广西合山煤田浅埋煤层采空区塌陷机理数值分析

李远耀 唐朝晖 陈仁全

(1.中国地质大学(武汉)地质调查研究院，湖北 武汉 430074；2.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074；3.中南勘察设计院(湖北)有限责任公司，湖北 武汉 430071)

广西合山煤田浅埋煤层采空区塌陷机理数值分析

李远耀1唐朝晖2陈仁全3

(1.中国地质大学(武汉)地质调查研究院，湖北 武汉 430074；2.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074；3.中南勘察设计院(湖北)有限责任公司，湖北 武汉 430071)

针对广西合山煤田煤炭资源的枯竭，煤层开采引发的地面塌陷日益增多，地质灾害问题突出的现状，以煤田上塘矿区中南部的4个浅埋采空区为研究对象，在野外调查的基础上，利用离散元法建立三维数值模型，进行采空区顶板和地表的变形与应力分析,探讨了采空塌陷机理模式。分析结果表明：①采空区规模直接决定了地表变形程度，表土层厚度的影响作用是双向的；②地表水平移动极大值向下山方向偏移，下山方向顶板覆岩更易断裂和垮落；③采空区上覆岩层发育“两带”，主要破坏形式为拉张破坏和剪切破坏；④浅埋采空塌陷的形成可归纳为开始、发展、贯通和稳定4个阶段，不同阶段均有典型的变形和受力表征。

浅埋煤层 采空塌陷 离散元法 破坏机理

我国煤炭年产量已达36.6 亿t，为国民经济的建设发展奠定了重要基础。但同时，大规模的地下煤层开采形成了大面积采空区，造成的地质环境问题也日益突出。其中，采空塌陷因影响范围广、突发性强，危害极大[1-4]。近年来，由于采空塌陷灾害的频发，采空塌陷机理研究已引起工程界及学术界的广泛关注[5-7]。

在采空塌陷机理研究中，采空区上覆岩体的结构形态及其变形破坏过程是关键。文献[8]采用地压理论解释了采空区上覆岩层的力学作用机理和破坏特点，并利用极限破坏理论分析上覆岩层稳定性，探讨地表塌陷机理。同时，应用数值模拟技术研究塌陷机理也是当前热点之一：文献[9]对北洺河铁矿塌陷区进行了数值模拟分析，通过模拟计算得出了塌陷区的预报信息；文献[10]运用 FLAC3D数值分析法，对4种不同形态尺寸采空区条件下的地表变形和岩移规律开展了数值研究；文献[11]采用物理模型实验并结合UDEC模拟分析地下开挖围岩变形，为采空地面塌陷模拟提供了很好的借鉴。

国内外学者通过广泛研究，取得了许多创新性的研究成果。但是，浅埋煤层采空区的地质背景与我国北方地区深采煤田采空塌陷有一定区别，有关其形成机理的研究较少。为此，本研究以合山煤田上塘矿区4个浅埋煤层采空区为研究对象，在野外调查的基础上，利用离散元法建立三维数值分析模型，开展采空区顶板和地表的变形与应力分析，探讨采空塌陷形成机理。研究结果对于采空塌陷灾害防治和风险评价工作具有实际价值，对完善和提高采空塌陷机理理论有借鉴意义。

1 研究区地质背景

合山煤田所在广西合山市，被誉为广西百年煤都，含煤地层区域占全市面积的75%，采空塌陷区直接影响面积达45 km2，大多数塌陷集中发育于煤田西部的浅埋缓倾斜煤层采空区[12]。

合山煤田地处我国南方，雨水充沛，煤层顶板为灰岩和硅质灰岩，上覆岩层以灰岩、页岩为主。上塘矿区位于合山煤田中南部，是煤田内浅埋煤层主采区，平均采深小于150 m，主采煤层为上二叠统合山组3煤下层和4煤上层，目前已形成1.15 km2的采空区。该采空区直接顶为燧石灰岩，上覆灰岩、页岩和较厚的松散土层，在内外因素作用下，部分覆岩已出现极限受力状态，近年来频繁发生塌陷。区内采空区面积大，单个塌陷规模大，且邻近居民区，危害十分严重。

选取上塘矿区南部4个采空区(见图1)为重点研究对象。该区构造条件相对简单，地形起伏程度不大，煤层平均采深82 m，煤层倾角2°～6°，主采煤层平均厚约4 m，煤层连续性较好，4个采空区面(1.25～3.23)×104m2，工作面长度100～160 m。现场调查发现，在3#采空区内已发育有较大规模采空塌陷坑(见图2)，离最近斜井井口仅约100 m。

