不同硐室跨度對采空區上覆巖體穩定性的影響

摘要：本文以遼寧省丹東市某煤礦采空區作為工程背景，利用大型數值模擬軟件ABAQUS，對采空區進行三維數值模擬，通過數值模擬，分析礦區不同硐室跨度對采空區上覆巖體穩定性的影響

關鍵詞：ABAQUS;采空區;地表沉降

采空區是一個從出現以來就深深困擾人們的難題，人們應用各種方法來研究采空區所帶來的地表穩定問題已經超過了半個世紀之久。當采空區的范圍足夠大的時候，附近的巖層會發生緩慢的蠕動破壞，一旦超過頂板的抗拉強度，便會引起坍塌，造成地質災害事故的發生。

一、數值分析過程

運用大型數值模擬軟件ABAQUS對采空區上覆巖體的穩定性進行模擬分析。ABAQUS的主要操作流程如下：根據所搜集的地質資料建立模型→對模型各部件賦予材料參數→建立實體→創建分析步→設置模型各部件的接觸→施加荷載→布置種子→劃分網格→提交任務→后處理，對計算結果進行分析。

（一）工程背景

本文所研究的礦區經過了多次重復開采，造成該地區地下采空區遍布。隨著時間的推移，由于采空區圍巖破壞、礦柱損壞等問題，導致采空區影響范圍面積逐年擴大，嚴重破壞了礦區附近的生態環境問題。因為不同的地域地層巖性、水文地質狀況、結構面分布和構造應力等都不相同，再加上空區規模、埋置深度、跨度等的不同，導致影響采空區的穩定因素復雜多樣。本文綜合了搜集到的礦區地質資料，主要從采空區硐室跨度分析采空區巖體的穩定。

（二）工程資料

根據收集礦區地質資料、礦體開采資料、地形測量、地球物理勘探（物探）、鉆探成果，綜合確定采空區的范圍及埋深。物探工作主要通過直流高密度電測深法結合可控源音頻大地電磁法及瞬變電磁法，圈定異常區邊界和范圍，指導鉆探工作布置，以對異常區進行驗證，確認物探異常的性質、狀態，為采空區的圈定提供依據。鉆探工作主要用于揭露采空區，控制采空區邊界，并對物探異常進行實際驗證，從而結合礦體分布特征、礦體開采現狀和物探解釋成果，確定采空區分布情況和采空區邊界。

（三）模型建立與分析

本次模型取300*200m二維平面模型來模擬空區斷面，地表以下地層分為兩層，地表以下是10m的第四系土層和110m的砂巖。采空區硐室高度取6m，跨度分別取20m、70m。

部分不同跨度下采空區頂板和地表位移沉降云圖如下：

為了更加直觀的分析不同埋深條件下的沉降規律，根據以上沉降位移云圖，將不同跨度條件下的硐室頂板和地表沉降位移用曲線圖表示如下：

從以上的分析結果也可以看出，隨著硐室跨度的增加，致使硐室頂板巖體承受的彎矩逐漸越大，拉裂的可能性隨之增加，從圖3、圖4可以發現，在硐室跨度從20m變到70m的過程中，頂板巖體的位移從0.32m劇增到2.1m;同理，由于硐室頂板巖體的拉裂，上部巖體失去了有效的支撐，從圖5、圖6可見，在硐室跨度從20m變到70m的過程中，地表沉降位移從0.1m增大到1.571m，說明地表已出現塌陷坑。

因本次分析主要研究地表的穩定問題，現將地表沉降值隨硐室跨度的變化整理為下表：

二、結語：

通過對采空區進行不同硐室跨度情況下上覆巖體穩定性情況模擬分析，得出隨著硐室跨度增大，頂板巖體位移與地表沉降位移均隨之增大，且頂板巖體位移量始終大于地表沉降量、為此，在煤礦開采過程中可以適當縮小硐室跨度進而在一定程度上預防地面塌陷發生。

參考文獻：

[1]張建.采空區穩定性分析與評價.水利與建筑工程學報，2010，4

作者簡介：張搏（1990- ），男，漢族，遼寧省北鎮市人，工學碩士，遼寧有色勘察研究院有限責任公司