廣西合山煤田淺埋煤層采空區塌陷機理數值分析

李遠耀 唐朝暉 陳仁全

(1.中國地質大學(武漢)地質調查研究院，湖北 武漢 430074；2.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074；3.中南勘察設計院(湖北)有限責任公司，湖北 武漢 430071)

廣西合山煤田淺埋煤層采空區塌陷機理數值分析

李遠耀1唐朝暉2陳仁全3

(1.中國地質大學(武漢)地質調查研究院，湖北 武漢 430074；2.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074；3.中南勘察設計院(湖北)有限責任公司，湖北 武漢 430071)

針對廣西合山煤田煤炭資源的枯竭，煤層開采引發的地面塌陷日益增多，地質災害問題突出的現狀，以煤田上塘礦區中南部的4個淺埋采空區為研究對象，在野外調查的基礎上，利用離散元法建立三維數值模型，進行采空區頂板和地表的變形與應力分析,探討了采空塌陷機理模式。分析結果表明：①采空區規模直接決定了地表變形程度，表土層厚度的影響作用是雙向的；②地表水平移動極大值向下山方向偏移，下山方向頂板覆巖更易斷裂和垮落；③采空區上覆巖層發育“兩帶”，主要破壞形式為拉張破壞和剪切破壞；④淺埋采空塌陷的形成可歸納為開始、發展、貫通和穩定4個階段，不同階段均有典型的變形和受力表征。

淺埋煤層 采空塌陷 離散元法 破壞機理

我國煤炭年產量已達36.6 億t，為國民經濟的建設發展奠定了重要基礎。但同時，大規模的地下煤層開采形成了大面積采空區，造成的地質環境問題也日益突出。其中，采空塌陷因影響范圍廣、突發性強，危害極大[1-4]。近年來，由于采空塌陷災害的頻發，采空塌陷機理研究已引起工程界及學術界的廣泛關注[5-7]。

在采空塌陷機理研究中，采空區上覆巖體的結構形態及其變形破壞過程是關鍵。文獻[8]采用地壓理論解釋了采空區上覆巖層的力學作用機理和破壞特點，并利用極限破壞理論分析上覆巖層穩定性，探討地表塌陷機理。同時，應用數值模擬技術研究塌陷機理也是當前熱點之一：文獻[9]對北洺河鐵礦塌陷區進行了數值模擬分析，通過模擬計算得出了塌陷區的預報信息；文獻[10]運用 FLAC3D數值分析法，對4種不同形態尺寸采空區條件下的地表變形和巖移規律開展了數值研究；文獻[11]采用物理模型實驗并結合UDEC模擬分析地下開挖圍巖變形，為采空地面塌陷模擬提供了很好的借鑒。

國內外學者通過廣泛研究，取得了許多創新性的研究成果。但是，淺埋煤層采空區的地質背景與我國北方地區深采煤田采空塌陷有一定區別，有關其形成機理的研究較少。為此，本研究以合山煤田上塘礦區4個淺埋煤層采空區為研究對象，在野外調查的基礎上，利用離散元法建立三維數值分析模型，開展采空區頂板和地表的變形與應力分析，探討采空塌陷形成機理。研究結果對于采空塌陷災害防治和風險評價工作具有實際價值，對完善和提高采空塌陷機理理論有借鑒意義。

1 研究區地質背景

合山煤田所在廣西合山市，被譽為廣西百年煤都，含煤地層區域占全市面積的75%，采空塌陷區直接影響面積達45 km2，大多數塌陷集中發育于煤田西部的淺埋緩傾斜煤層采空區[12]。

合山煤田地處我國南方，雨水充沛，煤層頂板為灰巖和硅質灰巖，上覆巖層以灰巖、頁巖為主。上塘礦區位于合山煤田中南部，是煤田內淺埋煤層主采區，平均采深小于150 m，主采煤層為上二疊統合山組3煤下層和4煤上層，目前已形成1.15 km2的采空區。該采空區直接頂為燧石灰巖，上覆灰巖、頁巖和較厚的松散土層，在內外因素作用下，部分覆巖已出現極限受力狀態，近年來頻繁發生塌陷。區內采空區面積大，單個塌陷規模大，且鄰近居民區，危害十分嚴重。

