建下開采地表沉陷的有限元預(yù)測(cè)模擬

段麗麗， 梁玉春

（河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，唐山 063004）

0 引言

開采地下資源引起地表沉陷問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注，控制開采沉陷，保護(hù)人類生存環(huán)境是煤礦安全高效生產(chǎn)所面臨的重大課題。建筑物下采煤?jiǎn)栴}是礦山開采沉陷理論的一個(gè)典型應(yīng)用，研究對(duì)象從受采動(dòng)影響的巖層一直延伸到地表，研究范圍很廣，而巖體中存在的結(jié)構(gòu)面又使巖體的沉陷規(guī)律復(fù)雜多變，很難用單一理論解決。建立開采沉陷的有限元分析模型，并利用大型有限元程序ANSYS對(duì)條帶開采的地表移動(dòng)和變形進(jìn)行模擬分析，并與實(shí)際地表變形對(duì)比，可以得出一些有價(jià)值的結(jié)論，從而解決村莊下采煤的安全問(wèn)題。

1 開采現(xiàn)狀

林南倉(cāng)礦井田范圍內(nèi)有村莊和工廠，各種建筑物下壓占地質(zhì)儲(chǔ)量11787.8萬(wàn)t，其中可采儲(chǔ)量8773.4萬(wàn)t，建筑物下壓煤占井田儲(chǔ)量的78%，建筑物下壓煤開采問(wèn)題非常突出。其中一采區(qū)包括11、12兩個(gè)可采煤層，第四系松散層厚度達(dá)210m，上覆巖層巖性較軟，開采深度大，涉及地面3個(gè)村莊，其開采條件復(fù)雜，開采技術(shù)難度大。由于11煤層屬于“三軟”煤層，礦山壓力顯現(xiàn)顯著，巷道維護(hù)困難。為了有利于11煤層的開采，需要首先開采位于下部的12煤層，為11煤層開采卸壓，屬于煤層群上行開采。根據(jù)12煤層綜合柱狀圖和上覆巖層力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果，12煤層上覆巖層為中硬偏軟巖層互層，不存在特別堅(jiān)硬的厚巖層，特別是第四系松散層比較厚，平均厚210m，約占巖層總厚度的1/3?？刂频乇硪苿?dòng)和變形的主要因素是采動(dòng)的程度。由式1可確定中硬巖層的極不充分開采的開采寬度：

由實(shí)測(cè)資料，主要影響角正切tanβ=1.9，平均開采深度H=560m，k=0.5。根據(jù)地面建筑物抗變形的能力和開采厚度，再結(jié)合某實(shí)際開采經(jīng)驗(yàn)所得下沉系數(shù)，允許地表下沉率q=0.10，代入到上式可得開采寬度：

根據(jù)以上確定的極不充分開采的開采寬度，結(jié)合實(shí)際采寬條件設(shè)計(jì)方案，采60m留70m方案，共布置3個(gè)開采工作面，留設(shè)2個(gè)隔離煤柱。

2 ANSYS建立采場(chǎng)模型

考慮的是整個(gè)采場(chǎng)的沉陷問(wèn)題，采場(chǎng)巖層中局部的巖層斷裂、破壞、離層、采礦過(guò)程中布置巷道和工作面，這些微小結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)宏觀的采場(chǎng)的穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，影響較小，因此在建立有限元模型時(shí)，將這些結(jié)構(gòu)忽略，把采場(chǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成圖1的形式。

2.1 建立采場(chǎng)幾何模型

根據(jù)對(duì)林南倉(cāng)礦的地形地質(zhì)條件的分析，本文建立的房柱模型的幾何尺寸如下：

礦層最深處埋深640m，從地表到礦層，共建立四個(gè)地層，分別為：

1）粘土層：平均厚度100m；

2）粗砂巖層：平均厚度250m；

3）粉砂巖層：平均厚度140m；

4）奧陶系石灰?guī)r層：為成礦圍巖，平均厚度150m。

煤層夾于石灰?guī)r中，平均厚度6m，煤層傾角

圖1 采場(chǎng)簡(jiǎn)化

2.2 建立采場(chǎng)的物理模型

假設(shè)礦區(qū)內(nèi)無(wú)構(gòu)造活動(dòng)的影響，原巖地應(yīng)力為大地靜力場(chǎng)型。各巖層之間為整合接觸，巖層內(nèi)部為連續(xù)介質(zhì)，由于采礦沖水、強(qiáng)排水等條件較為復(fù)雜，因此模型中不考慮地下水活動(dòng)的影響。各巖土層均按實(shí)際鉆探揭露的巖土層布置，地面為自由邊界，模型左、右邊界均施加水平約束，底邊界均施加水平及垂直約束。

