摘要
煤矿采空区改变了地层的原始应力状态，围岩在长期重力及地表建筑压力作用下会发生沉降变形，严重影响了矿区及周边居民的生命财产安全。以往研究主要针对于矿区本身及覆岩变化，结合地表建筑物的分析较少，本文以华泰煤矿可采煤层为研究对象，利用FLAC3D软件对煤层开采后采空区引起的地表沉降及围岩变形展开深入研究，揭示了煤层开采引起的地表沉降规律，通过数值模拟结果分析得到以下结论： （1）华泰煤矿可采煤层开挖引起的地表最大沉降值为1848.20 mm，采空区导致地表出现一定规模沉降盆地；（2）矿区边界附近因采空区产生的沉降量约550 mm；（3）煤层越深，采空区引起的地表沉降量越小，产生的地表沉降范围越大。通过分析研究地表变形特征，针对性地提出了地表建筑物布置方案、地基基础处理、圈梁加固等安全控制措施，提高了建、构筑物的安全性，为采空区地表的开发利用提供指导与依据。
Abstract
The coal mine goaf changed the original stress state of the strata, and the surrounding rock undergoes settlement deformation under long-term gravity and surface building pressure. This seriously affect the life and property safety of the mining area and surrounding residents. Previous studies mainly focused on changes in the mining area and overlying strata, with limited analysis of surface buildings .In this study, the minable coal seams of the Huatai Coal Mine are examined. Furthermore, FLAC3D software is used to conduct in-depth research on the surface settlement and surrounding rock deformation due to goaf after coal mining. The law of surface settlement caused by coal mining is revealed, and the following conclusions are obtained by analysing the numerical simulation results: (1) The maximum surface settlement due to the excavation of minable coal seams in Huatai Coal Mine is 1848.20 mm, and the goaf leads to a certain scale of subsidence basin on the surface; (2) The settlement caused by goaf near the boundary of the mining area is approximately 550 mm; (3) The deeper the coal seam, the smaller the surface subsidence caused by goaf, and larger the range of surface subsidence generated. By analysing and studying the characteristics of surface deformation. targeted security control measures have been proposed，such as surface building layout, foundation treatment, and ring beam reinforcement, have been proposed. Improved the safety of buildings and structures, providing guidance and basis for the development and utilization of goaf surfaces.
