邵東石膏礦采空區(qū)沉陷模擬

張道勇,左文貴

(中南大學(xué)地學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 湖南長(zhǎng)沙 410083)

邵東石膏礦采空區(qū)沉陷模擬

張道勇,左文貴

(中南大學(xué)地學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 湖南長(zhǎng)沙 410083)

利用FLAC建立數(shù)值模型,對(duì)邵東石膏礦采空區(qū)的沉陷進(jìn)行了模擬計(jì)算。比較開(kāi)采前后的水平和豎向應(yīng)力變化,發(fā)現(xiàn)應(yīng)力變化特征不同;分析采空區(qū)頂、底板、邊幫以及地表的位移,可以了解各部分變形機(jī)理不同。再結(jié)合模擬的結(jié)果和實(shí)際調(diào)查,對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià),得出采空區(qū)是不穩(wěn)定的,需要采取適當(dāng)?shù)闹卫泶胧?以避免不必要的損失。

采空區(qū);沉陷模擬;FLAC;石膏礦

0 引 言

有用礦物采出來(lái)以后形成采空區(qū),其周?chē)鷰r體的原始應(yīng)力失去原來(lái)的平衡狀態(tài),應(yīng)力將重新調(diào)整直至達(dá)到新的平衡,從而致使巖體發(fā)生移動(dòng),巖體移動(dòng)會(huì)破壞地下巖體結(jié)構(gòu),發(fā)展到地表造成地面塌陷、位移,致使地面上己有的建、構(gòu)筑物、公路、鐵路及橋涵受到破壞;或者采空區(qū)暫時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài),而當(dāng)在其上修筑新的建筑物時(shí)則會(huì)引起新的地面塌陷、位移,這就為以后在采空區(qū)上方新實(shí)施的各類工程埋下了許多隱患,因此對(duì)采空區(qū)的模擬研究,分析其穩(wěn)定性具有相當(dāng)重要的作用,可以避免不必要的損失。

1 沉陷模擬的研究方法

沉陷的模擬研究方法大體上可以分理論模型模擬法、物理模型模擬法、理論-物理模擬法。理論模擬法隨著數(shù)值計(jì)算方法和電子計(jì)算機(jī)的采用而飛速發(fā)展。如有限元、邊界元、離散元、有限差分法,應(yīng)用這個(gè)方法的軟件如ADINA、ANSYS、FLAC等,可以計(jì)算各種情況下開(kāi)采沉陷問(wèn)題。

FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Cotinuum)是一種顯式有限差分程序,它是在求解運(yùn)動(dòng)方程與動(dòng)力方程過(guò)程中,基本方程組和邊界條件(一般均為微分方程)近似地改用差分方程(代數(shù)方程)來(lái)表示,從而把求解偏微分方程的問(wèn)題轉(zhuǎn)換成求解代數(shù)方程的問(wèn)題。它廣泛應(yīng)用于土木建筑、交通、地質(zhì)、水利、等行業(yè),是一款功能強(qiáng)大的數(shù)值模擬工具。

2 采空區(qū)數(shù)值模擬

2.1 采空區(qū)概況

邵東石膏礦為內(nèi)陸湖相沉積的緩傾斜硬石膏礦床,呈層狀產(chǎn)出,厚度8～15m,采用房柱法開(kāi)采。在原兩市鎮(zhèn)及其周邊相繼形成了34個(gè)石膏礦,形成的采空區(qū)總體積371萬(wàn)m3,總面積1.05km2。自1990年代初,老采場(chǎng)接連不斷地產(chǎn)生地面開(kāi)裂、地面沉陷等地面變形災(zāi)害。經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)采形成很多采空區(qū),其中一采空區(qū)附近地層巖性由上到下是第四系粘土層,白堊系泥質(zhì)粉砂巖、石膏礦、鈣質(zhì)粉砂巖。地質(zhì)勘察和巖土物理力學(xué)試驗(yàn)得出巖土的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

2.2 采空區(qū)不良地質(zhì)現(xiàn)象

采空區(qū)里不良地質(zhì)現(xiàn)象有頂板掉塊和塌方、跨幫、底鼓。掉塊、塌方在礦坑道內(nèi)是較普遍的,一般掉塊高0.2～1.0m,塌方高度一般小于1.0m,最大1.8m,掉塊和塌方的規(guī)模不一樣;坑道出現(xiàn)垮幫,并且側(cè)幫向采空區(qū)擠出,側(cè)幫在壓張作用下引起開(kāi)裂;底鼓隆起高一般0.5～1.5m,最低0.1～0.3m,最高1.8m。底鼓面上發(fā)育著很多平行縱張裂縫。地面調(diào)查發(fā)現(xiàn)地面塌陷均發(fā)生在采空區(qū)上方,其平面形態(tài)似圓形或橢圓形,但經(jīng)多次塌陷地表形態(tài)不規(guī)則,垂向上呈上大下小的漏斗狀,地表最大下沉值達(dá)到0.8m,位于采空區(qū)正上方。

