邵东石膏矿采空区沉陷模拟

张道勇,左文贵

(中南大学地学与环境工程学院, 湖南长沙 410083)

邵东石膏矿采空区沉陷模拟

张道勇,左文贵

(中南大学地学与环境工程学院, 湖南长沙 410083)

利用FLAC建立数值模型,对邵东石膏矿采空区的沉陷进行了模拟计算。比较开采前后的水平和竖向应力变化,发现应力变化特征不同;分析采空区顶、底板、边帮以及地表的位移,可以了解各部分变形机理不同。再结合模拟的结果和实际调查,对采空区的稳定性进行评价,得出采空区是不稳定的,需要采取适当的治理措施,以避免不必要的损失。

采空区;沉陷模拟;FLAC;石膏矿

0 引 言

有用矿物采出来以后形成采空区,其周围岩体的原始应力失去原来的平衡状态,应力将重新调整直至达到新的平衡,从而致使岩体发生移动,岩体移动会破坏地下岩体结构,发展到地表造成地面塌陷、位移,致使地面上己有的建、构筑物、公路、铁路及桥涵受到破坏;或者采空区暂时处于稳定状态,而当在其上修筑新的建筑物时则会引起新的地面塌陷、位移,这就为以后在采空区上方新实施的各类工程埋下了许多隐患,因此对采空区的模拟研究,分析其稳定性具有相当重要的作用,可以避免不必要的损失。

1 沉陷模拟的研究方法

沉陷的模拟研究方法大体上可以分理论模型模拟法、物理模型模拟法、理论-物理模拟法。理论模拟法随着数值计算方法和电子计算机的采用而飞速发展。如有限元、边界元、离散元、有限差分法,应用这个方法的软件如ADINA、ANSYS、FLAC等,可以计算各种情况下开采沉陷问题。

FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Cotinuum)是一种显式有限差分程序,它是在求解运动方程与动力方程过程中,基本方程组和边界条件(一般均为微分方程)近似地改用差分方程(代数方程)来表示,从而把求解偏微分方程的问题转换成求解代数方程的问题。它广泛应用于土木建筑、交通、地质、水利、等行业,是一款功能强大的数值模拟工具。

2 采空区数值模拟

2.1 采空区概况

邵东石膏矿为内陆湖相沉积的缓倾斜硬石膏矿床,呈层状产出,厚度8～15m,采用房柱法开采。在原两市镇及其周边相继形成了34个石膏矿,形成的采空区总体积371万m3,总面积1.05km2。自1990年代初,老采场接连不断地产生地面开裂、地面沉陷等地面变形灾害。经过多年的开采形成很多采空区,其中一采空区附近地层岩性由上到下是第四系粘土层,白垩系泥质粉砂岩、石膏矿、钙质粉砂岩。地质勘察和岩土物理力学试验得出岩土的物理力学参数见表1。

表1 岩土物理力学参数

2.2 采空区不良地质现象

采空区里不良地质现象有顶板掉块和塌方、跨帮、底鼓。掉块、塌方在矿坑道内是较普遍的,一般掉块高0.2～1.0m,塌方高度一般小于1.0m,最大1.8m,掉块和塌方的规模不一样;坑道出现垮帮,并且侧帮向采空区挤出,侧帮在压张作用下引起开裂;底鼓隆起高一般0.5～1.5m,最低0.1～0.3m,最高1.8m。底鼓面上发育着很多平行纵张裂缝。地面调查发现地面塌陷均发生在采空区上方,其平面形态似圆形或椭圆形,但经多次塌陷地表形态不规则,垂向上呈上大下小的漏斗状,地表最大下沉值达到0.8m,位于采空区正上方。

2.3 建立计算模型

2.3.1 建立网格

为了模拟采空区,首先得建立网格模型。研究开采引起的地表移动和变形分布规律,多是首先研究主断面上的地表移动和变形,因此以主断面为基础建立简化模型。同时为了比较全面的模拟采空区对地表的影响范围,所以在主断面上横向取值较大,建立此模型时主断面长为200m,深83m;此采空区位于主断面中间,采空区顶板深度为56m,底板深度为62m。在建立网格时,为了详细了解各部分变形情况,各种岩体的网格密度不一样。在建立模型时还做了如下简化:

(1)由于岩层缓倾,建立模型时,将各个地层形态抽象为水平。

(2)表层粘土粘性土胶结较紧密,透水性差,地下水仅局部分布,地下水类型属上层滞水,分布范围小且不连续,埋藏浅,所以在建立模型时没有考虑地下水的情况。

(3)采空区断层发育对采空区影响较小,采空区埋深较浅,故不考虑构造应力的影响。

2.3.2 确立边界条件和对材料赋值

根据建立的模型和实际条件确定边界条件,在模型的两侧采用水平方向的固定边界,模型底部采用两个方向同时固定边界。材料的本构模型采用库伦-摩尔塑性模型,根据表1对建好的材料模型进行赋值。

