數(shù)值模擬在采空區(qū)覆巖移動(dòng)引發(fā)建筑物受損司法鑒定中的應(yīng)用

李青峰

（貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局117地質(zhì)大隊(duì)，貴州貴陽550018）

隨著我國煤炭資源開采強(qiáng)度的逐漸增加，煤礦開采后預(yù)留的采空區(qū)規(guī)模亦逐步增大，煤層采出后，周圍巖石失去原來的平衡，產(chǎn)生冒落、斷裂、彎曲等移動(dòng)變形破壞，隨著采空區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，采空區(qū)上覆巖層移動(dòng)變形開始延伸至地表，地面產(chǎn)生沉降，形成類似盆地的塌陷區(qū)，即采空區(qū)覆巖移動(dòng)盆地[1]。如礦區(qū)位移地形起伏較大的山區(qū)，采空區(qū)地表移動(dòng)變形還將引發(fā)地表大規(guī)模的滑坡、崩塌、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害，位移采空區(qū)地表移動(dòng)范圍內(nèi)的居民建筑物或其他構(gòu)筑物受地表移動(dòng)變形的影響，產(chǎn)生建筑物地基下沉、墻體開裂甚至倒塌等損害，嚴(yán)重影響礦區(qū)范圍內(nèi)居民的正常生活[2]。近年來由煤礦采空區(qū)地表移動(dòng)變形引發(fā)礦區(qū)內(nèi)居民建筑物或其他構(gòu)筑物損壞的司法糾紛越來越多，根據(jù)作者對多個(gè)類似案件的分析與總結(jié)，該類鑒定主要的關(guān)鍵點(diǎn)及難點(diǎn)在于煤礦采空區(qū)覆巖移動(dòng)變形影響范圍的圈定。

目前，我國針對煤礦采空區(qū)地表移動(dòng)變形相關(guān)規(guī)定及計(jì)算方法主要按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》及《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》（GB51044-2014）兩個(gè)規(guī)范進(jìn)行，兩個(gè)規(guī)范中對采空區(qū)地表移動(dòng)變形范圍主要按照煤礦區(qū)邊界角圈定，地表移動(dòng)變形量計(jì)算主要采用概率積分法進(jìn)行計(jì)算。但由于不同煤礦區(qū)地質(zhì)及開采技術(shù)條件差異性較大，很多煤礦企業(yè)對自己礦區(qū)的地表移動(dòng)參數(shù)缺乏研究，導(dǎo)致在圈定地表移動(dòng)變形影響范圍及變形量時(shí)相關(guān)參數(shù)取值只能參考規(guī)范取經(jīng)驗(yàn)值，且規(guī)范提供的經(jīng)驗(yàn)值一般為范圍區(qū)間值，這對鑒定機(jī)構(gòu)在取值計(jì)算上存在一定困惑和不確定性，不同的鑒定機(jī)構(gòu)取值不同鑒定結(jié)果亦存在差異。在此，筆者采用規(guī)范推薦的概率積分法計(jì)算采空區(qū)地表沉降值及邊界角圈定覆巖移動(dòng)影響范圍與巖土數(shù)值模擬方法分別對貴州省某煤礦采空區(qū)地表移動(dòng)變形規(guī)律進(jìn)行研究，并對比分析兩種方法的結(jié)果，提出相關(guān)建議，為今后類似的鑒定案件提供鑒定參考。

1 鑒定煤礦及案件概況

鑒定煤礦位于貴州省，2013年開始開采，主采K3煤層，形成一不規(guī)則團(tuán)塊狀采空區(qū)，其面積約111702m2,采深約100m。至2017年以來，位于礦區(qū)附近的村民房屋陸續(xù)出現(xiàn)開裂、地面產(chǎn)生塌陷等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，為查明村民房屋開裂、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害成因，認(rèn)定責(zé)任主體，當(dāng)?shù)貓?zhí)法部門要求對村民房屋開裂、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害形成與煤礦采煤活動(dòng)是否有關(guān)進(jìn)行鑒定，為解決司法糾紛提供依據(jù)。

2 鑒定區(qū)地質(zhì)環(huán)境概況

2.1 地層巖性

礦區(qū)及周邊出露的地層有第四系（Q）、上二疊統(tǒng)吳家坪組（P3w）及中二疊統(tǒng)矛口組（P2m）。由新至老分述如下：

（1）第四系（Q）：主要為殘坡積物，灰黃色、灰褐色含砂、礫粘土和亞粘土，其結(jié)構(gòu)松散，力學(xué)性質(zhì)差，為松散巖內(nèi)工程地質(zhì)巖組，厚度3～10m。

（2）上二疊統(tǒng)吳家坪組（P3w）：以灰、深灰、黃褐色薄—中厚層細(xì)砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、硅質(zhì)巖、泥灰?guī)r，夾炭質(zhì)泥巖及煤層（線），含可采煤層2層。