2 离散元三维数值分析

2.1 三维数值建模

采用离散元法(3DEC)建立起三维数值模型(如图3)，进行数值分析。模型中岩石材料采用理想弹塑性模型，服从Mohr-Coulomb 屈服准则，结构面采用Coulomb 滑动模型。根据上塘矿区典型地质剖面和地质勘查资料，通过岩土体试验数据，并参考经验值，综合确定岩土体与结构面的物理力学参数(见表1、表2)。三维数值模型尺寸为500 m ×500 m ×150 m，主采煤层总厚度4 m，煤层平均倾角4°，采深最浅82 m(+18 m水平)，最深117 m。考虑到坚硬顶板的层面效应和节理切割作用，根据探槽揭露的节理面统计结果，选取节理密度为20 m/条。

图1 上塘矿区4处典型浅埋采空区分布Fig.1 The 4 mined-out areas in shallow seam of Shangtang mine

图2 3#采空区内的塌陷坑Fig.2 Collapse pit in goaf 3#

图3 采空区三维数值计算模型Fig.3 Three-dimensional numerical calculation model①～⑥—岩层编号(见表1)

采空区大小根据井上下对照图的实际情况布设，模型底部和四周边界条件为固定边界。计算中考虑自重应力作用，采空区形成时考虑初始平衡，用大小10 m的三角网进行网格剖分。为开展定量分析，布置变形观测网络，沿采空区纵横中轴线方向布置4条相互垂直的观测线(见图4)，每条测线上间隔25 m布置1个监测点，1条测线上有21个监测点，数值模型共84个监测点，模拟记录的时步为100步。

表1 模型岩土体物理力学参数Table 1 Physic-mechanical parameters of rock in model

表2 模型结构面物理力学参数Table 2 Physic-mechanical parameters of structural plane in model

图4 仿真监测网布置Fig.4 The simulation monitoring network layout

2.2 地表垂直变形分析

地表垂直变形是煤层开采后，覆岩位移由下向上逐步发展到地表的结果。在采空区的地表变形中，垂直下沉变形危害最大。图5～图6的模拟结果显示，1#采空区最大下沉量约0.601 m，2#采空区最大下沉量约0.159 m，3#采空区最大下沉量约0.359 m，4#采空区最大下沉量约1.310 m。在同一塌陷区，上山和下山方向沉陷曲线不对称，最大下沉量点向下山方向偏移，采空区的影响范围随之往下山方向扩展。

采空区面积最大的4#采空区地表垂直变形最大，1#采空区的塌陷下沉量大于面积小的3#采空区和2#采空区，2#采空区的平均竖直位移量最小。这表明在地质条件相似情况下，采空区的规模决定了地表变形程度。采空区面积越大，地表变形范围相对越大，因为坚硬顶板包含的软弱结构面(如层理和节理面)越多，软弱结构面在上覆荷载作用的影响下，随时间逐渐错动垮落，并逐渐发展影响至地表。此外，4#采空区中上覆土层相对其他采区更厚，增加了顶板荷载。但在煤层采深未能影响到顶板断裂和垮落时，表土层越厚反而能消解部分塌陷垂直变形的影响，土层越薄，地表下沉越容易表现出非均匀性和非正态性(见图6)，从而贯穿地表形成塌陷。说明地表土层厚度对采空塌陷的影响作用是双向的，应根据顶板受力断裂时的极限状态判断是否加速地表塌陷的形成。

图5 采空区地表竖直下沉量云图Fig.5 Vertical displacement nephogram of goaf surface

图6 不同采空区地表下沉量曲线Fig.6 Vertical displacement curve of goaf surface◆—测线1(Z向)；■—测线2(Z向)； △—测线3(Z向)；●—测线4(Z向)

2.3 地表水平移动分析

图7～图8的模拟结果显示，在4个采空区中，地表水平位移量最大的是4#采空区测点2-17，沿上山方向(-x方向)的位移量可达0.372 m。位移量极值中最小的是2#采空区测点1-17，位移量仅为0.034 m。表明采空区范围越大，引起的地表水平变形越大。在同一采空区，地表移动方向均有一定的对称性，说明在地质和采矿条件相似情况下，在倾向剖面上地表移动曲线基本对称。水平移动曲线均有正方向和负方向2个极值，采区面积越大则极值越大，极值点往往向下山方向偏移。但对于单个采空区，煤层下山方向的水平移动极值比上山方向的极值要小。