依據(jù)分析需要，可將整個(gè)模型劃分為幾種材料，各種材料參數(shù)取值根據(jù)已有資料選取如表1所示。

表1 巖層的材料屬性表

2.3 采場(chǎng)的有限元模型

為了在不降低求解精度的前提下順利求解整個(gè)模型，本文利用了ANSYS系統(tǒng)提供的子結(jié)構(gòu)技術(shù)。

在實(shí)體模型的建立過(guò)程中，為控制單元數(shù)目的規(guī)模，已經(jīng)對(duì)采場(chǎng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。由于模型中礦體較復(fù)雜，每個(gè)單元必須考慮與上下、前后、左右單元的匹配關(guān)系，在利用ANSYS程序進(jìn)行三維剖分時(shí)，必須考慮到每個(gè)單元的各邊的比例關(guān)系，各邊的長(zhǎng)度不能相差太大，否則無(wú)法進(jìn)行計(jì)算；另一方面，單元又不能劃分得特別小，造成單元總數(shù)非常大。經(jīng)實(shí)踐，剖分時(shí)一般可以從需要最細(xì)致劃分的實(shí)體開始，設(shè)定單元邊長(zhǎng)，逐次完成對(duì)整個(gè)實(shí)體的剖分。同時(shí)還應(yīng)注意，讓與周圍實(shí)體有最多相鄰面的實(shí)體得到較早的剖分，這樣才能使后續(xù)剖分得到的單元滿足要求。

綜合以上因素，確立采動(dòng)區(qū)模型大小為600m×800m×640m，最終建立了采場(chǎng)有限元模型如圖2和圖3所示。

圖2 采場(chǎng)模型

采用ANSYS默認(rèn)的最理想劃分形式，將第一種開采方案下整個(gè)模型劃分為14707個(gè)單元(SOLID95單元)，20720個(gè)結(jié)點(diǎn)，第二種開采方案下整個(gè)模型劃分為9568個(gè)單元，15401個(gè)結(jié)點(diǎn)。

圖3 有限元模型

3 施加荷載并模擬計(jì)算

由于ANSYS軟件是大型通用的有限元軟件，主要用于結(jié)構(gòu)分析。普通結(jié)構(gòu)分析的共同點(diǎn)是先有結(jié)構(gòu)后有載荷，是“先挖洞，后加載”，而采礦和巖土開挖工程的特殊性在于“先有載，后挖洞”，即巖體是一種預(yù)應(yīng)力體，其中早存在由各種原因形成(上覆巖層自重、構(gòu)造應(yīng)力等)等的應(yīng)力場(chǎng)。這樣要將ANSYS程序直接運(yùn)用于采礦，第一步須進(jìn)行原巖應(yīng)力的模擬，在原礦應(yīng)力模擬完成后，此時(shí)模型中的各個(gè)單元已經(jīng)存在了應(yīng)力，這樣就使礦體處在了原巖應(yīng)力場(chǎng)中，此時(shí)進(jìn)行礦體的開挖工程，與實(shí)際比較接近。由于各單元已經(jīng)存在了應(yīng)力和約束條件，所以需要將邊界條件進(jìn)行修改，即將四個(gè)側(cè)面的水平應(yīng)力和變形約束條件去掉，再進(jìn)行模擬計(jì)算，此時(shí)是對(duì)原巖在自然狀態(tài)下未開挖礦體時(shí)的模擬。

4 實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

有限元模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 地面沉陷值云圖

用有限元ANSYS軟件計(jì)算模擬完成后，可得如下變形值：地面沉陷值679mm，地面最大水平移動(dòng)值為338mm，地面最大水平變形值為1.2mm/m。

為驗(yàn)證預(yù)計(jì)結(jié)果科學(xué)性，根據(jù)林南倉(cāng)礦12煤層開采后所得實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，比較地面移動(dòng)與變形結(jié)果，如表2所示。

表2 預(yù)測(cè)、模擬地表移動(dòng)和變形最大值與實(shí)際值比較表

從表中可以看出，有限元方法模擬所得結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)較為接近，同時(shí)可知，實(shí)際開采后的地面最大傾斜值大于一級(jí)損害等級(jí)，因此要對(duì)開采范圍內(nèi)的部分抵抗變形能力較弱的建筑物進(jìn)行加固措施。

ANSYS的模擬結(jié)果表明，開采影響到地表后，受采動(dòng)影響的地表從原有標(biāo)高向下沉降，從而在采空區(qū)上方形成地表沉陷區(qū)域。在地面沉陷區(qū)范圍內(nèi)，地表原有形態(tài)改變，地表高低、坡度和水平位置變化均發(fā)生變化。采用選定開采方案時(shí)，地面移動(dòng)和變形值均能保證地面建筑物處于I級(jí)破壞等級(jí)范圍內(nèi)。該礦采用選定方案進(jìn)行實(shí)際開采后所得的地面觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，用ANSYS分析模擬所得結(jié)果和實(shí)際情況較為接近，根據(jù)模擬結(jié)果算得的地面下沉系數(shù)與礦區(qū)實(shí)際地面下沉系數(shù)也最為接近。應(yīng)用ANSYS系統(tǒng)預(yù)測(cè)地面沉陷問(wèn)題直觀、準(zhǔn)確，將推動(dòng)建筑物下開采研究的發(fā)展。

[1] 段麗麗.林南倉(cāng)礦業(yè)公司建下開采地表沉陷預(yù)測(cè)分析 [D].唐山:河北理工大學(xué),2007.

[2] 李占金.金屬礦山地下采空區(qū)處理方案的優(yōu)化研究[D].唐山:河北理工大學(xué),2004.