基于FLAC3D的某采空區三維變形特征分析

魏 廣，黃琰杰

(成都理工大學環境與土木工程學院，四川 成都 610059)

0 引 言

地下礦產資源的開采會使得地下形成大面積的采空區，隨著我國城市化進程加快，采空區地表土地資源利用問題也顯得尤為重要。現某采空區地表擬修建水庫，采空區在水庫壩址以及蓄水壓力的作用下可能發生嚴重變形甚至失穩塌陷，導致采空區“活化”，近地表采空區的變形特征更為明顯，對地表壩址區的安全穩定運行有著一定的影響。因此，該文根據采空區的分布現狀以及該區域的地質環境特征，建立三維地質模型，判斷采空區“活化”可能性，以及采空區地表的成庫可行性。

目前學者對礦采空區變形特征做了大量研究，孫國權等通過FLAC3D軟件計算，分析了某采空區的變形規律，指導了煤柱回采的方案；黃敏等通過現場勘察以及數值模擬的手段，對某分布無規律的采空區穩定性進行評價以及對塑性區范圍進行了圈定；黃昌畜、田書廣等從結構力學和巖體本構關系的角度出發，對某采空區頂板穩定性進行了分析和驗證。王磊等運用三維激光掃描儀更精準的建立了采空區的三維地質模型，分析了采空區頂板以及側幫圍巖的穩定性和形變特征；李春雷、謝謨文等對金屬礦山的開采沉降動態預測進行了基于GIS的應用，用實際和預計結果相比較論證，證明了方法的可行性。

文章基于RHINO-FLAC3D耦合技術建立某采空區的三維計算模型，對其在不同工況下的采空區地表變形特征進行模擬分析，確保地表土地資源的可利用性。

1 采空區概況

該采空區分為新老工作面，相鄰工作面之間布置有3 m寬保護礦體。采面投影至地表后，庫首左岸區域局部位于16 032采礦工作面中，采空區埋深171.3～197.9 m。采區基本沿巖層走向方向向北東展布，平面位置逐漸遠離水庫。除老采區采用人工普采外，其余采面均采用機械綜合采礦法進行采礦活動。頂板管理辦法為自然全陷，直接頂板巖性為碳質泥巖。礦層傾角3°～35°，近水庫區采礦高度為2.02 m。目前已為充分采動。附近已出現泉點干涸、采空巖溶塌陷等不良現象，對周邊環境影響較大。

2 采空區的數值模型建立

擬建水庫庫區主要位于上下壩剖面這幾條勘探線之間，目前已經全部形成采空區。建模分為以下幾步：①將CAD地形圖導入到Rhino軟件，利用MESHPATCH功能，生成地表模型；②以B剖面圖為基礎，導入Rhino軟件后，將平面上的采空區拉伸成三維采空區模型；③根據庫區模型的坐標范圍，建立庫區影響范圍內的塊體模型；④結合實體模型和塊體模型，導出計算庫區穩定性分析的三維塊體模型。

采空區受壩體基底附加應力的影響，將可能“活化”，使壩體處于不穩定狀態，根據前期論證結果，壩體荷載引起的地基附加應力影響深度約為155 m，因此考慮將壩體基底至以下155 m深度內作為壩體穩定性的計算邊界；采空區對庫盆影響不大，庫盆整體穩定性好，采空區對庫區的影響，主要體現在對庫區左右岸邊坡的穩定性造成影響，因此對庫區的計算范圍，主要以庫區左右岸分水嶺為界。

將Rhino建立的塊體模型，通過Griddle進一步剖分網格，將Rhino的單元和節點信息轉換為FLAC3D可讀取的文件信息，即生成三維計算模型。模型長度約380 m，寬度約470 m，地表下高度約300 m，共劃分3 742 296個單元，包含647 118個節點，計算模型見圖1。

