地下水水位變化時采空區(qū)覆巖變形特征研究
——以山東北埠煤礦為例

白 云，劉 波，王光凱，梁琴琴，謝孔金，宋海龍，王清標(biāo)，張軍賢

( 1.山東正元地質(zhì)資源勘查有限責(zé)任公司，山東 濟南 250101；2.山東正元冶達科技發(fā)展有限公司，山東 濟南 250101；3.山東科技大學(xué) 煤礦充填開采國家工程實驗室，礦山災(zāi)害預(yù)防控制重點實驗室，山東 青島 266590；4.臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 臺州 317212 )

0 引言

煤層的開采順序和開采方式一定時，煤礦開采過程中應(yīng)力傳遞路徑也是確定的，此時地下水位的變化使得原有覆巖具有不同的孔隙水壓力，煤礦圍巖的物理特性也有所改變，從而影響到開挖過程及后期覆巖應(yīng)力及變形規(guī)律[1]。

Korten提出了采空區(qū)上對應(yīng)的地表水平變形及上覆巖層移動分布理論，為采空區(qū)沉降研究提供了理論基礎(chǔ)[2]；呂士華通過研究發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)上覆巖層的強度會隨著地下水的進入而降低，從而破壞巖層的平衡狀態(tài)，加劇采空區(qū)殘余變形的發(fā)生[3]；海龍等利用物理模擬實驗，分析了地下水侵入采空區(qū)后的覆巖移動及覆巖殘余變形對地表的影響規(guī)律，研究表明地下水侵入采空區(qū)后，原有應(yīng)力平衡發(fā)生變化，地表發(fā)生再次下沉[4]；王云廣認為一定條件下含水覆巖層內(nèi)的水活動可引起采空區(qū)覆巖移動，長時間作用下可引發(fā)更大范圍、更大程度的覆巖移動變形或局部突發(fā)性塌陷[5]。

可以看出，國內(nèi)外諸多學(xué)者針對地下水對采空區(qū)覆巖、地表變形機理及規(guī)律做出了一定研究，但是對不同地下水水位條件下煤層開采過程中的上覆巖體變形特征缺乏對比性研究，地下水水位變化會打破地層原有應(yīng)力平衡，使圍巖的應(yīng)變情況與承載能力均發(fā)生改變，因此，針對性得開展不同地下水水位情況下采空區(qū)引發(fā)的圍巖變形特征及沉降特性，對煤礦的安全開采具有重要指導(dǎo)意義。本課題以北埠煤礦為依托，利用FLAC3D軟件對礦區(qū)內(nèi)不同地下水位條件下傾斜煤層開采過程中地層變形特征展開深入分析，為采空區(qū)塌陷的預(yù)防、治理及地表建筑物的穩(wěn)定性評價提供參考[6-7]。

1 工程概況

北埠煤礦自上而下有五層主采(可采)煤層，分別為2、4、7、15、19層煤，區(qū)內(nèi)煤層走向20°，傾向SE，傾角35°～43°，一般35°～37°。煤層走向長1760 m，傾斜寬900 m，面積1.5802 km2。

井下主采煤層為2層煤和4層煤，該煤層真厚度為0.60～1.50 m，平均厚1.10 m，為較穩(wěn)定煤層，賦存高程+150 m～-350 m，局部含一層夾矸，厚0.04～0.35 m；礦山位于萊蕪盆地的裂隙、巖溶、孔隙弱-強富水地段，地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙水、碳酸鹽類裂隙巖溶水和層間裂隙水。

2 模型的建立

根據(jù)萊蕪市北埠礦區(qū)原有、現(xiàn)有地下水位的基本情況，建立不同地下水位工況下的數(shù)值計算模型，研究分析不同地下水位下地表沉降變形規(guī)律；此次分析依照萊蕪市地下水位變化高度為基礎(chǔ)選取4種不同的地下水工況進行了數(shù)值計算分析，以期探求地下水位的變化對采空區(qū)開采引起的地層變形和地表沉降規(guī)律，4種情況見表1。開采順序為7#→19#→2#→15#→4#，單向開采。