图7 采空区地表水平位移量云图Fig.7 Horizontal displacement nephogram of goaf surface

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

从剖面上看，4#采空区的顶板先断裂，地表变形迅速，变化值较大，将最早贯穿至地表形成塌陷，表明地表水平移动大小和速度可以判断地下顶板断裂的速度和强度。从平面上分析，SE70°为煤层倾向方向，在下山方向水平移动幅度较大，出现拉裂变形更多，导致下山方向的顶板覆岩最先断裂和垮落，因而潜在的地表塌陷会可能更早出现在下山方向，而不是出现在采空区中心。

3 采空塌陷破坏规律

3.1 地表水平影响范围

在地表+0 m处，地表水平影响范围最大的是4#采空区，下沉量最小的2#采空区，其地表水平影响范围也最小(见图5)。4#采空区水平影响范围大，延伸到下山方向较远区域，其他塌陷区仅单独影响某一局部范围。在地表-18 m处，仍是采空区4的影响范围最大(见图9)，同样影响到下山方向较远区域。同时，不同采空区的顶板下沉会相互影响，虽然采区煤柱有一定阻隔作用，但顶板垮落引起的塌陷会影响至邻区，随着开采深度增加，顶板垮落影响的地表水平范围将逐渐减小。

3.2 顶板垂直破坏特征

采空区一般先是顶板塌落，上覆岩层后逐渐形成裂隙，并发展至上覆土层，导致地表下沉；同时，有时会出现关键层顶板的突然垮落，上覆岩层无法形成平衡拱，直接切穿至地表形成切冒型塌陷。以测线2剖面为例，在垂向剖面上，采空区上覆岩层发育“两带”现象，即垮落带和裂隙带，煤层埋深较浅处出现弯沉带的现象较少。

图9 采空区地表-18 m下沉量云图Fig.9 Vertical displacement nephogram of goaf surface -18 m

本区直接顶板为坚硬但节理较发育的燧石灰岩层，直接顶垮落引起上覆岩层裂隙迅速扩大，影响至地表形成塌陷，表现出不连续变形的特征。有时在垮落带和裂隙带之间会短暂形成离层现象，离层在降雨作用下可能会迅速塌陷。采空区形成之后，顶板受竖直方向拉应力作用，继而出现弯沉甚至离层，顶板底部可能出现拉裂而垮落，剪应力构成应力平衡拱形态，应力拱迹线由顶板中部向两侧扩展，在两侧煤壁集中表现(见图10)。因此，浅埋采空区地表塌陷形成的最主要破坏形式是拉张破坏和剪切破坏。

图10 采空区最大剪应力云图(测线2剖面)Fig.10 Maximum shear stress nephogram of the goaf(Line 2 section)

4 采空塌陷机理模式

根据离散元三维数值模拟结果，合山煤田浅埋缓倾斜煤层采空区塌陷的形成过程概括为4个阶段：开始阶段、发展阶段、贯通阶段和稳定阶段。4个阶段分别存在不同的岩土体变形特征和受力特点，表现出不同的地表变形形状和规模。

(1)开始阶段：采空区形成，在上覆荷载作用下，顶板出现部分下沉，对上覆土层有一定扰动，地表整体出现均匀、缓慢、连续的下沉变形，但相邻采区直接的相互影响不大。

(2)发育阶段：采空区顶板冒落带和裂隙带发育，覆岩或关键层逐渐断裂垮落，影响到顶板一定高度，上下岩层之间相互分离，形成离层；此时坚硬但相对完整顶板主要受到其底部拉应力作用，出现拉裂或块体脱离，冒落带之上的裂隙带开始发育。

(3)贯通阶段：采空区塌陷基本贯通，覆岩断裂垮落后形成完整的冒落带，关键层全部断裂垮落，裂隙带已完全发育，此时压力平衡拱达到极限状态；在降雨或其他不利因素诱发下，顶板裂隙带和弯沉带可能突发贯通，形成塌陷坑。

(4)稳定阶段：采空区塌陷基本形成，地表变形程度逐渐减弱，其水平影响范围仍会扩展；上覆松散土层与碎石会逐步垮落填入坑内，并不断压实，地表下沉变形减弱，但水平移动在围岩应力释放后有所增强。

5 结 论

(1)采空区规模直接决定地表变形程度，最大下沉量向下山方向偏移，表土层的对采空塌陷的形成作用是双向的。

(2)水平移动曲线有正、负方向2个极值，采区面积越大极值越大，极大值向下山方向偏移，下山方向地表水平移动量较大，岩层更易拉裂破坏，顶板覆岩最先断裂和垮落，塌陷中心点更易出现在下山方向。

