贵州水城煤矿上覆岩层破坏机理及地质环境灾害预测

薛寒冰，将月文，王 顺

(1.重庆能科工程勘察有限公司 重庆 400060； 2.中国地质大学 武汉 430047)

贵州水城煤矿上覆岩层破坏机理及地质环境灾害预测

薛寒冰1，将月文1，王 顺2

(1.重庆能科工程勘察有限公司 重庆 400060； 2.中国地质大学 武汉 430047)

山区煤矿地质构造复杂，采煤导致矿 区地表变形形式与平原地区有很大差异。以贵州水城煤矿为例，依照其工程地质条件及开采方式，选取贯穿矿界的3条地质勘探剖面，利用FLAC3D有限差分软件对开采过程进行数值模拟，预测采煤引起上覆岩破坏机理和地表破坏形态。研究结果表明：前期阶段上覆岩层破坏和地表下沉最为明显，随着采区向深层延伸，地形起伏增大，倾斜的覆岩组合特征和岩性发生改变，地表不会形成类似平原地区的沉陷盆地和沉陷漏斗，而是产生大量裂缝；上覆岩层破坏表现为出现贯通的拉张裂隙带，尤其在沟谷等应力集中区域更为明显，将会改变矿区原有水文地质条件，不排除局部地表水出现疏干的状况。最后结合上覆岩层变形量及破坏机理，对采区可能引发的地质环境灾害进行了预测。研究成果对山区煤矿土地复垦和矿山地质环境评价提供了参考。

山区煤矿；上覆岩层；破坏机理；数值模拟；地质环境灾害

贵州省煤炭资源丰富，是西电东输的重要省份，但由于地处山区，地形复杂，开采煤炭资源对地表产生的影响远大于平原地区[1]。采矿引起的上覆岩层破坏和地表变形作为一种外生地质灾害，不仅破坏耕地和植被，损坏地面建筑物，而且还会破坏水资源环境，给工农业生产和生态环境构成了极大威胁[2-4]，对山区因煤矿开采引发的覆岩变形破坏与地表破坏已经成为环境工程学和环境岩土学重要的研究课题。近年来，国内许多学者进行了开采覆岩运动方面的研究，王利等研究了巨厚覆岩下开采的地表变形与采矿灾害的相关性[5]；王金安等报道了地下开采覆岩的稳定性及断裂机制[6-7]；滕永海等研究了综采放顶煤条件下，覆岩中导水裂隙带的发育规律[8]。宣以琼认为薄基浅埋煤层上覆泥岩和砂岩具有脆性易裂和再生隔水能力弱等新的破坏移动特性[9]。但是对山区复杂地质条件开采引发的上覆岩变形和地表沉陷以及相关的地质环境灾害的研究还较少。本文以贵州水城煤矿为例，在详细分析煤矿地质背景的前提下，结合开采工艺，利用数值分析的方法对煤矿采区上覆岩的变形破坏机理进行了分析，并对矿山地质环境灾害进行预测分区，为山区煤矿土地复垦和矿山地质环境评价提供参考。

1 矿区地质

贵州水城煤矿位于格木底向斜西南翼，上覆岩体厚800m以上，属于典型深部矿井。含煤地层为二叠系龙潭组(P2l)，倾角约为33°，共分为四段，岩性主要为细碎屑岩、煤、黏土岩，总厚431～466m，可采与局部可采煤层10层，多位于本组中上部和下部。煤系上部的飞仙关组(T1f)，以泥质粉砂岩和细粒砂岩为主，平均厚度达700m。其上为永宁镇组(T1yn)巨厚层灰岩。矿区内主要出露地层为飞仙关组，多为逆向坡(图1)。

图1 矿区地质剖面Figure1 Mine area geological section

由于原始地应力的作用，向斜翼部岩层容易形成垂直于岩层面的张裂隙，采煤活动极易引发裂隙复活并扩展延伸，造成一系列灾害，如陡崖处引发崩塌、含水层被疏干等。矿区内的断层比较发育，主要分布在矿区中西部南侧的软岩层龙潭组中，这些断层一般延伸距离较短或断距不大，对本矿开发影响不大。由于采区构造和地形地貌较为复杂，另外在地表不同部位同时出现强度较低的泥质粉砂岩和强度较高的灰岩，能干性的差异可能导致上覆岩破坏机理更为复杂。

2 开采覆岩变形破坏的数值模拟

2.1 模型的建立

据矿区地质勘探剖面图，选取沿岩层倾向贯穿整个矿区的31#、35#、39#三个典型剖面进行计算，以下重点分析35#剖面的计算结果。

由于岩体及其结构的复杂性(图2)，模型设计时进行了必要的简化，重点考虑影响上覆岩层破坏的主要因素。可采煤层都分布于龙潭组(P2l)，数值计算中，将P2l四段内的各煤层分别简化成一层，共计四层，煤层总厚度12.1m，等于本剖面勘探得出的可采煤层总厚度。根据煤层开采的特点，把上覆岩层作了连续、均匀的弹性体假设，利用FLAC3D 有限差分方法建立了开采沉陷模型。