選取上塘礦區南部4個采空區(見圖1)為重點研究對象。該區構造條件相對簡單，地形起伏程度不大，煤層平均采深82 m，煤層傾角2°～6°，主采煤層平均厚約4 m，煤層連續性較好，4個采空區面(1.25～3.23)×104m2，工作面長度100～160 m。現場調查發現，在3#采空區內已發育有較大規模采空塌陷坑(見圖2)，離最近斜井井口僅約100 m。

2 離散元三維數值分析

2.1 三維數值建模

采用離散元法(3DEC)建立起三維數值模型(如圖3)，進行數值分析。模型中巖石材料采用理想彈塑性模型，服從Mohr-Coulomb 屈服準則，結構面采用Coulomb 滑動模型。根據上塘礦區典型地質剖面和地質勘查資料，通過巖土體試驗數據，并參考經驗值，綜合確定巖土體與結構面的物理力學參數(見表1、表2)。三維數值模型尺寸為500 m ×500 m ×150 m，主采煤層總厚度4 m，煤層平均傾角4°，采深最淺82 m(+18 m水平)，最深117 m。考慮到堅硬頂板的層面效應和節理切割作用，根據探槽揭露的節理面統計結果，選取節理密度為20 m/條。

圖1 上塘礦區4處典型淺埋采空區分布Fig.1 The 4 mined-out areas in shallow seam of Shangtang mine

圖2 3#采空區內的塌陷坑Fig.2 Collapse pit in goaf 3#

圖3 采空區三維數值計算模型Fig.3 Three-dimensional numerical calculation model①～⑥—巖層編號(見表1)

采空區大小根據井上下對照圖的實際情況布設，模型底部和四周邊界條件為固定邊界。計算中考慮自重應力作用，采空區形成時考慮初始平衡，用大小10 m的三角網進行網格剖分。為開展定量分析，布置變形觀測網絡，沿采空區縱橫中軸線方向布置4條相互垂直的觀測線(見圖4)，每條測線上間隔25 m布置1個監測點，1條測線上有21個監測點，數值模型共84個監測點，模擬記錄的時步為100步。

表1 模型巖土體物理力學參數Table 1 Physic-mechanical parameters of rock in model

表2 模型結構面物理力學參數Table 2 Physic-mechanical parameters of structural plane in model

圖4 仿真監測網布置Fig.4 The simulation monitoring network layout

2.2 地表垂直變形分析

地表垂直變形是煤層開采后，覆巖位移由下向上逐步發展到地表的結果。在采空區的地表變形中，垂直下沉變形危害最大。圖5～圖6的模擬結果顯示，1#采空區最大下沉量約0.601 m，2#采空區最大下沉量約0.159 m，3#采空區最大下沉量約0.359 m，4#采空區最大下沉量約1.310 m。在同一塌陷區，上山和下山方向沉陷曲線不對稱，最大下沉量點向下山方向偏移，采空區的影響范圍隨之往下山方向擴展。

采空區面積最大的4#采空區地表垂直變形最大，1#采空區的塌陷下沉量大于面積小的3#采空區和2#采空區，2#采空區的平均豎直位移量最小。這表明在地質條件相似情況下，采空區的規模決定了地表變形程度。采空區面積越大，地表變形范圍相對越大，因為堅硬頂板包含的軟弱結構面(如層理和節理面)越多，軟弱結構面在上覆荷載作用的影響下，隨時間逐漸錯動垮落，并逐漸發展影響至地表。此外，4#采空區中上覆土層相對其他采區更厚，增加了頂板荷載。但在煤層采深未能影響到頂板斷裂和垮落時，表土層越厚反而能消解部分塌陷垂直變形的影響，土層越薄，地表下沉越容易表現出非均勻性和非正態性(見圖6)，從而貫穿地表形成塌陷。說明地表土層厚度對采空塌陷的影響作用是雙向的，應根據頂板受力斷裂時的極限狀態判斷是否加速地表塌陷的形成。

