地下水水位变化时采空区覆岩变形特征研究——以山东北埠煤矿为例

白 云，刘 波，王光凯，梁琴琴，谢孔金，宋海龙，王清标，张军贤

( 1.山东正元地质资源勘查有限责任公司，山东 济南 250101；2.山东正元冶达科技发展有限公司，山东 济南 250101；3.山东科技大学 煤矿充填开采国家工程实验室，矿山灾害预防控制重点实验室，山东 青岛 266590；4.台州职业技术学院，浙江 台州 317212 )

0 引言

煤层的开采顺序和开采方式一定时，煤矿开采过程中应力传递路径也是确定的，此时地下水位的变化使得原有覆岩具有不同的孔隙水压力，煤矿围岩的物理特性也有所改变，从而影响到开挖过程及后期覆岩应力及变形规律[1]。

Korten提出了采空区上对应的地表水平变形及上覆岩层移动分布理论，为采空区沉降研究提供了理论基础[2]；吕士华通过研究发现，采空区上覆岩层的强度会随着地下水的进入而降低，从而破坏岩层的平衡状态，加剧采空区残余变形的发生[3]；海龙等利用物理模拟实验，分析了地下水侵入采空区后的覆岩移动及覆岩残余变形对地表的影响规律，研究表明地下水侵入采空区后，原有应力平衡发生变化，地表发生再次下沉[4]；王云广认为一定条件下含水覆岩层内的水活动可引起采空区覆岩移动，长时间作用下可引发更大范围、更大程度的覆岩移动变形或局部突发性塌陷[5]。

可以看出，国内外诸多学者针对地下水对采空区覆岩、地表变形机理及规律做出了一定研究，但是对不同地下水水位条件下煤层开采过程中的上覆岩体变形特征缺乏对比性研究，地下水水位变化会打破地层原有应力平衡，使围岩的应变情况与承载能力均发生改变，因此，针对性得开展不同地下水水位情况下采空区引发的围岩变形特征及沉降特性，对煤矿的安全开采具有重要指导意义。本课题以北埠煤矿为依托，利用FLAC3D软件对矿区内不同地下水位条件下倾斜煤层开采过程中地层变形特征展开深入分析，为采空区塌陷的预防、治理及地表建筑物的稳定性评价提供参考[6-7]。

1 工程概况

北埠煤矿自上而下有五层主采(可采)煤层，分别为2、4、7、15、19层煤，区内煤层走向20°，倾向SE，倾角35°～43°，一般35°～37°。煤层走向长1760 m，倾斜宽900 m，面积1.5802 km2。

井下主采煤层为2层煤和4层煤，该煤层真厚度为0.60～1.50 m，平均厚1.10 m，为较稳定煤层，赋存高程+150 m～-350 m，局部含一层夹矸，厚0.04～0.35 m；矿山位于莱芜盆地的裂隙、岩溶、孔隙弱-强富水地段，地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙水、碳酸盐类裂隙岩溶水和层间裂隙水。

2 模型的建立

根据莱芜市北埠矿区原有、现有地下水位的基本情况，建立不同地下水位工况下的数值计算模型，研究分析不同地下水位下地表沉降变形规律；此次分析依照莱芜市地下水位变化高度为基础选取4种不同的地下水工况进行了数值计算分析，以期探求地下水位的变化对采空区开采引起的地层变形和地表沉降规律，4种情况见表1。开采顺序为7#→19#→2#→15#→4#，单向开采。

表1 不同工况条件地下水水位Table 1 Groundwater level under different working conditions

此次数值模型共包括113 436个单元格和124 764个单元节点，共有6个边界面。根据本工程既有岩土体材料特性，材料本构模型采用摩尔—库伦模型，并利用ANSYS与FLAC3D转换接口程序，将模型导入FLAC3D中进行计算，通过FLAC3D强大的图文后处理功能，可以输出包括云图、矢量图、曲线、数据、动画等各种格式的结果。模型服从土的固结屈服准则，计算过程采用小变形效应。所建模型见图1。

3 模拟结果分析

3.1 地表变形

本次数值模型地表变形模拟结果见图2。由图2可见，煤层开采过程中，随着地下水位不断降低，孔隙水压力不断减小，附加应力逐渐减小，导致地层沉降变形逐渐减小。当地下水位为S=200 m时，煤层初期开采未造成地下水位大幅下降时，采空区的出现对地表变形量影响最强，其最大沉降量为237 mm，且沉降范围在矿界区域内，是4种情况下对地表影响最大的工况；随着地下水水位的降低，附加应力逐渐下降，煤层开采对地表沉降变形量贡献值降低，地表最大变形量及其影响范围相应减小；当地下水位下降到S=50 m及以下时，采空区引起的地表变形最大值为129 mm，约为S=200 m时的54%，此时变形影响范围也超出了矿区边界，矿区西南角的地表变形超出矿界100 m以上。由此可知，地下水位的改变对煤层上覆岩层及地表变形影响较明显，在实际工程中，应对地下水位进行重点考虑，以免因地下水位变化造成地表变形过大，引起地面塌陷等地质灾害[8-11]。