2.3.3 初始应力计算

将重力设置为9.81N/kg,进行初始应力计算。为了保证模型不至于在初始计算阶段即出现塑性屈服区并发生塑性流动,计算采用弹性本构模型,计算模型在初始自重应力场作用下岩土材料的压实和应力调整过程,得到采空区真实的应力分布情况。

2.3.4 采空区开挖模拟及计算

开挖模拟就是将开采矿体部分设置为空模型,采空区模拟开挖是一次性完成,开挖尺寸为12m×6m,规则矩形,再进行计算。需要注意的是,在这一工况的计算时,需要将前一步骤计算获得的位移场清零,以便获得开挖对上覆岩体的真实影响。通过以上步骤建立计算模型,共建立网格6848个。

3 计算结果及分析

3.1 采空后应力变化规律

开挖后形成采空区改变了原始的力学平衡,采空区周围竖向和水平的应力均发生了变化。开采后采空区顶、底板竖向应力均减小,在顶板形成一个拱形的拉应力区,底板形成拱形的卸压区;但是采空区两侧的竖向应力增大,同样是呈拱形的。在开挖后采空区两侧3m范围内出现水平应力减小的拱形的卸压区,向外延伸出现增压区。矿体采出后,形成临空面,使得顶板、片帮挤压采空区。而底板的竖向应力变化开始是应力释放挤向采空区(向上),逐渐平衡后来变成竖向向下。

3.2 采动后位移变化规律

岩体的位移随着应力变化而发生变化。在采空区的顶板发生下沉弯曲,底板出现底鼓,两侧向采空区中间凸出。模拟得出顶板下凸的最大位移达到6.513m,位于采空区正中央上方,两侧向采空区中间凸出,最大位移是1.002m,如图1所示,它们只是发生塑性变形。底板的变形过程是先发生塑性变形达到最大位移后出现一个弹性回弹,稳定后最大位移是3.70m,如图2所示。这些变形形状与采空区实际调查的形状相吻合。

图1 侧帮最大位移随时步的变化

图2 底鼓最大位移随时步的变化

随着采空区面积扩大到一定的范围后,岩层移动发展到地表,使地表产生移动和变形,并且移动是有明显的规律的。采空区开采后形成一个比采空区面积大得多的下沉盆地,地表移动呈V字形,如图3所示。地表下沉最大位移是82.45cm,最大下沉点位于采空区中央之正上方。水平移动曲线的分布如图4,盆地边界至拐点间水平移动渐增,拐点至最大下沉点间水平位移渐减,且在最大下沉点处水平位移为零;在拐点处水平位移最大,最大位移是31.75 cm,最大位移点在距采空区中央两侧的35m处,最大下沉点左右两个方向的水平位移与最大下沉点呈中心对称,可见模拟出的地表下沉情形与实际相差不大。

图3 地表下沉曲线

图4 地表水平移动曲线

3.3 采空区稳定性分析

通过以上模拟及实际调查,采空区顶板发生冒落,底板隆起,边帮发生垮帮;地表移动变形大,最大下沉位移为82.45cm,并且下沉呈对称式,在距采空区中央正上方100m处有最小位移2cm,说明采空区对地表影响范围较大。根据地表下沉曲线可见,采空区正上方下沉曲线斜率很大,并且采空区顶板为不具水稳性的石膏层(青膏),具有较大膨胀性和崩解性,遇水或受湿时易发生崩解,顶板逐渐剥落,在受潮及浸泡时其表面影响层继续变形,发生膨胀塑性挤出及崩解脱落。如此循环地发生累进式破坏,直至近地面时,会发生漏斗状塌陷坑,所以此采空区是不稳定的。

4 结论与建议

(1)通过计算模拟结果与实际调查情形的比较,说明FLAC可以用于模拟采空区的开采沉陷,可以选用开采的主断面建立模型,在建立模型时应尽量模拟出地表的变形,主断面的长度一般为采空区的长度的15～20倍。在设置网格时可以根据需要设置不同密度的网格。

(2)变形总是伴随着应力的改变而发生的。模拟发现采空区各个部分变形机理不一样,顶板、边帮和地表下沉盆地都出现塑性变形,底板先发生塑性变形,再发生弹性变形,这些都与应力的变化有关。

(3)模拟出地表变形曲线,可以按照不同的建筑类别进行危险性分区。

(4)通过模拟计算和现场调查发现,采空区是不稳定的,应当采取适当的处理措施,避免发生不必要的损失。

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2009-08-28)

张道勇(1984-),男,湖北浠水人,硕士研究生,主要从事工程地质、环境地质研究,Email:zhdy2008x@163.com。