薛寒冰，將月文，王 順

(1.重慶能科工程勘察有限公司 重慶 400060； 2.中國地質(zhì)大學 武漢 430047)

貴州水城煤礦上覆巖層破壞機理及地質(zhì)環(huán)境災害預測

薛寒冰1，將月文1，王 順2

(1.重慶能科工程勘察有限公司 重慶 400060； 2.中國地質(zhì)大學 武漢 430047)

山區(qū)煤礦地質(zhì)構造復雜，采煤導致礦 區(qū)地表變形形式與平原地區(qū)有很大差異。以貴州水城煤礦為例，依照其工程地質(zhì)條件及開采方式，選取貫穿礦界的3條地質(zhì)勘探剖面，利用FLAC3D有限差分軟件對開采過程進行數(shù)值模擬，預測采煤引起上覆巖破壞機理和地表破壞形態(tài)。研究結果表明：前期階段上覆巖層破壞和地表下沉最為明顯，隨著采區(qū)向深層延伸，地形起伏增大，傾斜的覆巖組合特征和巖性發(fā)生改變，地表不會形成類似平原地區(qū)的沉陷盆地和沉陷漏斗，而是產(chǎn)生大量裂縫；上覆巖層破壞表現(xiàn)為出現(xiàn)貫通的拉張裂隙帶，尤其在溝谷等應力集中區(qū)域更為明顯，將會改變礦區(qū)原有水文地質(zhì)條件，不排除局部地表水出現(xiàn)疏干的狀況。最后結合上覆巖層變形量及破壞機理，對采區(qū)可能引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境災害進行了預測。研究成果對山區(qū)煤礦土地復墾和礦山地質(zhì)環(huán)境評價提供了參考。

山區(qū)煤礦；上覆巖層；破壞機理；數(shù)值模擬；地質(zhì)環(huán)境災害

貴州省煤炭資源豐富，是西電東輸?shù)闹匾》?，但由于地處山區(qū)，地形復雜，開采煤炭資源對地表產(chǎn)生的影響遠大于平原地區(qū)[1]。采礦引起的上覆巖層破壞和地表變形作為一種外生地質(zhì)災害，不僅破壞耕地和植被，損壞地面建筑物，而且還會破壞水資源環(huán)境，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境構成了極大威脅[2-4]，對山區(qū)因煤礦開采引發(fā)的覆巖變形破壞與地表破壞已經(jīng)成為環(huán)境工程學和環(huán)境巖土學重要的研究課題。近年來，國內(nèi)許多學者進行了開采覆巖運動方面的研究，王利等研究了巨厚覆巖下開采的地表變形與采礦災害的相關性[5]；王金安等報道了地下開采覆巖的穩(wěn)定性及斷裂機制[6-7]；滕永海等研究了綜采放頂煤條件下，覆巖中導水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律[8]。宣以瓊認為薄基淺埋煤層上覆泥巖和砂巖具有脆性易裂和再生隔水能力弱等新的破壞移動特性[9]。但是對山區(qū)復雜地質(zhì)條件開采引發(fā)的上覆巖變形和地表沉陷以及相關的地質(zhì)環(huán)境災害的研究還較少。本文以貴州水城煤礦為例，在詳細分析煤礦地質(zhì)背景的前提下，結合開采工藝，利用數(shù)值分析的方法對煤礦采區(qū)上覆巖的變形破壞機理進行了分析，并對礦山地質(zhì)環(huán)境災害進行預測分區(qū)，為山區(qū)煤礦土地復墾和礦山地質(zhì)環(huán)境評價提供參考。

1 礦區(qū)地質(zhì)

