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摘要：本文以陕北某煤矿采空区为例，通过flac岩土工程数值模拟软件对采空区上覆岩层沉降量、水平位移进行模拟，进而对上部场地进行工程建设稳定性评估。
关键词：采空区 数值模拟沉降稳定性
中图分类号： X752 文献标识码： A 文章编号：
采空区及拟建场地现状
1.1 采空区现状
煤层的直接顶板为厚度 2m~10.7m 的粉砂岩、泥质粉砂岩，老顶为4.2m~10.6m 厚的灰色厚层状细粒~中粒长石砂岩，底板为砂岩与粉砂岩互层，含植物根系化石。煤层与顶底板呈现明显接触关系。岩石节理裂隙发育微弱，可初步认为顶板属中等冒落顶板~难冒落的坚硬顶板。由此可得，对采空区上覆岩层稳定性以上层砂岩为主，黄土层或松散层作为辅助研究对象。
1.2 拟建场地现状
根据图纸范围，拟建场地近似为 350m×700m 不规则矩形，且在场地北部已查明存在采空区，以已查明的采空区为依据，进行模拟计算，以评估整个场地的稳定性。场地位于煤矿的南盘区的中西部，根据勘察报告，拟建场地范围内北部已查明存在采空区 61 亩，采空区埋深90~110m，其上覆岩层地层岩性及结构特征如下：
（1）第四系松散沙：主要为中更新统离石黄土，其上覆有现代风积沙，可见萨拉乌苏组沉积，该层孔隙率大，承载力太低，稳定性较差。
（2）泥岩类：以泥岩为主，夹薄层粉砂质泥岩、泥质粉砂岩等，厚度变化在20m~40m 之间。岩石软化性大，岩体质量差，抗压、抗剪强度小。
（3）砂岩类：主要为中粒~细粒砂岩居多，间夹粗粒砂岩，其底部为粉砂岩，分布较为稳定。岩体质量中等，抗压、抗剪强度较大。
2采空区上覆岩层稳定性评估
本次評估采用岩土有限元软件进行三维模型分析，目的在于评价采空区上方场地的变形破坏程度，以及采空区对周围场地的影响范围，由此分析整个场地的稳定性。
2.1根据采空区岩层建立数值模型
根据勘察报告，拟建项目场地完全位于煤矿范围内，底部采空，上部出现塌陷变形，分析地表变形量及地表产生的破坏形式。
该模型主要分析下部具有采空区的场地可能发生下沉的工况，模型尺寸为 1000×1000×120(m3)，上部覆盖层厚度 100m，分为两层，上层以黄土及新近系强风化泥岩、砂岩作为一层，厚度约 50m，下层为中风化~未风化砂岩，厚度约 50m，其下为煤层采空区，平均厚度按 5m 计，下部为底部砂岩基座。模型中岩土材料均按符合 Mohr-Coulomb 破坏准则考虑，则岩土体参数参考勘察报告及相关文献取值如表1 所示。
表1 数值模拟计算参数取值表
2.2 模拟结果及稳定性评估
运用flac 3d岩土数值模拟软件模拟结果如图1：
（a）上部砂岩层竖向沉降量（b）上部黄土层竖向沉降量
（c）上部砂岩层水平位移量（d）上部黄土层水平位移量
图1沉降量及位移云图
整个模型仅在自重条件下产生的沉降位移和应力、应变云图如图 3 所示。从图上看到，在自重条件下，采空区上部覆盖层通常会出现较大的竖向沉降位移，砂岩层最大沉降位移量达 0.5m，而黄土层酥松易碎，沉降并不均匀，大多数沉降为 2m 左右，而采空区中心沉降量达到 2.5m，说明采空区发生沉降的可能性极大，且由采空区向四周沉降不均匀，导致上覆土层产水平位移，砂岩层最大水平位移量 0.08m，而黄土层对水平位移也起到放大作用，最大水平位移量达 0.25m，足以对地面建筑造成破坏。通过调查，目前近场范围内已出现大量地表裂缝，引发房屋变形、水渠错断等一系列不良灾害。
结论
通过数值软件对采空区上覆岩层沉降量和水平位移模拟结果显示：
1、在自重条件下，采空区上部覆盖层通常会出现较大竖向位移，砂岩最大位移量达 0.5m，黄土层沉降不均匀，大多数沉降为 2m 左右，而采空区中心沉降量达到 2.5m，说明采空区发生沉降的可能性极大，
2、黄土层对水平位移也起到放大作用，最大水平位移量达 0.25m，足以对地面建筑造成破坏。
3、沉降量和位移大小显示，采空区上部场地不适宜进行工程建设且场地附近建筑物已有变形开裂迹象。
参考文献
[1]刘军生等.采空区稳定性评估[R]，2008