图1 FLAC3D数值模型Fig.1 Numerical model of FLAC3D

3.2 采空区近地表纵深覆岩变形规律分析

以横穿和纵穿地表最大沉降点的剖面为研究对象，选取采空区通过处截面X=1200 m、X=1400 m、Y=1200 m、Y=1600 m的地层沉降变化规律，分析不同地下水位对不同截面处地层沉降变形影响规律。

X=1200 m截面处地层变形规律见图3。由图3可知，不同地下水水位条件下地层变形最大量均发生在煤层顶板位置，并向地面逐渐降低；不同地下水水位下，地层变形趋势具有极大相似性，最小竖向变形量发生在地下水位为S=50 m时，此时最大地层沉降为180 mm，发生在煤层开采区顶板处；地下水位为S=200 m时，煤层开采对地下水位的影响不大，地层变形最大值为291 mm，在底板极小部分区域地层发生约45 mm的底鼓；地下水位降低至150 m以下时，地层变形最大沉降、底鼓量分别为195 mm、45 mm，且随着地下水位的持续降低，引起的地层变形不明显，说明地下水位的降低会使得地层区域附加应力减小，造成煤层顶板底板下沉和底鼓量相应减小[12-15]。

图2 不同水位条件下地表变形等值线图Fig.2 Contour map of surface deformation under different water levels

图3X=1200m处截面竖向变形等值线图Fig.3 Contour map of vertical deformation of section at X=1200 m

X=1400 m处截面地层变形规律见图4。由图4可知，X=1400 m截面与X=1200 m处地层沉降变形呈现的趋势基本一致；在开采初期，地下水位为S=200 m时，煤层开采引起的地层变形最大量为375 mm，发生在煤层顶板位置，最大煤层底鼓量为87 mm，为顶板变形的23.2%；地下水水位为S=150 m时，地层变形最大量为256 mm，最大底鼓量为10 mm，与S=200 m处截面引起的地层变形相比，同一位置处地层变形减小了32%，剩余变形量为工况一的68%，说明随着地下水位高度的改变，煤层开采引起的地层变形影响显著；当地下水位为S=150 m时，地下水水位的进一步下降对地层X=1400 m截面处变形逐渐减小，减小趋势较缓，最大变形量和最大底鼓量也趋于稳定。

图4 X=1400m处截面竖向变形等值线图Fig.4 Contour map of vertical deformation of section at X=1400 m

Y=1200 m截面处地层变形规律见图5。由图5可知，与X=1200 m、X=1400 m截面相比，Y=1200 m处地下水水位的变化对地层变形影响更加明显，地下水位为S=200 m时，地层变形最大量为51 mm，煤层上方大部分区域变形均大于40 mm；地下水位降低到S=150 m时，地层变形规律变化不再明显，最大竖向变形维持在19 mm，约占S=200 m时地层最大变形的38%；采空区顶板以上地层变形在7～9 mm，可见地下水位的下降可减小煤层开采对地层变形的影响。

Y=1600 m截面处地层变形规律见图6。由图6可知，与X=1200 m、X=1400 m、Y=1200 m处截面地层变形规律变化趋势基本相同。S=200 m时，工况一地层变形较工况二、工况三、工况四变形大的多，其最大变形量达268 mm，最大底鼓量为180 mm，而其他工况下地层变形量仅为其67%，说明当地下水位下降到一定程度后，地下水位的改变不再对地层变形造成显著影响，与上述其他截面处反映变形规律相同。

3.3 采空区近地表纵深覆岩变形曲线分析

将上述各截面处地表沉降变形数据进行整理和分析，并汇总成地表沉降曲线如下：

X=1200 m截面处三方向变形示意图见图7。由图7可知，地下水水位对该截面处三方向的变形影响显著；地下水水位为S=200 m时，地表竖向、水平X向、水平Y向变形曲线起伏较大，随着煤层的继续开采，地下水水位下降，地表在该截面处三方向变形起伏波动较小，呈单峰沉降曲线状，峰值点中心坐标为(X=1200、Y=1500、S=208)；工况二、工况三、工况四中地下水水位变形曲线几乎重合，说明地下水水位对地表变形影响具有一定的范围，当超出了该界定范围后，地下水水位的下降对该截面处地表各方向变形影响不再明显；四种工况下在该截面变形趋势相近，最大竖向变形位置相同；最大水平X向变形中心坐标位置为(X=1200、Y=1750、S=208)；最大水平Y向变形中心坐标为(X=1200、Y=1300、S=208)、(X=1200、Y=1750、S=208)，呈双峰变形，其拐点位置即为竖向、水平X向变形。

