基于FLAC3D數值模擬的老采空區剩余沉降量分析計算
——以山東棗莊安博化工項目為例

臧浩，種衍飛，馮堂武，于樹賓，張昌龍

(山東省煤田地質局第一勘探隊，山東 滕州　277500)

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基于FLAC3D數值模擬的老采空區剩余沉降量分析計算

——以山東棗莊安博化工項目為例

臧浩，種衍飛，馮堂武，于樹賓，張昌龍

(山東省煤田地質局第一勘探隊，山東 滕州277500)

采空區的剩余沉降值計算是采空區地質災害危險程度一種定量分析的方法，利用FLAC3D直接模擬早期采煤形成的老采空區塌陷狀態，計算出老采空區的剩余沉降量。以山東棗莊安博化工項目為例，首先采用物探、鉆探手段探測老采空區深度、頂板塌落與破碎狀況以及地質地層信息，其次結合巖心試驗地質材料參數結果進行FLAC3D模擬，計算自重作用下采空區剩余沉降量，以及加載建筑后老采空區剩余沉降值，對比了傳統概率積分法計算沉降值，結果基本一致，說明計算方法是可靠的。最后分析加載應力與破碎帶剩余沉降值的數量關系。為老采空區土地穩定性評估以及剩余沉降量的計算方法提供科學依據與借鑒。

老采空區；剩余沉降量；FLAC3D模擬；山東棗莊

引文格式：臧浩，種衍飛，馮堂武,等.基于FLAC3D數值模擬的老采空區剩余沉降量分析計算——以山東棗莊安博化工項目為例[J].山東國土資源，2015，31(7)：55-58.ZANG Hao, CHONG Yanfei, FENG Tangwu，etc.Calculation and Analysis on Residual Subsidence Amount in Old-Goaf Based on FLAC3DNumerical Simulation[J].Shandong Land and Resources,2015，31(7)：55-58.

煤炭資源經過幾十年高強度的開采，造成大量的地下采空區，早期形成的老采空區大部分的上層覆巖已塌陷形成冒落帶、裂隙帶和彎曲帶，在經過一段時間的自然沉壓后采空區逐漸趨于穩定[1-2]，而使得老采空區土地資源較新形成采空區更有可能被有效利用，然而早期煤炭采掘資料留存較少或不準確，采空區的范圍、深度、開采煤層厚度等都難以確定，給采空區土地利用帶來困難。此外，又因煤炭開采技術方法、覆巖性質以及破壞程度的不同，使得采空區塌陷是一個復雜的、隱蔽的、長期的過程[3]。采空區剩余沉降量是采空區頂板覆巖塌陷形成破碎帶后繼續下沉壓實所引起的地表沉降值，其中也包括破碎帶因外界因素“活化”引起的沉降[4-5]。準確預測剩余沉降量大小對老采空區的危害程度評價具有重要意義。而現今建設項目采空區地質災害危險性評價中，應用的預測較多為經驗法，極限沉降法、少數有概率積分法，其主要不足是在定性分析的基礎上，依據相關經驗或者類似工程選取參數，預測結果存在誤差。近年來，FLAC數值模擬在巖土地下工程設計研究中應用越來越廣泛，其基于代數表達式代替空間離散點處不確定的場變量，利用有限的差分法求解代數方程求解。FLAC3D適合非線性材料在外力下的屈服流動等大變形模擬，而越來越多的應用研究到下伏采空區穩定性模擬[6-8]，采空區注漿加固模擬等[9-10]。下面以山東棗莊市安博化工廠區建設項目為例，對老采空區剩余沉降模擬分析計算。

1　工程區概況

1.1區域采礦條件

項目廠區位于山東棗莊市，廠區300m×300m范圍內全部為老采空塌陷區，區域范圍內為山西組含煤地層，共有可采煤5層，即3煤、14煤、15煤、16煤和17煤。3煤(厚煤層)煤層厚度6～8m，平均埋深180m，受巖漿侵入大部分變為天然焦，開采困難，局部開采，由于煤礦早已關閉，且采煤時間跨度大，20世紀50—80年代均有開采,且采煤厚度不均一，無保存完整的采煤規劃和記錄。區域14煤厚約1.2m，15煤厚約0.8m，16煤厚約0.7m，17煤厚約0.65m，均未開采。項目區域巖層較為平緩，下方無斷層等特殊構造。

