北方地区复杂地形下的煤矿采空区地质稳定性建模分析

孟 梦

(河南省地质矿产勘查开发局第四地质矿产调查院，郑州450000)

我国是煤炭大国，无论是煤炭储备量还是开采量都名列世界前茅。但是煤炭资源大量开采后形成的采空区成为地质方面的重大灾害隐患[1-2]。调查显示，我国大多数煤矿采空区未得到有效治理，同时邻近区域重复开采导致采空区出现回采扰动，形成严重安全隐患，因此采空区地质稳定性问题成为长久以来众多学者的研究重点[3-5]。胡海波提出使用地质雷达探测采空区稳定情况，结合评价方法，评估采空区域稳定性[6]；袁子清等针对矿井采空区域开展研究，分析采空区域的应力分布与周围土体的变形情况[7]。这些研究方法都能够准确分析出采空区域的受力情况与变形情况，但是各个方法的研究方向不同，还有需要改进的空间。

本文针对北方区域地形较为复杂的煤矿采空区域开展研究，分析该区域的地质稳定性情况，为今后采空区治理与改造提供全新的研究方向。

1 材料方法

1.1 研究区概况

本文研究区域位于我国华北地区，自20世纪八十年代开始，该区域一直是我国北方煤矿的重要开采地区，开采煤矿为3号、4号和15号煤(按照煤层与煤炭成分划分编号)。3号煤由于分布不够稳定，所以煤层分布厚度在3～5 m；4号煤与15号煤分布较为稳定，厚度分别在5.5 m和15.3 m深度的位置，最大煤层厚度为16 m。研究区域地形较为复杂，地势分别向两个方向延伸：地势由西北向西南呈现6°～11°倾斜角，坡度倾斜较缓，具有裂隙发育节理规律；地势自东南向西南延伸，呈现出坡度较大的倾斜角，地形变化较大，涵盖山地、丘陵、平原等多种地形。由于该地区长期频繁的煤矿开采工作，导致地下水循环系统出现严重破坏，地下水位严重降低，这种情况导致研究区域的采空区地表出现明显塌陷。区域中水源主要来自大气水循环，全年降水量适中，每年7月到8月是集中降水时期，但是降水量远不能弥补地下水系统所受破坏，最终造成采空区域上方山体出现明显裂缝发育。该区域由于位于我国北方地区，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，因此地下土体结构在冬季易出现冻融情况，而夏季土体结构较为脆弱，开采难度大，这种土体结构特点也会直接影响采空区域的稳定性。

实际勘察显示，研究区域地下土体组成成分较为复杂，土层由上至下包括粉质黏土、3号煤层、砂质泥岩、泥岩、4号煤层、细粒砂岩、砂质泥岩、15号煤层以及砂质泥岩。该研究区域所使用的煤矿开采技术为走向长臂开采法，开采面长度约为95 m。

1.2 模型构建

使用ANSYS软件结合Rhino造型软件，构建本文所研究北方地区复杂地形下煤矿采空区的有限元模型，软件中的各个功能发挥作用，模拟采空区域、煤矿矿材结构体、土层表面以及采空区域的矿柱[8-9]，通过软件中的Mesh功能划分模型网格，完成网格划分的采空区模型导入到FLAC3D软件中[10-11]，实现采空区有限元模型的构建，最终模型结构见图1。

图1 有限元模型

数值模拟之前，需要先确定采空区的地下土体相关参数，才能保证数值模拟的准确性[12-13]，使用经验法获得研究区域的土体力学参数(表1)。

表1 采空区土体参数

1.3 实验方法

1)回采模拟实验

在有限元软件中，基于研究区域采空区的现有情况，模拟回采工况，也就是通过实验验证重新开采采空区域之后采空区的地质稳定性变化情况[14]。

2)低温冻融条件下采空区稳定性分析

由于本文所研究区域位于我国北方，冬季寒冷干燥，气温经常达到-10 ℃以下，且气候变化频繁导致土体发生冻融现象，造成采空区地质稳定性受到严重影响。针对这一情况，本文使用ANSYS软件开展模拟实验，模拟采空区域经历90 d的冻融循环后，不同循环次数之下各类土体变化情况，由此分析采空区稳定性变化[15]。

