臧浩，種衍飛，馮堂武，于樹賓，張昌龍

(山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)，山東 滕州　277500)

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基于FLAC3D數(shù)值模擬的老采空區(qū)剩余沉降量分析計(jì)算

——以山東棗莊安博化工項(xiàng)目為例

臧浩，種衍飛，馮堂武，于樹賓，張昌龍

(山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)，山東 滕州277500)

采空區(qū)的剩余沉降值計(jì)算是采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)程度一種定量分析的方法，利用FLAC3D直接模擬早期采煤形成的老采空區(qū)塌陷狀態(tài)，計(jì)算出老采空區(qū)的剩余沉降量。以山東棗莊安博化工項(xiàng)目為例，首先采用物探、鉆探手段探測(cè)老采空區(qū)深度、頂板塌落與破碎狀況以及地質(zhì)地層信息，其次結(jié)合巖心試驗(yàn)地質(zhì)材料參數(shù)結(jié)果進(jìn)行FLAC3D模擬，計(jì)算自重作用下采空區(qū)剩余沉降量，以及加載建筑后老采空區(qū)剩余沉降值，對(duì)比了傳統(tǒng)概率積分法計(jì)算沉降值，結(jié)果基本一致，說明計(jì)算方法是可靠的。最后分析加載應(yīng)力與破碎帶剩余沉降值的數(shù)量關(guān)系。為老采空區(qū)土地穩(wěn)定性評(píng)估以及剩余沉降量的計(jì)算方法提供科學(xué)依據(jù)與借鑒。

老采空區(qū)；剩余沉降量；FLAC3D模擬；山東棗莊

引文格式：臧浩，種衍飛，馮堂武,等.基于FLAC3D數(shù)值模擬的老采空區(qū)剩余沉降量分析計(jì)算——以山東棗莊安博化工項(xiàng)目為例[J].山東國(guó)土資源，2015，31(7)：55-58.ZANG Hao, CHONG Yanfei, FENG Tangwu，etc.Calculation and Analysis on Residual Subsidence Amount in Old-Goaf Based on FLAC3DNumerical Simulation[J].Shandong Land and Resources,2015，31(7)：55-58.

煤炭資源經(jīng)過幾十年高強(qiáng)度的開采，造成大量的地下采空區(qū)，早期形成的老采空區(qū)大部分的上層覆巖已塌陷形成冒落帶、裂隙帶和彎曲帶，在經(jīng)過一段時(shí)間的自然沉壓后采空區(qū)逐漸趨于穩(wěn)定[1-2]，而使得老采空區(qū)土地資源較新形成采空區(qū)更有可能被有效利用，然而早期煤炭采掘資料留存較少或不準(zhǔn)確，采空區(qū)的范圍、深度、開采煤層厚度等都難以確定，給采空區(qū)土地利用帶來(lái)困難。此外，又因煤炭開采技術(shù)方法、覆巖性質(zhì)以及破壞程度的不同，使得采空區(qū)塌陷是一個(gè)復(fù)雜的、隱蔽的、長(zhǎng)期的過程[3]。采空區(qū)剩余沉降量是采空區(qū)頂板覆巖塌陷形成破碎帶后繼續(xù)下沉壓實(shí)所引起的地表沉降值，其中也包括破碎帶因外界因素“活化”引起的沉降[4-5]。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)剩余沉降量大小對(duì)老采空區(qū)的危害程度評(píng)價(jià)具有重要意義。而現(xiàn)今建設(shè)項(xiàng)目采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中，應(yīng)用的預(yù)測(cè)較多為經(jīng)驗(yàn)法，極限沉降法、少數(shù)有概率積分法，其主要不足是在定性分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)或者類似工程選取參數(shù)，預(yù)測(cè)結(jié)果存在誤差。近年來(lái)，F(xiàn)LAC數(shù)值模擬在巖土地下工程設(shè)計(jì)研究中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其基于代數(shù)表達(dá)式代替空間離散點(diǎn)處不確定的場(chǎng)變量，利用有限的差分法求解代數(shù)方程求解。FLAC3D適合非線性材料在外力下的屈服流動(dòng)等大變形模擬，而越來(lái)越多的應(yīng)用研究到下伏采空區(qū)穩(wěn)定性模擬[6-8]，采空區(qū)注漿加固模擬等[9-10]。下面以山東棗莊市安博化工廠區(qū)建設(shè)項(xiàng)目為例，對(duì)老采空區(qū)剩余沉降模擬分析計(jì)算。

