基于某礦區的采空區地基穩定性模擬

梁少巖

(沈陽建筑大學 遼寧 沈陽 110168)

基于某礦區的采空區地基穩定性模擬

梁少巖

(沈陽建筑大學 遼寧 沈陽 110168)

本文依據遼寧省丹東市愛陽鎮某煤礦采空區，利用大型數值模擬軟件ABAQUS和收集的地層資料對其進行了三維建模，通過數值模擬給出了礦區地表沉降量，并對該地區的后續地表沉降作了預測。

ABAQUS;采空區;巖體穩定性

一、引言

進入21世紀以來，隨著我國經濟的飛速提升，伴隨著采礦技術的提高，煤炭的開采量也呈現了直線甚至是指數的增長，除了煤礦開采時發生的瓦斯爆炸等礦難事故以外，地下遺留采空區也是一個不能忽視的重要問題，在開采完成后也不進行必要的支撐保護和治理措施，導致采空區頂板塌陷、冒落，進而引起災害事故。因此，對地下采空區的穩定性情況進行評價具有十分實際的意義。由于傳統的分析方法大多是純理論或者是試驗和經驗結合的方法，不僅耗時長、成本高，而且不能得到直觀的表達。ABAQUS很好的克服了這些缺點，并且可以給出相對準確的計算結果。

二、數值分析過程

ABAQUS是法國達索公司開發的有限元軟件，今已大量應用于機械、物理、建筑、礦山和港口等行業。本文即利用ABAQUS對遼寧省丹東市愛陽鎮某煤礦區內的聚居區地層進行數值模擬，并對后續的地表沉降做出預測。

(一)工程背景

遼寧省鳳城市愛陽鎮顧家煤礦位于鳳城市愛陽鎮顧家村，原為丹東市屬地方國營煤礦，歷經半個多世紀的開采，造成采空區面積逐年擴大，嚴重破壞了礦區及周邊的生態環境，現已出現多處嚴重的地面沉降、地面塌陷、地裂等災害，嚴重影響到礦區內人民群眾的生命財產安全。丹東顧家煤礦斜井中心地理坐標為:東經:124°23'11″，北緯:40°58'53″。上覆巖土層依次為第四系松散堆積層，主要為雜填土、碎石和粉質黏土，厚度從6m－14m，平均厚度11m，本次模擬采用平均厚度;砂巖平均厚度8m;長梁子組Ⅳ煤層厚月為3m，且大部已被采空;底板為較好的砂巖和砂泥互層巖石。

(二)地質參數

為獲得更準確資料，本次研究除走訪當地和收集歷史地質資料以外，還采用了多種試驗和探測方法來綜合確定礦區的巖石物理力學參數沿礦脈和巖層走向布置了22個鉆孔，然后對所取巖樣進行切削、打磨，送往實驗室進行力學實驗。本次所做試驗包括抗壓強度、劈裂試驗、密度試驗和抗剪試驗，人為將范圍內的地層分為覆蓋土、土礫巖、砂巖、砂泥巖、煤層和泥頁巖六個工程地質巖組，以便建立三維數值模型時的參數賦予。

(三)模型分析過程

本次研究采空區X方向尺寸30m，左右各延伸90m;Y方向20m，前后各延伸60m;Z方向標高19m－22m，向下延伸17m。建立尺寸為210m*140m*40m的三維模型，因煤礦開采歷史久遠，故假定礦柱和支撐結構均已破壞，不考慮任何支撐和襯砌結構的作用，沒有考慮地下水的影響。本次模擬采用摩爾庫倫破壞準則。邊界條件:整個模型左右邊界限定X、Y方向的移動，前后邊界限定X、Y方向的移動，底部邊界限定X、Y、Z方向的移動，上部為自由邊界面。接觸條件:各地層之間采用自接觸。荷載狀況:本模型僅考慮在自重應力作用下地表的沉降，因此定義兩個分析步。首先建立初始應力平衡步，在自重應力作用下達到平衡后進而開始下一個分析步。利用ABAQUS特有的生死單元功能，在第二個分析步模擬煤層開挖，因本次模擬重點是采空區巖體在長時間的穩定問題而不是開挖過程的穩定性，所以在第二個分析步開始就完成開挖，而后分析上覆巖層的穩定。

為使模型圖直觀可見，先對所見模型選擇兩個剖切方向進行剖切，在X平面對模型剖切如圖1。

圖1 YOZ截面圖

(四)計算結果

模型首先在自重應力場下達到平衡，地層有一定的沉降。然后再煤層采空后，頂板及上覆巖土體在自重應力以及上覆荷載下發生沉降，位移變形圖如圖2。

圖2 位移變形圖

由圖4可以看出，所研究地區以采空區為中心發生沉降，因模型前后左右邊界各取采空區的3倍，所以采空區對模型邊界區域的沉降幾乎沒有影響，在上圖也可以看出采空區影響面積約為自身面積的4倍。采空區影響區域的地表沉降位移圖如圖3。

圖3 位移云圖

經過分析，采空區中心線處的沉降最大，達0.14m，并向兩側遞減，位移沉降曲線呈現“V”字形，在60m左右沉降已小于0.01m，根據地基基礎規范的規定，可以認為地表是穩定的。沉降最大的位置正是本次勘察中出現地裂縫最為嚴重的位置，與檢測結果正好吻合。說明本次模擬比較符合實際地質情況。

三、結束語

通過對遼寧省丹東市愛陽鎮某煤礦礦區的地下采空區模擬分析，得出該地區地表處于不穩定狀態，并預測了不穩定區域的面積。鑒于現有地表塌陷區域小于預測區域，說明地表塌陷仍會擴大，所以有關部門應做好空區治理工作。建議對采空區進行注漿或者膠結物充填治理，以降低地表的沉降。

［1］郭倉.FLAC 3D在采礦工程中的應用.科技信息.2010(3):23.

梁少巖 (1991－)，男，漢族，河北省石家莊市人，工學碩士，沈陽建筑大學，研究方向:采空區巖體穩定性分析與評價。