基于某礦采空區(qū)巖體失穩(wěn)規(guī)律研究

摘要：本文依據(jù)遼寧省丹東市某煤礦采空區(qū)，利用大型數(shù)值模擬軟件ABAQUS和收集的地層資料對其進(jìn)行三維模擬，通過數(shù)值模擬給出礦區(qū)不同采空區(qū)頂板巖體和地表位移變化規(guī)律進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：ABAQUS;采空區(qū);巖體位移

中國目前正處于飛速發(fā)展的時代，我國地大物博，各種資源蘊(yùn)藏量豐富，同時中國是世界上煤炭資源最豐富的國家之一。為了跟上國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的腳步，礦產(chǎn)資源的開采得到了飛速提升。由于煤層的大面積開采，在多山地區(qū)，因?yàn)榈V產(chǎn)開采帶來的某一地層的缺失，導(dǎo)致巖層傾角改變，進(jìn)而產(chǎn)生地層斷裂、滑坡、泥石流、山體崩塌等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象頻繁發(fā)生;在平原人類居住區(qū)，因?yàn)槊禾抠Y源的過量無序開采產(chǎn)生了大面積的采空區(qū)，有些地區(qū)甚至出現(xiàn)了面積龐大的采空區(qū)群，這些采空區(qū)的大量存在使上覆巖土體的很大程度的降低，引起了各種各樣的地質(zhì)災(zāi)害問題。

一、數(shù)值分析過程

運(yùn)用大型數(shù)值模擬軟件ABAQUS對采空區(qū)上覆巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析。ABAQUS的主要操作流程如下：根據(jù)所得參數(shù)要求建立模型→對模型各部件賦予材料參數(shù)→建立實(shí)體→創(chuàng)建分析步→設(shè)置模型各部件的接觸→施加荷載→布置種子，劃分網(wǎng)格→提交任務(wù)→后處理，對計算結(jié)果進(jìn)行分析。

（一）工程背景

遼寧省鳳城市愛陽鎮(zhèn)顧家煤礦位于鳳城市愛陽鎮(zhèn)顧家村，企業(yè)性質(zhì)為全民，開采礦種為焦煤，年產(chǎn)量2.0萬噸，礦區(qū)面積1.80km2，原為顧家煤礦下屬的一個基層生產(chǎn)單位，由國家投資，于1971年建礦，1973年 7月投產(chǎn)。丹東顧家煤礦斜井中心地理坐標(biāo)為：東經(jīng)：124° 23′ 11″，北緯： 40° 58′ 53″。礦柱多數(shù)都已破壞，所帶來的頂板巖體拉裂引起上覆巖土體下沉，進(jìn)一步導(dǎo)致了地下采空區(qū)的影響范圍面積越來越大，煤層最厚的達(dá)6m，最薄處為4m，平均厚度5m，傾角在1°～5°之間，基本可以認(rèn)為是水平煤層?？刂崎L度貫穿全區(qū)，平控制煤層埋深標(biāo)高在20m ～90m之間。煤層頂、底板圍巖多為砂巖，也有砂泥巖和泥巖出現(xiàn)。

（二）地質(zhì)參數(shù)

本次勘察，根據(jù)收集礦山地質(zhì)和礦床開采資料和物探成果，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查情況，沿礦脈和預(yù)計的采空區(qū)走向邊緣地帶，共布置22個鉆孔，鉆孔深度位置以揭露采空區(qū)和控制采空區(qū)邊緣為原則，并對物探異常進(jìn)行驗(yàn)證，鉆孔深度120m或達(dá)到揭露的采空區(qū)底板。

（三）模型假設(shè)與建立

巖土是一種非常復(fù)雜的物質(zhì)。所以本文所建立模型之前需做出一定的假設(shè)。1假設(shè)各層巖土體均為各向同性材料2根據(jù)以往的地質(zhì)資料和現(xiàn)場調(diào)查，研究區(qū)的地層傾角均在0°-8°之間，因此本次研究取地層傾角為平均值4°。建立模型所需的物理力學(xué)參數(shù)：荷載條件：只考慮巖土體自重應(yīng)力。邊界條件：模型的左右邊界固定，限制水平方向的位移;模型的前后邊界固定，限制前后水平方向的位移;模型底部全約束，限制水平和豎向的位移;模型頂部自由，不添加任何約束。本次模擬采用研究礦區(qū)采空區(qū)賦存最多的地表下標(biāo)高50m地層，每次增加2m硐室寬度的方法分析上覆巖體的穩(wěn)定情況。埋深50m情況下，不同跨度采空區(qū)頂板巖體和地表在垂向的位移變化情況如下：

從上圖可以看出，隨著硐室跨度的增大，圖中由于采空區(qū)造成的沉降影響區(qū)域也越來越大。這種情況不僅表現(xiàn)為采空區(qū)以上巖體的沉降，可以看到底板以下的影響區(qū)域也在橫向和垂向也都表現(xiàn)了不同程度的擴(kuò)大。同時，可以看出采空區(qū)頂板和地表的沉降位移值越來越大，直至頂板巖體拉裂。在硐室底板也表現(xiàn)出了相似的變化，由于硐室寬度的增加，底板中心處所承受的向上的彎矩越來越大，因此底板向上隆起的位移和范圍也增加。

從以上位移云圖中可以得到不同跨度下采空區(qū)頂板和地表最大沉降位移數(shù)據(jù)以及基于數(shù)據(jù)可得不同跨度下采空區(qū)頂板巖體和地表沉降最大位移曲線圖如下：

從上圖可以分析地表沉降的規(guī)律。在硐室跨度達(dá)到28m前，采空區(qū)地表最大沉降變形維持在0.1mm量級，2m跨度的增加僅對應(yīng)于不足0.1mm的沉降變形量，幾乎可以認(rèn)為地表沒有變形，處于穩(wěn)定狀態(tài)。硐室跨度達(dá)到28m時，地表沉降僅為5.42mm。當(dāng)跨度達(dá)到30m時，地表沉降發(fā)生突變，從5.42mm驟增至54.1mm，增幅也達(dá)到10倍。由此可見，在采空區(qū)跨度達(dá)30m時，地表也發(fā)生了塌陷。

二、結(jié)語：

通過對遼寧省鳳城市某礦區(qū)采空區(qū)進(jìn)行模擬分析，得出了該采空區(qū)的失穩(wěn)規(guī)律，并預(yù)測了沉降發(fā)生突變的跨度。依據(jù)本文所分析，為防止采空區(qū)地表發(fā)生突變，建議有關(guān)部門采取注漿或加固處理，避免造成不必要的損失。

參考文獻(xiàn)：

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

作者簡介：范啟鵬（1993- ），男，漢族，遼寧省沈陽市人，工學(xué)碩士，沈陽建筑大學(xué)，研究方向：采空區(qū)巖體變形規(guī)律分析。