摘要
在对尖岩河井田采空区进行资料收集处理的基础上，结合地表塌陷调查，并依据地表和采空区实际情况，运用 FLAC 3D计算得到采空区沉降结果，研究显示断层会对地表变形造成较大影响，尤其当断层与采空区有交叉覆盖时，会加大采空区带来的岩层变形，导致比较大的地表沉降。
Abstract
On the basis of data collection and processing of the goaf in the Jianyanhe well field， combined with the investigation of surface subsidence， according to the actual situation of the surface and goaf， the settlement results of the goaf are calculated by FLAC 3D， and the fault will have a great impact on the surface deformation， especially when the fault and the goaf are cross-covered， the rock deformation brought by the goaf will be increased， resulting in a relatively large surface settlement.
Keywords
0 引言
尖岩河煤矿地处湖北松滋和宜都两市交界处，长期以来能源结构以煤炭为主（松宜矿务局， 1995），所在松宜煤田是湖北省第二大产煤基地。矿区内煤炭开采历史悠久，早在 200 多年前已有乡民在此采煤，迄今已大规模开采 50 余年，可采储量已开采90%以上，煤炭资源枯竭萎缩。根据国家及湖北省煤矿有关政策，松宜煤田所有煤矿均已关闭，大规模开发和利用煤炭资源，不可避免的会对地质和环境产生一定的负面影响，尤其是给资源区带来较为严重的危害，开采煤炭资源主要和直接引发的危害就是地裂缝与不均匀的地面沉陷，这种地面的变形不是一时一地的威胁，而是具有持续性和不可逆的特点，即使在采煤结束后很多年，地面仍会持续的变形，不仅造成当下的损失，还会对矿区环境产生威胁和破坏。所以对于松宜矿区煤矿采区塌陷机理的研究已越来越重要。采空区塌陷规律的研究，是矿山重要课题之一，矿山采空区结构力学模型不断发展变化（黄英华，2008），本研究以尖岩河井田为突破口，通过有限元模拟分析，对矿区地层建模，模拟分析采空区地面变形塌陷原因、规律及影响范围，运用 FLAC3D 计算得到采空区沉降结果，确定塌陷机理，对于解决松宜地区煤矿及全国同类矿山采空区塌陷问题具有重要意义。
1 矿区地质简况
尖岩河矿区位于仁和坪向斜北翼东段，是一个不完整的向斜构造，区内断层构造较发育，按展布方向可分为 3 组：近东西向逆断层；北、北东向正断层，规模较大，较发育；北西向正断层，一般规模较小，不甚发育。区内出露有石炭系、二叠系、三叠系和第四系，煤、硫铁矿及高岭土赋存于下二叠统梁山组内。
图1矿区地质简图
矿区地层由新到老分别为：（1）第四系（Q）：坡积土及大小不等的砾石，厚 0～27.61 m；（2）下三叠统大冶组（T1d）：灰色、青灰色薄—中厚层灰岩，下部为泥质灰岩，厚 400～450 m；（3）上二叠统吴家坪组 （P3w）：黑色薄层硅质泥岩，厚 4.87～26.14 m；（4） 中二叠统茅口组（P2m）：深灰色结晶灰岩，夹隧石灰岩，厚 47.10～126.99 m，平均 79.42 m；（5）中二叠统栖霞组（P2q）：深灰含炭质沥青质灰岩，厚 150～240 m；（6）中二叠统梁山组（P2l）：深灰色粉砂岩、细砂岩、石英砂岩，夹炭质泥岩、煤层和黏土质泥岩，下部夹有Ⅰ煤层，呈透镜体产出，局部具工业价值，平均厚度 19.35 m。（7）中石炭统黄龙组（C2h）：上为灰色厚层状灰岩，下部为白云质灰岩，厚度33.59～99.43 m（图1）。
2 工程地质条件
区内岩土体可划分为层状坚硬碳酸盐岩类、坚硬—次坚硬碎屑岩岩类和松散堆积土类3种工程地质类型。
层状坚硬碳酸盐岩类由黄龙灰岩、栖霞灰岩、茅口灰岩和大冶灰岩组成，为中厚—厚层状结晶灰岩，力学强度较高，矿山斜井巷道主要分布于黄龙灰岩和栖霞灰岩中，井巷稳定性好。碎屑岩岩类主要由吴家坪组、梁山组含煤地层组成，该类岩体受构造变动较弱，完整性较好，力学强度较低。土体为第四系冲洪积层和残坡积层，成分为砾石、细砂、黏土等，含水性差，力学强度较低，且随其中碎石成分及含量不同变化较大，分布在沟谷及缓坡地带。
3 采空区塌陷分布及与断层相对位置
尖岩河煤矿及周边采空区塌陷点共计10处，分布在北部及东部采空区，地表塌陷坑口形态以圆形及椭圆形为主；长轴方向以近东西向为主，少量为北东向及北西向，塌陷深最小1.5 m，最大＞30 m，塌陷点基本位于断层之上或者临近断层附近（表1，图2）。
