孟 夢

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，鄭州450000)

我國是煤炭大國，無論是煤炭儲(chǔ)備量還是開采量都名列世界前茅。但是煤炭資源大量開采后形成的采空區(qū)成為地質(zhì)方面的重大災(zāi)害隱患[1-2]。調(diào)查顯示，我國大多數(shù)煤礦采空區(qū)未得到有效治理，同時(shí)鄰近區(qū)域重復(fù)開采導(dǎo)致采空區(qū)出現(xiàn)回采擾動(dòng)，形成嚴(yán)重安全隱患，因此采空區(qū)地質(zhì)穩(wěn)定性問題成為長久以來眾多學(xué)者的研究重點(diǎn)[3-5]。胡海波提出使用地質(zhì)雷達(dá)探測采空區(qū)穩(wěn)定情況，結(jié)合評(píng)價(jià)方法，評(píng)估采空區(qū)域穩(wěn)定性[6]；袁子清等針對(duì)礦井采空區(qū)域開展研究，分析采空區(qū)域的應(yīng)力分布與周圍土體的變形情況[7]。這些研究方法都能夠準(zhǔn)確分析出采空區(qū)域的受力情況與變形情況，但是各個(gè)方法的研究方向不同，還有需要改進(jìn)的空間。

本文針對(duì)北方區(qū)域地形較為復(fù)雜的煤礦采空區(qū)域開展研究，分析該區(qū)域的地質(zhì)穩(wěn)定性情況，為今后采空區(qū)治理與改造提供全新的研究方向。

1 材料方法

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)域位于我國華北地區(qū)，自20世紀(jì)八十年代開始，該區(qū)域一直是我國北方煤礦的重要開采地區(qū)，開采煤礦為3號(hào)、4號(hào)和15號(hào)煤(按照煤層與煤炭成分劃分編號(hào))。3號(hào)煤由于分布不夠穩(wěn)定，所以煤層分布厚度在3～5 m；4號(hào)煤與15號(hào)煤分布較為穩(wěn)定，厚度分別在5.5 m和15.3 m深度的位置，最大煤層厚度為16 m。研究區(qū)域地形較為復(fù)雜，地勢分別向兩個(gè)方向延伸：地勢由西北向西南呈現(xiàn)6°～11°傾斜角，坡度傾斜較緩，具有裂隙發(fā)育節(jié)理規(guī)律；地勢自東南向西南延伸，呈現(xiàn)出坡度較大的傾斜角，地形變化較大，涵蓋山地、丘陵、平原等多種地形。由于該地區(qū)長期頻繁的煤礦開采工作，導(dǎo)致地下水循環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重破壞，地下水位嚴(yán)重降低，這種情況導(dǎo)致研究區(qū)域的采空區(qū)地表出現(xiàn)明顯塌陷。區(qū)域中水源主要來自大氣水循環(huán)，全年降水量適中，每年7月到8月是集中降水時(shí)期，但是降水量遠(yuǎn)不能彌補(bǔ)地下水系統(tǒng)所受破壞，最終造成采空區(qū)域上方山體出現(xiàn)明顯裂縫發(fā)育。該區(qū)域由于位于我國北方地區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，因此地下土體結(jié)構(gòu)在冬季易出現(xiàn)凍融情況，而夏季土體結(jié)構(gòu)較為脆弱，開采難度大，這種土體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也會(huì)直接影響采空區(qū)域的穩(wěn)定性。

實(shí)際勘察顯示，研究區(qū)域地下土體組成成分較為復(fù)雜，土層由上至下包括粉質(zhì)黏土、3號(hào)煤層、砂質(zhì)泥巖、泥巖、4號(hào)煤層、細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、15號(hào)煤層以及砂質(zhì)泥巖。該研究區(qū)域所使用的煤礦開采技術(shù)為走向長臂開采法，開采面長度約為95 m。

1.2 模型構(gòu)建

使用ANSYS軟件結(jié)合Rhino造型軟件，構(gòu)建本文所研究北方地區(qū)復(fù)雜地形下煤礦采空區(qū)的有限元模型，軟件中的各個(gè)功能發(fā)揮作用，模擬采空區(qū)域、煤礦礦材結(jié)構(gòu)體、土層表面以及采空區(qū)域的礦柱[8-9]，通過軟件中的Mesh功能劃分模型網(wǎng)格，完成網(wǎng)格劃分的采空區(qū)模型導(dǎo)入到FLAC3D軟件中[10-11]，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)有限元模型的構(gòu)建，最終模型結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 有限元模型

