煤矿塌陷区建筑荷载作用下地基再变形分区数值模拟研究

康育鹏

(河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454003)



煤矿塌陷区建筑荷载作用下地基再变形分区数值模拟研究

康育鹏

(河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454003)

运用数值模拟软件(UDEC)建立了某煤矿塌陷区的二维数值模型，生成了煤矿塌陷区的块体图、应力云图和位移云图。结合煤矿塌陷区地表下沉盆地的3个不同区域，使用UDEC模拟了不同建筑荷载作用下煤矿塌陷区的地基再变形情况。模拟结果表明：在煤矿塌陷区的不同区域，塌陷区地基的再变形值随着建筑荷载的增大而增大；在相同建筑荷载的作用下，煤矿塌陷区不同区域的地基再变形有较大差异。对于拟修建在煤矿塌陷区的建筑物，要根据自身的荷载大小及需要，采取适当的保护措施，以保障建筑物的安全使用。

煤矿塌陷区；地基再变形；数值模拟；建筑荷载；分区研究

随着煤炭资源从地下大量采出，我国的煤矿塌陷区面积正逐年增加。相关统计结果显示，截至2012年底，我国采煤塌陷区土地面积约156万hm2，其中损毁土地约78万hm2[1]。目前，在我国的许多地方，尤其是一些工矿城市，建设用地紧张的问题日益突出。为了合理开发利用土地资源，有时需要在煤矿塌陷区规划和兴建一些工业、民用建筑，这样既缓解了建设用地紧张的问题，又能不占或少占耕地，提高塌陷区土地的利用率。

煤矿塌陷区的建设用地性质主要取决于其地基受到荷载后的变形量，即建筑荷载作用下煤矿塌陷区地基的再变形量[2]。对于一般的长壁垮落法开采所形成的煤矿塌陷区，上覆岩层从下到上形成了垮落带、断裂带和弯曲带，这“三带”中存在着大量的离层、裂隙，它们会在建筑荷载的作用下发生闭合，进而使塌陷区地基产生再变形。而对于煤矿塌陷区的地表下沉盆地，则形成了中央区、拐点区和边缘区等区域。

本文以焦作矿区某矿的地质采矿条件为原型，使用数值模拟软件对该矿进行模拟开挖，并对开挖后所形成的煤矿塌陷区地表下沉盆地的3个不同区域进行加载试验，从而对煤矿塌陷区建筑荷载作用下地基的再变形进行分区研究。

1 数值模型建立

1.1 UDEC简介

通用离散元程序(Universal Distinct Element Code，简称UDEC)是美国Itasca咨询集团推出的，基于离散单元法用于模拟非连续介质的二维数值计算程序。UDEC一般用来模拟静态或动态荷载作用下非连续介质(如节理岩体)的响应[3]。对于因煤炭开采而形成的塌陷区(见图1)来讲，由于其研究对象上覆岩层中存在大量的离层、裂缝、裂隙，这些是比较典型的非连续介质，因此采用UDEC对煤矿塌陷区进行相关的数值模拟研究是最合适的。

1.2 地质采矿条件

以焦作矿区某矿的地质采矿条件为模拟原型，对该矿的综合柱状图进行了概化，得到各岩层的厚度及物理力学参数(见表1)。该矿的主要可采煤层为二1煤层，煤层的赋存结构稳定，煤层厚度约为3.5 m，采深约为133.5 m，煤层倾角为近水平。煤层的上覆岩层以砂岩和泥岩为主，岩性为中硬，其中松散层的厚度约为15 m。

图1 煤矿塌陷区剖面示意图

表1 岩层的物理力学参数

岩层名称厚度/m弹模E/GPa泊松比μ黏聚力C/MPa内摩擦角ϕ/(°)单轴抗拉强度/MPa容重ρ/(kg/m3)松散层150．10．300．0125．001950泥岩1514．40．264．932．05．22400砂质泥岩2020．50．295．333．05．42640中粒、粉砂2329．50．266．033．06．32761岩互层泥质页岩1722．60．245．725．05．72590老顶粗砂岩2432．40．226．937．07．22500直接顶泥岩1615．30．264．532．04．22400煤层3．51．00．301．025．01．11427砂质泥岩36．520．50．295．333．05．42640