圖5 采空區地表豎直下沉量云圖Fig.5 Vertical displacement nephogram of goaf surface

圖6 不同采空區地表下沉量曲線Fig.6 Vertical displacement curve of goaf surface◆—測線1(Z向)；■—測線2(Z向)； △—測線3(Z向)；●—測線4(Z向)

2.3 地表水平移動分析

圖7～圖8的模擬結果顯示，在4個采空區中，地表水平位移量最大的是4#采空區測點2-17，沿上山方向(-x方向)的位移量可達0.372 m。位移量極值中最小的是2#采空區測點1-17，位移量僅為0.034 m。表明采空區范圍越大，引起的地表水平變形越大。在同一采空區，地表移動方向均有一定的對稱性，說明在地質和采礦條件相似情況下，在傾向剖面上地表移動曲線基本對稱。水平移動曲線均有正方向和負方向2個極值，采區面積越大則極值越大，極值點往往向下山方向偏移。但對于單個采空區，煤層下山方向的水平移動極值比上山方向的極值要小。

圖7 采空區地表水平位移量云圖Fig.7 Horizontal displacement nephogram of goaf surface

圖8 不同采空地表水平位移量曲線Fig.8 Horizontal displacement curve of goaf surface◆—測線1(X向)；■—測線2(X向)； △—測線3(Y向)；●—測線4(Y向)

從剖面上看，4#采空區的頂板先斷裂，地表變形迅速，變化值較大，將最早貫穿至地表形成塌陷，表明地表水平移動大小和速度可以判斷地下頂板斷裂的速度和強度。從平面上分析，SE70°為煤層傾向方向，在下山方向水平移動幅度較大，出現拉裂變形更多，導致下山方向的頂板覆巖最先斷裂和垮落，因而潛在的地表塌陷會可能更早出現在下山方向，而不是出現在采空區中心。

3 采空塌陷破壞規律

3.1 地表水平影響范圍

在地表+0 m處，地表水平影響范圍最大的是4#采空區，下沉量最小的2#采空區，其地表水平影響范圍也最小(見圖5)。4#采空區水平影響范圍大，延伸到下山方向較遠區域，其他塌陷區僅單獨影響某一局部范圍。在地表-18 m處，仍是采空區4的影響范圍最大(見圖9)，同樣影響到下山方向較遠區域。同時，不同采空區的頂板下沉會相互影響，雖然采區煤柱有一定阻隔作用，但頂板垮落引起的塌陷會影響至鄰區，隨著開采深度增加，頂板垮落影響的地表水平范圍將逐漸減小。

3.2 頂板垂直破壞特征

采空區一般先是頂板塌落，上覆巖層后逐漸形成裂隙，并發展至上覆土層，導致地表下沉；同時，有時會出現關鍵層頂板的突然垮落，上覆巖層無法形成平衡拱，直接切穿至地表形成切冒型塌陷。以測線2剖面為例，在垂向剖面上，采空區上覆巖層發育“兩帶”現象，即垮落帶和裂隙帶，煤層埋深較淺處出現彎沉帶的現象較少。

圖9 采空區地表-18 m下沉量云圖Fig.9 Vertical displacement nephogram of goaf surface -18 m

本區直接頂板為堅硬但節理較發育的燧石灰巖層，直接頂垮落引起上覆巖層裂隙迅速擴大，影響至地表形成塌陷，表現出不連續變形的特征。有時在垮落帶和裂隙帶之間會短暫形成離層現象，離層在降雨作用下可能會迅速塌陷。采空區形成之后，頂板受豎直方向拉應力作用，繼而出現彎沉甚至離層，頂板底部可能出現拉裂而垮落，剪應力構成應力平衡拱形態，應力拱跡線由頂板中部向兩側擴展，在兩側煤壁集中表現(見圖10)。因此，淺埋采空區地表塌陷形成的最主要破壞形式是拉張破壞和剪切破壞。

圖10 采空區最大剪應力云圖(測線2剖面)Fig.10 Maximum shear stress nephogram of the goaf(Line 2 section)