數(shù)值模擬之前，需要先確定采空區(qū)的地下土體相關(guān)參數(shù)，才能保證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性[12-13]，使用經(jīng)驗(yàn)法獲得研究區(qū)域的土體力學(xué)參數(shù)(表1)。

表1 采空區(qū)土體參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1)回采模擬實(shí)驗(yàn)

在有限元軟件中，基于研究區(qū)域采空區(qū)的現(xiàn)有情況，模擬回采工況，也就是通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證重新開采采空區(qū)域之后采空區(qū)的地質(zhì)穩(wěn)定性變化情況[14]。

2)低溫凍融條件下采空區(qū)穩(wěn)定性分析

由于本文所研究區(qū)域位于我國北方，冬季寒冷干燥，氣溫經(jīng)常達(dá)到-10 ℃以下，且氣候變化頻繁導(dǎo)致土體發(fā)生凍融現(xiàn)象，造成采空區(qū)地質(zhì)穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響。針對(duì)這一情況，本文使用ANSYS軟件開展模擬實(shí)驗(yàn)，模擬采空區(qū)域經(jīng)歷90 d的凍融循環(huán)后，不同循環(huán)次數(shù)之下各類土體變化情況，由此分析采空區(qū)穩(wěn)定性變化[15]。

3)交通荷載下采空區(qū)穩(wěn)定性分析

本文所研究采空區(qū)處于我國北方地形較為復(fù)雜地區(qū)，由于長時(shí)間開采，同時(shí)受到地形影響，采空區(qū)域形成冒落帶、裂隙帶以及彎沉帶，這三種情況的成因如下：

①冒落帶：采空區(qū)重新開始挖掘開采工作之后，煤層中的上覆巖出現(xiàn)整體塌落的部分稱為冒落帶，這種情況存在較為嚴(yán)重的碎脹性與規(guī)則性，隔水較差且密實(shí)度低；

②裂隙帶：位于北方負(fù)載地形下的采空區(qū)，由于低溫凍融的影響，土層發(fā)生膨脹而出現(xiàn)裂縫，擴(kuò)展至全部厚度時(shí)，統(tǒng)稱該區(qū)域?yàn)榱芽p帶，裂隙帶經(jīng)常出現(xiàn)在工作面上，隨著開采工作的開展，裂隙帶也發(fā)生明顯變化[16]；

③彎沉帶：彎沉帶一般分布于裂隙帶的上方，這部分結(jié)構(gòu)主要是最接近土體表面的區(qū)域，通常受到自重影響產(chǎn)生彎曲但是不出現(xiàn)破裂，但是經(jīng)常會(huì)由于深度增加而在下沉區(qū)邊緣的位置出現(xiàn)明顯拉應(yīng)力。

采空區(qū)無論是仍舊持續(xù)作業(yè)還是廢棄后改作其他用途，地面位置都需要承受交通荷載的作用，為全面分析采空區(qū)的地質(zhì)穩(wěn)定性，要求采空區(qū)的殘余下沉量需低于300 mm才能判定該采空區(qū)域?yàn)榉€(wěn)定區(qū)域，反之則被判定為不穩(wěn)定區(qū)域。本文研究將交通荷載因素考慮進(jìn)去，在ANSYS軟件中分別設(shè)定0.54、4.88和6.91 MPa的交通荷載對(duì)采空區(qū)域施壓，經(jīng)軟件分析計(jì)算獲得“三帶”的殘余下沉結(jié)果。

4)建筑荷載下采空區(qū)穩(wěn)定性分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，大部分采空區(qū)域在煤礦開采工作完成以后會(huì)成為廢棄區(qū)域，經(jīng)過城市規(guī)劃改革與擴(kuò)張計(jì)劃推進(jìn)，大部分停止使用的采空區(qū)域上方會(huì)修建建筑，解決土地荒廢問題，這種規(guī)劃改造就需要重點(diǎn)考慮建筑荷載之下采空區(qū)域的穩(wěn)定性。本文所研究區(qū)域位于北方地區(qū)較為復(fù)雜的地形之中，原本處于城市邊緣，但是在城市擴(kuò)張政策之下，逐漸成為主要規(guī)劃改造區(qū)域，需要在所研究采空區(qū)上建設(shè)高層建筑，采空區(qū)穩(wěn)定情況是建造高層建筑之前重點(diǎn)需要考慮的問題。因此用ANSYS軟件模擬不同工況：①選定采空區(qū)同一區(qū)域，設(shè)置不同建筑荷載：0.20、0.50、0.80 MPa，通過軟件模擬不同荷載對(duì)于采空區(qū)沉降量的影響；②分別選定采空區(qū)外緣位置、中心位置以及內(nèi)緣位置，在軟件中模擬這三個(gè)位置在相同建筑荷載之下的沉降量變化情況，同時(shí)統(tǒng)計(jì)建筑荷載變化情況下采空區(qū)各個(gè)位置的沉降變化情況。