Keywords
0 引言
煤矿开采结束后，由于采空区的存在，在上覆围岩自身重力及附加荷载的干扰下，岩体的变形会逐步发展到地面，地表将产生不同规模的沉降与变形，严重时还会导致采空塌陷与地裂缝的出现，给地表建筑物及居民带来安全隐患与经济损失（王文考等，2022a）。在矿区进行工程建设之前，要充分考虑已开采与将要开采煤层对上覆岩层的影响程度，根据采空区规模、地表沉降量对拟建场地进行适宜性分区，依据分区结果规划工程建设方案（崔萌等， 2022）。
近年来，诸多学者针对工程因素对采空区覆岩变形的影响进行了一定研究。任连伟等（2018）为了得到更精确的基础应力和位移，充分考虑采空区活化变形、残余变形和附加变形等耦合作用，提出了采空区地基附加应力的计算方法；韩科明（2021） 通过分析采空区覆岩在承受地表建筑荷载时的稳定性，指出老采空区地表在建筑荷载作用下产生的变形具有不均匀、不连续的特征；在老采空区场地修建建筑物时，为避免发生地面塌陷、建筑物沉降、开裂、倾倒等问题，需要对采空区地基进行加固处理（尹丽军等，2021）；条带型老采空区覆岩变形处于毫米级，监测期范围内地表无明显移动破坏现象 （李学良，2022）；通过分析工作面位移、应力随时间及空间变化的规律，可以得出工作面采空区的卸压影响范围（陈广金等，2022）。
综上所述，学者们通过一系列室内试验、数值模拟分析，为荷载作用下采空区变形规律、沉陷控制研究提供了充分理论依据，也得到了诸多成果。但是，采空区上方地表建筑物在长期时间效应下，覆岩会随着破碎岩体逐渐压实而发生残余变形，进而影响建筑物的安全性，目前针对采空区上方建筑物抵抗变形的处置措施研究尚未全面开展（高志刚等，2022；靳宝等，2022）。
FLAC3D是采用拉格朗日差分法的数值模拟仿真软件，通过内置的多种本构模型相互耦合，对岩土体材料在接近强度极限、屈服极限时产生损坏的力学特性进行较好的模拟，适用于采空区上覆岩层受荷载后的沉降变形规律研究（戴文琦，2022；纪晓东，2022）。本文以华泰煤矿6层可采煤层为研究对象，利用FLAC3D，针对每层煤层开采引起的围岩变形及地表沉降进行模拟研究，分析各层采空区的存在对地层稳定性、地表沉降的影响，并针对采空区上方区域的城市规划设计与建筑物安全措施提出相关意见，为矿区采空区稳定性评价与后期工程建设的安全论证提供技术支撑与基础数据。
1 工程概况
工程所依托矿区位于山东省莱芜市区东南约 5.5 km处，矿区内部有大汶河穿过，以低山丘陵地貌为主，总体上来看地形较平坦，地势由南向北缓倾，局部地区地貌逐渐过渡为冲洪积堆积地形地貌（图1）。
图1研究区位置图
矿区含煤地层均为月门沟群太原组（图2）。其中华泰煤矿含煤地层总厚度330.35 m，共含煤20 层，煤层总厚度10.14 m，含煤系数为3.07%；其中主要可采煤层共6层（2#、4#、7#、9#、15#、19#煤层），可采煤层平均总厚度7.61 m，可采含煤系数2.30%。
其中：2#煤层厚度0.50～2.24 m，平均1.45 m，全区较稳定；4#煤层厚度0～2.59 m，平均0.91 m，不稳定；7#煤层厚度0～1.32 m，平均0.81 m，不稳定；9# 煤层厚度0～1.74 m，平均0.74 m，不稳定；15#煤层厚0.72～3.41 m，平均1.18 m，部分受岩浆岩侵入影响变成天然焦甚至被完全侵蚀；19#煤层厚度0～2.04 m，平均1.14 m，大部分受岩浆岩侵入影响变成天然焦甚至被完全侵蚀。
区内工作面煤层使用走向长壁后退式采煤法开采，后期为保证安全生产，开始进行充填开采，充填材料主要为似膏体及煤矸石。矿井煤层的开采顺序为：先采上层后采下层，即下行式开采。全矿井主要有5个井筒，分别为：皮带井、管子井、矸石井、西风井、北区风井。
图2研究区地质图
2 FLAC3D数值模型建立
通过FLAC3D、Tecplot、Origin 和 AotoCAD 等软件，建立矿区概化几何模型，并对煤矿采空区影响范围进行数值模拟计算。
主要步骤如下（图3；刘文强，2018）：
