梯形體，四邊為不對(duì)稱的曲面圍成，不同地質(zhì)條件曲面形狀各異。傾斜方向上下沉范圍是一個(gè)不對(duì)稱的槽狀。走向上，初采時(shí)在基巖內(nèi)超前工作面60~120米，滯后工作面110~190米有壓力升高現(xiàn)象，呈不對(duì)稱的倒喇叭口狀。
    下沉過程在垂向上的分布規(guī)律：從頂板跨落，下沉過程開始，自下向上以拱形分層次或周期逐步傳播直至地表，每一層次或周期的傳播高度與傳播時(shí)間比為始端傳播速度。一定時(shí)間后，出現(xiàn)自下而上下沉過程的終端傳播。始端傳播和終端傳播構(gòu)成了巖層空間下沉過程。在水平方向上，下沉空間內(nèi)不同高度平面下沉范圍和下沉量不同。但都存在下沉開始和終止兩個(gè)時(shí)間，時(shí)間差為下沉?xí)r間過程，也稱下沉期。
    下沉特征與應(yīng)用
    按巖層質(zhì)點(diǎn)下沉軌跡，在采空區(qū)上方為垂直下沉區(qū)，對(duì)地標(biāo)建筑和井下工程保護(hù)有利；外圍各點(diǎn)下沉趨向采空區(qū)，為傾斜下沉區(qū)，對(duì)地表建筑和井下工程保護(hù)不利。
    按下沉充分程度：充分下沉區(qū)，巖體破壞充分，下沉周期短，采動(dòng)裂隙率小，巖體處于壓縮狀態(tài)，對(duì)地標(biāo)建筑保護(hù)有利。非充分下沉區(qū)，巖體破壞不充分，采動(dòng)裂隙率大，下沉周期長(zhǎng)，對(duì)建筑物保護(hù)不利。
    按巖體結(jié)構(gòu)和壓實(shí)作用過程：從上覆巖層下沉過程看，巖體結(jié)構(gòu)包含破壞和壓實(shí)兩種作用過程。宏觀上看，劇烈下沉區(qū)為破壞作用區(qū)，巖體裂隙最發(fā)育，透水性好，是開采煤層上部和下部水體突出的危險(xiǎn)期，也是疏放的有利時(shí)期。對(duì)地面建筑保護(hù)來(lái)講，此時(shí)應(yīng)停止使用和進(jìn)行加固維修。
    在了解上述煤層采后上覆巖層下沉機(jī)理和規(guī)律，礦山壓力與巖層下沉過程的內(nèi)在聯(lián)系，下沉過程的始末及其在時(shí)空上的作用和影響等規(guī)律后，可以有效地利用規(guī)律，進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，避免事故的發(fā)生。