2 結(jié)果分析

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果

用ANSYS軟件對(duì)采空區(qū)域?qū)嵭谢夭蓴?shù)值模擬，獲得研究區(qū)域應(yīng)力云圖與位移云圖，見圖2。

從圖2(a)與圖2(b)中能夠看出，重新回采研究區(qū)域后，該區(qū)域的底部巖層出現(xiàn)應(yīng)力重新分布的情況。靠近采空區(qū)上方的覆巖位置發(fā)生局部拉應(yīng)力，經(jīng)計(jì)算分析該最大拉應(yīng)力值約為0.15 MPa。采空區(qū)自由面接受從上下盤圍巖轉(zhuǎn)移而來的應(yīng)力，應(yīng)力集中分布發(fā)生在礦柱位置，經(jīng)計(jì)算分析該位置出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力約為8.79 MPa。針對(duì)這一情況分析，該區(qū)域的應(yīng)力變化雖然沒有呈現(xiàn)出極限強(qiáng)度應(yīng)力，但是實(shí)際施工時(shí)，重新開采煤礦采空區(qū)域會(huì)擾動(dòng)采空區(qū)域中的斷層，降低采空區(qū)的穩(wěn)定性，這種情況下很容易導(dǎo)致采空區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重塌陷災(zāi)害。

從圖2(c)與圖2(d)中能夠看出，重新開采后，會(huì)擾動(dòng)采空區(qū)域的圍巖應(yīng)力分布，在巖體中本身存在的自重情況以及彈性恢復(fù)等影響作用下，煤礦采空區(qū)的上盤和下盤都逐漸向暴露方向發(fā)生改變，造成采空區(qū)的底鼓出現(xiàn)嚴(yán)重位移變形，同時(shí)還會(huì)發(fā)生采空區(qū)頂部下沉的情況。經(jīng)過數(shù)值計(jì)算，預(yù)計(jì)最大下沉量可能會(huì)達(dá)到6.36 mm，而底鼓變形可能最高會(huì)達(dá)到13 mm，最大水平位移約為6.98 mm。

圖2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.2 凍融循環(huán)下采空區(qū)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)本文研究區(qū)域的采空區(qū)中煤層周圍土體，開展凍融循環(huán)模擬實(shí)驗(yàn)，不同循環(huán)次數(shù)之下，土體中各個(gè)組成部分的力學(xué)性能分析結(jié)果見圖3。

從圖3中能夠看出，隨著循環(huán)次數(shù)增加，采空區(qū)的土體力學(xué)性能發(fā)生明顯變化，各土體的抗壓強(qiáng)度與荷載強(qiáng)度均保持下降趨勢，而剪切應(yīng)力呈現(xiàn)出上升趨勢。土體剪切應(yīng)力出現(xiàn)上升趨勢主要是由于低溫環(huán)境之下，土體自身攜帶的水分與采空區(qū)裂縫結(jié)構(gòu)中存在的水分發(fā)生凍結(jié)現(xiàn)象，土體之間由于冰的作用，呈現(xiàn)出較高黏結(jié)性，土體固體介質(zhì)增加，所以剪切應(yīng)力出現(xiàn)明顯上升。隨著凍融次數(shù)增加，土體中的各個(gè)組成部分的抗拉強(qiáng)度與荷載強(qiáng)度均呈現(xiàn)出顯著降低的趨勢，這一情況主要是由于不斷凍融循環(huán)作用之下，土體的物理性狀發(fā)生改變，孔隙率增加但是卻導(dǎo)致承載能量下降，土體凍結(jié)之后，由于水分性狀發(fā)生改變，容易出現(xiàn)膨脹情況，這種強(qiáng)大的膨脹作用很容易使土體出現(xiàn)裂縫，增加凍融次數(shù)，直接導(dǎo)致土體質(zhì)量降低，所以抗拉強(qiáng)度與荷載強(qiáng)度都出現(xiàn)顯著下降趨勢。此外，本文所研究區(qū)域由于地形復(fù)雜，因此地層中的土體成分也種類眾多，由于所處深度不同，因此表現(xiàn)出的性能也存在明顯差異，其中位于淺層的粉質(zhì)黏土強(qiáng)度較高，但是處于較深位置的泥巖由于自身物理特點(diǎn)以及所處深度的影響，導(dǎo)致強(qiáng)度較低。綜合以上分析來看，所研究區(qū)域采空區(qū)受到溫度變化影響，出現(xiàn)多種類型裂縫，對(duì)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成影響。