（1）确定本构模型，根据煤矿地层岩性特征，模型采用摩尔-库伦本构模型进行分析。
图3数值模拟分级流程示意图
（2）建立三维模型，根据煤矿范围及地层信息，建立三维地质模型，同时进行网格划分。
（3）将不同地层进行赋值，模拟开挖过程及开挖后的位移、变形情况。
（5）将 FLAC3D 模拟完成后的模型数据导入 Tecplot、Origin和AotoCAD等软件进行后处理，获取所需要的数据及图形文件。
（6）模拟结果分析。
为了缩短计算机数值模拟处理时间，利于计算收敛以便得到正确结果，建模过程中在不影响计算结果的前提下，对该计算模型的物理环境进行了必要的简化（郭建等，2022；王文考等，2022b）：
（1）煤层一次采出，采空区顶板采用全部垮落法管理，不考虑留设煤柱，不考虑开采过程中地层变形。
（2）几何模型由8层地层和6层煤层组成，如图4所示。在模型分析时，不考虑开挖进度，分析过程中认为同一层煤层同时开挖完成，然后分析本层开挖结果对地表沉降影响范围，本层分析完成后用同样的方法分析下一层。
图4华泰矿区地层几何模型
模型分析时作如下假定（罗佳竺等，2019）：① 各地层结构相对均匀；②土层固结过程是非线性固结；③模型远远大于煤层开挖区域，模型边界位移为0； ④地面荷载忽略不计。FLA3D 模型的边界条件：X方向为0~1200 m，Y方向为0~1000 m。⑤成矿前断裂构造与成矿时断裂构造时期较为久远，主要对矿床的形成有较大影响，对目前的矿区矿岩完整性影响不大，而成矿后断裂构造对岩体影响较小。因此，本模型中未考虑断层构造（白云等，2019）；⑥ 本构模型选取摩尔-库伦模型。
3 数值模拟结果分析
3.1 华泰煤矿可采煤层沉降预测分析
3.1.1 2#煤开挖地表水平面沉降等值线
2#煤层开挖范围为X方向2500~8800 m、Y方向 2300~7600 m和Z方向全部域内的煤层厚度。开挖后地表变形如图5所示，开采第2层煤后地表沉降边界外120 m处。可以看出，随着煤层开挖，采空区范围的逐渐扩大，地表形成明显的环形沉降盆地。这是由于随着采空区范围的逐渐扩大，煤层周围围岩裂隙迅速发育，“岩梁”承载力逐渐降低，围岩产生变形且逐渐延伸至地表，产生地表沉降。随着开采工作的结束，围岩应力逐渐释放完成，地表变形趋于稳定。越靠近采空区中心位置处上方地表沉降值最大，距离采空区中心位置越远处上方地表沉降值越小，受采空区围岩变形影响程度越小。
图52#煤开挖地表水平面沉降等值线图
3.1.2 4#煤开挖地表水平面累计沉降等值线
4#煤开挖范围为X方向2700~8430 m、Y方向 2380~7200 m和Z方向全部域内的煤层厚度。由图6可知，开采第4#煤后（假设此时2#煤已采空）地面最大沉降量为139.26 mm；华泰矿界附近沉降值约为80 mm，20 mm沉降等值线约在华泰矿界外260 m 处。可以看出，由于4#煤开挖，地面最大沉降量由 53.29 mm增大至139.26 mm，地表形成与单2#煤层开采时产生的环形塌陷盆地。其原因是由于下层煤开采导致上层采空区产生了“二次活化”。下层煤采空区形成后，直接顶岩层垮落，随着直接顶围岩的破坏，周边围岩产生的变形带动上层采空区下沉位移，并逐渐传递至地表。两层采空区地表最大沉降值均在靠近采空区中心处，表现出相同的环形沉降盆地。
图64#煤开挖地表水平面沉降等值线图
3.1.3 7#煤开挖地表水平面累计沉降等值线
7#煤开挖范围为X方向2960~7800 m、Y方向 2620~7540 m和Z方向全部域内的煤层厚度。由图7可知，开采7#煤后（假设此时2、4#煤已采空）地面最大沉降量为382.81 mm；华泰矿界附近沉降值约为160 mm，20 mm沉降等值线约在华泰矿界外400 m处。可以看出，随着煤层开采深度的增加，地表最大沉降值仍然呈现增大趋势，这是由于上下层煤采空区形状相对规则且类似，均表现出中间较大两边较小环形沉降趋势，在叠加效应下，使地表沉降变形呈现出以采空区为中心较为对称的变形规律。
图77#煤开挖地表水平面沉降等值线图
3.1.4 9#煤开挖地表水平面累计沉降等值线
9#煤开挖范围为X方向2820~8100 m、Y方向 2540~7400 m和Z方向全部域内的煤层厚度。由图8可知，开采11#煤后（假设此时2#、4#、7#煤已采空） 地面最大沉降量为748.21 mm；华泰矿界附近沉降值约为300 mm，20 mm沉降等值线约在华泰矿界外 560 m处。可以看出，随着煤层开采深度的增加，下层煤成为地表沉降继续增大的主要因素，地表沉降量继续增加，仍然表现出中间沉降值最大，向两侧逐渐递减的趋势。