4 采空塌陷機理模式

根據離散元三維數值模擬結果，合山煤田淺埋緩傾斜煤層采空區塌陷的形成過程概括為4個階段：開始階段、發展階段、貫通階段和穩定階段。4個階段分別存在不同的巖土體變形特征和受力特點，表現出不同的地表變形形狀和規模。

(1)開始階段：采空區形成，在上覆荷載作用下，頂板出現部分下沉，對上覆土層有一定擾動，地表整體出現均勻、緩慢、連續的下沉變形，但相鄰采區直接的相互影響不大。

(2)發育階段：采空區頂板冒落帶和裂隙帶發育，覆巖或關鍵層逐漸斷裂垮落，影響到頂板一定高度，上下巖層之間相互分離，形成離層；此時堅硬但相對完整頂板主要受到其底部拉應力作用，出現拉裂或塊體脫離，冒落帶之上的裂隙帶開始發育。

(3)貫通階段：采空區塌陷基本貫通，覆巖斷裂垮落后形成完整的冒落帶，關鍵層全部斷裂垮落，裂隙帶已完全發育，此時壓力平衡拱達到極限狀態；在降雨或其他不利因素誘發下，頂板裂隙帶和彎沉帶可能突發貫通，形成塌陷坑。

(4)穩定階段：采空區塌陷基本形成，地表變形程度逐漸減弱，其水平影響范圍仍會擴展；上覆松散土層與碎石會逐步垮落填入坑內，并不斷壓實，地表下沉變形減弱，但水平移動在圍巖應力釋放后有所增強。

5 結 論

(1)采空區規模直接決定地表變形程度，最大下沉量向下山方向偏移，表土層的對采空塌陷的形成作用是雙向的。

(2)水平移動曲線有正、負方向2個極值，采區面積越大極值越大，極大值向下山方向偏移，下山方向地表水平移動量較大，巖層更易拉裂破壞，頂板覆巖最先斷裂和垮落，塌陷中心點更易出現在下山方向。

(3)采空區塌陷的形成先是關鍵層頂板突然垮落，上覆巖層難以形成平衡拱，切穿至地表形成切冒型塌陷；采空區上覆巖層發育“兩帶”，塌陷形成最主要的破壞形式是拉張破壞和剪切破壞。

(4)合山煤田淺埋煤層采空區塌陷的形成可歸納為4個階段——開始階段、發展階段、貫通階段和穩定階段，各階段均有其典型的變形和受力表征。

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(責任編輯 徐志宏)

Numerical Analysis on the Mechanism of Mining Collapse in Shallow Seam of Heshan Coal Field，Guangxi

Li Yuanyao1Tang Zhaohui2Chen Renquan3

(1.InstituteofGeologicalSurvey，ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan)，Wuhan430074，China；2.FacultyofEngineering，ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan)，Wuhan430074，China；3.CentralSouthernGeotechnicalDesignInstitute(Hubei)Co.，Ltd.，Wuhan430071，China)

In view of depletion of coal resources，the increase of ground subsidence caused by mining and geological disasters up in Guangxi Heshan Coal Seam，four shallow goafs in south-central part of Shangtang Mine are listed as research object to analyze the deformation and stress of roof and surface in mined-out area by building the three-dimensional numerical model with discrete element method，based on field investigation. The mechanism model of mining subsidence is discussed. The results show that: ①The goaf scale directly determines the degree of surface deformation，and the influence of surface soil's thickness is double acting;② Maximum of horizontal surface movement shift to downhill，and roof rock at downhill more easily results in breakage and caving;③ "two zones" have developed at the goaf overburden，and its main failure mode are tensile failure and shear failure;④The formation of shallow mining collapse is summarized as four stages: beginning，development，perforation and stable. Each stage has its typical characterization of deformation and stress.

Shallow seam，Mining collapse，Discrete Element Method，Failure mechanism

2013-12-01

國家自然科學基金項目(編號：41202247)，中央高校優秀青年教師基金項目(編號：CUGL110203)。

李遠耀( 1978—) ，男，博士，講師。

TD327

A

1001-1250(2014)-03-026-05