表1 不同工況條件地下水水位Table 1 Groundwater level under different working conditions

此次數(shù)值模型共包括113 436個單元格和124 764個單元節(jié)點，共有6個邊界面。根據(jù)本工程既有巖土體材料特性，材料本構(gòu)模型采用摩爾—庫倫模型，并利用ANSYS與FLAC3D轉(zhuǎn)換接口程序，將模型導(dǎo)入FLAC3D中進行計算，通過FLAC3D強大的圖文后處理功能，可以輸出包括云圖、矢量圖、曲線、數(shù)據(jù)、動畫等各種格式的結(jié)果。模型服從土的固結(jié)屈服準(zhǔn)則，計算過程采用小變形效應(yīng)。所建模型見圖1。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 地表變形

本次數(shù)值模型地表變形模擬結(jié)果見圖2。由圖2可見，煤層開采過程中，隨著地下水位不斷降低，孔隙水壓力不斷減小，附加應(yīng)力逐漸減小，導(dǎo)致地層沉降變形逐漸減小。當(dāng)?shù)叵滤粸镾=200 m時，煤層初期開采未造成地下水位大幅下降時，采空區(qū)的出現(xiàn)對地表變形量影響最強，其最大沉降量為237 mm，且沉降范圍在礦界區(qū)域內(nèi)，是4種情況下對地表影響最大的工況；隨著地下水水位的降低，附加應(yīng)力逐漸下降，煤層開采對地表沉降變形量貢獻值降低，地表最大變形量及其影響范圍相應(yīng)減??；當(dāng)?shù)叵滤幌陆档絊=50 m及以下時，采空區(qū)引起的地表變形最大值為129 mm，約為S=200 m時的54%，此時變形影響范圍也超出了礦區(qū)邊界，礦區(qū)西南角的地表變形超出礦界100 m以上。由此可知，地下水位的改變對煤層上覆巖層及地表變形影響較明顯，在實際工程中，應(yīng)對地下水位進行重點考慮，以免因地下水位變化造成地表變形過大，引起地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害[8-11]。

圖1 FLAC3D數(shù)值模型Fig.1 Numerical model of FLAC3D

3.2 采空區(qū)近地表縱深覆巖變形規(guī)律分析

以橫穿和縱穿地表最大沉降點的剖面為研究對象，選取采空區(qū)通過處截面X=1200 m、X=1400 m、Y=1200 m、Y=1600 m的地層沉降變化規(guī)律，分析不同地下水位對不同截面處地層沉降變形影響規(guī)律。

X=1200 m截面處地層變形規(guī)律見圖3。由圖3可知，不同地下水水位條件下地層變形最大量均發(fā)生在煤層頂板位置，并向地面逐漸降低；不同地下水水位下，地層變形趨勢具有極大相似性，最小豎向變形量發(fā)生在地下水位為S=50 m時，此時最大地層沉降為180 mm，發(fā)生在煤層開采區(qū)頂板處；地下水位為S=200 m時，煤層開采對地下水位的影響不大，地層變形最大值為291 mm，在底板極小部分區(qū)域地層發(fā)生約45 mm的底鼓；地下水位降低至150 m以下時，地層變形最大沉降、底鼓量分別為195 mm、45 mm，且隨著地下水位的持續(xù)降低，引起的地層變形不明顯，說明地下水位的降低會使得地層區(qū)域附加應(yīng)力減小，造成煤層頂板底板下沉和底鼓量相應(yīng)減小[12-15]。

圖2 不同水位條件下地表變形等值線圖Fig.2 Contour map of surface deformation under different water levels

圖3X=1200m處截面豎向變形等值線圖Fig.3 Contour map of vertical deformation of section at X=1200 m

X=1400 m處截面地層變形規(guī)律見圖4。由圖4可知，X=1400 m截面與X=1200 m處地層沉降變形呈現(xiàn)的趨勢基本一致；在開采初期，地下水位為S=200 m時，煤層開采引起的地層變形最大量為375 mm，發(fā)生在煤層頂板位置，最大煤層底鼓量為87 mm，為頂板變形的23.2%；地下水水位為S=150 m時，地層變形最大量為256 mm，最大底鼓量為10 mm，與S=200 m處截面引起的地層變形相比，同一位置處地層變形減小了32%，剩余變形量為工況一的68%，說明隨著地下水位高度的改變，煤層開采引起的地層變形影響顯著；當(dāng)?shù)叵滤粸镾=150 m時，地下水水位的進一步下降對地層X=1400 m截面處變形逐漸減小，減小趨勢較緩，最大變形量和最大底鼓量也趨于穩(wěn)定。