（3）中二疊統(tǒng)茅口組（P2m）：巖性為淺灰色中厚層狀致密塊狀石灰?guī)r。出露不全，未見底，厚度大于100m。礦區(qū)地層傾向總體北西，傾角16°～25°，平均20°。

2.2 采掘工程條件

鑒定煤礦主采K3煤層。K3煤層位于吳家坪組上段下部，上距長興組底（P3c）68m左右，可采面積1.259km2，煤層厚度變化不大，為0.55～1.07m，平均厚度0.84m，大部可采，屬較穩(wěn)定煤層。煤層直接頂板為灰色薄層泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度低，穩(wěn)定性差，易風(fēng)化破碎。煤層直接底板為灰色薄層粉砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度低，水穩(wěn)定性差。

K3煤層采深約100m，至2017年，形成一不規(guī)則團(tuán)塊狀采空區(qū)，面積約111702m2,采空區(qū)大致走向約63°。

3 采空區(qū)覆巖移動(dòng)變形影響范圍的圈定及地表沉降分析

煤礦采空區(qū)引起的地表沉陷及上覆巖層變形現(xiàn)象被統(tǒng)稱為采動(dòng)影響，包括巖土體的原始變化、斷裂、垮落等位移和變形，其機(jī)理在于開采空間周圍巖土體的失穩(wěn)而導(dǎo)致向采空區(qū)方向的擠壓收縮，隨著采空區(qū)的不斷擴(kuò)大使巖土體的位移和變形向四周擴(kuò)散，特別是向開采礦體上覆巖土體中擴(kuò)散，直至到達(dá)地表，導(dǎo)致地表產(chǎn)生沉降、形成塌陷區(qū)。

3.1 采空區(qū)覆巖移動(dòng)變形影響范圍的圈定

鑒定煤礦K3號煤層的上覆巖層以砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主的軟質(zhì)巖層，按較軟巖覆巖類型，其采空區(qū)覆巖移動(dòng)變形走向邊界角取δ0=50°、上山方向邊界角取γ0=50°。下山方向邊界角取β0，按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：δ0——走向邊界角；

α——煤層傾角。

鑒定煤礦K3號煤層平均傾角20°,則β0=δ0-0.5α=40°。因此取δ0=γ0=50°，β0=40°。根據(jù)K3號煤層采空區(qū)邊界為界，按走向方向、下山方向、上山方向的邊界角進(jìn)行圖解，在平面及剖面圖上，圈出采空區(qū)的覆巖移動(dòng)影響范圍，見圖1。根據(jù)邊界角圖解結(jié)果，村民房屋大部分在K3煤層采空區(qū)覆巖移動(dòng)影響范圍之內(nèi)。

3.2 概率積分法

概率積分法可適用于工作面任意形狀、任意充分開采程度、地表任意點(diǎn)的移動(dòng)和變形，目前已成為應(yīng)用最廣泛的采空區(qū)沉降分析方法之一[4]。

其下沉量計(jì)算公式可表示為：

式中：m——煤層采厚，m；

η——下沉系數(shù)；

α——煤層傾角；

l——沿煤層走向開采寬度，m；

r——煤層走向主要影響半徑，r=Htanβ,m；

tanβ——主要影響角的正切；

H——平均采深，m；

r1、r2——煤層上山和下山方向主要影響半徑，m。

3.2.1 概率積分法計(jì)算步驟

（1）確定煤層地質(zhì)要素及采空區(qū)基本特征。K3煤層采深100m，煤層厚度0.84m，煤層傾角20°，工作面走向63°，工作面走向長約165m。

（2）確定地表移動(dòng)參數(shù)。地表移動(dòng)參數(shù)與覆巖性質(zhì)及地質(zhì)、開采技術(shù)條件有關(guān)，根據(jù)地區(qū)開采經(jīng)驗(yàn)，本次研究計(jì)算參數(shù)取值見表1。

表1 概率積分計(jì)算參數(shù)

3.2.2 概率積分法計(jì)算結(jié)果

按半無限開采最大值計(jì)算公式，地表移動(dòng)變形最大值計(jì)算結(jié)果為：

最大下沉量：

煤層平均采深100m，煤層走向方向主要影響半徑：

最大傾斜：

最大曲率：

最大水平移動(dòng)：

最大水平變形：

4 數(shù)值模擬分析

4.1 模擬參數(shù)

根據(jù)收集的礦區(qū)勘查資料，礦區(qū)內(nèi)各巖層物理力學(xué)性質(zhì)見表2。

表2 模型中各巖層力學(xué)參數(shù)

4.2 模型建立

原始地表面為模型頂面，忽略地表較小的起伏，按地形平均坡度設(shè)計(jì)。K3煤層平均采深100m，考慮一定厚度的底板，因此模型深度取230m，模型寬度及長度以采空區(qū)為中心向四周輻射涵蓋居民區(qū)為準(zhǔn)，本次寬度及長度取1000m，模型單元網(wǎng)格尺寸在采空區(qū)區(qū)域設(shè)置為2m，其余區(qū)域設(shè)置為10m。見圖2、圖3。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型（整體）

