任雷平 楊高攀 劉閆鋒西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院 710055

淺析地表沉降變形的預(yù)測(cè)方法

任雷平 楊高攀 劉閆鋒
西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院 710055

由于地下大體積空區(qū)的存在，引起了地表的沉降變形。為了預(yù)測(cè)變形趨勢(shì)，我們建立了沉降模型去模擬變形情況。該物理模型的建立，使用有限元的思想，采用不同的巖層結(jié)構(gòu)、結(jié)合有限元分析軟件ANSYS、用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分算法劃分網(wǎng)格，使用了參數(shù)評(píng)估加權(quán)算法進(jìn)行物理參數(shù)的選取。仿真結(jié)果與實(shí)際情況相符合，為地表沉降研究機(jī)制提供了依據(jù)。

ANSYS；有限元；地表沉降；地下空區(qū)

ANSYS; finite element; subsidence deformation; underground mined-out area

引言

我國大部分礦山由于開采初期沒有進(jìn)行正規(guī)、嚴(yán)格的開采設(shè)計(jì)就進(jìn)入了生產(chǎn)，亂采亂挖現(xiàn)象嚴(yán)重；同時(shí)，沒有進(jìn)行采礦后期的設(shè)計(jì)、處理，也從來沒有考慮礦山開采后期以及開采結(jié)束后礦山的采場(chǎng)、地表處理問題等，造成了我國現(xiàn)存的幾百萬畝的塌陷區(qū)，造成了無盡的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、生活活動(dòng)的損失和影響。

開采沉陷預(yù)計(jì)是礦山開采沉陷學(xué)科的核心內(nèi)容之一,它對(duì)開采沉陷的理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐都有重要意義[1], 這方面研究已經(jīng)有許多成果[2～4]。從全國范圍看,每年礦山地質(zhì)災(zāi)害的總體損失不亞于一次地震或洪水帶來的損失[5]。在我國部分煤炭能源開發(fā)較早的地區(qū),開采沉陷帶來的災(zāi)害問題顯得尤為突出。

數(shù)值模擬計(jì)算可靠性主要取決于建模。而對(duì)礦山開發(fā)的建模極其復(fù)雜，尤其是建立三維實(shí)體模型。采用傳統(tǒng)的建模方法，不僅花費(fèi)大量的人工、計(jì)算時(shí)間，而且可靠性不高。鑒于此，我們采用了ANSYS[6]進(jìn)行整個(gè)礦區(qū)的模型建立。利用有限元的思想，結(jié)合ANSYS平臺(tái)從系統(tǒng)化、模塊化、可視化的角度進(jìn)行模擬分析，得出采空區(qū)引起的地表沉降的范圍、最大下沉線、最大下沉點(diǎn)、覆巖移動(dòng)及變形等規(guī)律，仿真結(jié)果與實(shí)際情況相符合，為礦山開采和大體積地下工程的建設(shè)提供了研究依據(jù)。

1、大空區(qū)引起地表沉降計(jì)算模型的建立

1.1 物理模型

由于礦山區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，不同的巖層相互交錯(cuò)，構(gòu)成了特殊的地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)。為了計(jì)算方便，我們簡(jiǎn)化了原始地質(zhì)構(gòu)造，如圖1所示的模型。整個(gè)模型最上層為地表土體，其次由巖石1、巖石2、巖石3、巖石4、和礦體1、礦體2組成的三維實(shí)體，圖1（a）和圖1（b）所示為三維實(shí)體的剖面圖。

圖1 地表沉降物理模型

1.2 模型計(jì)算思想

本模型將整個(gè)復(fù)雜的物理模型實(shí)體拆分為若干個(gè)形狀簡(jiǎn)單的單元，利用單元節(jié)點(diǎn)變量對(duì)單元內(nèi)部變量進(jìn)行插值來實(shí)現(xiàn)對(duì)總體結(jié)構(gòu)的分析。將連續(xù)體進(jìn)行離散化，離散而成的有限元集合將替代原來的彈性連續(xù)體，所有的計(jì)算分析都將在這個(gè)模型上進(jìn)行。其分析過程主要可分為以下五步：?jiǎn)卧獎(jiǎng)澐帧⑽灰颇Ｊ降拇_定、單元分析、總體分析及有限元方程組的求解。

由于計(jì)算機(jī)資源使用的有限性，本模型使用SOLID45單元[7]用于構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)，滿足了模型計(jì)算的精度要求，同時(shí)，計(jì)算效率也大幅提升。該單元通過8個(gè)節(jié)點(diǎn)來定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著x,y,z;方向平移的自由度。單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變能力。單元由8個(gè)節(jié)點(diǎn)和各向同性的材料參數(shù)來定義。各向同性材料方向?qū)?yīng)于單元坐標(biāo)系方向，單元載荷包括節(jié)點(diǎn)載荷和單元載荷。SOLID45單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SOLID45單元結(jié)構(gòu)圖