圖4 X=1400m處截面豎向變形等值線圖Fig.4 Contour map of vertical deformation of section at X=1400 m

Y=1200 m截面處地層變形規(guī)律見圖5。由圖5可知，與X=1200 m、X=1400 m截面相比，Y=1200 m處地下水水位的變化對地層變形影響更加明顯，地下水位為S=200 m時，地層變形最大量為51 mm，煤層上方大部分區(qū)域變形均大于40 mm；地下水位降低到S=150 m時，地層變形規(guī)律變化不再明顯，最大豎向變形維持在19 mm，約占S=200 m時地層最大變形的38%；采空區(qū)頂板以上地層變形在7～9 mm，可見地下水位的下降可減小煤層開采對地層變形的影響。

Y=1600 m截面處地層變形規(guī)律見圖6。由圖6可知，與X=1200 m、X=1400 m、Y=1200 m處截面地層變形規(guī)律變化趨勢基本相同。S=200 m時，工況一地層變形較工況二、工況三、工況四變形大的多，其最大變形量達268 mm，最大底鼓量為180 mm，而其他工況下地層變形量僅為其67%，說明當(dāng)?shù)叵滤幌陆档揭欢ǔ潭群?，地下水位的改變不再對地層變形造成顯著影響，與上述其他截面處反映變形規(guī)律相同。

3.3 采空區(qū)近地表縱深覆巖變形曲線分析

將上述各截面處地表沉降變形數(shù)據(jù)進行整理和分析，并匯總成地表沉降曲線如下：

X=1200 m截面處三方向變形示意圖見圖7。由圖7可知，地下水水位對該截面處三方向的變形影響顯著；地下水水位為S=200 m時，地表豎向、水平X向、水平Y(jié)向變形曲線起伏較大，隨著煤層的繼續(xù)開采，地下水水位下降，地表在該截面處三方向變形起伏波動較小，呈單峰沉降曲線狀，峰值點中心坐標(biāo)為(X=1200、Y=1500、S=208)；工況二、工況三、工況四中地下水水位變形曲線幾乎重合，說明地下水水位對地表變形影響具有一定的范圍，當(dāng)超出了該界定范圍后，地下水水位的下降對該截面處地表各方向變形影響不再明顯；四種工況下在該截面變形趨勢相近，最大豎向變形位置相同；最大水平X向變形中心坐標(biāo)位置為(X=1200、Y=1750、S=208)；最大水平Y(jié)向變形中心坐標(biāo)為(X=1200、Y=1300、S=208)、(X=1200、Y=1750、S=208)，呈雙峰變形，其拐點位置即為豎向、水平X向變形。

圖5 Y=1200m處截面豎向變形等值線圖Fig.5 Contour map of vertical deformation of section atY=1200 m

圖6 Y=1600m處截面豎向變形等值線圖Fig.6 Contour map of vertical deformation of section at Y=1600 m

圖7 X=1200m處截面三方向變形曲線圖Fig.7 Three direction deformation curve of section at X=1200 m

X=1400 m截面處三方向變形示意圖見圖8。由圖8可知，X=1400 m截面與X=1200 m截面處地表水平、豎向變形曲線相似；地下水位較高(S=200 m)時，地表三方向變形波動較大，最大豎向、水平X向、水平Y(jié)向變形量分別為237 mm、70 mm、45 mm，最大變形位置與X=1200 m截面相同；地下水位較低(S=150 m以下)時，地下水位的改變對該截面變形特征的影響較小，最大豎向、水平X向、水平Y(jié)向變形量分別為125 mm、65 mm、25 mm，約為工況一地表變形的53%；在同一開采順序和開采方式下，僅改變地下水位可減小地表變形112 mm，約為工況一的47%[16]。

圖8 X=1400m處截面三方向變形曲線圖Fig.8 Three direction deformation curve of section at X=1400 m

