談基于ADINA對煤礦采空區的建模

張曉杰+趙靜+孫曉林

【摘 要】以淮北市煤礦采空區為例，在查閱大量的文獻資料的基礎上，以有限元分析軟件ADINA為平臺建立模型。本文建模過程進行了闡述，從而為提出在煤礦采空上方建造高層建筑的可行性提供理論依據創造條件。

【關鍵詞】煤礦采空區；ADINA；建模

一、工程概述

淮北市擬建一住宅區，場地大小約為600m2，處于采煤沉陷區上方，如圖1所示。按前期規劃，建筑住宅高度為10～18層，礦區水位埋深為3～4m，采用ADINA軟件進行非線性有限元分析。

圖1 煤層開采平面分布圖及剖面圖

二、模型設計

（一）基本假設

假設巖體為一種均勻的、各向同性的介質，符合莫爾-庫侖彈塑性模型；巖層地表視為水平；各巖層幾何形狀規則，厚度均勻；在采空區上覆巖體中不存在造成采空區不連續的因素；采空區不考慮時間效應，開挖是一次性形成的。

（二） 模型幾何尺寸和邊界條件

在采空區，巖體受到采動影響的范圍一般為采空區跨度的3～5倍，超過該范圍的巖體所受的影響可忽略不計。采空區位于擬建區域，模型在采空區水平方向取800m；在垂直方向上，從采空區底部下40米起延伸至地面模型高度為505m，采用800m×505m模型。模型左右兩側Y向位移為零，只允許有垂直位移；模型底部邊界只允許有水平位移，Z向垂直位移為零。

三、建模過程

（一）幾何建立模型

根據采空區的結構特點，利用ADINA Native幾何建模方式，建模按照一定的順序建立2D模型：幾何點→線→面[1]，計算模型的幾何尺寸見圖1剖面圖。

（二） 定義并施加邊界條件

邊界條件是巖體的左、右兩側均約束Y向的位移自由度，只允許垂直方向上的位移；底邊約束Z向位移自由度即可，如圖2所示。

（三）施加荷載

定義時間函數：對于自重荷載的選為默認設置，荷載作用下的時間步長為1，步數為10。

施加荷載：定義并施加重力荷載；定義并施加建筑物荷載。如圖3所示。

（四）定義材料和單元組

如圖4所示，采用巖土材料中的莫爾—庫侖模型，在彈出的窗口中分別設定簡化后的6種巖體力學參數，再定義6個單元組，但要若要施加初始地應力，在定義單元組時必須修改單元組的選項來進行定義。

（五） 指定網格密度，并劃分面單元

劃分網格密度，采用5m×5m，然后采用四邊形四節點低階單元進行面單元劃分，如圖5所示。

（六）模型求解、施加初始地應力

定義模型自由度：只考慮了Y、Z兩個方向上的位移，刪除模型多余的自由度。

分析類型設定：在選擇動力學選項中，打開大變形開關。

打開ADINA求解器進行求解。為了合理模擬采空區的受力和位移變化情況，加載過程共分為兩步進行：步驟一只考慮模型自重影響，目的是得到各結點的基準位移值，另一方面計算各單元的初始地應力，為第二個步驟準備初始條件。步驟二在第一步計算的基礎上，施加新建建筑物引起的載荷值，然后計算模型內各結點的變形情況，減掉由自重引起的初始位移，從而可得到最終變形值。

四、結論

在查閱大量的文獻資料的基礎上，以ADINA軟件對該采空地區建模過程進行了闡述，工程模擬采用2D建模技術方法，但根據采空區的結構特點，也可利用ADINA Native進行3D幾何建模。

參考文獻：

[1]孫超. 地下采空區對地表穩定性的影響[D]. 哈爾濱： 中國地震局工程力學研究所， 2005.