不同硐室跨度對采空區(qū)上覆巖體穩(wěn)定性的影響

摘要：本文以遼寧省丹東市某煤礦采空區(qū)作為工程背景，利用大型數(shù)值模擬軟件ABAQUS，對采空區(qū)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，通過數(shù)值模擬，分析礦區(qū)不同硐室跨度對采空區(qū)上覆巖體穩(wěn)定性的影響

關(guān)鍵詞：ABAQUS;采空區(qū);地表沉降

采空區(qū)是一個從出現(xiàn)以來就深深困擾人們的難題，人們應(yīng)用各種方法來研究采空區(qū)所帶來的地表穩(wěn)定問題已經(jīng)超過了半個世紀(jì)之久。當(dāng)采空區(qū)的范圍足夠大的時候，附近的巖層會發(fā)生緩慢的蠕動破壞，一旦超過頂板的抗拉強(qiáng)度，便會引起坍塌，造成地質(zhì)災(zāi)害事故的發(fā)生。

一、數(shù)值分析過程

運(yùn)用大型數(shù)值模擬軟件ABAQUS對采空區(qū)上覆巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析。ABAQUS的主要操作流程如下：根據(jù)所搜集的地質(zhì)資料建立模型→對模型各部件賦予材料參數(shù)→建立實(shí)體→創(chuàng)建分析步→設(shè)置模型各部件的接觸→施加荷載→布置種子→劃分網(wǎng)格→提交任務(wù)→后處理，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

（一）工程背景

本文所研究的礦區(qū)經(jīng)過了多次重復(fù)開采，造成該地區(qū)地下采空區(qū)遍布。隨著時間的推移，由于采空區(qū)圍巖破壞、礦柱損壞等問題，導(dǎo)致采空區(qū)影響范圍面積逐年擴(kuò)大，嚴(yán)重破壞了礦區(qū)附近的生態(tài)環(huán)境問題。因?yàn)椴煌牡赜虻貙訋r性、水文地質(zhì)狀況、結(jié)構(gòu)面分布和構(gòu)造應(yīng)力等都不相同，再加上空區(qū)規(guī)模、埋置深度、跨度等的不同，導(dǎo)致影響采空區(qū)的穩(wěn)定因素復(fù)雜多樣。本文綜合了搜集到的礦區(qū)地質(zhì)資料，主要從采空區(qū)硐室跨度分析采空區(qū)巖體的穩(wěn)定。

（二）工程資料

根據(jù)收集礦區(qū)地質(zhì)資料、礦體開采資料、地形測量、地球物理勘探（物探）、鉆探成果，綜合確定采空區(qū)的范圍及埋深。物探工作主要通過直流高密度電測深法結(jié)合可控源音頻大地電磁法及瞬變電磁法，圈定異常區(qū)邊界和范圍，指導(dǎo)鉆探工作布置，以對異常區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)物探異常的性質(zhì)、狀態(tài)，為采空區(qū)的圈定提供依據(jù)。鉆探工作主要用于揭露采空區(qū)，控制采空區(qū)邊界，并對物探異常進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，從而結(jié)合礦體分布特征、礦體開采現(xiàn)狀和物探解釋成果，確定采空區(qū)分布情況和采空區(qū)邊界。

（三）模型建立與分析

本次模型取300*200m二維平面模型來模擬空區(qū)斷面，地表以下地層分為兩層，地表以下是10m的第四系土層和110m的砂巖。采空區(qū)硐室高度取6m，跨度分別取20m、70m。

部分不同跨度下采空區(qū)頂板和地表位移沉降云圖如下：

為了更加直觀的分析不同埋深條件下的沉降規(guī)律，根據(jù)以上沉降位移云圖，將不同跨度條件下的硐室頂板和地表沉降位移用曲線圖表示如下：

從以上的分析結(jié)果也可以看出，隨著硐室跨度的增加，致使硐室頂板巖體承受的彎矩逐漸越大，拉裂的可能性隨之增加，從圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)，在硐室跨度從20m變到70m的過程中，頂板巖體的位移從0.32m劇增到2.1m;同理，由于硐室頂板巖體的拉裂，上部巖體失去了有效的支撐，從圖5、圖6可見，在硐室跨度從20m變到70m的過程中，地表沉降位移從0.1m增大到1.571m，說明地表已出現(xiàn)塌陷坑。

因本次分析主要研究地表的穩(wěn)定問題，現(xiàn)將地表沉降值隨硐室跨度的變化整理為下表：

二、結(jié)語：

通過對采空區(qū)進(jìn)行不同硐室跨度情況下上覆巖體穩(wěn)定性情況模擬分析，得出隨著硐室跨度增大，頂板巖體位移與地表沉降位移均隨之增大，且頂板巖體位移量始終大于地表沉降量、為此，在煤礦開采過程中可以適當(dāng)縮小硐室跨度進(jìn)而在一定程度上預(yù)防地面塌陷發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]張建.采空區(qū)穩(wěn)定性分析與評價.水利與建筑工程學(xué)報，2010，4

作者簡介：張搏（1990- ），男，漢族，遼寧省北鎮(zhèn)市人，工學(xué)碩士，遼寧有色勘察研究院有限責(zé)任公司