图811#煤开挖地表水平面沉降等值线图
3.1.5 15#煤开挖地表水平面累计沉降等值线
15#煤开挖范围为X方向2500~8800 m、Y方向 2300~7600 m和Z方向全部域内的煤层厚度。由图9可知，开采15#煤后（假设此时2#、4#、7#、9#煤已采空）地面最大沉降量为1234.20 mm；华泰矿界附近沉降值约为400 mm，20 mm沉降等值线约在华泰矿界外720 m处。可以看出，15#煤开挖后，地表最大沉降点沿X轴正方向发生偏移，这是由于煤层倾角所导致，沿X轴正方形煤层距离地表距离最近，开挖后对地面沉降影响效应较大。
3.1.6 19#煤开挖地表水平面累计沉降等值线
19#煤开挖范围为X方向2500~8800 m、Y方向2300~7600 m和Z方向全部域内的煤层厚度。由图10可知，开采19#煤后（假设此时2#、4#、7#、9#、15# 煤已采空）地面最大沉降量为1848.20 mm；华泰矿界附近沉降值约为550 mm，20 mm等值线在矿界外 1000 m附近。
图915#煤开挖地表水平面沉降等值线图
图1019#煤开挖地表水平面沉降等值线图
由图5~图10可以看出，地表最大沉降出现在采空区上方位置。整个矿区的位移变化主要集中在移动带范围内，移动带范围外沉降量基本为零。采空区上部沉降较大，采空区范围外沉降值较小，采空区对地表稳定性有一定的影响。在临近移动带范围外的建筑物附近地表沉降基本为零，对地表构筑物的稳定性不造成影响。
根据现场情况调查，马路上并没有明显的破坏痕迹，而且由矿山日常地表沉降观测可知，后续的开采中位移慢慢趋于定值，说明后续采空区不存在较大的工程扰动，地表会趋于稳定状态。
根据2#、4#、7#、9#、15#、19#煤开挖地表水平面累计沉降等值线可知，层间距较近的下部煤层开采形成采空区后，上部已开采煤层采空区将产生围岩沉降变形，且地表最大沉降值呈现出增大趋势，将对地表已有或新建（构筑物）地基稳定性产生不良影响。
3.2 华泰煤矿部分沉降剖面分析
3.2.1 X坐标6000剖面沉降等值线
由19#煤X=6000 m剖面沉降等值线图可知（图11），沉降值为200 mm在Y=3750~6380 m范围内，等值线与水平面夹角76°；沉降为100 mm在Y=3510~6490 m范围内，左侧等值线与水平面夹角62°，右侧等值线与水平面夹角65°；沉降值50 mm在Y=3280~6760 m范围内，左侧等值线与水平面夹角58°，右侧等值线与水平面夹角59°；沉降值20 mm在Y=3050~6920 m范围内，左侧等值线与水平面夹角51°，右侧等值线与水平面夹角53°。可以看出，采空区围岩变形自顶板处向两侧逐渐减小，呈现出倒“U”形变化趋势，采空区中心顶板处易产生剪切破坏或张拉破坏，是煤层开采过程中围岩变形的薄弱部位。
3.2.2 Y坐标5000剖面沉降等值线
由19#煤Y=5000 m剖面沉降等值线图可知（图12），沉降值为200 mm在X=2420~8950 m范围内，等值线与水平面夹角78°；沉降值为100 mm在X= 2080~9460 m 范围内，左侧等值线与水平面夹角72 °，右侧等值线与水平面夹角64°；沉降值为50 mm 在X=1800~9640 m范围内，左侧等值线与水平面夹角66°，右侧等值线与水平面夹角59°；沉降值为20 mm在X=1650~9720 m范围内，左侧等值线与水平面夹角60°，右侧等值线与水平面夹角55°
图11X=6000 m剖面沉降等值线图
由图11~图12可以看出，沉降变形多集中于采空区顶部偏左位置，隆起变形多集中于采空区底部偏右位置，采空区整体沉降变形量较小；采空区拱部最大合位移变化范围较小，主要位移区域多集中于采空区顶、底板位置，个别集中于采空区左侧，合位移整体变形趋势朝向采空区内，大致以采空区为中心且呈现出倒“U”字形变化规律。
图12Y=5000 m剖面沉降等值线图
3.3 华泰矿区拐点和地表累积沉降等值线关系分析
