梁少巖

(沈陽建筑大學(xué) 遼寧 沈陽 110168)

基于某礦區(qū)的采空區(qū)地基穩(wěn)定性模擬

梁少巖

(沈陽建筑大學(xué) 遼寧 沈陽 110168)

本文依據(jù)遼寧省丹東市愛陽鎮(zhèn)某煤礦采空區(qū)，利用大型數(shù)值模擬軟件ABAQUS和收集的地層資料對其進(jìn)行了三維建模，通過數(shù)值模擬給出了礦區(qū)地表沉降量，并對該地區(qū)的后續(xù)地表沉降作了預(yù)測。

ABAQUS;采空區(qū);巖體穩(wěn)定性

一、引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速提升，伴隨著采礦技術(shù)的提高，煤炭的開采量也呈現(xiàn)了直線甚至是指數(shù)的增長，除了煤礦開采時發(fā)生的瓦斯爆炸等礦難事故以外，地下遺留采空區(qū)也是一個不能忽視的重要問題，在開采完成后也不進(jìn)行必要的支撐保護(hù)和治理措施，導(dǎo)致采空區(qū)頂板塌陷、冒落，進(jìn)而引起災(zāi)害事故。因此，對地下采空區(qū)的穩(wěn)定性情況進(jìn)行評價(jià)具有十分實(shí)際的意義。由于傳統(tǒng)的分析方法大多是純理論或者是試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)結(jié)合的方法，不僅耗時長、成本高，而且不能得到直觀的表達(dá)。ABAQUS很好的克服了這些缺點(diǎn)，并且可以給出相對準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

二、數(shù)值分析過程

ABAQUS是法國達(dá)索公司開發(fā)的有限元軟件，今已大量應(yīng)用于機(jī)械、物理、建筑、礦山和港口等行業(yè)。本文即利用ABAQUS對遼寧省丹東市愛陽鎮(zhèn)某煤礦區(qū)內(nèi)的聚居區(qū)地層進(jìn)行數(shù)值模擬，并對后續(xù)的地表沉降做出預(yù)測。

(一)工程背景

遼寧省鳳城市愛陽鎮(zhèn)顧家煤礦位于鳳城市愛陽鎮(zhèn)顧家村，原為丹東市屬地方國營煤礦，歷經(jīng)半個多世紀(jì)的開采，造成采空區(qū)面積逐年擴(kuò)大，嚴(yán)重破壞了礦區(qū)及周邊的生態(tài)環(huán)境，現(xiàn)已出現(xiàn)多處嚴(yán)重的地面沉降、地面塌陷、地裂等災(zāi)害，嚴(yán)重影響到礦區(qū)內(nèi)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。丹東顧家煤礦斜井中心地理坐標(biāo)為:東經(jīng):124°23'11″，北緯:40°58'53″。上覆巖土層依次為第四系松散堆積層，主要為雜填土、碎石和粉質(zhì)黏土，厚度從6m－14m，平均厚度11m，本次模擬采用平均厚度;砂巖平均厚度8m;長梁子組Ⅳ煤層厚月為3m，且大部已被采空;底板為較好的砂巖和砂泥互層巖石。

(二)地質(zhì)參數(shù)

為獲得更準(zhǔn)確資料，本次研究除走訪當(dāng)?shù)睾褪占瘹v史地質(zhì)資料以外，還采用了多種試驗(yàn)和探測方法來綜合確定礦區(qū)的巖石物理力學(xué)參數(shù)沿礦脈和巖層走向布置了22個鉆孔，然后對所取巖樣進(jìn)行切削、打磨，送往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)。本次所做試驗(yàn)包括抗壓強(qiáng)度、劈裂試驗(yàn)、密度試驗(yàn)和抗剪試驗(yàn)，人為將范圍內(nèi)的地層分為覆蓋土、土礫巖、砂巖、砂泥巖、煤層和泥頁巖六個工程地質(zhì)巖組，以便建立三維數(shù)值模型時的參數(shù)賦予。

