基于Midas GTS的地下开采对管状皮带影响的有限元分析

秦韶芬，胡海峰，张雪芹(太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024)



基于Midas GTS的地下开采对管状皮带影响的有限元分析

秦韶芬，胡海峰，张雪芹
(太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024)

随着煤炭资源的大规模开采，越来越多的建(构)筑物不可避免的受到沉陷影响，这对建(构)筑物的安全构成了极大威胁。为保证镇城底矿22620工作面上方兴能电厂管状皮带的正常运转，以镇城底矿地质采矿条件为基础，通过Midas GTS岩土结构有限元分析软件，对管状皮带在地下开采过程的移动和变形进行了动态预计，并与现场实测数据作了对比。研究结果表明，所建立数值模型满足工程精度需要，工作面推进至310m时，管状皮带的移动变形值大于规程规定的临界变形值，皮带将受到采动破坏。根据预计结果提出了皮带走廊的修补保护措施，以保证电厂正常运营。

地下开采；数值模拟；移动变形；Midas GTS；管状皮带

地下煤炭资源采出后破坏了岩体内部原有的力学平衡状态，使岩层发生移动、变形，当开采规模超过一定范围，破坏和移动将会扩展到地表形成地表沉陷，对地表的建(构)筑物产生重大影响[1]。为了达到开采煤炭资源和保护地表建(构)筑物的平衡，有必要对地下开采引起的地表移动变形进行预测。从目前国内外的研究来看，预测方法主要有唯象法、力学法、数值模拟和相似模拟4类[2-6]。

近些年来随着计算机和软件的不断发展，数值分析方法的不断成熟，数值模拟逐渐成为预测开采沉陷问题的重要手段[7]，目前广泛使用的数值方法主要有：有限差分法、离散单元法、弹塑性有限单元法等[2]，各类数值分析软件也运用到开采沉陷中。Midas GTS是一种较新的大型岩土结构有限元分析软件，具有直观建模、自动划分有限元网络等特点，能提供强大的二维和三维模拟功能，为解决地表沉陷问题提供了有利工具[8]。

本文通过采用Midas GTS有限元分析系统，结合镇城底22620工作面地质条件，对工作面上方兴能电厂排灰管道在采动过程中的稳定性进行了分析，并据此提出了皮带保护措施。

1 工程概况

1.1 工程背景

古交兴能电厂位于镇城底矿南六采区，电厂皮带排灰管道从采区上方通过，如果在其范围内全部留设保护煤柱，势必造成煤炭资源的严重浪费。为了尽可能开采煤炭资源并保证兴能电厂排灰通道的正常运行[9]，必须分析地下开采对排灰管道稳定性的动态影响，以便及时采取保护措施，保证皮带走廊的安全。

1.2 工作面概况

22620工作面位于元家山村以东、王家坡村以南、鸡儿沟西北部；井下位置属于南六采区。工作面走向长1207m，倾向长170m，平均开采深度430m。所采煤层为2#、3#煤，煤层厚度3.5m，整体呈一向斜构造，煤层平均倾角为6°。工作面于2011年8月开始回采，开采为走向长臂式开采，顶板管理为全部垮落法。22620工作面上方建有地表岩移观测站。观测站共布置倾斜观测线2条，走向观测线1条，管状皮带观测线1条，其中皮带观测线位置见图1。

图1 皮带观测线布置图

2 模型建立

2.1 Midas GTS简介

Midas GTS(Geotechnical and Tunnel analysis System)是将有限元分析与岩土结构的专业性有机结合的有限元分析软件，具有基于CAD的三维几何建模功能、自动划分网格、映射网格等特点，其强大的前、后处理能力及分析能力为解决开采沉陷问题提供了优秀的平台[10]。本次模拟结合开采实际对开采过程进行模拟，从而预测地面及管状皮带的动态移动与变形。

2.2 力学模型的选择及岩层力学参数的选取

覆岩破碎的抗剪强度一般遵循Mohr-Coulomb准则，所以本次模拟采取摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)模型。建模时按力学性质特点对不同地层进行一些合并，模型所包含的岩层从上到下依次为：黄土、砂质泥岩、砂岩、砂质泥岩、灰岩、泥岩、煤层、细砂岩。所采用的岩层力学参数见表1。

2.3 几何模型建立

本次模型以工作面走向为X方向，以倾向方向为Y方向，竖直方向为Z方向。根据弹塑性力学理论，开挖后应力变化的影响范为所开挖范围的3～5倍。此次模拟的开挖尺寸为采长480m，采宽170m。为了满足计算需要并保证计算精度，取模型走向长度为1500m，倾向长度为550m。模型尽量符合地表实际，最高点473m，最低点436m。详细的三维模型及其网格划分见图2。

表1 岩石物理力学参数

图2 三维计算模型及网格划分图

2.4 边界条件设定

本模型采用的边界约束条件：①模型的上边界地面为自由边界；②模型的前后、左右边界均施加水平法向约束；③模型底边界施加固定约束。

3 数值模拟结果及分析

3.1 数值模拟结果

数值模型工作面采长480m，本次模拟结合观测情况，对开采过程中五个阶段的地表移动变形进行分析。数值模拟首先根据地层物理力学参数、模型边界条件等计算初始应力场，然后在初始应力场的基础上按顺序模拟开挖，每开挖一次为一个施工阶段。进行施工阶段分析后，可输出任意断面的水平和竖向位移云图[10]。图3、图4为工作面推进230m时，走向主断面上的水平和竖向位移图。