6#煤全部开采后地表最大沉降量为1848.20 mm；X方向范围1650~11000 m，Y方向范围2720~8860 m；矿界范围沉降值约为550 mm，沉降值为 100 mm约在矿界外530 m范围内，沉降值为50 mm 约在矿界外760 m范围内，沉降值为20 mm约在矿界外1000 m范围内（表1）。
表1各煤层采空累计沉降量统计
地表形变主要集中在圈定地表移动带范围内，最大沉降主要在移动带范围内遗留采空区上部，形变值1848.20 mm，根据数值模拟结果可得在移动带范围外地表的形变量逐渐减小，受采空区的影响愈来愈小。
3.4 华泰煤矿煤层开采对地表沉降影响分析
根据采空区围岩变形规律及数值模拟分析结果可知，华泰煤矿煤层开采对地表沉降的影响主要有以下几个特征：
（1）开采层位对顶板以上不同位置岩层内部的破坏以及地表沉陷的影响是不等的。
（2）松散层厚度较大时，改变了倾斜煤层开采时的地表移动盆地的位置，地表移动盆地向地层倾斜方向偏离很小。
（3）开采层厚决定了地表移动和变形的最大值，采厚增加，地表沉降更加明显。
（4）开采深度加深，地表移动盆地的范围加大，地表移动的速度减小，地表移动的各种数值减小。
（5）采空区尺寸的大小决定采动程度，当采空区沿走向和沿倾斜方向都达到充分采动的宽度时，地表出现该地质采矿条件的移动和变形最大值。
4 采空区地表建筑物安全措施及建议
4.1 采空区地表建筑物安全措施
（1）采空区拟建建筑平面布置应满足下列要求：
①拟建建（构）筑物的主轴宜与煤层走向或倾斜方向一致，或以较小的夹角与其斜交；
②应选择地表变形小、变形均匀的地段，并避开地表裂缝、塌陷坑、台阶等分布地段。
（2）煤矿采空区的新建建（构）筑物建筑措施：
①建筑物平面形状应力求简单、对称、等高；
②建筑物过长时，应设置变形缝，沉降缝应与建筑物的纵向中心线垂直。
（3）煤矿采空区的新建建（构）筑物结构措施：
①应增强建筑物的整体刚度与强度，宜选用静定结构体系；
②在地表非连续变形区内，应在框架与柱子之间设置斜拉杆；
③楼板和屋顶不应采用易产生横向推力的砖拱或混凝土拱形结构；
④老采空区上方新建建（构）筑物时，宜采取抗残余变形、活化变形的结构措施。
（4）煤矿采空区的新建建（构）筑物及其基础与地下室部分，可根据结构特点和建（构）筑物用途，有针对性地按刚性或柔性设计。
基础结构的刚度和强度必须足以抵抗地表水平变形的影响和承受采动时所产生的附加内力。
基础结构或基础与地下室部分应具有足够的柔性和可弯性，以保证基础能够随地基移动而位移，可根据情况采取不同的结构措施。
（5）煤矿采空区已有建（构）筑物保护措施：
煤矿采空区已有建（构）筑物保护应根据其损坏程度等级及特点分别采取一般加固措施、中等加固措施或专门加固措施。
①一般加固措施包括设置地形补偿沟、钢拉杆、钢筋混凝土圈梁、增加变形缝等；
②中等加固措施除一般加固措施外，还应增设钢筋混凝土基础梁（纵、横向梁及斜梁），层间及檐口钢筋混凝土圈梁、钢筋混凝土柱子；
③专门加固措施为针对建筑物可能出现的破坏形式采取专门加固方案，同时可采取减小地表移动变形破坏的开采技术措施。
4.2 采空区地表建设安全建议
（1）要根据实际情况和城市规划有关的技术规范、标准对工作区进行城市建设规划，无论哪种条件下、无论采空塌陷危害程度大小，工作区内在进行单个工程建设前，都要采取具有针对性的工程手段查明采空区的分布及深度，采取避让或者治理等手段消除采空塌陷带来的安全隐患。
（2）工程建设前，建议对采空区各类工程的影响及危害程度进行专门评价，并严格按照国家有关规范要求做好地质灾害危险性评估、压覆矿产资源调查评估和地基稳定性评价等工作，详细查明建设场地范围内的采空区及采空塌陷的地质灾害危险性，做好避让或防治措施。
（3）及时开展工作区内采空塌陷地质灾害治理工作，特别是采空塌陷地质灾害危险性大区和中区，应委托有资质的单位编制详细治理方案，合理有序开展采空塌陷治理，最大限度地利用现有土地。
5 结论
（1）华泰煤矿2#、4#、7#、9#、15#、19#煤开采完成后，地表最大沉降量为1848.20 mm，并形成明显沉降盆地。
（2）6#可采煤层形成的采空区引起矿区边界附近的地表沉降值约550 mm。
（3）随着煤层开采深度的增加，地表沉降量增值逐渐减小，地表沉陷盆地的扩大范围逐渐增加，对地表建（构）筑物地基稳定性。
（4）采取一系列安全措施后，可减小围岩二次应力变化值，使围岩处于相对稳定的状态，围岩整体上的稳定性不遭受破坏，整体上减小围岩内部位移量。