圖1 采空區三維計算模型圖Fig.1 3D calculation model picture of the goaf

3 本構模型及材料力學參數選取

對模型的側邊界、底部加以位移約束，地表為自由邊界，強度準則采用Mohr-Coulomb屈服破壞準則以及彈塑性本構關系。

根據前期勘察資料，室內試驗并結合經驗綜合確定巖土體的巖土力學參數及滲透系數，見表1。

表1 巖土物理力學參數Tab.1 Geotechnical physical mechanical parameters

4 變形特征模擬結果分析

4.1 計算工況

模擬計算分為3種情況：

(1)首先考慮該采空區未留有保護礦體即全部采空的情況下，計算其地表的變形情況；

(2)根據鉆探結果以及前期的收集資料，將模型計算時采空區的礦體保留，計算現有采空區的地表的穩定性情況，即保留部分礦體情況；

(2) 針對庫水作用下的巖質邊坡穩定性研究，在靜力方面已經取得很多研究成果，但是，目前針對庫水作用下復雜地質構造巖質邊坡地震響應特征的研究尚無文獻進行研究，尤其是庫時驟降對邊坡穩定性較為不利已經成為了共識，但是，庫水驟降及地震作用兩個不利因素聯合作用下，復雜地質構造巖質邊坡的動力穩定性及其破壞演化過程還需要深入探討。

(3)將擬建大壩荷載施加后，對工況②進行計算。

經數值模擬計算后，可得到在3種情況下，壩區及附近的地表垂向位移變化情況。在極端全部采空下，經計算可得采空區地表的Z方向的位移云圖，見圖2。在保留礦體條件下，模型的Z方向的位移云圖，見圖3。在加壩荷載后條件下，模型的Z方向的位移云圖，見圖4。

圖2 工況1采空區Z方向位移圖Fig.2 The goaf’s displacement in Z direction under condition 1

圖3 工況2采空區Z方向位移圖Fig.3 The goaf’s displacement in Z direction under condition 2

圖4 工況3采空區Z方向位移圖Fig.4 The goaf’s displacement in Z direction under condition 3

圖2顯示了全部采空狀況下整個地表的位移場，從圖中可知位移主要集中在大壩上游附近，采空區上部，采空區靠近地表處，最大位移量為約為86 cm，這主要由于下伏采空區全部采空所致，庫區其余位置位移量約0.5 cm。而在壩軸線附近采空區上部地層會產生較大的變形，約為75 cm。

圖3顯示在保留礦體條件下，地表位移主要集中在兩礦體之間，最大約為46 cm，在壩軸線剖面處從河流礦體往上，位移變形逐漸減小，從約26 cm減小到5 cm。

圖4顯示在保留礦體，施加荷載條件下，地表位移主要集中在2礦體之間，最大約為173 cm，在壩軸線剖面處從河流礦體往上，位移變形逐漸減小，從約76 cm減小到10 cm。

通過對比可知，采空區是影響地表沉陷的關鍵因素，大壩加載后，由于壩自身重力作用，使已經“靜止”的采空區重新活化，并發生新的沉降。

4.2 監測點情況分析

為了準確分析3種情況下，模型范圍類壩基及采空區的具體位移情況，在進行模型計算時，新增了部分監測點。監測點的布置位置見圖5，其中bj1，bj2，bj3為壩基位置監測點；xd1、xd2、xd3為采空區上部監測點，xd4、xd5、xd6為采空區中部監測點，處于河流下礦體處，xd4、xd5、xd6為采空區下部監測點。

圖5 監測點位置圖Fig.5 Locations of the monitoring points

在3種情況下，各點的位移情況見表2。

表2 監測點位移統計表Tab.2 Displacements of the monitoring points

5 結 語

通過建立采空區的三維地質模型，對其在地震作用下響應分析，主要有以下結論。

(1)在三維有限元分析中，全部采空狀況下，采空區上部，采空區靠近地表處，最大位移量為86 cm左右；在保留礦體條件下，地表位移主要集中在2礦體之間，最大約為46 cm；施加荷載條件下，地表位移主要集中在2礦體之間，最大約為173 cm。

(2)通過三維計算施加的監測點位移情況可以得知，在3種工況下，采空區的位移變形在y方向上，呈現逐漸增大的趨勢；在沿采空區空間展布方向向下，也呈現逐漸增大的趨勢。

(3)另外，施加壩荷載后對壩基的位移影響為25 cm左右，對采空區的影響在xd6監測點處最大，而在其他點處，由于礦體起到了一定的支撐作用，故變形的增量不大。xd2、xd5、xd8處于河流下保護礦體處，與全部采空情況對比，也能看出礦體對采空區的變形影響是巨大的。