鷹手營(yíng)子礦區(qū)亨達(dá)礦山潘家溝采空區(qū)基于數(shù)值模擬的場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

荊江帥

（河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊(duì)，河北 滄州 061000）

亨達(dá)礦山潘家溝是規(guī)劃建設(shè)用地范圍，經(jīng)過(guò)幾十年的地下開(kāi)采，該區(qū)已經(jīng)成為遺留的采空區(qū)，因采空區(qū)的規(guī)模、形態(tài)、深度等不盡相同，采用數(shù)值計(jì)算法模擬實(shí)際采空區(qū)的狀態(tài)，進(jìn)行地表移動(dòng)變形分析和穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)。

1 材料模型

將本區(qū)的巖土類型分為：第四系松散覆蓋層、礦層、4層頂板、冒裂帶、6層頂板和底部圍巖6類。采用摩爾－庫(kù)侖模型材料模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)根據(jù)所處位置和界面特性，采用界面處理技術(shù)模擬了不同界面的力學(xué)性質(zhì)，能夠較好地反映實(shí)際情況。

2 參數(shù)選取

巖土體參數(shù)主要是本次試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表1，參考經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比選取的。

表1 模擬計(jì)算采用的不同位置參數(shù)的取值

3 定解條件

（1）邊界條件。變形問(wèn)題存在兩種邊界條件：給定位移和外界指定力。模型上部延伸至地表，認(rèn)為位移不受約束，故給定為自由邊界。模型兩側(cè)豎直的邊界為滑動(dòng)約束邊界?；瑒?dòng)約束邊界的水平位移受約束，垂直位移不受約束，水平位移為零。模型底部為完全固定約束邊界，水平位移和垂直位移都受約束，水平位移和垂直位移都等于零。

（2）初始條件。本次計(jì)算之前，首先設(shè)定模型的初始條件。主要設(shè)定模型的初始應(yīng)力狀態(tài)，由于上部開(kāi)采區(qū)沒(méi)有見(jiàn)地下水，因此不用考慮地下水的影響。

（3）本次剖面選擇。本次在工作區(qū)內(nèi)選取第11剖面作為評(píng)價(jià)計(jì)算剖面，命名為Ⅰ－Ⅰ剖面。

4 計(jì)算結(jié)果及其分析

Ⅰ-Ⅰ剖面線穿過(guò)勘查評(píng)價(jià)區(qū)中部偏東部位。采空區(qū)埋深在25m～100m范圍內(nèi)，采空區(qū)剖面線上的水平寬度約66m。計(jì)算模型剖面方向控制范圍為337.8m，控制深度為-231.3m，上部邊界為地表。采空區(qū)巖體內(nèi)部、上部有效應(yīng)力分布不均勻，采空區(qū)上部地表附近、巷道出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中。拉張破壞點(diǎn)主要位于采空區(qū)及巷道周圍，破壞點(diǎn)向左部移動(dòng)，冒落帶范圍擴(kuò)大，巖土體基本都被破壞，冒落帶內(nèi)部出現(xiàn)摩爾庫(kù)侖破壞點(diǎn)。水平位移最大值達(dá)到102.27mm，自北向南移動(dòng)，在采空區(qū)垂直上部的地表處位移最大，而采空區(qū)的出現(xiàn)反向位移，說(shuō)明采空區(qū)內(nèi)部的巖土體向采空區(qū)方向移動(dòng)。在建筑工況下，采空區(qū)上部剩余沉降量較大，采空區(qū)、冒落帶、裂隙帶存在大量破壞點(diǎn)，摩爾庫(kù)侖破壞點(diǎn)分布范圍增大，建筑地基位移增大，局部應(yīng)力集中出現(xiàn)，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

5 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

（1）評(píng)價(jià)依據(jù)和方法。評(píng)價(jià)方法：首先計(jì)算出剖面上不同點(diǎn)的下沉值、傾斜值、水平變形值和曲率值的數(shù)值，然后將數(shù)據(jù)投影到評(píng)價(jià)區(qū)的平面圖上，采用內(nèi)插法在評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)繪出各指標(biāo)的等值線圖，根據(jù)表2對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖1 下沉值、傾斜值、水平變形值和曲率值的分布圖

除了下沉值(W)通過(guò)剖面計(jì)算獲得，傾斜值、水平變形值和曲率值采用如下計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

表2 按照上述計(jì)算數(shù)值確定的場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)評(píng)價(jià)表

評(píng)價(jià)原則：采用最壞指標(biāo)法，只要有1個(gè)達(dá)到不穩(wěn)定，即認(rèn)為該處不穩(wěn)定。

（2）評(píng)價(jià)區(qū)不同指標(biāo)等值線。在建筑工況下，下沉值、傾斜值、水平變形值和曲率值的分布，如圖1所示。

（3）評(píng)價(jià)結(jié)果。通過(guò)綜合對(duì)比，在工作區(qū)內(nèi)圈定穩(wěn)定區(qū)、基本穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)，見(jiàn)圖2。

圖2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)圖