基于ANSYS軟件的某殘煤自燃采坑邊坡的穩定分析

張劍

摘 要：通過有限元軟件ANSYS，對某露天礦殘煤自燃采坑邊坡進行模型簡化，并進行三維數值模擬，通過數值分析得出殘煤自燃的溫度場云圖，進而得出殘煤自燃采坑邊坡的X及Y方向位移云圖；所得結果對進一步研究殘煤自燃采坑邊坡的穩定性具有一定的參考意義。

關鍵詞：ANSYS；數值模擬；殘煤自燃；位移云圖

中圖分類號：TD32 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）07-0122-01

隨著我國經濟的發展，對煤炭需求量也隨之增加，露天煤礦的開采數量、深度也隨之增加。在煤層開采過程中，我國大約有50%的礦井存在自燃發火危險，每年由于自燃造成直接或間接經濟損失近百億元。尤其是到20世紀80年代末以來，自燃火災已成為制約煤礦高產高效技術發展的主要障礙之一。因此，研究和分析露天礦邊坡殘煤自燃誘發滑坡過程和規律，具有重要意義。

本文基于ANSYS軟件對某露天礦殘煤自燃采坑邊坡進行模型簡化，并進行三維數值模擬，通過分析確定其基本穩定性，為此邊坡的后續治理提供了依據，同時對同地質條件下露天礦殘煤自燃采坑邊坡的穩定性分析提供參考。

1 殘煤自燃采坑邊坡概況

此露天礦坑巖質高邊坡局部總高度達300m以上，現在已經形成一個由若干個臺階組成的，坡角20°～40°的露天開采邊坡。根據該區地層出露分布情況和巖石組成特征，可分成三個工程地質巖組，即（1）砂質頁巖-砂巖-夾薄煤層（或炭質頁巖）巖組；（2）煤層-粗砂巖-礫巖互層巖組；（3）斷層破碎帶巖組。

由于本露天礦的開采條件、設備和開采技術的限制，采空區遺煤較多，且多為淺部開采，易于和地表裂縫溝通，發火危險突出。

本礦坑已經測得有200余處發火點，主要發火點約有50處。從1953—2008年之間共發生了80次滑坡，其中，由殘煤自燃誘發達29次，占34%。

2 殘煤自燃采坑邊坡主要特征

此露天礦坑巖質高邊坡巖體為順傾的層狀巖體，巖層傾向與邊坡傾向一致。構成邊坡巖體的主要巖層為：砂質頁巖、砂巖、頁巖、薄煤層及炭質頁巖，弱層的主要成分為頁巖及炭質頁巖，多分布在薄煤層的頂底板。

由于煤的自燃使地層內出現空區，導致巖層的強度，彈性模量和泊松比等力學參數發生變化，使其巖層的承載力降低，造成巖層移動、斷裂，導致滑坡。

3 數值模型建立

基本原理

（1）對于穩態熱傳遞，表示熱平衡的微分方程：

（2）相應的有限元平衡方程：

式中：為傳到矩陣，包含導熱系數、對流系數及輻射率和形狀系數；為節點溫度向量；為節點熱流率向量，包含熱生成。

（3）參數及邊界條件：巖石熱膨脹系數取0.8e-5，導熱系數取0.75（W·（m·K）-1），煤層熱膨脹系數取5e-5，導熱系數取3.0（W·（m·K）-1）。孫家灣層、中間層和太平上層煤層燃燒溫度為1000℃，內部溫度35℃，接觸空氣溫度為23℃。

根據此邊坡的變形破壞機制，其巖體在空間上分布具有較顯著的不均一性。基于ANSYS軟件，建立三維數值模型模擬邊坡的模型尺寸：高度350m，寬度為500m，長度為500m。巖體單元取為八節點六面體等參實體元（Plane82），采用理想彈塑性本構模型及Drucker—Prager屈服準則。

4 結語

由于中間層和太平上層煤層自燃，邊坡變形和破壞區域標高為0-100m。現狀此巖質高邊坡坡腳位移大，不能保證安全要求，須進行治理。隨著殘煤自燃采坑邊坡露頭殘煤的燃燒，溫度場影響范圍相應增大，進而導致整個邊坡巖體結構發生改變，內部應力場重新分布。隨著燃空區的增大，邊坡巖體的塑性破壞區域向邊坡深部發展。采坑邊坡裂紋也逐漸增多、連通，進而導致位移增大，致使整個坡體出現破壞。

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