礦區(qū)地面沉陷發(fā)生-演化機理研究

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注，對地面沉陷發(fā)生-演化機理進行研究，并通過數值模擬對地表塌陷災害的影響情況進行預測，為地面沉陷引起的地表變形和破壞進行控制和修復提供了理論依據。

關鍵詞：地面沉陷;發(fā)生-演化機理;數值模擬

煤礦開采沉陷又稱“礦山巖層及地表移動”，是指煤礦地下開采引起的連續(xù)的移動、變形以及非連續(xù)的破壞現象。目前，采煤造成的地面沉陷已經成為煤礦危害程度最大，延續(xù)時間最長的一種工程地質災害，對礦區(qū)經濟發(fā)展和地表自然環(huán)境造成了嚴重的危害[1，2]。本文針對某礦區(qū)地面沉陷的實際情況，對地面沉陷發(fā)生-演化機理進行探討，并通過Abaqus軟件對礦區(qū)地面沉陷發(fā)生情況模擬分析，為地面沉陷災害的防治提供依據。

1開采沉陷地質災害的形成機制

煤層采空以后，采區(qū)周圍巖體內部應力平衡狀態(tài)受到了破壞。為了達到新的平衡，在采區(qū)上覆巖層重力的作用下，巖體內部的移動和變形以垮落、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，所承受的壓力遠遠超過自己的強度極限，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度范圍，產生裂縫或斷裂，但仍然保持原有的結構不發(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度范圍內，移動變形的程度較小，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重。礦區(qū)平臺表面土壤松散，出現嚴重的徑流現象。排土場為土石混排，整體構形比較松散，表面下沉系教大，在降雨條件下，雨水直接沿著土層下滲，對土層產生侵蝕搬運作用，在表面形成裂縫;在大氣降水的不斷作用，裂縫不斷擴大，形成通道，工作區(qū)回采結束時在采空區(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的增加，失去平衡，導致地面沉陷。

2某礦區(qū)矸石山區(qū)域地表變形數值模擬分析

對某礦區(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）豎直方向應變云圖，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。

結合現場調查情況可知，在數值模擬中的計算結果與實際調查的結果存在差異。主要是因為地面塌陷的形成受到了重復采動的影響，并在原本巖層中的不良地質體的影響下，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，對于數值模擬將巖層視為均質體進行研究，無法凸顯地下不良地質體。

3結論

通過對某礦區(qū)開采沉陷的發(fā)生-演化機理的理論研究，確定了該礦地面沉陷的發(fā)生-演化機理;對該礦區(qū)進行數值模擬研究，得到了地表及地下幾米處的應力及應變狀態(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-演化機理，對科學進行采煤、合理防治地質災害、減輕礦區(qū)經濟損失及保障人員的生命安全具有全面的理論依據和實際價值。

參考文獻：

[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價[J].中國安全生產科學技術，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)合大學學報（自然科學版），2007，29（1）：122-124.

[3]欒長青.采空區(qū)的沉陷機理及地表變形破壞的時空預測研究[D].長安大學，2005.

[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，2008.