表1尖岩河煤矿地表塌陷调查统计
4 塌陷机理数值模拟分析
4.1 使用软件及模拟目标
（1）软件简介
FLAC 3D是一款基于快速拉格朗日法的三维连续介质力学分析软件（管红兵，2021），广泛用于地下空间工程、矿山工程及隧道工程等多个领域的研究。能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动，这种方法比有限元法中通常采用的“离散集成法” 更为准确、合理，已经成为应用最为广泛的数值模拟软件之一。其基本原理为有限差分法，同时还采用了离散模型法和动态求解法。借助于这些方法，将连续统一体的运动规律转化成节点上的牛顿定律的离散形式，然后利用时间上的显式有限差分方法对产生的常微分方程组进行数值计算。
（2）模拟目标
此矿区老旧，地层较为复杂，厚度分布不均匀，且断层发育。此次模拟目的是通过对矿区地层建模，模拟分析采空区地面变形塌陷原因、规律及影响范围。故通过获取的矿区地质资料，进行概化建模、分层和创建断层，即将模型建立为厚度均匀、同层岩石力学性质相同的简化模型，并根据矿区地质概况键入参数，对比仅开挖形成采空区和既有采空区有断层存在两种情况下的地应力和竖直方向上的位移，分析两者是否都对地表沉降或塌陷造成较大影响。
4.2 基本步骤及假设
完整的 FLAC 3D 模拟步骤可以分为 3 部分，即建立模型、模拟求解和后处理。建立模型主要包括生成网格单元、定义本构模型和设置初始参数等部分；模拟求解部分主要是模型的开挖和有限差分求解；后处理部分主要为图标的制作、数据的归纳输出等。
为了研究断层端部附近应力的大小和方位，现做如下基本假设：（1）周围岩体为均匀各向同性材料；（2）断层为弹塑性材料。
图2塌陷点分布图
4.3 模型的几何形状和边界条件初始条件
模型和边界条件设置：采用三维模型，断层模拟成两个地层的接触面，通过界面生成，同时用力学性质相对于周围岩体较低的岩石性质代替断层面。有限差分模型有2个（有断层及无断层，图3、图4），模型采用的加载方式为先加载后开挖，模型四周边界均施加水平位移约束，底边界均施加水平位移及垂直位移约束，上部边界为自由面即为地表。由于需要后续开挖，模型整体会有预留便于观察形变和应力的部分。
在建立好模型后，通过地质资料获得各个不同岩层的力学参数，设置好模型中相对应层位的密度等力学参数（表2），并施加 1 个 G 的重力，开始平衡求解过程，得到初始平衡模型。
4.4 采空区及监测点布设
设置模型总长3000 m，高320 m，宽500 m，从地表向下分别为灰岩层（厚 280 m）、泥岩层（厚 7 m）、煤层（厚3 m）以及底板（厚30 m）。在以初始平衡模型的相应深度开采煤层（长 1000 m，宽 100 m，高 3 m）形成采空区，初始化模型格点的位移和速度，在不同的位置设置监测点，监测记录该点的竖直位移，然后开始模拟分析。1～6号监测点位分别在地表沿X轴正向200 m、500 m、800 m、1100 m、1300 m、 1500 m 处，7～9号监测点位分别在 6号点位正下方及采空区上方深度为 180 m、285 m、280 m 处（图5、图6）。
图3无断层模型分层图
图4断层模型分层图
表2各分层力学性质参数
图5无断层模型及其监测点位置
图6含断层模型及其监测点位置
4.5 模型模拟求解
无断层时，地表以采空区为中心呈现盆地状微小形变，最大仅有 3 mm 左右的形变。当有断层时，地表有明显的竖直方向上的位移变形，变形最大处有17.5 cm的下沉，且采空区上方岩层受断层影响，近断层端唯一形变面积更大（图7、图8）。
通过监测点的位移曲线观察到，无论是否有断层存在，采空区上方地层均有 6 mm 左右的沉降，沉降在前期发生后一直趋于稳定。反观地表监测点位移曲线，断层明显影响了地表岩层的位移形变，在断层带上方的地表沉降明显，最大位移为 17.5 cm，对周围岩层也造成一定挤压。无断层采空区地表岩层位移量微小，基本稳定。矿区内易发塌陷地块为断层发育地块及附近（图9、图10）。
图7无断层岩层位移形变剖面图
图8含断层岩层位移形变剖面图
5 结论
（1）采空区对于地表变形有一定的影响，均都属于正常，给予适当的支护以及防护措施可以减小其影响，避免发生地表沉降。
（2）断层会对地表变形造成较大影响，尤其当断层与采空区有交叉覆盖时，会加大采空区带来的岩层变形，导致比较大的地表沉降。
（3）由于实际的采空矿区的各岩层性质变化比较大，在模拟时均取得资料中的各项参数的平均值进行模拟。所以当某些地区的岩石力学性质相对较脆弱时，可能发生更大的地表沉降或塌陷造成比较严重的灾害和后果。
图9无断层地表监测点位移曲线图
图10含断层地表监测点位移曲线图