2.3 建立計(jì)算模型

2.3.1 建立網(wǎng)格

為了模擬采空區(qū),首先得建立網(wǎng)格模型。研究開(kāi)采引起的地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律,多是首先研究主斷面上的地表移動(dòng)和變形,因此以主斷面為基礎(chǔ)建立簡(jiǎn)化模型。同時(shí)為了比較全面的模擬采空區(qū)對(duì)地表的影響范圍,所以在主斷面上橫向取值較大,建立此模型時(shí)主斷面長(zhǎng)為200m,深83m;此采空區(qū)位于主斷面中間,采空區(qū)頂板深度為56m,底板深度為62m。在建立網(wǎng)格時(shí),為了詳細(xì)了解各部分變形情況,各種巖體的網(wǎng)格密度不一樣。在建立模型時(shí)還做了如下簡(jiǎn)化:

(1)由于巖層緩傾,建立模型時(shí),將各個(gè)地層形態(tài)抽象為水平。

(2)表層粘土粘性土膠結(jié)較緊密,透水性差,地下水僅局部分布,地下水類型屬上層滯水,分布范圍小且不連續(xù),埋藏淺,所以在建立模型時(shí)沒(méi)有考慮地下水的情況。

(3)采空區(qū)斷層發(fā)育對(duì)采空區(qū)影響較小,采空區(qū)埋深較淺,故不考慮構(gòu)造應(yīng)力的影響。

2.3.2 確立邊界條件和對(duì)材料賦值

根據(jù)建立的模型和實(shí)際條件確定邊界條件,在模型的兩側(cè)采用水平方向的固定邊界,模型底部采用兩個(gè)方向同時(shí)固定邊界。材料的本構(gòu)模型采用庫(kù)倫-摩爾塑性模型,根據(jù)表1對(duì)建好的材料模型進(jìn)行賦值。

2.3.3 初始應(yīng)力計(jì)算

將重力設(shè)置為9.81N/kg,進(jìn)行初始應(yīng)力計(jì)算。為了保證模型不至于在初始計(jì)算階段即出現(xiàn)塑性屈服區(qū)并發(fā)生塑性流動(dòng),計(jì)算采用彈性本構(gòu)模型,計(jì)算模型在初始自重應(yīng)力場(chǎng)作用下巖土材料的壓實(shí)和應(yīng)力調(diào)整過(guò)程,得到采空區(qū)真實(shí)的應(yīng)力分布情況。

2.3.4 采空區(qū)開(kāi)挖模擬及計(jì)算

開(kāi)挖模擬就是將開(kāi)采礦體部分設(shè)置為空模型,采空區(qū)模擬開(kāi)挖是一次性完成,開(kāi)挖尺寸為12m×6m,規(guī)則矩形,再進(jìn)行計(jì)算。需要注意的是,在這一工況的計(jì)算時(shí),需要將前一步驟計(jì)算獲得的位移場(chǎng)清零,以便獲得開(kāi)挖對(duì)上覆巖體的真實(shí)影響。通過(guò)以上步驟建立計(jì)算模型,共建立網(wǎng)格6848個(gè)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 采空后應(yīng)力變化規(guī)律

開(kāi)挖后形成采空區(qū)改變了原始的力學(xué)平衡,采空區(qū)周?chē)Q向和水平的應(yīng)力均發(fā)生了變化。開(kāi)采后采空區(qū)頂、底板豎向應(yīng)力均減小,在頂板形成一個(gè)拱形的拉應(yīng)力區(qū),底板形成拱形的卸壓區(qū);但是采空區(qū)兩側(cè)的豎向應(yīng)力增大,同樣是呈拱形的。在開(kāi)挖后采空區(qū)兩側(cè)3m范圍內(nèi)出現(xiàn)水平應(yīng)力減小的拱形的卸壓區(qū),向外延伸出現(xiàn)增壓區(qū)。礦體采出后,形成臨空面,使得頂板、片幫擠壓采空區(qū)。而底板的豎向應(yīng)力變化開(kāi)始是應(yīng)力釋放擠向采空區(qū)(向上),逐漸平衡后來(lái)變成豎向向下。