2.3 網(wǎng)格劃分以及邊界處理

考慮到本模型存在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以及極不規(guī)則的地質(zhì)條件和采場(chǎng)空間幾何形狀?？紤]到幾何形狀對(duì)網(wǎng)格的影響，同時(shí)，幾何特征區(qū)域上網(wǎng)格劃分形式取決于特征的重要度?？梢詮奶卣鞯膸缀涡螤?、幾何參數(shù)大小、屬性和約束等多方面進(jìn)行評(píng)價(jià)一個(gè)特征的重要度。外加載荷的力學(xué)特性分析是研究形體工作狀態(tài)的情況。這兩種情況下，受力情況和幾何情況完全不同，也決定了這兩種模式下網(wǎng)格劃分情況的不同。在網(wǎng)格劃分的過程中，兩者相互考慮、相互結(jié)合，同時(shí)，使用了自適應(yīng)網(wǎng)格劃分算法，得到比較高效、精確的三維劃分。

由于我們?nèi)〉哪Ｐ妥銐虼螅諈^(qū)對(duì)模型邊界的實(shí)際影響可以忽略不計(jì)，至此、整個(gè)三維模型的邊界我們進(jìn)行鋼化面處理。

2.4 物理參數(shù)的選取

整個(gè)模型的計(jì)算，物理參數(shù)的選取對(duì)整個(gè)模型的精確度和可參考性起到了重要的作用。本模型中我們使用了參數(shù)評(píng)估加權(quán)算法進(jìn)行參數(shù)的確定。評(píng)估加權(quán)算法如下表1所示：

表1 評(píng)估加權(quán)算法表

根據(jù)礦山設(shè)計(jì)院的地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖與相關(guān)本區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造圖表我們得出了各個(gè)水平層巖石物理參數(shù)。我們進(jìn)行計(jì)算參數(shù)選取時(shí)，以某個(gè)區(qū)域內(nèi)大體積含有某種巖石，以此區(qū)域進(jìn)行研究對(duì)象，結(jié)合此區(qū)域內(nèi)的其他種類巖石進(jìn)行整體評(píng)估加權(quán)。其中：mi其依據(jù)本體積內(nèi)巖石namei所占的體積份數(shù)，并且1=m1+m2+m3+…+mi。pi為巖石namei實(shí)際物理參數(shù)。整個(gè)該區(qū)域內(nèi)最終確立的參數(shù)為

p=m1p1+m2p2+m3p3+…+mipi

2、結(jié)論

1）、該方法的模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相符合。我們可以快速建立模型，簡(jiǎn)單、方便的得出地下工程的開采引起的地表變形的結(jié)果。從可視化的角度、從便捷的角度、從準(zhǔn)確、可靠的角度，無疑用有限元思想結(jié)合ANSYS分析軟件進(jìn)行礦上分析，是行之有效的。

2）、在上述理論模型的基礎(chǔ)上，利用有限元機(jī)制，結(jié)合國內(nèi)外大型有限元分析軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的數(shù)值模擬，得出了地下大型工程累積損傷引起的地表下沉的一些數(shù)據(jù)，包括：地表下沉范圍、最大下沉曲線、最大下沉點(diǎn)、下沉?xí)r間預(yù)測(cè)。

3）、隨著國民經(jīng)濟(jì)快速良性的發(fā)展，我國存在數(shù)量巨大的地下工程。同時(shí)，早期缺乏地表沉降預(yù)測(cè)該類問題的探討與研究；加之，現(xiàn)存土地資源經(jīng)濟(jì)價(jià)值巨大，該類沉降問題越顯重要。該研究迎合了行業(yè)市場(chǎng)的發(fā)展，具有非常重要的實(shí)用價(jià)值。

[1]何國清,楊倫,賈鳳彩,等.開采沉陷學(xué)[M].北京:中國礦業(yè)大學(xué)出版社.1991.

[2]彭欣，崔棟梁，李夕兵等.特大采空區(qū)近區(qū)開采的穩(wěn)定性分析[J].中國礦業(yè).2007，16(4):70-73.

[3]建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[S].國家煤炭工業(yè)局.北京:煤炭工業(yè)出版社，

[4]余學(xué)義，張恩強(qiáng).開采損害學(xué)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社.2005.07.

[5]謝和平,可持續(xù)發(fā)展與煤炭工業(yè)報(bào)告文集[M].北京:煤炭工業(yè)出版社.1998.6

[6]尚曉江，邱鋒，趙海峰，等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析與規(guī)范應(yīng)用[M].中國水利水電出版社.2008.5

[7]ANSYS Modeling and Meshing Guide[M]. ANSYS Release9.0.

Simulation of Ground Collapse Deformation caused by Mined-out Area Based on the Finite Element

The underground large mined-out area leads to the surface subsidence deformation. To predict the deformation trend, we have established the settlement model. The physical model use the finite element ideas, adopt different rock layer structures, combine with finite element analysis software ANSYS, use the adaptive meshing algorithm for meshing grid. At the same time , the model use the parameters evaluation weighting algorithm to select the physical parameters.The simulation results correspond with the actual situation ,and this results provide a basis for the study of surface subsidence mechanism.

TP391.9

A

任雷平(1984-).男.漢族,陜西省渭南市.西安建筑科技大學(xué),信息控制與工程學(xué)院.碩士研究生,研究方向:大型復(fù)雜系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用

楊高攀(1985-),男,漢族,陜西省渭南市,西安建筑科技大學(xué).信息控制與工程學(xué)院，碩士研究生,研究方向:數(shù)字圖像處理