2.2 计算模型描述

有限元模型单元采用自由网格划分，开采煤层附近网格划分密集，整个模型共20 450个单元，节点23 078个，上下边界高程为900～2 150m，网格模型见图3。边界条件为底面全约束， 左右两侧水平约束，地表为自由面。

2.3 计算参数选取及过程说明

数值模拟涉及到的岩层及岩石力学参数见表1。采空区的垮落带矸石计算参数用煤层力学参数折减20%进行考虑，模拟其具有一定强度，但比原始煤层结构松散的特征。

按矿山采矿许可证规划，将开采分为三个阶段。根据图2开采范围所示，三个阶段的水平里程分别是0～450、450～750和750～1 300m，采用走向长壁式开采，自然垮落处理顶板，依照开采方案， 沿水平主巷道分布的多个可采煤层同时开采，即本次计算中，简化后的四层可采煤层同时开采。模拟过程中，假设每个阶段开采完毕后，采空区才自然放顶；下个阶段开采开始时，前一阶段的采空区冒落矸石完全被填充。在实际情况中，走向长壁式开采覆岩是随采随垮，并不会按划分的阶段垮落，且采空区冒落的矸石是一种松散介质，随着工作面的推进, 矸石在覆岩作用下逐步被压实, 材料密度, 弹性量和泊松比都随时间增加。因此本次数值模拟的结果具有一定的安全储备，符合矿山地质环境评估原则。矿区岩体物理力学参数来源于煤矿勘察期间样品试验成果，测试单位为贵州地矿局113地质队。

图2 35#剖面Figure 2 Section No.35

表1 矿区岩体数值模拟物理力学参数

图3 数值分析模型网格剖分及岩体分组Figure 3 Numerical analysis model mesh gridding and rock mass grouping

2.4 数值模拟成果分析

采空区进行自然放顶后，上覆岩层破坏，应力重新分布作用剧烈，覆岩从下到上依次形成垮落带、断裂带、弯曲带[10]。图4给出了开采活动结束后覆岩垂直位移图a和总位移图b。

由图4可以看出，开采导致开采范围内最大综合位移和最大垂直位移十分接近，可见因采矿导致的地表变形以垂直沉降为主，水平位移较小。矿山开采活动结束后，覆岩存在拱形断裂与垮落的特点，主要集中在飞仙关组中，开采前，覆岩泥质粉砂岩处于平衡状态，煤层处于压缩状态，开采后,直接顶板逐渐垮落，填充到采空区中, 形成垮落带。

开采产生的断裂带位于采空区和采空区边缘的垮落带之上，随着开采岩层的下沉弯曲，在泥质粉砂岩中发育张拉裂隙或者剪切裂隙。从图4b可以看出，开采结束后，断裂带主要分布在飞仙关组中。随着开采工作面的推进，断裂向上扩展至上覆灰岩中，并向下山方向扩展。

(a)垂直位移图

(b)总位移图图4 开采结束后覆岩垂直位移和总位移Figure 4 Vertical displacement and resultant displacement of overlying strata after mining completion

当开采范围足够大时,成层状弯曲岩层将传至地表, 使得地表产生沉陷[12]，图5为沿35#剖面倾向方向地表沉陷分布图。

图5 35#剖面地表沉陷Figure 5 Surface subsidence on section No.35

由图5可见，地表在三个开采阶段均有不同程度的沉降，最大沉降位于采空范围的中间，向两侧逐步减小，且地表沉降主要发生在开采第一阶段。

开采前第一阶段上覆岩层破坏和地表下沉最为明显，随着采区向深层延伸，上覆岩层逐渐变厚，地形起伏变大，倾斜的覆岩组合特征和岩性发生改变，导致地表不会形成类似平原地区的沉陷盆地和沉陷漏斗,地表破坏形式主要为在沟谷等应力集中区域岩石中局部产生深大裂隙，这也是引起矿山地质环境灾害的主要因素。

3 开采过程覆岩破坏动态分析

分析覆岩在开采过程中的破坏机制关键在于了解厚层顶板泥质粉砂岩在各个阶段的变形特性。

图6为分阶段的塑性区岩土体变形特征图,图中None表示为岩体未破坏；shear 表示剪切破坏；tension 表示拉破坏；-p表示开采过程中发生了相应破坏，但开采结束岩体通过应力重分布和位移调整已经回到未破坏状态；-n表示计算结束后剖面中存在相应破坏区。

(1)Ⅰ阶段开采完后(图6a)，在上覆岩层较薄的左部，存在一条的剪切拉张带，且在该阶段开采完成后，该剪切拉张带仍然处于失效状态，表明在该剖面处，因煤矿开采使采空区上方的飞仙关组产生了较连续的裂隙。若考虑到构造作用在岩层中形成的原始张裂，该剪切拉张带可能会在空间上贯通。

