礦區(qū)地面沉陷發(fā)生-演化機(jī)理研究

秦志嬌　馬柳

摘要：煤礦開采引起的地面沉陷問題越來越受到人們的關(guān)注，對(duì)地面沉陷發(fā)生-演化機(jī)理進(jìn)行研究，并通過數(shù)值模擬對(duì)地表塌陷災(zāi)害的影響情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，為地面沉陷引起的地表變形和破壞進(jìn)行控制和修復(fù)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地面沉陷;發(fā)生-演化機(jī)理;數(shù)值模擬

煤礦開采沉陷又稱“礦山巖層及地表移動(dòng)”，是指煤礦地下開采引起的連續(xù)的移動(dòng)、變形以及非連續(xù)的破壞現(xiàn)象。目前，采煤造成的地面沉陷已經(jīng)成為煤礦危害程度最大，延續(xù)時(shí)間最長的一種工程地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)礦區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和地表自然環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害[1，2]。本文針對(duì)某礦區(qū)地面沉陷的實(shí)際情況，對(duì)地面沉陷發(fā)生-演化機(jī)理進(jìn)行探討，并通過Abaqus軟件對(duì)礦區(qū)地面沉陷發(fā)生情況模擬分析，為地面沉陷災(zāi)害的防治提供依據(jù)。

1開采沉陷地質(zhì)災(zāi)害的形成機(jī)制

煤層采空以后，采區(qū)周圍巖體內(nèi)部應(yīng)力平衡狀態(tài)受到了破壞。為了達(dá)到新的平衡，在采區(qū)上覆巖層重力的作用下，巖體內(nèi)部的移動(dòng)和變形以垮落、斷裂、離層和彎曲沉降為主要方式。將巖層在垂直方向的變形自下而上分為3個(gè)帶，冒落帶、裂隙帶、彎曲帶，具體如下[3]：

（1）冒落帶又稱垮落帶，位于采空區(qū)的上方。煤層采空后，上方頂板在自重和其上覆巖層重力的共同作用下，所承受的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過自己的強(qiáng)度極限，上覆的巖層被破碎成碎片，塌陷掉落下來，堆積于采空區(qū)。

（2）位于冒落帶上方的巖層為裂隙帶，也叫彎曲破裂帶。裂縫帶巖層在自身重力作用下以及失去了冒落帶的支撐，所受的壓力超過自身的強(qiáng)度范圍，產(chǎn)生裂縫或斷裂，但仍然保持原有的結(jié)構(gòu)不發(fā)生塌落。

（3）彎曲破裂帶上方的巖層所承受的壓力在自身強(qiáng)度范圍內(nèi)，移動(dòng)變形的程度較小，只發(fā)生彎曲沉降，但并不破裂，這部分巖層被稱為彎曲變形帶。

某礦區(qū)矸石山等頂部有些地方雖已復(fù)墾過，但在地下采空區(qū)的影響下，沉陷和裂縫情況仍然很嚴(yán)重。礦區(qū)平臺(tái)表面土壤松散，出現(xiàn)嚴(yán)重的徑流現(xiàn)象。排土場為土石混排，整體構(gòu)形比較松散，表面下沉系教大，在降雨條件下，雨水直接沿著土層下滲，對(duì)土層產(chǎn)生侵蝕搬運(yùn)作用，在表面形成裂縫;在大氣降水的不斷作用，裂縫不斷擴(kuò)大，形成通道，工作區(qū)回采結(jié)束時(shí)在采空區(qū)上方形成裂縫帶。在兩者的共同作用下，下部土層支撐力不斷減弱，上部土層的自重力相對(duì)的增加，失去平衡，導(dǎo)致地面沉陷。

2某礦區(qū)矸石山區(qū)域地表變形數(shù)值模擬分析

對(duì)某礦區(qū)矸石山區(qū)域開展地表沉陷研究，簡化三維模型見圖1，整體模型東西長1600m，南北寬1800m。

該礦區(qū)矸石山區(qū)域模型地表豎直方向（Z方向）位移等值線圖見圖2，由圖可以看出，地表沉陷位移在地層傾角等影響下，沉陷區(qū)域位移最大位置主要出現(xiàn)采空區(qū)上方，下沉量為3.636m。

圖3為該礦矸石山區(qū)域采空區(qū)模型采空區(qū)斷面（X-Z面）豎直方向應(yīng)變?cè)茍D，由圖可以看出，該礦矸石山區(qū)域地下采空區(qū)分為四層，在四層采空區(qū)形成后，上覆巖層在重力作用下發(fā)生沉降變形，沉陷量更大，變形范圍變大，模型的地表沉陷最大位移3.636m。

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查情況可知，在數(shù)值模擬中的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際調(diào)查的結(jié)果存在差異。主要是因?yàn)榈孛嫠莸男纬墒艿搅酥貜?fù)采動(dòng)的影響，并在原本巖層中的不良地質(zhì)體的影響下，致使巖層變形在局部位置不連續(xù)，反映到地表形成塌陷坑，對(duì)于數(shù)值模擬將巖層視為均質(zhì)體進(jìn)行研究，無法凸顯地下不良地質(zhì)體。

3結(jié)論

通過對(duì)某礦區(qū)開采沉陷的發(fā)生-演化機(jī)理的理論研究，確定了該礦地面沉陷的發(fā)生-演化機(jī)理;對(duì)該礦區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到了地表及地下幾米處的應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)，分析得到地表沉陷最大位移為3.636m。研究礦區(qū)開采沉陷的發(fā)生-演化機(jī)理，對(duì)科學(xué)進(jìn)行采煤、合理防治地質(zhì)災(zāi)害、減輕礦區(qū)經(jīng)濟(jì)損失及保障人員的生命安全具有全面的理論依據(jù)和實(shí)際價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]鐔志偉，胡鵬華，程五一，王仙，王云海，付士根.煤層群開采條件下地面沉陷的評(píng)價(jià)[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2006（04）：101-104.

[2]段麗麗，朱明，DUANLi-li，etal.礦區(qū)地面沉降的危害及其防治[J].河北聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，29（1）：122-124.

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[4]董漢軍.厚松散層礦區(qū)綜放開采地面沉陷三維可視化[D].西安科技大學(xué)，2008.