1.2采空區的勘測

確定采空區深度范圍，首先采取物探勘查，位置示意圖見圖1，視電阻率剖面圖結果如圖2。根據視電阻率變化情況，推斷項目區采空區深度為155～200m之間，深度變化較小，說明塌陷較整齊，開采3煤層厚度較為均一。項目區地表相對平坦，最大高差小于1m，第四系覆蓋表層土以下主要為泥巖砂巖互層、泥巖粉砂巖，3煤下伏細砂巖，深度約250m。

圖1　工程區域示意圖

為確定采空區破碎帶情況和驗證采空區塌陷深度，設計并施工驗證鉆孔1處(圖1)，根據鉆孔揭露160～200m巖體較破碎，177.1m時開始出現嚴重漏水現象，鉆孔水位明顯下降，巖心采取率小于75%。進一步驗證采空區的垂直影響范圍，該鉆孔揭露破碎帶范圍在160～200m之間。巖心取樣試驗，統計部分參數結果見表1。

圖2　L1，L2線視電阻率斷面圖

2　FLAC數值模擬模型的建立

2.1模型的建立

根據以上工程參數及地層情況，數值模擬區域選擇以項目建設區為核心，X，Y軸正負方向各外擴100m，Z軸方向以底板下細砂巖埋深約250m，即500m×500m×250m，三維模擬自上而下分表層土、泥巖砂巖互層、泥巖粉砂巖互層、破碎裂隙帶、底板，共分為5層，模擬分別以老采空區初始狀態剩余沉降量模擬、基建加載狀態的二次活化沉降模擬和剩余沉降量分析模擬。模擬邊界條件：模型側面限制水平方向移動，地面限制垂直方向移動，頂面為自由地表(圖3)。

圖3　三維地層網格模型示意圖

2.2力學參數及模型準則的確定

根據采空區驗證鉆孔柱狀圖及巖心試驗結果，數值模擬對巖層、采煤層及參數進行了相應的調整和簡化。第四系覆蓋表層土為粉質粘土勻值的彈塑性地質材料；泥巖砂巖互層及泥巖粉砂巖互層，底部有少量細微垂向裂隙但水平層狀節理發育較弱，仍適合采用摩爾-庫倫屈服準則；采空區破碎帶為堆積散體介質，對上覆巖層頂板的支撐可看做彈塑性支撐作用。數值模擬采空區巖層參數如表1。

2.3數值模擬方案

根據項目區域地層厚度，地質材料參數，直接建立老采空區模型，計算模型在自重作用下平衡穩定時，地表移動變形狀態。模擬模型加載建筑物時，地表移動變形及建筑物附加應力在巖層中影響范圍和大小。模型附加應力以化工廠房及設備最大應力取值為3MP。模擬不同的附加應力下，破碎帶殘余下沉值變化，分析殘余下沉值與加載應力關系，由此判斷老采空區的沉降穩定性。

表1　巖土體力學參數

3　模擬結果與分析

3.1垂向位移與應力變化對比分析

圖4　Z向位移模擬剖面對比圖

根據以上地質材料參數及模擬方案，Z向位移模擬結果見圖4，巖體自重作用下老采空區最大剩余沉降量為91mm，加載該項目建筑設備后累積最大沉降量為265mm，其中去除重力作用后模擬最大沉降為185mm，沉降量最大處位于建筑物中心位置。加載應力分布模擬結果如圖5，場區下方加載應力隨深度增加而減小，地表加載應力3MP時，在破碎帶地層應力約為1.7MP，其中巖體自重產生應力約為0.5MP，造成破碎帶沉降量約170mm。為確定結果可靠性，通過概率積分法中最大沉降值計算公式計算結果為85mm，與FLAC3D模擬結果91mm接近，說明該次模擬老采空區的剩余沉降方法是合理的。

圖5　Z向應力分布模擬剖面對比圖

3.2加載應力變化與破碎帶沉降值的關系

為進一步了解加載應力對破碎帶的影響，模擬加載不同的應力，采集破碎帶沉降值變化，統計結果如圖6所示，隨著加載應力的增加，破碎帶沉降量隨加載應力增加而增大，而沉降量增加變緩，說明破碎帶逐漸被壓實，再次“活化”的幾率變小，其密度、體積模量、抗壓強度等增加，進一步說明采空區逐漸趨于穩定。因此采空區剩余沉降量與其承載的壓力比值越小，采空區越趨于穩定。