(3)采空区塌陷的形成先是关键层顶板突然垮落，上覆岩层难以形成平衡拱，切穿至地表形成切冒型塌陷；采空区上覆岩层发育“两带”，塌陷形成最主要的破坏形式是拉张破坏和剪切破坏。

(4)合山煤田浅埋煤层采空区塌陷的形成可归纳为4个阶段——开始阶段、发展阶段、贯通阶段和稳定阶段，各阶段均有其典型的变形和受力表征。

[1] Bian Z，Inyang H I，Daniels J L，et al.Environmental issues from coal mining and their solutions[J].Mining Science and Technology，2010，20(2):215-223.

[2] Bell F G，Bullock S E T，Halbich T F J，et al.Environmental impacts associated with an abandoned mine in the Witbank Coalfield，South Africa[J].International Journal of Coal Geology，2001，45(2):195-216.

[3] 王新民，丁德强.事故树方法在地下采空区灾害分析中的应用[J].金属矿山，2006(10):64-68. Wang Xinmin，Ding Deqiang.Application of fault tree analysis in underground mined-out area disaster[J].Metal Mine，2006(10):64-68.

[4] 王秀格，乔 兰，孙歆硕.地下采空区上输电塔基稳定性的数值模拟[J].金属矿山，2008(3):110-113. Wang Xiuge，Qiao Lan，Sun Xinshuo.Stability numerical simulation of transmission tower foundation above goaf area[J].Metal Mine，2008(3):110-113.

[5] 孙树珩.大连经济技术开发区石棉矿采空区地面塌陷机理与稳定性分析[J].路基工程，2011，156(3):133-135. Sun Shuheng.Ground subsidence mechanism and stability analysis of the goaf area of asbestos in Dalian Economic Technical Development Zone[J].Subgrade Engineering，2011，156(3):133-135.

[6] 李建新，王来贵.降雨诱发浅伏采空区上方地表塌陷机理[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2013，32(1):50-54. Li Jianxin，Wang Laigui.Mechanism analysis of surface subsidence over superficial goaf caused by rainfall[J].Journal of Liaoning Technical University：Natural Science Edition，2013，32(1):50-54.

[7] 于成龙，郑百功，杨 雷.玄武岩台地采空塌陷发育特征——以吉林省三合城村地面塌陷为例[J].中国地质灾害与防治学报，2013，24(2):68-71. Yu Chenglong，Zheng Baigong，Yang Lei.Development characteristics of mining subsidence in basalt platform:a case study of subsidence in Sanhecheng Village，Jilin Province[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2013，24(2):68-71.

[8] 李庶林，王 伟，林建宁.近地表上覆岩层直壁塌陷机理及稳定性分析[J].中国地质灾害与防治学报，2012，23 (2):44-49. Li Shulin，Wang Wei，Lin Jianning.Mechanism of collapse of sraight part and stability analysis for near-surface strata[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2012，23(2):44-49.

[9] 宇文志鹏，金爱兵，林 晨.基于数值模拟的北洺河塌陷区预测与治理[J].金属矿山，2009(12):135-162. Yuwen Zhipeng，Jin Aibing，Lin Chen.Prediction and treatment for the subsidence area of Beiminghe Iron Mine based on numerical simulation software[J].Metal Mine，2009(12):135-162.

[10] 袁海平，王继伦，赵 奎，等.采空区形态对地表塌陷分布影响研究[J].金属矿山，2011(11):25-28. Yuan Haiping，Wang Jilun，Zhao Kui，et al.Study on the goaf form influence on distribution of surface subsidence[J].Metal Mine，2011(11):25-28.

[11] Zhang Z X，Xu Y，Kulatilake P H S W，et al.Physical model test and numerical analysis on the behavior of stratified rock masses during underground excavation[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2012，49:134-147.

[12] 唐朝晖，刘 楠，柴 波，等.合山市矿山地质环境影响评价研究[J].水文地质工程地质，2012，39(6):124-130. Tang Zhaohui，Liu Nan，Chai Bo，et al.Mining Geo-environmental impact assessment of Heshan City[J].Hydrogeology and Engineering Geology，2012，39(6):124-130.

(责任编辑 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

国家自然科学基金项目(编号：41202247)，中央高校优秀青年教师基金项目(编号：CUGL110203)。

李远耀( 1978—) ，男，博士，讲师。

TD327

A

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