貴州水城煤礦位于格木底向斜西南翼，上覆巖體厚800m以上，屬于典型深部礦井。含煤地層為二疊系龍?zhí)督M(P2l)，傾角約為33°，共分為四段，巖性主要為細碎屑巖、煤、黏土巖，總厚431～466m，可采與局部可采煤層10層，多位于本組中上部和下部。煤系上部的飛仙關組(T1f)，以泥質(zhì)粉砂巖和細粒砂巖為主，平均厚度達700m。其上為永寧鎮(zhèn)組(T1yn)巨厚層灰?guī)r。礦區(qū)內(nèi)主要出露地層為飛仙關組，多為逆向坡(圖1)。

圖1 礦區(qū)地質(zhì)剖面Figure1 Mine area geological section

由于原始地應力的作用，向斜翼部巖層容易形成垂直于巖層面的張裂隙，采煤活動極易引發(fā)裂隙復活并擴展延伸，造成一系列災害，如陡崖處引發(fā)崩塌、含水層被疏干等。礦區(qū)內(nèi)的斷層比較發(fā)育，主要分布在礦區(qū)中西部南側的軟巖層龍?zhí)督M中，這些斷層一般延伸距離較短或斷距不大，對本礦開發(fā)影響不大。由于采區(qū)構造和地形地貌較為復雜，另外在地表不同部位同時出現(xiàn)強度較低的泥質(zhì)粉砂巖和強度較高的灰?guī)r，能干性的差異可能導致上覆巖破壞機理更為復雜。

2 開采覆巖變形破壞的數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

據(jù)礦區(qū)地質(zhì)勘探剖面圖，選取沿巖層傾向貫穿整個礦區(qū)的31#、35#、39#三個典型剖面進行計算，以下重點分析35#剖面的計算結果。

由于巖體及其結構的復雜性(圖2)，模型設計時進行了必要的簡化，重點考慮影響上覆巖層破壞的主要因素?？刹擅簩佣挤植加邶?zhí)督M(P2l)，數(shù)值計算中，將P2l四段內(nèi)的各煤層分別簡化成一層，共計四層，煤層總厚度12.1m，等于本剖面勘探得出的可采煤層總厚度。根據(jù)煤層開采的特點，把上覆巖層作了連續(xù)、均勻的彈性體假設，利用FLAC3D 有限差分方法建立了開采沉陷模型。

2.2 計算模型描述

有限元模型單元采用自由網(wǎng)格劃分，開采煤層附近網(wǎng)格劃分密集，整個模型共20 450個單元，節(jié)點23 078個，上下邊界高程為900～2 150m，網(wǎng)格模型見圖3。邊界條件為底面全約束， 左右兩側水平約束，地表為自由面。

2.3 計算參數(shù)選取及過程說明

數(shù)值模擬涉及到的巖層及巖石力學參數(shù)見表1。采空區(qū)的垮落帶矸石計算參數(shù)用煤層力學參數(shù)折減20%進行考慮，模擬其具有一定強度，但比原始煤層結構松散的特征。

按礦山采礦許可證規(guī)劃，將開采分為三個階段。根據(jù)圖2開采范圍所示，三個階段的水平里程分別是0～450、450～750和750～1 300m，采用走向長壁式開采，自然垮落處理頂板，依照開采方案， 沿水平主巷道分布的多個可采煤層同時開采，即本次計算中，簡化后的四層可采煤層同時開采。模擬過程中，假設每個階段開采完畢后，采空區(qū)才自然放頂；下個階段開采開始時，前一階段的采空區(qū)冒落矸石完全被填充。在實際情況中，走向長壁式開采覆巖是隨采隨垮，并不會按劃分的階段垮落，且采空區(qū)冒落的矸石是一種松散介質(zhì)，隨著工作面的推進, 矸石在覆巖作用下逐步被壓實, 材料密度, 彈性量和泊松比都隨時間增加。因此本次數(shù)值模擬的結果具有一定的安全儲備，符合礦山地質(zhì)環(huán)境評估原則。礦區(qū)巖體物理力學參數(shù)來源于煤礦勘察期間樣品試驗成果，測試單位為貴州地礦局113地質(zhì)隊。

圖2 35#剖面Figure 2 Section No.35

表1 礦區(qū)巖體數(shù)值模擬物理力學參數(shù)