1　工程區(qū)概況

1.1區(qū)域采礦條件

項(xiàng)目廠區(qū)位于山東棗莊市，廠區(qū)300m×300m范圍內(nèi)全部為老采空塌陷區(qū)，區(qū)域范圍內(nèi)為山西組含煤地層，共有可采煤5層，即3煤、14煤、15煤、16煤和17煤。3煤(厚煤層)煤層厚度6～8m，平均埋深180m，受巖漿侵入大部分變?yōu)樘烊唤?，開采困難，局部開采，由于煤礦早已關(guān)閉，且采煤時(shí)間跨度大，20世紀(jì)50—80年代均有開采,且采煤厚度不均一，無(wú)保存完整的采煤規(guī)劃和記錄。區(qū)域14煤厚約1.2m，15煤厚約0.8m，16煤厚約0.7m，17煤厚約0.65m，均未開采。項(xiàng)目區(qū)域巖層較為平緩，下方無(wú)斷層等特殊構(gòu)造。

1.2采空區(qū)的勘測(cè)

確定采空區(qū)深度范圍，首先采取物探勘查，位置示意圖見圖1，視電阻率剖面圖結(jié)果如圖2。根據(jù)視電阻率變化情況，推斷項(xiàng)目區(qū)采空區(qū)深度為155～200m之間，深度變化較小，說明塌陷較整齊，開采3煤層厚度較為均一。項(xiàng)目區(qū)地表相對(duì)平坦，最大高差小于1m，第四系覆蓋表層土以下主要為泥巖砂巖互層、泥巖粉砂巖，3煤下伏細(xì)砂巖，深度約250m。

圖1　工程區(qū)域示意圖

為確定采空區(qū)破碎帶情況和驗(yàn)證采空區(qū)塌陷深度，設(shè)計(jì)并施工驗(yàn)證鉆孔1處(圖1)，根據(jù)鉆孔揭露160～200m巖體較破碎，177.1m時(shí)開始出現(xiàn)嚴(yán)重漏水現(xiàn)象，鉆孔水位明顯下降，巖心采取率小于75%。進(jìn)一步驗(yàn)證采空區(qū)的垂直影響范圍，該鉆孔揭露破碎帶范圍在160～200m之間。巖心取樣試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)部分參數(shù)結(jié)果見表1。

圖2　L1，L2線視電阻率斷面圖

2　FLAC數(shù)值模擬模型的建立

2.1模型的建立

根據(jù)以上工程參數(shù)及地層情況，數(shù)值模擬區(qū)域選擇以項(xiàng)目建設(shè)區(qū)為核心，X，Y軸正負(fù)方向各外擴(kuò)100m，Z軸方向以底板下細(xì)砂巖埋深約250m，即500m×500m×250m，三維模擬自上而下分表層土、泥巖砂巖互層、泥巖粉砂巖互層、破碎裂隙帶、底板，共分為5層，模擬分別以老采空區(qū)初始狀態(tài)剩余沉降量模擬、基建加載狀態(tài)的二次活化沉降模擬和剩余沉降量分析模擬。模擬邊界條件：模型側(cè)面限制水平方向移動(dòng)，地面限制垂直方向移動(dòng)，頂面為自由地表(圖3)。

圖3　三維地層網(wǎng)格模型示意圖

2.2力學(xué)參數(shù)及模型準(zhǔn)則的確定

根據(jù)采空區(qū)驗(yàn)證鉆孔柱狀圖及巖心試驗(yàn)結(jié)果，數(shù)值模擬對(duì)巖層、采煤層及參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整和簡(jiǎn)化。第四系覆蓋表層土為粉質(zhì)粘土勻值的彈塑性地質(zhì)材料；泥巖砂巖互層及泥巖粉砂巖互層，底部有少量細(xì)微垂向裂隙但水平層狀節(jié)理發(fā)育較弱，仍適合采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則；采空區(qū)破碎帶為堆積散體介質(zhì)，對(duì)上覆巖層頂板的支撐可看做彈塑性支撐作用。數(shù)值模擬采空區(qū)巖層參數(shù)如表1。

2.3數(shù)值模擬方案

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)域地層厚度，地質(zhì)材料參數(shù)，直接建立老采空區(qū)模型，計(jì)算模型在自重作用下平衡穩(wěn)定時(shí)，地表移動(dòng)變形狀態(tài)。模擬模型加載建筑物時(shí)，地表移動(dòng)變形及建筑物附加應(yīng)力在巖層中影響范圍和大小。模型附加應(yīng)力以化工廠房及設(shè)備最大應(yīng)力取值為3MP。模擬不同的附加應(yīng)力下，破碎帶殘余下沉值變化，分析殘余下沉值與加載應(yīng)力關(guān)系，由此判斷老采空區(qū)的沉降穩(wěn)定性。

表1　巖土體力學(xué)參數(shù)