圖3 數(shù)值計(jì)算模型（采空區(qū)）

4.3 模擬分析結(jié)果

本次采用MIDAS/GTS NX軟件進(jìn)行有限元模擬分析，選用摩爾—庫倫屈服準(zhǔn)則，模擬結(jié)果見圖4～圖6；根據(jù)圖4，采空區(qū)形成后，位于采空區(qū)上方一定范圍內(nèi)的巖土體出現(xiàn)位移變形，其主要變形為下沉（Z方向），其次伴有少量的水平位移，在地表形成一沉降盆地，其中最大位移點(diǎn)靠近采空區(qū)中心，根據(jù)圖5，最大豎向位移量為0.762m。根據(jù)圖6，采空區(qū)形成后位移采空區(qū)上方的巖土體應(yīng)力進(jìn)行了重新分布，在采空區(qū)上方形成了一應(yīng)力集中區(qū)，在該區(qū)，最大主應(yīng)力不在為豎向重力，而是傾斜指向采空區(qū)的一系列壓應(yīng)力，受應(yīng)力重分布的影響，在采空區(qū)上方一定范圍內(nèi)的巖石受到破壞向采空區(qū)位移、冒落，當(dāng)位移延伸到地表時(shí)便形成地表下沉。

圖4 采空區(qū)開挖后整體位移云圖

圖5 采空區(qū)開挖后豎向位移云圖（向上為正）

圖6 采空區(qū)開挖后應(yīng)力分布圖

5 兩種方法對比分析

為了方便對比分析兩種方法圈定的地表位移邊界，將傳統(tǒng)方法圈定的采空區(qū)覆巖移動(dòng)影響邊界與數(shù)值模擬地面位移邊界及采空區(qū)邊界進(jìn)行疊加，得到位移對比圖7，根據(jù)對比分析可知，兩種方法圈定的地表移動(dòng)影響范圍大致相似，但細(xì)部有差異，傳統(tǒng)方法是根據(jù)剖面線按邊界角圈定，剖面線的設(shè)置密度決定邊界范圍的精準(zhǔn)程度，我們在實(shí)際鑒定工作中往往只針對受危害的對象進(jìn)行剖面設(shè)置，在未設(shè)置剖面的地方影響范圍的圈定存在一定的誤差。但巖土數(shù)值模擬方法位移邊界的圈定是模擬軟件從整體計(jì)算，只要存在采空區(qū)的地方就會(huì)進(jìn)行分析計(jì)算其沉降量及其范圍，因此其圈定的覆巖移動(dòng)影響范圍更加客觀及真實(shí)，從圖中也可看出模擬軟件形成的位移邊界線更加客觀。數(shù)值模擬地表最大豎向位移量為0.762m，與傳統(tǒng)概率積分法計(jì)算的最大下沉量0.55m相近，現(xiàn)場調(diào)查地表下沉量為0.3～0.66m,即最大下沉量為0.66m，對比分析可知數(shù)值模擬分析計(jì)算的最大下沉量更加保守。

圖7 模擬分析與傳統(tǒng)方法地表位移對比圖（俯視圖）

綜上，通過對比分析可知，巖土數(shù)值模擬分析結(jié)果與傳統(tǒng)的邊界角圈定采空區(qū)覆巖移動(dòng)影響范圍及概率積分法計(jì)算變形量結(jié)果大致吻合，巖土數(shù)值模擬更加直觀，圈定的范圍更加細(xì)化真實(shí)，地表任意一點(diǎn)的移動(dòng)數(shù)值可直接在模擬軟件中讀取，同時(shí)可了解采空區(qū)形成后周圍巖土體的應(yīng)力變化情況，生成的圖件更加直觀易懂。就作者個(gè)人來看，將兩種方法相結(jié)合，互相印證分析，得到的結(jié)果更加真實(shí)可靠。如可以采用數(shù)值模擬方法對采空區(qū)整體進(jìn)行有限元分析，圈定整體的覆巖移動(dòng)影響邊界及主要下沉量，再采用傳統(tǒng)方法對受危害的對象區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，最后綜合確定，得出較可靠的結(jié)論。

6 結(jié)論

（1）煤層采空后在地表會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)變形區(qū)，位于移動(dòng)變形范圍內(nèi)的建筑、水體、構(gòu)筑物等會(huì)受到不同程度的破壞。

（2）通過對貴州某煤礦K3煤層采空區(qū)的巖土數(shù)值模擬分析和傳統(tǒng)計(jì)算方法對比分析，數(shù)值模擬分析結(jié)果與傳統(tǒng)方法計(jì)算結(jié)果大致相同，與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果大致吻合，證明巖土數(shù)值模擬分析方法是可行有效的，在今后的類似鑒定案例中可借鑒使用，使鑒定結(jié)論更加真實(shí)可靠。