浅析地表沉降变形的预测方法

任雷平 杨高攀 刘闫锋西安建筑科技大学信息与控制工程学院 710055

浅析地表沉降变形的预测方法

任雷平 杨高攀 刘闫锋
西安建筑科技大学信息与控制工程学院 710055

由于地下大体积空区的存在，引起了地表的沉降变形。为了预测变形趋势，我们建立了沉降模型去模拟变形情况。该物理模型的建立，使用有限元的思想，采用不同的岩层结构、结合有限元分析软件ANSYS、用自适应网格划分算法划分网格，使用了参数评估加权算法进行物理参数的选取。仿真结果与实际情况相符合，为地表沉降研究机制提供了依据。

ANSYS；有限元；地表沉降；地下空区

ANSYS; finite element; subsidence deformation; underground mined-out area

引言

我国大部分矿山由于开采初期没有进行正规、严格的开采设计就进入了生产，乱采乱挖现象严重；同时，没有进行采矿后期的设计、处理，也从来没有考虑矿山开采后期以及开采结束后矿山的采场、地表处理问题等，造成了我国现存的几百万亩的塌陷区，造成了无尽的经济建设、生活活动的损失和影响。

开采沉陷预计是矿山开采沉陷学科的核心内容之一,它对开采沉陷的理论研究和生产实践都有重要意义[1], 这方面研究已经有许多成果[2～4]。从全国范围看,每年矿山地质灾害的总体损失不亚于一次地震或洪水带来的损失[5]。在我国部分煤炭能源开发较早的地区,开采沉陷带来的灾害问题显得尤为突出。

数值模拟计算可靠性主要取决于建模。而对矿山开发的建模极其复杂，尤其是建立三维实体模型。采用传统的建模方法，不仅花费大量的人工、计算时间，而且可靠性不高。鉴于此，我们采用了ANSYS[6]进行整个矿区的模型建立。利用有限元的思想，结合ANSYS平台从系统化、模块化、可视化的角度进行模拟分析，得出采空区引起的地表沉降的范围、最大下沉线、最大下沉点、覆岩移动及变形等规律，仿真结果与实际情况相符合，为矿山开采和大体积地下工程的建设提供了研究依据。

1、大空区引起地表沉降计算模型的建立

1.1 物理模型

由于矿山区域地质结构相当复杂，不同的岩层相互交错，构成了特殊的地质构造结构。为了计算方便，我们简化了原始地质构造，如图1所示的模型。整个模型最上层为地表土体，其次由岩石1、岩石2、岩石3、岩石4、和矿体1、矿体2组成的三维实体，图1（a）和图1（b）所示为三维实体的剖面图。

图1 地表沉降物理模型

1.2 模型计算思想

本模型将整个复杂的物理模型实体拆分为若干个形状简单的单元，利用单元节点变量对单元内部变量进行插值来实现对总体结构的分析。将连续体进行离散化，离散而成的有限元集合将替代原来的弹性连续体，所有的计算分析都将在这个模型上进行。其分析过程主要可分为以下五步：单元划分、位移模式的确定、单元分析、总体分析及有限元方程组的求解。

由于计算机资源使用的有限性，本模型使用SOLID45单元[7]用于构造三维固体结构，满足了模型计算的精度要求，同时，计算效率也大幅提升。该单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着x,y,z;方向平移的自由度。单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力。单元由8个节点和各向同性的材料参数来定义。各向同性材料方向对应于单元坐标系方向，单元载荷包括节点载荷和单元载荷。SOLID45单元结构如图2所示。

图2 SOLID45单元结构图

2.3 网格划分以及边界处理

考虑到本模型存在复杂的结构以及极不规则的地质条件和采场空间几何形状。考虑到几何形状对网格的影响，同时，几何特征区域上网格划分形式取决于特征的重要度。可以从特征的几何形状、几何参数大小、属性和约束等多方面进行评价一个特征的重要度。外加载荷的力学特性分析是研究形体工作状态的情况。这两种情况下，受力情况和几何情况完全不同，也决定了这两种模式下网格划分情况的不同。在网格划分的过程中，两者相互考虑、相互结合，同时，使用了自适应网格划分算法，得到比较高效、精确的三维划分。

由于我们取的模型足够大，空区对模型边界的实际影响可以忽略不计，至此、整个三维模型的边界我们进行钢化面处理。

2.4 物理参数的选取

整个模型的计算，物理参数的选取对整个模型的精确度和可参考性起到了重要的作用。本模型中我们使用了参数评估加权算法进行参数的确定。评估加权算法如下表1所示：

表1 评估加权算法表

根据矿山设计院的地质结构图与相关本区域内的地质构造图表我们得出了各个水平层岩石物理参数。我们进行计算参数选取时，以某个区域内大体积含有某种岩石，以此区域进行研究对象，结合此区域内的其他种类岩石进行整体评估加权。其中：mi其依据本体积内岩石namei所占的体积份数，并且1=m1+m2+m3+…+mi。pi为岩石namei实际物理参数。整个该区域内最终确立的参数为

p=m1p1+m2p2+m3p3+…+mipi

2、结论

1）、该方法的模拟结果与实际结果相符合。我们可以快速建立模型，简单、方便的得出地下工程的开采引起的地表变形的结果。从可视化的角度、从便捷的角度、从准确、可靠的角度，无疑用有限元思想结合ANSYS分析软件进行矿上分析，是行之有效的。

2）、在上述理论模型的基础上，利用有限元机制，结合国内外大型有限元分析软件，实现对模型的数值模拟，得出了地下大型工程累积损伤引起的地表下沉的一些数据，包括：地表下沉范围、最大下沉曲线、最大下沉点、下沉时间预测。

3）、随着国民经济快速良性的发展，我国存在数量巨大的地下工程。同时，早期缺乏地表沉降预测该类问题的探讨与研究；加之，现存土地资源经济价值巨大，该类沉降问题越显重要。该研究迎合了行业市场的发展，具有非常重要的实用价值。

[1]何国清,杨伦,贾凤彩,等.开采沉陷学[M].北京:中国矿业大学出版社.1991.

[2]彭欣，崔栋梁，李夕兵等.特大采空区近区开采的稳定性分析[J].中国矿业.2007，16(4):70-73.

[3]建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[S].国家煤炭工业局.北京:煤炭工业出版社，

[4]余学义，张恩强.开采损害学[M].北京:煤炭工业出版社.2005.07.

[5]谢和平,可持续发展与煤炭工业报告文集[M].北京:煤炭工业出版社.1998.6

[6]尚晓江，邱锋，赵海峰，等.ANSYS结构有限元高级分析与规范应用[M].中国水利水电出版社.2008.5

[7]ANSYS Modeling and Meshing Guide[M]. ANSYS Release9.0.

Simulation of Ground Collapse Deformation caused by Mined-out Area Based on the Finite Element

The underground large mined-out area leads to the surface subsidence deformation. To predict the deformation trend, we have established the settlement model. The physical model use the finite element ideas, adopt different rock layer structures, combine with finite element analysis software ANSYS, use the adaptive meshing algorithm for meshing grid. At the same time , the model use the parameters evaluation weighting algorithm to select the physical parameters.The simulation results correspond with the actual situation ,and this results provide a basis for the study of surface subsidence mechanism.

TP391.9

A

任雷平(1984-).男.汉族,陕西省渭南市.西安建筑科技大学,信息控制与工程学院.硕士研究生,研究方向:大型复杂系统的计算机应用

杨高攀(1985-),男,汉族,陕西省渭南市,西安建筑科技大学.信息控制与工程学院，硕士研究生,研究方向:数字图像处理