圖6　附加應力與破碎帶沉降值曲線圖

4　結論

在老采空區剩余沉降計算，因煤炭開采資料較少，分析采空區穩定較困難時，應用FLAC3D模擬計算采空區剩余沉降量方法是準確可靠的。然而需要指出的是地質材料參數取值，因不同采空區的塌陷時間不同，破碎帶壓實程度不同，參數值差別較大，因此參數的選取應盡量試驗測得。根據剖面圖中Z向位移及受力模擬，可知，隨深度的增加建筑物下方土體受力分散而變小，Z向位移的影響范圍變小，且同一水平面中建筑物中心Z向位移最大，因此在老采空區擬建重要建筑設備下方可依據模擬的Z向位移確定防治位置與深度，進行重點處理；同時掌握采空區破碎帶沉降值與附加應力變化關系后，對工程項目設計、政府區域土地規劃等方面也具有重大的指導意義。

然而，采用FLAC3D模擬方法計算老采空區剩余沉降量時，除建筑加載附加應力的影響因素外，采空區“活化”還受到地下水水位、破碎帶巖層侵蝕以及施工建設對巖體擾動等影響，因此在工程實踐中，還需考慮項目自身的建設特性。

[1]朱廣軼,徐征慧,解陳,等.老采空區地表殘余移動變形影響函數研究[J].巖石力學與工程學報，2014,33(10)：1962-1970.

[2]劉建勝,李樹榮,王愛民.采用綜合物探和鉆探方法查明章丘礦山采空區[J].山東國土資源，2007，23(3)：17-20.

[3]王鄭帥.老采空區殘余沉降非線性預測理論及應用研究[D].中國礦業大學，2011.

[4]鄧喀中,譚志祥,張宏貞,等.長壁老采空區殘余沉降計算方法研究[J].煤炭學報，2012，37(10)：1601-1605.

[5]陳琦,陳朝清,李森林.采空區剩余沉降量FLAC3D數值模擬計算方法[J].中國新產品新技術，2009，(10)：92-93.

[6]李培現,譚志祥,王磊,等.FLAC在老采空區地基穩定性評價中的應用研究[J].煤礦安全，2009,(10)：11-14.

[7]張海波,宋衛東.基于FLAC3D數值模擬的采空區穩定性分析[J].黃金，2013.3(34):31-34.

[8]方磊,李春苗,裴宗平.煤礦采空區穩定性評價[J].地下空間與工程學報，2013,9(2):2034-2039.

[9]陳利生.基于FLAC3D的采空區注漿加固數值模擬研究[J].煤炭技術，2014,33(5):251-254.

[10]張勇,曲華鋒,佟照輝,等.章丘市復雜采空區場地的災害治理方案研究[J].山東國土資源，2013,29(10-11):70-75.

Calculation and Analysis on Residual Subsidence Amount in Old-Goaf Based on FLAC3DNumerical Simulation

ZANG Hao, CHONG Yanfei, FENG Tangwu, YU Shubin, ZHANG Changlong

(No.1 Exploration Team of Shandong Coal Geology Bureau , Shandong Zaozhuang 277500, China)

Calculation of residual subsidence amount in mined-out area is a method for analyzing dangerous degrees in goaf quantitatively. The state of early coal forming goaf has been directly simulated by using FLAC3D, and the residual settlement of the old mined-out area has been calculated. Taking chemical engineering project in Zaozhuang city of Shandong province as an example. Firstly, by using geophysical prospecting and drilling methods, depth, roof falling and broken condition of old goaf have been gained. Secondly, combining with parameters results of geological materials obtained from core test, FLAC3Dsimulation has been carried out, residual sbusidence amount under the action of gravity and residual subsidence amount after loading construction of old goaf have been calculated. Compared with traditional probability integral method, subsidence results are similar. It is showed that the calculation method is reliable. Finally the relationship between load stress and residual subsidence have been analyzed. It will provide scientific basis and references for stability evaluation and calculation of residual subsidence amount in old goaf.

Old-goaf; residual subsidence amount; FLAC3Dsimulation; Zaozhuang in Shandong province

2014-12-18；

2015-02-09；編輯：曹麗麗

臧浩(1989—)，男，山東臨沂人，主要從事地質環境影響與地質災害分析工作；E-mail:zanghao77@126.com

TU433

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