3)交通荷载下采空区稳定性分析

本文所研究采空区处于我国北方地形较为复杂地区，由于长时间开采，同时受到地形影响，采空区域形成冒落带、裂隙带以及弯沉带，这三种情况的成因如下：

①冒落带：采空区重新开始挖掘开采工作之后，煤层中的上覆岩出现整体塌落的部分称为冒落带，这种情况存在较为严重的碎胀性与规则性，隔水较差且密实度低；

②裂隙带：位于北方负载地形下的采空区，由于低温冻融的影响，土层发生膨胀而出现裂缝，扩展至全部厚度时，统称该区域为裂缝带，裂隙带经常出现在工作面上，随着开采工作的开展，裂隙带也发生明显变化[16]；

③弯沉带：弯沉带一般分布于裂隙带的上方，这部分结构主要是最接近土体表面的区域，通常受到自重影响产生弯曲但是不出现破裂，但是经常会由于深度增加而在下沉区边缘的位置出现明显拉应力。

采空区无论是仍旧持续作业还是废弃后改作其他用途，地面位置都需要承受交通荷载的作用，为全面分析采空区的地质稳定性，要求采空区的残余下沉量需低于300 mm才能判定该采空区域为稳定区域，反之则被判定为不稳定区域。本文研究将交通荷载因素考虑进去，在ANSYS软件中分别设定0.54、4.88和6.91 MPa的交通荷载对采空区域施压，经软件分析计算获得“三带”的残余下沉结果。

4)建筑荷载下采空区稳定性分析

据统计资料显示，大部分采空区域在煤矿开采工作完成以后会成为废弃区域，经过城市规划改革与扩张计划推进，大部分停止使用的采空区域上方会修建建筑，解决土地荒废问题，这种规划改造就需要重点考虑建筑荷载之下采空区域的稳定性。本文所研究区域位于北方地区较为复杂的地形之中，原本处于城市边缘，但是在城市扩张政策之下，逐渐成为主要规划改造区域，需要在所研究采空区上建设高层建筑，采空区稳定情况是建造高层建筑之前重点需要考虑的问题。因此用ANSYS软件模拟不同工况：①选定采空区同一区域，设置不同建筑荷载：0.20、0.50、0.80 MPa，通过软件模拟不同荷载对于采空区沉降量的影响；②分别选定采空区外缘位置、中心位置以及内缘位置，在软件中模拟这三个位置在相同建筑荷载之下的沉降量变化情况，同时统计建筑荷载变化情况下采空区各个位置的沉降变化情况。

2 结果分析

2.1 数值模拟结果

用ANSYS软件对采空区域实行回采数值模拟，获得研究区域应力云图与位移云图，见图2。

从图2(a)与图2(b)中能够看出，重新回采研究区域后，该区域的底部岩层出现应力重新分布的情况。靠近采空区上方的覆岩位置发生局部拉应力，经计算分析该最大拉应力值约为0.15 MPa。采空区自由面接受从上下盘围岩转移而来的应力，应力集中分布发生在矿柱位置，经计算分析该位置出现的最大拉应力约为8.79 MPa。针对这一情况分析，该区域的应力变化虽然没有呈现出极限强度应力，但是实际施工时，重新开采煤矿采空区域会扰动采空区域中的断层，降低采空区的稳定性，这种情况下很容易导致采空区域出现严重塌陷灾害。

从图2(c)与图2(d)中能够看出，重新开采后，会扰动采空区域的围岩应力分布，在岩体中本身存在的自重情况以及弹性恢复等影响作用下，煤矿采空区的上盘和下盘都逐渐向暴露方向发生改变，造成采空区的底鼓出现严重位移变形，同时还会发生采空区顶部下沉的情况。经过数值计算，预计最大下沉量可能会达到6.36 mm，而底鼓变形可能最高会达到13 mm，最大水平位移约为6.98 mm。

