矿区地面沉陷发生-演化机理研究

秦志娇　马柳

摘要：煤矿开采引起的地面沉陷问题越来越受到人们的关注，对地面沉陷发生-演化机理进行研究，并通过数值模拟对地表塌陷灾害的影响情况进行预测，为地面沉陷引起的地表变形和破坏进行控制和修复提供了理论依据。

关键词：地面沉陷;发生-演化机理;数值模拟

煤矿开采沉陷又称“矿山岩层及地表移动”，是指煤矿地下开采引起的连续的移动、变形以及非连续的破坏现象。目前，采煤造成的地面沉陷已经成为煤矿危害程度最大，延续时间最长的一种工程地质灾害，对矿区经济发展和地表自然环境造成了严重的危害[1，2]。本文针对某矿区地面沉陷的实际情况，对地面沉陷发生-演化机理进行探讨，并通过Abaqus软件对矿区地面沉陷发生情况模拟分析，为地面沉陷灾害的防治提供依据。

1开采沉陷地质灾害的形成机制

煤层采空以后，采区周围岩体内部应力平衡状态受到了破坏。为了达到新的平衡，在采区上覆岩层重力的作用下，岩体内部的移动和变形以垮落、断裂、离层和弯曲沉降为主要方式。將岩层在垂直方向的变形自下而上分为3个带，冒落带、裂隙带、弯曲带，具体如下[3]：

（1）冒落带又称垮落带，位于采空区的上方。煤层采空后，上方顶板在自重和其上覆岩层重力的共同作用下，所承受的压力远远超过自己的强度极限，上覆的岩层被破碎成碎片，塌陷掉落下来，堆积于采空区。

（2）位于冒落带上方的岩层为裂隙带，也叫弯曲破裂带。裂缝带岩层在自身重力作用下以及失去了冒落带的支撑，所受的压力超过自身的强度范围，产生裂缝或断裂，但仍然保持原有的结构不发生塌落。

（3）弯曲破裂带上方的岩层所承受的压力在自身强度范围内，移动变形的程度较小，只发生弯曲沉降，但并不破裂，这部分岩层被称为弯曲变形带。

某矿区矸石山等顶部有些地方虽已复垦过，但在地下采空区的影响下，沉陷和裂缝情况仍然很严重。矿区平台表面土壤松散，出现严重的径流现象。排土场为土石混排，整体构形比较松散，表面下沉系教大，在降雨条件下，雨水直接沿着土层下渗，对土层产生侵蚀搬运作用，在表面形成裂缝;在大气降水的不断作用，裂缝不断扩大，形成通道，工作区回采结束时在采空区上方形成裂缝带。在两者的共同作用下，下部土层支撑力不断减弱，上部土层的自重力相对的增加，失去平衡，导致地面沉陷。

2某矿区矸石山区域地表变形数值模拟分析

对某矿区矸石山区域开展地表沉陷研究，简化三维模型见图1，整体模型东西长1600m，南北宽1800m。

该矿区矸石山区域模型地表竖直方向（Z方向）位移等值线图见图2，由图可以看出，地表沉陷位移在地层倾角等影响下，沉陷区域位移最大位置主要出现采空区上方，下沉量为3.636m。

图3为该矿矸石山区域采空区模型采空区断面（X-Z面）竖直方向应变云图，由图可以看出，该矿矸石山区域地下采空区分为四层，在四层采空区形成后，上覆岩层在重力作用下发生沉降变形，沉陷量更大，变形范围变大，模型的地表沉陷最大位移3.636m。

结合现场调查情况可知，在数值模拟中的计算结果与实际调查的结果存在差异。主要是因为地面塌陷的形成受到了重复采动的影响，并在原本岩层中的不良地质体的影响下，致使岩层变形在局部位置不连续，反映到地表形成塌陷坑，对于数值模拟将岩层视为均质体进行研究，无法凸显地下不良地质体。

3结论

通过对某矿区开采沉陷的发生-演化机理的理论研究，确定了该矿地面沉陷的发生-演化机理;对该矿区进行数值模拟研究，得到了地表及地下几米处的应力及应变状态，分析得到地表沉陷最大位移为3.636m。研究矿区开采沉陷的发生-演化机理，对科学进行采煤、合理防治地质灾害、减轻矿区经济损失及保障人员的生命安全具有全面的理论依据和实际价值。

参考文献：

[1]镡志伟，胡鹏华，程五一，王仙，王云海，付士根.煤层群开采条件下地面沉陷的评价[J].中国安全生产科学技术，2006（04）：101-104.

[2]段丽丽，朱明，DUANLi-li，etal.矿区地面沉降的危害及其防治[J].河北联合大学学报（自然科学版），2007，29（1）：122-124.

[3]栾长青.采空区的沉陷机理及地表变形破坏的时空预测研究[D].长安大学，2005.

[4]董汉军.厚松散层矿区综放开采地面沉陷三维可视化[D].西安科技大学，2008.