圖3 土體力學(xué)性能

2.3 交通荷載下采空區(qū)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同交通荷載作用之下，采空區(qū)“三帶”下沉量變化情況見圖4。

圖4 殘余下沉量變化曲線

通過圖4能夠看出，向采空區(qū)施加交通荷載，“三帶”殘余下沉量均呈現(xiàn)出中央高、兩側(cè)低的變化趨勢，殘余下沉量與荷載呈現(xiàn)正比例關(guān)系?！叭龓А钡淖畲蟪两盗糠謩e達(dá)到400、390以及350 mm，均超過采空區(qū)穩(wěn)定性范圍，盡管受到荷載發(fā)生位置影響導(dǎo)致殘余下沉量分布存在差異，但是“三帶”沉降量變化規(guī)律顯示，最大殘余下沉量均發(fā)生在處于交通荷載正下方的覆巖體。綜合整個(gè)圖4能夠看出，交通荷載存在差異的情況下，“三帶”在不同位置發(fā)生最大殘余：冒落帶的最大殘余下沉量出現(xiàn)在靠近荷載中央的位置；裂隙帶主要在開切眼初始位置以及停采線位置出現(xiàn)最大殘余下沉；彎沉帶與冒落帶類似，中央加載區(qū)域發(fā)生最大殘余沉降。出現(xiàn)這種情況主要是采空區(qū)包含三種型號(hào)的煤層，煤礦開采過程中需要多次開采，且該地區(qū)地形復(fù)雜，一旦重復(fù)開采，嚴(yán)重影響覆巖的整體穩(wěn)定性，加劇裂隙帶出現(xiàn)不能完全填實(shí)的空洞，受到地表交通荷載影響，土層發(fā)生較大規(guī)模移動(dòng)，發(fā)生較大殘余下沉量，造成該采空區(qū)穩(wěn)定性較差。

2.4 建筑荷載下采空區(qū)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同建筑荷載對(duì)于相同采空區(qū)域，以及不同采空區(qū)位置相同建筑荷載影響下采空區(qū)的穩(wěn)定性分析結(jié)果見圖5。

圖5 建筑荷載對(duì)于采空區(qū)穩(wěn)定性影響

從圖5中能夠看出，相同采空區(qū)位置下，建筑荷載越大，地表沉降量越大，三個(gè)區(qū)域?qū)Ρ葋砜矗煽諈^(qū)中心位置發(fā)生的沉降最為明顯，這種情況是由于中部采空區(qū)經(jīng)常發(fā)生巖石垮落，存在較為良好的地面壓實(shí)效果，導(dǎo)致出現(xiàn)較為均勻的沉降情況，采空區(qū)內(nèi)緣位置出現(xiàn)不能實(shí)現(xiàn)垮落的空洞，根據(jù)已有研究經(jīng)驗(yàn)，如果裂縫帶出現(xiàn)附加應(yīng)力，沉降為可接受范圍；如果在采空區(qū)邊緣位置施加荷載，將導(dǎo)致采空區(qū)穩(wěn)定性嚴(yán)重不平衡，所以，實(shí)際情況下如果在采空區(qū)上建造建筑，需要避開采空區(qū)邊緣位置，這樣才能兼顧采空區(qū)域建筑的整體穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

通過建模分析北方地區(qū)復(fù)雜地形下的煤礦采空區(qū)地質(zhì)穩(wěn)定性。建模過程使用ANSYS與FLAC3D等有限元模擬軟件，分別模擬回采、交通荷載、建筑荷載等工況，得出采空區(qū)地質(zhì)穩(wěn)定性數(shù)值分析結(jié)果，結(jié)果顯示：

1)采空區(qū)應(yīng)力云圖與位移云圖顯示該區(qū)域中部位置穩(wěn)定性較差；

2)交通荷載作用之下，荷載正下方的覆巖體出現(xiàn)較為嚴(yán)重的殘余下沉；

3)建筑荷載作用之下，采空區(qū)中心位置出現(xiàn)較為明顯的沉降。

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)采空區(qū)中心區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定性較差，今后建設(shè)改造過程中需要重點(diǎn)關(guān)注。