圖3 數(shù)值分析模型網(wǎng)格剖分及巖體分組Figure 3 Numerical analysis model mesh gridding and rock mass grouping

2.4 數(shù)值模擬成果分析

采空區(qū)進行自然放頂后，上覆巖層破壞，應力重新分布作用劇烈，覆巖從下到上依次形成垮落帶、斷裂帶、彎曲帶[10]。圖4給出了開采活動結束后覆巖垂直位移圖a和總位移圖b。

由圖4可以看出，開采導致開采范圍內(nèi)最大綜合位移和最大垂直位移十分接近，可見因采礦導致的地表變形以垂直沉降為主，水平位移較小。礦山開采活動結束后，覆巖存在拱形斷裂與垮落的特點，主要集中在飛仙關組中，開采前，覆巖泥質(zhì)粉砂巖處于平衡狀態(tài)，煤層處于壓縮狀態(tài)，開采后,直接頂板逐漸垮落，填充到采空區(qū)中, 形成垮落帶。

開采產(chǎn)生的斷裂帶位于采空區(qū)和采空區(qū)邊緣的垮落帶之上，隨著開采巖層的下沉彎曲，在泥質(zhì)粉砂巖中發(fā)育張拉裂隙或者剪切裂隙。從圖4b可以看出，開采結束后，斷裂帶主要分布在飛仙關組中。隨著開采工作面的推進，斷裂向上擴展至上覆灰?guī)r中，并向下山方向擴展。

(a)垂直位移圖

(b)總位移圖圖4 開采結束后覆巖垂直位移和總位移Figure 4 Vertical displacement and resultant displacement of overlying strata after mining completion

當開采范圍足夠大時,成層狀彎曲巖層將傳至地表, 使得地表產(chǎn)生沉陷[12]，圖5為沿35#剖面傾向方向地表沉陷分布圖。

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

由圖5可見，地表在三個開采階段均有不同程度的沉降，最大沉降位于采空范圍的中間，向兩側逐步減小，且地表沉降主要發(fā)生在開采第一階段。

開采前第一階段上覆巖層破壞和地表下沉最為明顯，隨著采區(qū)向深層延伸，上覆巖層逐漸變厚，地形起伏變大，傾斜的覆巖組合特征和巖性發(fā)生改變，導致地表不會形成類似平原地區(qū)的沉陷盆地和沉陷漏斗,地表破壞形式主要為在溝谷等應力集中區(qū)域巖石中局部產(chǎn)生深大裂隙，這也是引起礦山地質(zhì)環(huán)境災害的主要因素。

3 開采過程覆巖破壞動態(tài)分析

分析覆巖在開采過程中的破壞機制關鍵在于了解厚層頂板泥質(zhì)粉砂巖在各個階段的變形特性。

圖6為分階段的塑性區(qū)巖土體變形特征圖,圖中None表示為巖體未破壞；shear 表示剪切破壞；tension 表示拉破壞；-p表示開采過程中發(fā)生了相應破壞，但開采結束巖體通過應力重分布和位移調(diào)整已經(jīng)回到未破壞狀態(tài)；-n表示計算結束后剖面中存在相應破壞區(qū)。

(1)Ⅰ階段開采完后(圖6a)，在上覆巖層較薄的左部，存在一條的剪切拉張帶，且在該階段開采完成后，該剪切拉張帶仍然處于失效狀態(tài)，表明在該剖面處，因煤礦開采使采空區(qū)上方的飛仙關組產(chǎn)生了較連續(xù)的裂隙。若考慮到構造作用在巖層中形成的原始張裂，該剪切拉張帶可能會在空間上貫通。