3　模擬結(jié)果與分析

3.1垂向位移與應(yīng)力變化對(duì)比分析

圖4　Z向位移模擬剖面對(duì)比圖

根據(jù)以上地質(zhì)材料參數(shù)及模擬方案，Z向位移模擬結(jié)果見圖4，巖體自重作用下老采空區(qū)最大剩余沉降量為91mm，加載該項(xiàng)目建筑設(shè)備后累積最大沉降量為265mm，其中去除重力作用后模擬最大沉降為185mm，沉降量最大處位于建筑物中心位置。加載應(yīng)力分布模擬結(jié)果如圖5，場(chǎng)區(qū)下方加載應(yīng)力隨深度增加而減小，地表加載應(yīng)力3MP時(shí)，在破碎帶地層應(yīng)力約為1.7MP，其中巖體自重產(chǎn)生應(yīng)力約為0.5MP，造成破碎帶沉降量約170mm。為確定結(jié)果可靠性，通過概率積分法中最大沉降值計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果為85mm，與FLAC3D模擬結(jié)果91mm接近，說明該次模擬老采空區(qū)的剩余沉降方法是合理的。

圖5　Z向應(yīng)力分布模擬剖面對(duì)比圖

3.2加載應(yīng)力變化與破碎帶沉降值的關(guān)系

為進(jìn)一步了解加載應(yīng)力對(duì)破碎帶的影響，模擬加載不同的應(yīng)力，采集破碎帶沉降值變化，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示，隨著加載應(yīng)力的增加，破碎帶沉降量隨加載應(yīng)力增加而增大，而沉降量增加變緩，說明破碎帶逐漸被壓實(shí)，再次“活化”的幾率變小，其密度、體積模量、抗壓強(qiáng)度等增加，進(jìn)一步說明采空區(qū)逐漸趨于穩(wěn)定。因此采空區(qū)剩余沉降量與其承載的壓力比值越小，采空區(qū)越趨于穩(wěn)定。

圖6　附加應(yīng)力與破碎帶沉降值曲線圖

4　結(jié)論

在老采空區(qū)剩余沉降計(jì)算，因煤炭開采資料較少，分析采空區(qū)穩(wěn)定較困難時(shí)，應(yīng)用FLAC3D模擬計(jì)算采空區(qū)剩余沉降量方法是準(zhǔn)確可靠的。然而需要指出的是地質(zhì)材料參數(shù)取值，因不同采空區(qū)的塌陷時(shí)間不同，破碎帶壓實(shí)程度不同，參數(shù)值差別較大，因此參數(shù)的選取應(yīng)盡量試驗(yàn)測(cè)得。根據(jù)剖面圖中Z向位移及受力模擬，可知，隨深度的增加建筑物下方土體受力分散而變小，Z向位移的影響范圍變小，且同一水平面中建筑物中心Z向位移最大，因此在老采空區(qū)擬建重要建筑設(shè)備下方可依據(jù)模擬的Z向位移確定防治位置與深度，進(jìn)行重點(diǎn)處理；同時(shí)掌握采空區(qū)破碎帶沉降值與附加應(yīng)力變化關(guān)系后，對(duì)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、政府區(qū)域土地規(guī)劃等方面也具有重大的指導(dǎo)意義。

然而，采用FLAC3D模擬方法計(jì)算老采空區(qū)剩余沉降量時(shí)，除建筑加載附加應(yīng)力的影響因素外，采空區(qū)“活化”還受到地下水水位、破碎帶巖層侵蝕以及施工建設(shè)對(duì)巖體擾動(dòng)等影響，因此在工程實(shí)踐中，還需考慮項(xiàng)目自身的建設(shè)特性。

[1]朱廣軼,徐征慧,解陳,等.老采空區(qū)地表殘余移動(dòng)變形影響函數(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014,33(10)：1962-1970.

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Calculation and Analysis on Residual Subsidence Amount in Old-Goaf Based on FLAC3DNumerical Simulation

ZANG Hao, CHONG Yanfei, FENG Tangwu, YU Shubin, ZHANG Changlong

(No.1 Exploration Team of Shandong Coal Geology Bureau , Shandong Zaozhuang 277500, China)

Calculation of residual subsidence amount in mined-out area is a method for analyzing dangerous degrees in goaf quantitatively. The state of early coal forming goaf has been directly simulated by using FLAC3D, and the residual settlement of the old mined-out area has been calculated. Taking chemical engineering project in Zaozhuang city of Shandong province as an example. Firstly, by using geophysical prospecting and drilling methods, depth, roof falling and broken condition of old goaf have been gained. Secondly, combining with parameters results of geological materials obtained from core test, FLAC3Dsimulation has been carried out, residual sbusidence amount under the action of gravity and residual subsidence amount after loading construction of old goaf have been calculated. Compared with traditional probability integral method, subsidence results are similar. It is showed that the calculation method is reliable. Finally the relationship between load stress and residual subsidence have been analyzed. It will provide scientific basis and references for stability evaluation and calculation of residual subsidence amount in old goaf.

Old-goaf; residual subsidence amount; FLAC3Dsimulation; Zaozhuang in Shandong province

2014-12-18；

2015-02-09；編輯：曹麗麗

臧浩(1989—)，男，山東臨沂人，主要從事地質(zhì)環(huán)境影響與地質(zhì)災(zāi)害分析工作；E-mail:zanghao77@126.com

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