Y=1200 m截面處三方向變形示意圖見圖9。由圖9可知，Y=1200m處截面地表豎向、水平X向變形呈現(xiàn)V字形，水平Y(jié)向變形呈現(xiàn)倒V字形，且豎向、水平X向、Y向最大變形量為-47 mm、-23 mm、+45 mm，分別位于(X=1300、Y=1200、S=208)、(X=1400、Y=1200、S=208)、(X=1250、Y=1200、S=208)處。

Y=1600 m截面處三方向變形示意圖見圖10。由圖10可知，煤層開采初期，地下水水位較高(S=200 m)時，地下水水位對其豎向變形影響較大，約為296 mm，水平X向、水平Y(jié)向變形曲線為雙峰波動型，兩峰值之間拐點位置即為豎向變形最大變形點；地下水水位降至150 m時，水位的繼續(xù)降低對該截面處變形影響不再顯著。

3.4 采空區(qū)近地表變形矢量圖結(jié)果分析

地面變形矢量圖見圖11。由圖11可知，當(dāng)?shù)叵滤粸镾=200 m時，地表沉降出現(xiàn)兩個碗狀漏斗，變形較大；當(dāng)?shù)叵滤挥休^大下降時，煤層采空區(qū)對地層變形影響較大，地表變形呈現(xiàn)向單一沉降漏斗狀轉(zhuǎn)換，影響范圍呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；圖中箭頭長短代表著移動變形的大小，箭頭方向代表水平位移移動方向，根據(jù)箭頭顏色可以看出最大水平變形均發(fā)生在坐標(biāo)(X=1300、Y=1500)處，水平變形向碗狀中心靠攏，在碗狀影響區(qū)以外水平方向上基本繞移動盆地呈環(huán)狀分布。

圖9 Y=1200m處截面變形三方向變形曲線圖Fig.9 ThreedirectiondeformationcurveofsectionatY=1200m

圖10 Y=1600m處截面三方向變形曲線圖Fig.10 Three direction deformation curve of section at Y=1600 m

圖11 不同工況條件下地表變形矢量圖Fig.11 Vector map of surface deformation under different working conditions

3.5 采空區(qū)近地表變形三維示意圖

不同地下水水位條件下煤礦開采引起的地表塌陷三維效果見圖12。由圖12可知，不同工況下地表變形規(guī)律均呈現(xiàn)單峰沉降地表移動盆地，地下水位的改變對其變形形態(tài)改變影響不大；通過對不同工況下地表變形進行分析，并將其排序：[S=200 m(237 mm)] >[S=150 m(195 mm)]=[S=100 m(150 mm)]=[S=50 m(129 mm)]。當(dāng)?shù)叵滤惠^高時，孔隙水壓力較大，煤層開采造成地表變形較大；隨著地下水位的不斷下降，孔隙水壓力逐漸減小，地層區(qū)域附加應(yīng)力減小，地表變形減??；但地下水對地表變形影響具有一定的影響范圍，超出此范圍，地下水位的繼續(xù)降低對地表變形的影響不在顯著。

圖12 地表塌陷三維效果圖Fig.12 3D effect map of surface collapse

4 結(jié)論

地下水對采空區(qū)應(yīng)力平衡影響不容忽視，煤礦開挖時不同地下水水位引起的地表沉降、圍巖變形不同，通過數(shù)值模擬四種工況(S=200 m、S=150 m、S=100 m、S=50 m)下采空區(qū)地表沉降、縱深覆巖變形及地表變形矢量情況，得到地下水水位變化時采空區(qū)覆巖的變形特征，結(jié)論如下：

1)采空區(qū)的覆巖附加應(yīng)力及地表沉降量在地下水水位S=200 m時為最大值，地下水水位下降后，地表沉降及沉降影響范圍相應(yīng)減小，并逐漸趨于某一固定值。

2)煤層的頂板在開挖后位移值最高，并向地表方向遞減，地下水水位S=200m時，由采空區(qū)導(dǎo)致的地表變形形態(tài)為雙漏斗狀，隨著地下水水位降低，逐漸變?yōu)閱我宦┒沸螤睢?/p>

3)地下水的存在使圍巖的水壓力、附加應(yīng)力增加，并降低圍巖自身強度，煤層開挖后，地下水水位越高，開挖導(dǎo)致的圍巖變形及地表沉降值越高。