某復雜采空區(qū)頂板穩(wěn)定性數(shù)值分析

陳尚波，楊雙有

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某復雜采空區(qū)頂板穩(wěn)定性數(shù)值分析

陳尚波1，楊雙有2

(1.江西省安全生產(chǎn)科學技術(shù)研究中心，江西 南昌 330030；2.龍橋礦業(yè)有限公司，安徽 廬江縣 510640)

采用C- ALS空區(qū)探測技術(shù)，獲得空區(qū)空間數(shù)據(jù)，同時，借助Surpac構(gòu)建空區(qū)實體模型及塊體模型。將模型質(zhì)心導出，經(jīng)Excle處理后，借助FLAC3D構(gòu)建空區(qū)力學模型，進行計算。最后利用Surfer對計算結(jié)果進行處理，繪制出頂板沉降三維線框圖，直觀形象地反映頂板沉降后的形態(tài)，沉降變化規(guī)律，應(yīng)力分布等。并結(jié)合位移、應(yīng)力等值線圖，對空區(qū)頂板進行穩(wěn)定性分析，獲得相關(guān)結(jié)論，即空區(qū)正上方沉降量最大，并形成碗狀；無論水平方向還是垂直方向，距空區(qū)越遠，則該點沉降量越小；頂板沿垂直方向，距空區(qū)越遠，則該點所受應(yīng)力越??；目前，該空區(qū)頂板整體上穩(wěn)定性較好。

采空區(qū)探測；采空區(qū)頂板；穩(wěn)定性；數(shù)值分析

0 引 言

采空區(qū)的穩(wěn)定性對礦山安全生產(chǎn)有顯著影響，而空區(qū)失穩(wěn)的重要體現(xiàn)之一是空區(qū)頂板失穩(wěn)，造成頂板大面積冒落，產(chǎn)生氣浪，影響地下生產(chǎn)安全，并導致地表開裂和下沉，破壞地面環(huán)境[1]。所以研究空區(qū)頂板穩(wěn)定性對礦山安全生產(chǎn)有重要意義[2]。近年來，三維數(shù)值模擬應(yīng)用越來越廣泛，但傳統(tǒng)數(shù)值模擬方法所建力學模型，簡化太多，無法真實反映空區(qū)形態(tài)，準確性差；而且計算結(jié)果處理單一抽象，無法直觀反映空區(qū)頂板沉降形態(tài)及變化規(guī)律[3?5]。本文借助Surpac構(gòu)建空區(qū)實體模型及塊體模型，可以真實反映空區(qū)形態(tài)；結(jié)合FLAC3D構(gòu)建空區(qū)力學模型，進行計算；最后利用surfer對計算結(jié)果進行處理，繪制出頂板沉降三維線框圖，并從+165 m、+170 m兩個水平對頂板進行剖切，從水平及垂直兩個方向?qū)諈^(qū)頂板進行穩(wěn)定性分析，直觀反映頂板沉降后的形態(tài)，沉降變化規(guī)律，應(yīng)力分布情況等，對礦山制定空區(qū)處理措施及安全生產(chǎn)計劃具有一定意義[6?7]。

1 空區(qū)頂板穩(wěn)定性數(shù)值分析過程

1.1 空區(qū)實體模型

有些地質(zhì)體形態(tài)極其復雜，利用FLAC3D軟件只能對礦體模型進行簡化，無法反映真實的礦體形態(tài)，使數(shù)值模擬缺乏準確性。而Surpac軟件可以克服這種缺點。本文采用空區(qū)探測技術(shù)，獲得空區(qū)數(shù)據(jù)，并利用Surpac軟件構(gòu)件空區(qū)實體模型[8]。

1.2 基于Surpac的FLAC3D力學模型

利用Surpac軟件構(gòu)建采空區(qū)實體模型后，借助FLAC3D構(gòu)建力學模型，使計算快速而精確。

(1) 在Surpac中，構(gòu)建塊體模型作為圍巖，將采空區(qū)包住。

(2) 將圍巖及空區(qū)模型質(zhì)心坐標導出。借助Excle軟件，通過單元質(zhì)心和角點之間的幾何位置關(guān)系，計算出節(jié)點坐標。

(3) 將節(jié)點導入Surpac軟件中，構(gòu)建FLAC3D力學模型(見圖1)。

圖1 空區(qū)剖面模型

本研究將圍巖礦體，均視為各向同性的彈塑性連續(xù)介質(zhì)。礦體圍巖均采用莫爾庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準則：

2.3 基于Surfer軟件的數(shù)據(jù)處理

Surfer繪圖功能相對較強[10?13]。本文選用該軟件，繪制頂板沉降三維線框圖，以直觀展現(xiàn)頂板下沉后的形態(tài)，沉降變化規(guī)律等。

FLAC3D計算結(jié)束后，通過history 查找監(jiān)測點id號，將所有監(jiān)測點id號集中處理，導出對應(yīng)監(jiān)測點下沉位移。用excel對監(jiān)測結(jié)果進行處理，然后利用Surfer軟件生成網(wǎng)格文件。在網(wǎng)格文件的基礎(chǔ)上，自動繪制出頂板沉降三維線框圖(見圖2)。

2 工程應(yīng)用

江西某礦采空區(qū)分布在多個中段。其中+120中段1#、3#采空區(qū)相鄰，且距離較近(見圖1，左邊1#空區(qū)，右邊3#采空區(qū))，該礦區(qū)早期采用采富棄貧的采礦方式，從而使空區(qū)形態(tài)極其復雜，規(guī)模大小難以確定?？諈^(qū)地表距公路較近，空區(qū)頂板的穩(wěn)定性對公路的影響較大。本文選擇+120中段1#、3#采空區(qū)作為本次數(shù)值分析對象。