(2)Ⅱ階段開采區(qū)上部剪切張拉帶和塑性破壞區(qū)較Ⅰ階段有所減少(圖6b)。由于Ⅰ階段開采，自然放頂后，巖體將前一階段采空區(qū)掩埋，起到了保護煤柱的作用，采空區(qū)沿傾向方向跨度基本不變，接觸模型由懸臂梁(或懸臂板)轉(zhuǎn)換為簡支梁(或固定板)，巖體中彎矩減小，有效降低了采空區(qū)的位移，同時，因采深進一步擴大，覆巖厚度進一步增大，而水平應力較先前增大，有效遏制了采空區(qū)位移的擴展。

a.Ⅰ階段

b.Ⅱ階段

c.Ⅲ階段圖6 分階段開采完覆巖變形機制塑性區(qū)分布Figure 6 Overlying strata deformation mechanism plastic zone distribution after staged mining

(3)經(jīng)過這Ⅲ階段開采后(圖6c)，塑性破壞區(qū)進一步減小，說明這一階段，覆巖變形趨于穩(wěn)定，地表裂隙寬度和數(shù)量都穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。

4 礦山地質(zhì)環(huán)境災害危險性預測

根據(jù)對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境分析，結合現(xiàn)場地質(zhì)災害調(diào)研，預測礦區(qū)因覆巖破壞和地表變形引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境災害有主要有崩塌、地下含水層的破壞、地表裂縫和地表沉陷，因此有必要對礦區(qū)地表進行礦山地質(zhì)環(huán)境災害評價。

從數(shù)值模擬結果可以看出，開采的三個階段，在飛仙關組中可能形成貫通的裂隙，導致覆巖中含水層發(fā)生比較嚴重的破壞。

開采煤礦導致的巖土體破壞往往隨著巖石中應力的調(diào)整而產(chǎn)生，當?shù)乇頌闇瞎鹊劝夹蔚孛矔r，開采沉陷在“三下”規(guī)程和數(shù)值模擬的結果上將會加重；而當?shù)乇頌樯桨?、山脊等凸形地貌時，沉陷、裂縫會減輕。同時考慮到采煤的工藝為多層順序開采法，這種工藝本身對減輕沉陷也是有益的。

根據(jù)礦山地質(zhì)環(huán)境保護與治理恢復方案編制規(guī)范對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境災害進行預測評估，為此筆者結合本文研究成果總結出適合該礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境災害危險性預測評估原則(表2)。根據(jù)該原則得到開采規(guī)劃期后礦山地質(zhì)環(huán)境災害危險性預測分區(qū)圖(圖7)。

5 結論

以礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境為基礎，根據(jù)開采方案，分階段對貴州水城煤礦開采規(guī)劃期內(nèi)上覆巖層破壞及地表變形進行了數(shù)值模擬和地質(zhì)環(huán)境災害危險性評估，結果表明：

(1)上覆巖破壞和地表變形在開采第一階段內(nèi)產(chǎn)生最劇烈，破壞形式主要表現(xiàn)為在溝谷等應力集中區(qū)域巖石局部產(chǎn)生深大裂隙，同時在地表陡峭處易產(chǎn)生崩塌；

(2)地質(zhì)構造作用和地下開采導致上覆巖中形成貫通裂隙，可能會改變礦區(qū)地下水水文地質(zhì)環(huán)境，不過，由于地應力和位移的逐漸調(diào)整，隨著1000m左右上覆巖層的應力調(diào)整，其應力狀態(tài)由拉應力狀態(tài)轉(zhuǎn)化成壓應力狀態(tài)，從而遏制了部分裂縫和地面沉陷的產(chǎn)生，不會對地下水循環(huán)途徑產(chǎn)生永久性破壞，但要加強監(jiān)測，做到及時發(fā)現(xiàn)、及時解決；

表2 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境災害危險性評估原則

(3)根據(jù)對3個典型勘探剖面的數(shù)值模擬， 得出了地表位移量和上覆巖層破壞范圍，結合其他評估因子，繪制出礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境災害危險性預測評估圖，可為礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境災害防治和治理提供參考。

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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，漢族，從事地質(zhì)災害研究工作。

2017-07-06

責任編輯：樊小舟