图2 数值模拟结果

2.2 冻融循环下采空区稳定性实验结果

针对本文研究区域的采空区中煤层周围土体，开展冻融循环模拟实验，不同循环次数之下，土体中各个组成部分的力学性能分析结果见图3。

从图3中能够看出，随着循环次数增加，采空区的土体力学性能发生明显变化，各土体的抗压强度与荷载强度均保持下降趋势，而剪切应力呈现出上升趋势。土体剪切应力出现上升趋势主要是由于低温环境之下，土体自身携带的水分与采空区裂缝结构中存在的水分发生冻结现象，土体之间由于冰的作用，呈现出较高黏结性，土体固体介质增加，所以剪切应力出现明显上升。随着冻融次数增加，土体中的各个组成部分的抗拉强度与荷载强度均呈现出显著降低的趋势，这一情况主要是由于不断冻融循环作用之下，土体的物理性状发生改变，孔隙率增加但是却导致承载能量下降，土体冻结之后，由于水分性状发生改变，容易出现膨胀情况，这种强大的膨胀作用很容易使土体出现裂缝，增加冻融次数，直接导致土体质量降低，所以抗拉强度与荷载强度都出现显著下降趋势。此外，本文所研究区域由于地形复杂，因此地层中的土体成分也种类众多，由于所处深度不同，因此表现出的性能也存在明显差异，其中位于浅层的粉质黏土强度较高，但是处于较深位置的泥岩由于自身物理特点以及所处深度的影响，导致强度较低。综合以上分析来看，所研究区域采空区受到温度变化影响，出现多种类型裂缝，对整体结构稳定性造成影响。

图3 土体力学性能

2.3 交通荷载下采空区稳定性实验结果

不同交通荷载作用之下，采空区“三带”下沉量变化情况见图4。

图4 残余下沉量变化曲线

通过图4能够看出，向采空区施加交通荷载，“三带”残余下沉量均呈现出中央高、两侧低的变化趋势，残余下沉量与荷载呈现正比例关系。“三带”的最大沉降量分别达到400、390以及350 mm，均超过采空区稳定性范围，尽管受到荷载发生位置影响导致残余下沉量分布存在差异，但是“三带”沉降量变化规律显示，最大残余下沉量均发生在处于交通荷载正下方的覆岩体。综合整个图4能够看出，交通荷载存在差异的情况下，“三带”在不同位置发生最大残余：冒落带的最大残余下沉量出现在靠近荷载中央的位置；裂隙带主要在开切眼初始位置以及停采线位置出现最大残余下沉；弯沉带与冒落带类似，中央加载区域发生最大残余沉降。出现这种情况主要是采空区包含三种型号的煤层，煤矿开采过程中需要多次开采，且该地区地形复杂，一旦重复开采，严重影响覆岩的整体稳定性，加剧裂隙带出现不能完全填实的空洞，受到地表交通荷载影响，土层发生较大规模移动，发生较大残余下沉量，造成该采空区稳定性较差。

2.4 建筑荷载下采空区稳定性实验结果

不同建筑荷载对于相同采空区域，以及不同采空区位置相同建筑荷载影响下采空区的稳定性分析结果见图5。

图5 建筑荷载对于采空区稳定性影响

从图5中能够看出，相同采空区位置下，建筑荷载越大，地表沉降量越大，三个区域对比来看，采空区中心位置发生的沉降最为明显，这种情况是由于中部采空区经常发生岩石垮落，存在较为良好的地面压实效果，导致出现较为均匀的沉降情况，采空区内缘位置出现不能实现垮落的空洞，根据已有研究经验，如果裂缝带出现附加应力，沉降为可接受范围；如果在采空区边缘位置施加荷载，将导致采空区稳定性严重不平衡，所以，实际情况下如果在采空区上建造建筑，需要避开采空区边缘位置，这样才能兼顾采空区域建筑的整体稳定性。

3 结论

通过建模分析北方地区复杂地形下的煤矿采空区地质稳定性。建模过程使用ANSYS与FLAC3D等有限元模拟软件，分别模拟回采、交通荷载、建筑荷载等工况，得出采空区地质稳定性数值分析结果，结果显示：

1)采空区应力云图与位移云图显示该区域中部位置稳定性较差；

2)交通荷载作用之下，荷载正下方的覆岩体出现较为严重的残余下沉；

3)建筑荷载作用之下，采空区中心位置出现较为明显的沉降。

综合以上实验结果发现，研究区采空区中心区域地质稳定性较差，今后建设改造过程中需要重点关注。