图5 Y=1200m处截面竖向变形等值线图Fig.5 Contour map of vertical deformation of section atY=1200 m

图6 Y=1600m处截面竖向变形等值线图Fig.6 Contour map of vertical deformation of section at Y=1600 m

图7 X=1200m处截面三方向变形曲线图Fig.7 Three direction deformation curve of section at X=1200 m

X=1400 m截面处三方向变形示意图见图8。由图8可知，X=1400 m截面与X=1200 m截面处地表水平、竖向变形曲线相似；地下水位较高(S=200 m)时，地表三方向变形波动较大，最大竖向、水平X向、水平Y向变形量分别为237 mm、70 mm、45 mm，最大变形位置与X=1200 m截面相同；地下水位较低(S=150 m以下)时，地下水位的改变对该截面变形特征的影响较小，最大竖向、水平X向、水平Y向变形量分别为125 mm、65 mm、25 mm，约为工况一地表变形的53%；在同一开采顺序和开采方式下，仅改变地下水位可减小地表变形112 mm，约为工况一的47%[16]。

图8 X=1400m处截面三方向变形曲线图Fig.8 Three direction deformation curve of section at X=1400 m

Y=1200 m截面处三方向变形示意图见图9。由图9可知，Y=1200m处截面地表竖向、水平X向变形呈现V字形，水平Y向变形呈现倒V字形，且竖向、水平X向、Y向最大变形量为-47 mm、-23 mm、+45 mm，分别位于(X=1300、Y=1200、S=208)、(X=1400、Y=1200、S=208)、(X=1250、Y=1200、S=208)处。

Y=1600 m截面处三方向变形示意图见图10。由图10可知，煤层开采初期，地下水水位较高(S=200 m)时，地下水水位对其竖向变形影响较大，约为296 mm，水平X向、水平Y向变形曲线为双峰波动型，两峰值之间拐点位置即为竖向变形最大变形点；地下水水位降至150 m时，水位的继续降低对该截面处变形影响不再显著。

3.4 采空区近地表变形矢量图结果分析

地面变形矢量图见图11。由图11可知，当地下水位为S=200 m时，地表沉降出现两个碗状漏斗，变形较大；当地下水位有较大下降时，煤层采空区对地层变形影响较大，地表变形呈现向单一沉降漏斗状转换，影响范围呈现先增大后减小的趋势；图中箭头长短代表着移动变形的大小，箭头方向代表水平位移移动方向，根据箭头颜色可以看出最大水平变形均发生在坐标(X=1300、Y=1500)处，水平变形向碗状中心靠拢，在碗状影响区以外水平方向上基本绕移动盆地呈环状分布。

图9 Y=1200m处截面变形三方向变形曲线图Fig.9 ThreedirectiondeformationcurveofsectionatY=1200m

图10 Y=1600m处截面三方向变形曲线图Fig.10 Three direction deformation curve of section at Y=1600 m

图11 不同工况条件下地表变形矢量图Fig.11 Vector map of surface deformation under different working conditions

3.5 采空区近地表变形三维示意图

不同地下水水位条件下煤矿开采引起的地表塌陷三维效果见图12。由图12可知，不同工况下地表变形规律均呈现单峰沉降地表移动盆地，地下水位的改变对其变形形态改变影响不大；通过对不同工况下地表变形进行分析，并将其排序：[S=200 m(237 mm)] >[S=150 m(195 mm)]=[S=100 m(150 mm)]=[S=50 m(129 mm)]。当地下水位较高时，孔隙水压力较大，煤层开采造成地表变形较大；随着地下水位的不断下降，孔隙水压力逐渐减小，地层区域附加应力减小，地表变形减小；但地下水对地表变形影响具有一定的影响范围，超出此范围，地下水位的继续降低对地表变形的影响不在显著。

图12 地表塌陷三维效果图Fig.12 3D effect map of surface collapse

4 结论

地下水对采空区应力平衡影响不容忽视，煤矿开挖时不同地下水水位引起的地表沉降、围岩变形不同，通过数值模拟四种工况(S=200 m、S=150 m、S=100 m、S=50 m)下采空区地表沉降、纵深覆岩变形及地表变形矢量情况，得到地下水水位变化时采空区覆岩的变形特征，结论如下：

1)采空区的覆岩附加应力及地表沉降量在地下水水位S=200 m时为最大值，地下水水位下降后，地表沉降及沉降影响范围相应减小，并逐渐趋于某一固定值。

2)煤层的顶板在开挖后位移值最高，并向地表方向递减，地下水水位S=200m时，由采空区导致的地表变形形态为双漏斗状，随着地下水水位降低，逐渐变为单一漏斗形状。

3)地下水的存在使围岩的水压力、附加应力增加，并降低围岩自身强度，煤层开挖后，地下水水位越高，开挖导致的围岩变形及地表沉降值越高。