[2]郭文兵等.《开采损害与保护》[M]．徐州：中国矿业大学出版社 ，2006
[3]琚朝旭等．开采沉陷的预计方法及发展[J]．中国科技信息，2009，11
关键词：采空区 数值模拟沉降稳定性
中图分类号： X752 文献标识码： A 文章编号：
采空区及拟建场地现状
1.1 采空区现状
煤层的直接顶板为厚度 2m~10.7m 的粉砂岩、泥质粉砂岩，老顶为4.2m~10.6m 厚的灰色厚层状细粒~中粒长石砂岩，底板为砂岩与粉砂岩互层，含植物根系化石。煤层与顶底板呈现明显接触关系。岩石节理裂隙发育微弱，可初步认为顶板属中等冒落顶板~难冒落的坚硬顶板。由此可得，对采空区上覆岩层稳定性以上层砂岩为主，黄土层或松散层作为辅助研究对象。
1.2 拟建场地现状
根据图纸范围，拟建场地近似为 350m×700m 不规则矩形，且在场地北部已查明存在采空区，以已查明的采空区为依据，进行模拟计算，以评估整个场地的稳定性。场地位于煤矿的南盘区的中西部，根据勘察报告，拟建场地范围内北部已查明存在采空区 61 亩，采空区埋深90~110m，其上覆岩层地层岩性及结构特征如下：
（1）第四系松散沙：主要为中更新统离石黄土，其上覆有现代风积沙，可见萨拉乌苏组沉积，该层孔隙率大，承载力太低，稳定性较差。
（2）泥岩类：以泥岩为主，夹薄层粉砂质泥岩、泥质粉砂岩等，厚度变化在20m~40m 之间。岩石软化性大，岩体质量差，抗压、抗剪强度小。
（3）砂岩类：主要为中粒~细粒砂岩居多，间夹粗粒砂岩，其底部为粉砂岩，分布较为稳定。岩体质量中等，抗压、抗剪强度较大。
2采空区上覆岩层稳定性评估
本次評估采用岩土有限元软件进行三维模型分析，目的在于评价采空区上方场地的变形破坏程度，以及采空区对周围场地的影响范围，由此分析整个场地的稳定性。
2.1根据采空区岩层建立数值模型
根据勘察报告，拟建项目场地完全位于煤矿范围内，底部采空，上部出现塌陷变形，分析地表变形量及地表产生的破坏形式。
该模型主要分析下部具有采空区的场地可能发生下沉的工况，模型尺寸为 1000×1000×120(m3)，上部覆盖层厚度 100m，分为两层，上层以黄土及新近系强风化泥岩、砂岩作为一层，厚度约 50m，下层为中风化~未风化砂岩，厚度约 50m，其下为煤层采空区，平均厚度按 5m 计，下部为底部砂岩基座。模型中岩土材料均按符合 Mohr-Coulomb 破坏准则考虑，则岩土体参数参考勘察报告及相关文献取值如表1 所示。
表1 数值模拟计算参数取值表
2.2 模拟结果及稳定性评估
运用flac 3d岩土数值模拟软件模拟结果如图1：
（a）上部砂岩层竖向沉降量（b）上部黄土层竖向沉降量
（c）上部砂岩层水平位移量（d）上部黄土层水平位移量
图1沉降量及位移云图
整个模型仅在自重条件下产生的沉降位移和应力、应变云图如图 3 所示。从图上看到，在自重条件下，采空区上部覆盖层通常会出现较大的竖向沉降位移，砂岩层最大沉降位移量达 0.5m，而黄土层酥松易碎，沉降并不均匀，大多数沉降为 2m 左右，而采空区中心沉降量达到 2.5m，说明采空区发生沉降的可能性极大，且由采空区向四周沉降不均匀，导致上覆土层产水平位移，砂岩层最大水平位移量 0.08m，而黄土层对水平位移也起到放大作用，最大水平位移量达 0.25m，足以对地面建筑造成破坏。通过调查，目前近场范围内已出现大量地表裂缝，引发房屋变形、水渠错断等一系列不良灾害。
结论
通过数值软件对采空区上覆岩层沉降量和水平位移模拟结果显示：
1、在自重条件下，采空区上部覆盖层通常会出现较大竖向位移，砂岩最大位移量达 0.5m，黄土层沉降不均匀，大多数沉降为 2m 左右，而采空区中心沉降量达到 2.5m，说明采空区发生沉降的可能性极大，
2、黄土层对水平位移也起到放大作用，最大水平位移量达 0.25m，足以对地面建筑造成破坏。
3、沉降量和位移大小显示，采空区上部场地不适宜进行工程建设且场地附近建筑物已有变形开裂迹象。
参考文献
[1]刘军生等.采空区稳定性评估[R]，2008
[2]郭文兵等.《开采损害与保护》[M]．徐州：中国矿业大学出版社 ，2006
[3]琚朝旭等．开采沉陷的预计方法及发展[J]．中国科技信息，2009，11