数值模拟在采空区覆岩移动引发建筑物受损司法鉴定中的应用

李青峰

（贵州省地质矿产勘查开发局117地质大队，贵州贵阳550018）

随着我国煤炭资源开采强度的逐渐增加，煤矿开采后预留的采空区规模亦逐步增大，煤层采出后，周围岩石失去原来的平衡，产生冒落、断裂、弯曲等移动变形破坏，随着采空区范围逐渐扩大，采空区上覆岩层移动变形开始延伸至地表，地面产生沉降，形成类似盆地的塌陷区，即采空区覆岩移动盆地[1]。如矿区位移地形起伏较大的山区，采空区地表移动变形还将引发地表大规模的滑坡、崩塌、地裂缝等地质灾害，位移采空区地表移动范围内的居民建筑物或其他构筑物受地表移动变形的影响，产生建筑物地基下沉、墙体开裂甚至倒塌等损害，严重影响矿区范围内居民的正常生活[2]。近年来由煤矿采空区地表移动变形引发矿区内居民建筑物或其他构筑物损坏的司法纠纷越来越多，根据作者对多个类似案件的分析与总结，该类鉴定主要的关键点及难点在于煤矿采空区覆岩移动变形影响范围的圈定。

目前，我国针对煤矿采空区地表移动变形相关规定及计算方法主要按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》及《煤矿采空区岩土工程勘察规范》（GB51044-2014）两个规范进行，两个规范中对采空区地表移动变形范围主要按照煤矿区边界角圈定，地表移动变形量计算主要采用概率积分法进行计算。但由于不同煤矿区地质及开采技术条件差异性较大，很多煤矿企业对自己矿区的地表移动参数缺乏研究，导致在圈定地表移动变形影响范围及变形量时相关参数取值只能参考规范取经验值，且规范提供的经验值一般为范围区间值，这对鉴定机构在取值计算上存在一定困惑和不确定性，不同的鉴定机构取值不同鉴定结果亦存在差异。在此，笔者采用规范推荐的概率积分法计算采空区地表沉降值及边界角圈定覆岩移动影响范围与岩土数值模拟方法分别对贵州省某煤矿采空区地表移动变形规律进行研究，并对比分析两种方法的结果，提出相关建议，为今后类似的鉴定案件提供鉴定参考。

1 鉴定煤矿及案件概况

鉴定煤矿位于贵州省，2013年开始开采，主采K3煤层，形成一不规则团块状采空区，其面积约111702m2,采深约100m。至2017年以来，位于矿区附近的村民房屋陆续出现开裂、地面产生塌陷等地质灾害现象，为查明村民房屋开裂、地面塌陷等地质灾害成因，认定责任主体，当地执法部门要求对村民房屋开裂、地面塌陷等地质灾害形成与煤矿采煤活动是否有关进行鉴定，为解决司法纠纷提供依据。

2 鉴定区地质环境概况

2.1 地层岩性

矿区及周边出露的地层有第四系（Q）、上二叠统吴家坪组（P3w）及中二叠统矛口组（P2m）。由新至老分述如下：

（1）第四系（Q）：主要为残坡积物，灰黄色、灰褐色含砂、砾粘土和亚粘土，其结构松散，力学性质差，为松散岩内工程地质岩组，厚度3～10m。

（2）上二叠统吴家坪组（P3w）：以灰、深灰、黄褐色薄—中厚层细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、硅质岩、泥灰岩，夹炭质泥岩及煤层（线），含可采煤层2层。

（3）中二叠统茅口组（P2m）：岩性为浅灰色中厚层状致密块状石灰岩。出露不全，未见底，厚度大于100m。矿区地层倾向总体北西，倾角16°～25°，平均20°。

2.2 采掘工程条件

鉴定煤矿主采K3煤层。K3煤层位于吴家坪组上段下部，上距长兴组底（P3c）68m左右，可采面积1.259km2，煤层厚度变化不大，为0.55～1.07m，平均厚度0.84m，大部可采，属较稳定煤层。煤层直接顶板为灰色薄层泥岩、粉砂质泥岩，强度低，稳定性差，易风化破碎。煤层直接底板为灰色薄层粉砂质泥岩，强度低，水稳定性差。

K3煤层采深约100m，至2017年，形成一不规则团块状采空区，面积约111702m2,采空区大致走向约63°。

3 采空区覆岩移动变形影响范围的圈定及地表沉降分析

煤矿采空区引起的地表沉陷及上覆岩层变形现象被统称为采动影响，包括岩土体的原始变化、断裂、垮落等位移和变形，其机理在于开采空间周围岩土体的失稳而导致向采空区方向的挤压收缩，随着采空区的不断扩大使岩土体的位移和变形向四周扩散，特别是向开采矿体上覆岩土体中扩散，直至到达地表，导致地表产生沉降、形成塌陷区。

3.1 采空区覆岩移动变形影响范围的圈定

鉴定煤矿K3号煤层的上覆岩层以砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩为主的软质岩层，按较软岩覆岩类型，其采空区覆岩移动变形走向边界角取δ0=50°、上山方向边界角取γ0=50°。下山方向边界角取β0，按下式进行计算：

式中：δ0——走向边界角；

α——煤层倾角。

鉴定煤矿K3号煤层平均倾角20°,则β0=δ0-0.5α=40°。因此取δ0=γ0=50°，β0=40°。根据K3号煤层采空区边界为界，按走向方向、下山方向、上山方向的边界角进行图解，在平面及剖面图上，圈出采空区的覆岩移动影响范围，见图1。根据边界角图解结果，村民房屋大部分在K3煤层采空区覆岩移动影响范围之内。