2.1 巖體力學參數(shù)

通過試驗，得到的礦巖力學參數(shù)見表1。

表1 該礦區(qū)圍巖與礦體的力學參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬及空區(qū)頂板穩(wěn)定性分析

該FLAC3D力學模型有397800個單元格，4155327個節(jié)點，坐標范圍為(4510，5160)，坐標(355，655)，坐標(0，275)，材料模型為摩爾?庫倫模型，模型的上下左右及底面固定。初始應(yīng)力場僅自重應(yīng)力場，模型變形為大變形[14]。

2.2.1 位移分析

為了直觀反映空區(qū)頂板沉降形態(tài)，沉降變化范圍，最大沉降值，本文選取48個點作為頂板位移沉降監(jiān)測點，并借助Surfer、excel軟件對監(jiān)測結(jié)果進行處理。

圖2 頂板沉降三維線框圖

圖3 頂板沉降位移

由圖2及空區(qū)頂板坐標范圍可知，空區(qū)正上方沉降量最大，形成碗狀，頂板在水平方向距空區(qū)越遠，沉降越小，并慢慢趨近于0，穩(wěn)定性越來越好。1#空區(qū)頂板下沉所形成的碗的形狀大小及深度明顯大于3#，說明空區(qū)頂板暴露面積越小，則頂板沉降范圍及沉降值越小，頂板越穩(wěn)定，圖2中3#空區(qū)頂板暴露面積比1#小，頂板穩(wěn)定性更好。

由圖3可見，頂板整體沉降量不大，大部分監(jiān)測點沉降量不超過0.5 mm，最大沉降量僅為1.01 mm，位于第15個監(jiān)測點。結(jié)合圖2可知，該點剛好位于1#空區(qū)頂板所形成碗狀的底部。

為了更好地反映空區(qū)頂板沉降規(guī)律，本文分別從+165，+170兩個水平，對空區(qū)頂板進行剖切。

圖4 +165 m頂板剖面垂直位移云圖

圖5 +170 m頂板剖面垂直位移云圖

由圖4可見，頂板形成多個沉降區(qū)域，頂板最大沉降區(qū)域?qū)?yīng)空區(qū)最高部分，區(qū)域較小，形狀不規(guī)則。空區(qū)正上方形成橢圓形沉降區(qū)域，沉降量僅次于最大沉降區(qū)域?？諈^(qū)最大沉降量為1.24 mm，沉降量較小，頂板較穩(wěn)定。水平方向距空區(qū)越遠，沉降量越小，空區(qū)頂板越穩(wěn)定。

由圖5可見，空區(qū)頂板最大沉降量為1.05 mm。最大沉降量，沉降區(qū)域都比圖4小。說明在垂直方向上，距空區(qū)越遠，該點沉降越小，越穩(wěn)定。

2.2.2 應(yīng)力分析

由圖6～圖7及空區(qū)頂板坐標可知，空區(qū)頂板不存在拉應(yīng)力，空區(qū)頂板正上方最大壓應(yīng)力為2.6 MPa，隨著向圍巖靠近，最大壓應(yīng)力增大為2.7 MPa，空區(qū)頂板與圍巖交接處最大壓應(yīng)力為2.8 MPa，在圍巖抗壓強度范圍內(nèi)，空區(qū)頂板比較穩(wěn)定。整個頂板最大壓應(yīng)力為3.34 MPa，距空區(qū)較遠，位于兩個空區(qū)連線的兩側(cè)，且有形成矩形，將空區(qū)包圍的趨勢。

圖6 +165 m頂板剖面最大主應(yīng)力云圖

圖7 +165 m頂板剖面最小主應(yīng)力云圖

由圖8～圖9可見，與圖6～圖7相比，頂板上方及邊緣所受最大壓應(yīng)力較小，整個頂板最大壓應(yīng)力為3.04 MPa，最大壓應(yīng)力區(qū)域也比較小。由此可見，頂板沿垂直方向，距空區(qū)越遠，則該點所受應(yīng)力越小，越穩(wěn)定。

經(jīng)與現(xiàn)場實測位移應(yīng)力對比，情況較吻合，空區(qū)頂板整體穩(wěn)定性較好。

圖8 +170 m頂板剖面最大主應(yīng)力云圖

圖9 +170 m頂板剖面最小主應(yīng)力云圖

3 結(jié) 論

(1) 空區(qū)正上方沉降量最大，并形成碗狀。1#空區(qū)頂板下沉所形成的碗的形狀大小及深度明顯大于3#空區(qū)。

(2) 從水平及垂直兩個方向?qū)諈^(qū)頂板進行穩(wěn)定性分析，即無論水平方向還是垂直方向，距空區(qū)越遠，則該點沉降量越小，越穩(wěn)定。頂板沿垂直方向，距空區(qū)越遠，則該點所受應(yīng)力越小，越穩(wěn)定。

(3) 空區(qū)頂板最大沉降量為1.24 mm，沉降量不大?？諈^(qū)與圍巖交接處最大壓應(yīng)力為2.8 MPa，在圍巖抗壓強度范圍內(nèi)，空區(qū)頂板不存在拉應(yīng)力。說明空區(qū)頂板整體上穩(wěn)定性較好。出于安全考慮，建議對空區(qū)頂板進行定期監(jiān)測。

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(2018?11?12)

陳尚波(1988—)，男，江西上饒人，工程師，碩士，主要從事非煤礦山設(shè)備安全檢測工作，Email：122578925@qq.com。