(2)Ⅱ阶段开采区上部剪切张拉带和塑性破坏区较Ⅰ阶段有所减少(图6b)。由于Ⅰ阶段开采，自然放顶后，岩体将前一阶段采空区掩埋，起到了保护煤柱的作用，采空区沿倾向方向跨度基本不变，接触模型由悬臂梁(或悬臂板)转换为简支梁(或固定板)，岩体中弯矩减小，有效降低了采空区的位移，同时，因采深进一步扩大，覆岩厚度进一步增大，而水平应力较先前增大，有效遏制了采空区位移的扩展。

a.Ⅰ阶段

b.Ⅱ阶段

c.Ⅲ阶段图6 分阶段开采完覆岩变形机制塑性区分布Figure 6 Overlying strata deformation mechanism plastic zone distribution after staged mining

(3)经过这Ⅲ阶段开采后(图6c)，塑性破坏区进一步减小，说明这一阶段，覆岩变形趋于稳定，地表裂隙宽度和数量都稳定在一定范围内。

4 矿山地质环境灾害危险性预测

根据对矿区地质环境分析，结合现场地质灾害调研，预测矿区因覆岩破坏和地表变形引发的地质环境灾害有主要有崩塌、地下含水层的破坏、地表裂缝和地表沉陷，因此有必要对矿区地表进行矿山地质环境灾害评价。

从数值模拟结果可以看出，开采的三个阶段，在飞仙关组中可能形成贯通的裂隙，导致覆岩中含水层发生比较严重的破坏。

开采煤矿导致的岩土体破坏往往随着岩石中应力的调整而产生，当地表为沟谷等凹形地貌时，开采沉陷在“三下”规程和数值模拟的结果上将会加重；而当地表为山包、山脊等凸形地貌时，沉陷、裂缝会减轻。同时考虑到采煤的工艺为多层顺序开采法，这种工艺本身对减轻沉陷也是有益的。

根据矿山地质环境保护与治理恢复方案编制规范对矿区地质环境灾害进行预测评估，为此笔者结合本文研究成果总结出适合该矿区的地质环境灾害危险性预测评估原则(表2)。根据该原则得到开采规划期后矿山地质环境灾害危险性预测分区图(图7)。

5 结论

以矿区地质环境为基础，根据开采方案，分阶段对贵州水城煤矿开采规划期内上覆岩层破坏及地表变形进行了数值模拟和地质环境灾害危险性评估，结果表明：

(1)上覆岩破坏和地表变形在开采第一阶段内产生最剧烈，破坏形式主要表现为在沟谷等应力集中区域岩石局部产生深大裂隙，同时在地表陡峭处易产生崩塌；

(2)地质构造作用和地下开采导致上覆岩中形成贯通裂隙，可能会改变矿区地下水水文地质环境，不过，由于地应力和位移的逐渐调整，随着1000m左右上覆岩层的应力调整，其应力状态由拉应力状态转化成压应力状态，从而遏制了部分裂缝和地面沉陷的产生，不会对地下水循环途径产生永久性破坏，但要加强监测，做到及时发现、及时解决；

表2 矿区地质环境灾害危险性评估原则

(3)根据对3个典型勘探剖面的数值模拟， 得出了地表位移量和上覆岩层破坏范围，结合其他评估因子，绘制出矿区地质环境灾害危险性预测评估图，可为矿区地质环境灾害防治和治理提供参考。

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OverlyingStrataFailureMechanismandGeologicalEnvironmentHazardPredictioninShuichengCoalmine,GuizhoupredictionofacoalmineinGuizhouprovince

Xue Hanbing1, Jiang Yuewen1and Wang Shun2

(1.Chongqing Nengke Engineering Prospecting Co. Ltd., Chongqing 400060; 2.China University of Geosciences, Wuhan, Hubei 430047)

Geological structures in mountainous area are complex, coal mining caused surface deformation patterns in those areas vary widely with deformation in flat areas. Taking the Shuicheng coalmine in Guizhou as an example, according to its engineering geological condition and recovery method, selected 3 geological sections run through the coalmine carried out numerical simulation of mining process through FLAC3D finite difference software, predicted overlying strata failure mechanism and surface failure pattern. The result has shown that in the early stage, overlying strata failure and surface subsidence are most visible. Along with the winning district extending deeper, surface change increasing, declining overlying strata combination features and lithology have been changed. Ground surface will not form subsided basins and funnels in a similar way to flat areas, but instead of massive fissures. The failures of overlying strata take the form of thread together extensional fissure zones. Especially in stress concentrated gullies more evident, it will change mine area original hydrogeological condition, does not exclude surface water drained off locally. Finally combined with overlying strata deformation magnitude and failure mechanism carried out prediction of winning district geological environment hazards could have led to. The results have provided reference for mountainous area coalmine land reclamation and geological environment assessment.

coalmine in mountainous area; overlying strata; failure mechanism; numerical simulation; geological environment hazard

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.10.11

1674-1803(2017)10-0064-06

A

薛寒冰(1985—)，男，汉族，从事地质灾害研究工作。

2017-07-06

责任编辑：樊小舟