观测点各阶段下沉曲线如图5所示。由图5可知，随着开采的进行，位于皮带走廊的各观测点产生不同程度的下沉，下沉量自皮带走廊观测线中心向两侧逐渐减小。工作面推进230m时，位于回采工作面以外的G35、G38、G61、G63下沉量均在10mm以下，基本不受开采影响。随着工作面的推进，各观测点下沉量不断增加，不均匀沉降问题也愈加明显。工作面推进至480m时，预计最大沉值位于G50，达到1280mm；最小为63mm。为保证皮带支架结构的安全，建议解开支架固定螺栓，卸载地表沉陷引发的结构应力。

地表点的倾斜、曲率和水平变形值由节点的下沉差值和水平移动差值计算而得。

图3 走向主断面竖向位移云图

图4 走向主断面水平位移云图

图5 皮带观测点下沉曲线

倾斜曲线见图6。由图6可知，随着工作面的推进，皮带走廊倾斜变形显著增加。最大值由0.95mm/m增加至11.7mm/m，大于规程规定的临界值3mm/m；轨道巷一侧最大倾斜变形预计出现在G44～G46之间，皮带巷一侧出现在G54～G55之间。倾斜变形会造成皮带支架歪斜，进而破坏皮带稳定性。为减缓倾斜影响，建议在皮带的支架侧面加斜撑。

模拟结果显示水平变形曲线与曲率曲线形状相似。曲率曲线见图7，位于工作面边界外侧的支架将产生拉伸变形和正曲率变形，而工作面中心部位支架受到压缩变形和负曲率变形的影响。工作面推进到380m时，最大正负曲率变形分别达0.25mm/m2和-0.35mm/m2，超出规程临界值0.2mm/m2。拉伸变形易引起皮带支架产生竖向裂缝，而压缩变形易使皮带支架产生剪切和水平挤压裂缝。建议在压缩变形严重部位挖变形缝以减缓压缩变形对皮带的影响。

图6 皮带观测点倾斜曲线

图7 皮带观测点曲率曲线

3.2 模拟值与观测值对比分析

本文采用Midas GTS软件进行采空区施工过程的动态数值模拟，得出五种工况下管状皮带观测点的移动变形值。表2给出了模拟结果与观测值的对比。

表2 模拟与实测结果对比

由表2可知，数值模拟预计的移动变形与实际观测数据存在差距。产生这种结果的原因主要有：①所建模型与真实地表有一定差异；②上覆岩层复杂多变，而所建模型经过一系列简化，不能完整表达研究区域的地层构造；③地表移动变形模拟的准确性很大程度取决于岩土力学参数的选取。模拟所采用岩层物理力学参数与真实值之间存在差异。

经计算，此次模拟下沉预测误差在2.4%～7.6%之间，水平移动在1.5%～7.1%之间，倾斜误差在2.7%～10.4%之间，水平变形误差在3.3%～10.8%之间，曲率误差在0%～20%之间。除曲率外，其它移动变形值预测误差均在11%以内，与实测数据误差较小。因此，本文认为采用Midas GTS软件能较好地进行地表移动变形预测。

4 结 论

1)本文采用Midas GTS软件进行了开采过程的数值模拟，经与皮带实测移动变形资料对比，除曲率外的移动变形预测误差均在11%以内，表明Midas GTS作为一种较新的有限元分析软件，用来预测地表开采沉陷规律是可行的。

2)由于上覆岩层及地形的复杂性，所建三维模型很难完全表达实际情况，为了用数值模拟方法更准确地分析开采沉陷问题，需进一步深入研究。

3)分析结果表明，随着工作面的推进电厂皮带将受到采动破坏。为保证电厂的正常运行，建议及时采取保护措施。

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[3] 何万龙，康建荣．山区地表移动与变形规律的研究[J].煤炭学报，1992，17(4)：1-15.

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[5] 胡海峰，康建荣.基于有限元法的采动坡体稳定性计算[J].太原理工大学学报，2000，31(4) ：343-345，353.

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Finite element analysis of effect of underground mining on tubular belt based on Midas GTS

QIN Shao-fen，HU Hai-feng，ZHANG Xue-qin

(School of Mines，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

With the mining of coal resources，more and more building are influenced by the subsidence.For the sake of the normal operation of ash discharge pipe of Gujiao xingneng plant，which pass over the 22620 face of Zhenchengdi colliery，the movement and deformation are predicted based on the finite element analysis software Midas GTS.The forecasts and measured data are compared.The results show that，the numerical model established meet with engineering need.When the working face was advanced to 310 meters，the movement and deformation of belt is greater than the critical deformation value of the regulations.The belt will suffer from mining damage.Protection measures for belt are put forward to ensure the normal operation.

underground mining；numerical simulation；movement and deformation；Midas GTS；tubular belt

2015-01-11

山西自然科学基金项目“采煤沉陷区地表破坏及对生态环境的影响研究”资助(编号：2014011001-3)

秦韶芬(1990-)，女，山西晋城人，太原理工大学硕士研究生，主要从事开采沉陷与变形监测方面的研究。E-mail：qsftyut@163.com。

TD5

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1004-4051(2015)09-0141-04