礦區地面沉陷發生-演化機理研究

秦志嬌　馬柳

摘要：煤礦開采引起的地面沉陷問題越來越受到人們的關注，對地面沉陷發生-演化機理進行研究，并通過數值模擬對地表塌陷災害的影響情況進行預測，為地面沉陷引起的地表變形和破壞進行控制和修復提供了理論依據。

關鍵詞：地面沉陷;發生-演化機理;數值模擬

煤礦開采沉陷又稱“礦山巖層及地表移動”，是指煤礦地下開采引起的連續的移動、變形以及非連續的破壞現象。目前，采煤造成的地面沉陷已經成為煤礦危害程度最大，延續時間最長的一種工程地質災害，對礦區經濟發展和地表自然環境造成了嚴重的危害[1，2]。本文針對某礦區地面沉陷的實際情況，對地面沉陷發生-演化機理進行探討，并通過Abaqus軟件對礦區地面沉陷發生情況模擬分析，為地面沉陷災害的防治提供依據。

1開采沉陷地質災害的形成機制

煤層采空以后，采區周圍巖體內部應力平衡狀態受到了破壞。為了達到新的平衡，在采區上覆巖層重力的作用下，巖體內部的移動和變形以垮落、斷裂、離層和彎曲沉降為主要方式。將巖層在垂直方向的變形自下而上分為3個帶，冒落帶、裂隙帶、彎曲帶，具體如下[3]：

（1）冒落帶又稱垮落帶，位于采空區的上方。煤層采空后，上方頂板在自重和其上覆巖層重力的共同作用下，所承受的壓力遠遠超過自己的強度極限，上覆的巖層被破碎成碎片，塌陷掉落下來，堆積于采空區。

（2）位于冒落帶上方的巖層為裂隙帶，也叫彎曲破裂帶。裂縫帶巖層在自身重力作用下以及失去了冒落帶的支撐，所受的壓力超過自身的強度范圍，產生裂縫或斷裂，但仍然保持原有的結構不發生塌落。

（3）彎曲破裂帶上方的巖層所承受的壓力在自身強度范圍內，移動變形的程度較小，只發生彎曲沉降，但并不破裂，這部分巖層被稱為彎曲變形帶。

某礦區矸石山等頂部有些地方雖已復墾過，但在地下采空區的影響下，沉陷和裂縫情況仍然很嚴重。礦區平臺表面土壤松散，出現嚴重的徑流現象。排土場為土石混排，整體構形比較松散，表面下沉系教大，在降雨條件下，雨水直接沿著土層下滲，對土層產生侵蝕搬運作用，在表面形成裂縫;在大氣降水的不斷作用，裂縫不斷擴大，形成通道，工作區回采結束時在采空區上方形成裂縫帶。在兩者的共同作用下，下部土層支撐力不斷減弱，上部土層的自重力相對的增加，失去平衡，導致地面沉陷。

2某礦區矸石山區域地表變形數值模擬分析

對某礦區矸石山區域開展地表沉陷研究，簡化三維模型見圖1，整體模型東西長1600m，南北寬1800m。

該礦區矸石山區域模型地表豎直方向（Z方向）位移等值線圖見圖2，由圖可以看出，地表沉陷位移在地層傾角等影響下，沉陷區域位移最大位置主要出現采空區上方，下沉量為3.636m。

圖3為該礦矸石山區域采空區模型采空區斷面（X-Z面）豎直方向應變云圖，由圖可以看出，該礦矸石山區域地下采空區分為四層，在四層采空區形成后，上覆巖層在重力作用下發生沉降變形，沉陷量更大，變形范圍變大，模型的地表沉陷最大位移3.636m。

結合現場調查情況可知，在數值模擬中的計算結果與實際調查的結果存在差異。主要是因為地面塌陷的形成受到了重復采動的影響，并在原本巖層中的不良地質體的影響下，致使巖層變形在局部位置不連續，反映到地表形成塌陷坑，對于數值模擬將巖層視為均質體進行研究，無法凸顯地下不良地質體。

3結論

通過對某礦區開采沉陷的發生-演化機理的理論研究，確定了該礦地面沉陷的發生-演化機理;對該礦區進行數值模擬研究，得到了地表及地下幾米處的應力及應變狀態，分析得到地表沉陷最大位移為3.636m。研究礦區開采沉陷的發生-演化機理，對科學進行采煤、合理防治地質災害、減輕礦區經濟損失及保障人員的生命安全具有全面的理論依據和實際價值。

參考文獻：

[1]鐔志偉，胡鵬華，程五一，王仙，王云海，付士根.煤層群開采條件下地面沉陷的評價[J].中國安全生產科學技術，2006（04）：101-104.

[2]段麗麗，朱明，DUANLi-li，etal.礦區地面沉降的危害及其防治[J].河北聯合大學學報（自然科學版），2007，29（1）：122-124.

[3]欒長青.采空區的沉陷機理及地表變形破壞的時空預測研究[D].長安大學，2005.

[4]董漢軍.厚松散層礦區綜放開采地面沉陷三維可視化[D].西安科技大學，2008.