(三)模型分析過程

本次研究采空區(qū)X方向尺寸30m，左右各延伸90m;Y方向20m，前后各延伸60m;Z方向標(biāo)高19m－22m，向下延伸17m。建立尺寸為210m*140m*40m的三維模型，因煤礦開采歷史久遠(yuǎn)，故假定礦柱和支撐結(jié)構(gòu)均已破壞，不考慮任何支撐和襯砌結(jié)構(gòu)的作用，沒有考慮地下水的影響。本次模擬采用摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則。邊界條件:整個模型左右邊界限定X、Y方向的移動，前后邊界限定X、Y方向的移動，底部邊界限定X、Y、Z方向的移動，上部為自由邊界面。接觸條件:各地層之間采用自接觸。荷載狀況:本模型僅考慮在自重應(yīng)力作用下地表的沉降，因此定義兩個分析步。首先建立初始應(yīng)力平衡步，在自重應(yīng)力作用下達(dá)到平衡后進(jìn)而開始下一個分析步。利用ABAQUS特有的生死單元功能，在第二個分析步模擬煤層開挖，因本次模擬重點(diǎn)是采空區(qū)巖體在長時間的穩(wěn)定問題而不是開挖過程的穩(wěn)定性，所以在第二個分析步開始就完成開挖，而后分析上覆巖層的穩(wěn)定。

為使模型圖直觀可見，先對所見模型選擇兩個剖切方向進(jìn)行剖切，在X平面對模型剖切如圖1。

圖1 YOZ截面圖

(四)計(jì)算結(jié)果

模型首先在自重應(yīng)力場下達(dá)到平衡，地層有一定的沉降。然后再煤層采空后，頂板及上覆巖土體在自重應(yīng)力以及上覆荷載下發(fā)生沉降，位移變形圖如圖2。

圖2 位移變形圖

由圖4可以看出，所研究地區(qū)以采空區(qū)為中心發(fā)生沉降，因模型前后左右邊界各取采空區(qū)的3倍，所以采空區(qū)對模型邊界區(qū)域的沉降幾乎沒有影響，在上圖也可以看出采空區(qū)影響面積約為自身面積的4倍。采空區(qū)影響區(qū)域的地表沉降位移圖如圖3。

圖3 位移云圖

經(jīng)過分析，采空區(qū)中心線處的沉降最大，達(dá)0.14m，并向兩側(cè)遞減，位移沉降曲線呈現(xiàn)“V”字形，在60m左右沉降已小于0.01m，根據(jù)地基基礎(chǔ)規(guī)范的規(guī)定，可以認(rèn)為地表是穩(wěn)定的。沉降最大的位置正是本次勘察中出現(xiàn)地裂縫最為嚴(yán)重的位置，與檢測結(jié)果正好吻合。說明本次模擬比較符合實(shí)際地質(zhì)情況。

三、結(jié)束語

通過對遼寧省丹東市愛陽鎮(zhèn)某煤礦礦區(qū)的地下采空區(qū)模擬分析，得出該地區(qū)地表處于不穩(wěn)定狀態(tài)，并預(yù)測了不穩(wěn)定區(qū)域的面積。鑒于現(xiàn)有地表塌陷區(qū)域小于預(yù)測區(qū)域，說明地表塌陷仍會擴(kuò)大，所以有關(guān)部門應(yīng)做好空區(qū)治理工作。建議對采空區(qū)進(jìn)行注漿或者膠結(jié)物充填治理，以降低地表的沉降。

［1］郭倉.FLAC 3D在采礦工程中的應(yīng)用.科技信息.2010(3):23.

梁少巖 (1991－)，男，漢族，河北省石家莊市人，工學(xué)碩士，沈陽建筑大學(xué)，研究方向:采空區(qū)巖體穩(wěn)定性分析與評價(jià)。