3.2 采動(dòng)后位移變化規(guī)律

巖體的位移隨著應(yīng)力變化而發(fā)生變化。在采空區(qū)的頂板發(fā)生下沉彎曲,底板出現(xiàn)底鼓,兩側(cè)向采空區(qū)中間凸出。模擬得出頂板下凸的最大位移達(dá)到6.513m,位于采空區(qū)正中央上方,兩側(cè)向采空區(qū)中間凸出,最大位移是1.002m,如圖1所示,它們只是發(fā)生塑性變形。底板的變形過(guò)程是先發(fā)生塑性變形達(dá)到最大位移后出現(xiàn)一個(gè)彈性回彈,穩(wěn)定后最大位移是3.70m,如圖2所示。這些變形形狀與采空區(qū)實(shí)際調(diào)查的形狀相吻合。

圖1 側(cè)幫最大位移隨時(shí)步的變化

圖2 底鼓最大位移隨時(shí)步的變化

隨著采空區(qū)面積擴(kuò)大到一定的范圍后,巖層移動(dòng)發(fā)展到地表,使地表產(chǎn)生移動(dòng)和變形,并且移動(dòng)是有明顯的規(guī)律的。采空區(qū)開(kāi)采后形成一個(gè)比采空區(qū)面積大得多的下沉盆地,地表移動(dòng)呈V字形,如圖3所示。地表下沉最大位移是82.45cm,最大下沉點(diǎn)位于采空區(qū)中央之正上方。水平移動(dòng)曲線的分布如圖4,盆地邊界至拐點(diǎn)間水平移動(dòng)漸增,拐點(diǎn)至最大下沉點(diǎn)間水平位移漸減,且在最大下沉點(diǎn)處水平位移為零;在拐點(diǎn)處水平位移最大,最大位移是31.75 cm,最大位移點(diǎn)在距采空區(qū)中央兩側(cè)的35m處,最大下沉點(diǎn)左右兩個(gè)方向的水平位移與最大下沉點(diǎn)呈中心對(duì)稱,可見(jiàn)模擬出的地表下沉情形與實(shí)際相差不大。

圖3 地表下沉曲線

圖4 地表水平移動(dòng)曲線

3.3 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

通過(guò)以上模擬及實(shí)際調(diào)查,采空區(qū)頂板發(fā)生冒落,底板隆起,邊幫發(fā)生垮幫;地表移動(dòng)變形大,最大下沉位移為82.45cm,并且下沉呈對(duì)稱式,在距采空區(qū)中央正上方100m處有最小位移2cm,說(shuō)明采空區(qū)對(duì)地表影響范圍較大。根據(jù)地表下沉曲線可見(jiàn),采空區(qū)正上方下沉曲線斜率很大,并且采空區(qū)頂板為不具水穩(wěn)性的石膏層(青膏),具有較大膨脹性和崩解性,遇水或受濕時(shí)易發(fā)生崩解,頂板逐漸剝落,在受潮及浸泡時(shí)其表面影響層繼續(xù)變形,發(fā)生膨脹塑性擠出及崩解脫落。如此循環(huán)地發(fā)生累進(jìn)式破壞,直至近地面時(shí),會(huì)發(fā)生漏斗狀塌陷坑,所以此采空區(qū)是不穩(wěn)定的。

4 結(jié)論與建議

(1)通過(guò)計(jì)算模擬結(jié)果與實(shí)際調(diào)查情形的比較,說(shuō)明FLAC可以用于模擬采空區(qū)的開(kāi)采沉陷,可以選用開(kāi)采的主斷面建立模型,在建立模型時(shí)應(yīng)盡量模擬出地表的變形,主斷面的長(zhǎng)度一般為采空區(qū)的長(zhǎng)度的15～20倍。在設(shè)置網(wǎng)格時(shí)可以根據(jù)需要設(shè)置不同密度的網(wǎng)格。

(2)變形總是伴隨著應(yīng)力的改變而發(fā)生的。模擬發(fā)現(xiàn)采空區(qū)各個(gè)部分變形機(jī)理不一樣,頂板、邊幫和地表下沉盆地都出現(xiàn)塑性變形,底板先發(fā)生塑性變形,再發(fā)生彈性變形,這些都與應(yīng)力的變化有關(guān)。

(3)模擬出地表變形曲線,可以按照不同的建筑類別進(jìn)行危險(xiǎn)性分區(qū)。

(4)通過(guò)模擬計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),采空區(qū)是不穩(wěn)定的,應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?避免發(fā)生不必要的損失。

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2009-08-28)

張道勇(1984-),男,湖北浠水人,碩士研究生,主要從事工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)研究,Email:zhdy2008x@163.com。