3.2 概率积分法

概率积分法可适用于工作面任意形状、任意充分开采程度、地表任意点的移动和变形，目前已成为应用最广泛的采空区沉降分析方法之一[4]。

其下沉量计算公式可表示为：

式中：m——煤层采厚，m；

η——下沉系数；

α——煤层倾角；

l——沿煤层走向开采宽度，m；

r——煤层走向主要影响半径，r=Htanβ,m；

tanβ——主要影响角的正切；

H——平均采深，m；

r1、r2——煤层上山和下山方向主要影响半径，m。

3.2.1 概率积分法计算步骤

（1）确定煤层地质要素及采空区基本特征。K3煤层采深100m，煤层厚度0.84m，煤层倾角20°，工作面走向63°，工作面走向长约165m。

（2）确定地表移动参数。地表移动参数与覆岩性质及地质、开采技术条件有关，根据地区开采经验，本次研究计算参数取值见表1。

表1 概率积分计算参数

3.2.2 概率积分法计算结果

按半无限开采最大值计算公式，地表移动变形最大值计算结果为：

最大下沉量：

煤层平均采深100m，煤层走向方向主要影响半径：

最大倾斜：

最大曲率：

最大水平移动：

最大水平变形：

4 数值模拟分析

4.1 模拟参数

根据收集的矿区勘查资料，矿区内各岩层物理力学性质见表2。

表2 模型中各岩层力学参数

4.2 模型建立

原始地表面为模型顶面，忽略地表较小的起伏，按地形平均坡度设计。K3煤层平均采深100m，考虑一定厚度的底板，因此模型深度取230m，模型宽度及长度以采空区为中心向四周辐射涵盖居民区为准，本次宽度及长度取1000m，模型单元网格尺寸在采空区区域设置为2m，其余区域设置为10m。见图2、图3。

图2 数值计算模型（整体）

图3 数值计算模型（采空区）

4.3 模拟分析结果

本次采用MIDAS/GTS NX软件进行有限元模拟分析，选用摩尔—库伦屈服准则，模拟结果见图4～图6；根据图4，采空区形成后，位于采空区上方一定范围内的岩土体出现位移变形，其主要变形为下沉（Z方向），其次伴有少量的水平位移，在地表形成一沉降盆地，其中最大位移点靠近采空区中心，根据图5，最大竖向位移量为0.762m。根据图6，采空区形成后位移采空区上方的岩土体应力进行了重新分布，在采空区上方形成了一应力集中区，在该区，最大主应力不在为竖向重力，而是倾斜指向采空区的一系列压应力，受应力重分布的影响，在采空区上方一定范围内的岩石受到破坏向采空区位移、冒落，当位移延伸到地表时便形成地表下沉。

图4 采空区开挖后整体位移云图

图5 采空区开挖后竖向位移云图（向上为正）

图6 采空区开挖后应力分布图

5 两种方法对比分析

为了方便对比分析两种方法圈定的地表位移边界，将传统方法圈定的采空区覆岩移动影响边界与数值模拟地面位移边界及采空区边界进行叠加，得到位移对比图7，根据对比分析可知，两种方法圈定的地表移动影响范围大致相似，但细部有差异，传统方法是根据剖面线按边界角圈定，剖面线的设置密度决定边界范围的精准程度，我们在实际鉴定工作中往往只针对受危害的对象进行剖面设置，在未设置剖面的地方影响范围的圈定存在一定的误差。但岩土数值模拟方法位移边界的圈定是模拟软件从整体计算，只要存在采空区的地方就会进行分析计算其沉降量及其范围，因此其圈定的覆岩移动影响范围更加客观及真实，从图中也可看出模拟软件形成的位移边界线更加客观。数值模拟地表最大竖向位移量为0.762m，与传统概率积分法计算的最大下沉量0.55m相近，现场调查地表下沉量为0.3～0.66m,即最大下沉量为0.66m，对比分析可知数值模拟分析计算的最大下沉量更加保守。

图7 模拟分析与传统方法地表位移对比图（俯视图）

综上，通过对比分析可知，岩土数值模拟分析结果与传统的边界角圈定采空区覆岩移动影响范围及概率积分法计算变形量结果大致吻合，岩土数值模拟更加直观，圈定的范围更加细化真实，地表任意一点的移动数值可直接在模拟软件中读取，同时可了解采空区形成后周围岩土体的应力变化情况，生成的图件更加直观易懂。就作者个人来看，将两种方法相结合，互相印证分析，得到的结果更加真实可靠。如可以采用数值模拟方法对采空区整体进行有限元分析，圈定整体的覆岩移动影响边界及主要下沉量，再采用传统方法对受危害的对象区域进行验证计算，最后综合确定，得出较可靠的结论。

6 结论

（1）煤层采空后在地表会产生移动变形区，位于移动变形范围内的建筑、水体、构筑物等会受到不同程度的破坏。

（2）通过对贵州某煤矿K3煤层采空区的岩土数值模拟分析和传统计算方法对比分析，数值模拟分析结果与传统方法计算结果大致相同，与现场实测结果大致吻合，证明岩土数值模拟分析方法是可行有效的，在今后的类似鉴定案例中可借鉴使用，使鉴定结论更加真实可靠。