1.3 煤矿塌陷区模型建立

假设工作面的长度为180 m，采高为3.5 m，顶板控制方法为全部垮落法。在数值模型建立前，考虑到煤系地层多节理裂隙和煤层开挖前后上覆岩层所发生的变化，应该对试验得出的岩层物理力学参数(如弹性模量E、黏聚力C、单轴抗拉强度)进行适度的折减方能用于解算。

模型的边界条件为下边界无水平和垂直位移，左右边界无水平位移，即下边界xvel=0、yvel=0，左右边界xvel=0。模型的上边界为自由边界，可以在上边界进行加载用以模拟建筑物荷载的情况。在进行数值模拟时，由于研究区域内地质构造比较简单，因此只考虑岩体的自重应力,而不考虑构造应力的作用。

结合该矿的地质采矿条件以及模型的边界条件等信息，运用UDEC建立长540 m、高170 m的二维数值模型，对该模型的工作面进行模拟开挖，形成煤矿塌陷区的二维数值模型。从建立模型到模型开挖的部分UDEC代码为：

;模型建立

block 0,0 0,170 540,170 540,0

crack 20,0 20,170

crack 520,0 520,170

crack 0,36.5 540,36.5

jreg id=111 0,0 0,36.5 540,36.5 540,0

jreg id=1 20,0 20,36.5 520,36.5 520,0

jset 0,0 540,0 0,0 7.3,0 0,0 range jreg 111

jset 90,0 7.3,0 7.3,0 10,0 20,0 range jreg 1

jset 90,0 7.3,0 7.3,0 10,0 25,7.3 range jreg 1

;边界条件

bound xvel=0 range -0.1 0.1 0 170

bound xvel=0 range 539.9 540.1 0 170

bound yvel=0 range 0 540 -0.1 0.1

;模型开挖

ini xdis=0 ydis=0 xvel=0 yvel=0

delete range 180 360 36.5 40

hist unbal

set pline 0 166.5 540 166.5 36

set pline 0 80 540 80 36

step 20000

对该模型的模拟开挖解算完成后，就可以利用UDEC强大的后处理功能将所需要的煤矿塌陷区块体图以及应力、位移等分析云图输出并显示出来(见图2～图5)。

图2 煤矿塌陷区块体图

2 分区加载试验

2.1 煤矿塌陷区分区加载

当地下煤层被采出以后，在煤矿塌陷区的岩体内部会形成采空区，而在煤矿塌陷区的地表，会形成一个比采空区大得多的地表下沉盆地。对于一般的充分采动的情况，煤矿塌陷区的地表下沉盆地可以被分为中央区、拐点区和边缘区等3个研究区域[4]。中央区位于采空区的正上方，即塌陷区的中央；拐点区位于地表下沉盆地的拐点处，即采空区边界正上方的区域；边缘区位于采空区边界的煤柱上方，即塌陷区的边缘。因为这3个区域存在较大的地质采矿条件方面的差异，所以有必要对煤矿塌陷区建筑荷载作用下地基的再变形进行分区研究。

一般的建筑物按照层数划分可以分为低层建筑(1～3层)、多层建筑(4～6层)、中高层建筑(7～9层)和高层建筑(10层及以上)[5]。根据相关文献[6-9]，建筑物每层产生的荷载约为18～25 kPa，考虑到煤矿塌陷区上方一般不会修建10层以上的高层建筑的情况，本文采用50 kPa、100 kPa和200 kPa等荷载模拟低层、多层和中高层建筑荷载作用在煤矿塌陷区不同区域的地基再变形情况，对煤矿塌陷区不同区域进行加载的UDEC程序界面如图6～图7所示。

图3 煤矿塌陷区块体图(局部放大)

图4 煤矿塌陷区竖向应力云图

图5 煤矿塌陷区竖向位移云图

图6 煤矿塌陷区不同区域进行加载示意图

图7 煤矿塌陷区不同区域进行加载示意图(局部放大)

对煤矿塌陷区模型的3个不同区域进行加载，其实就是利用UDEC改变模型上的边界条件。以加载50 kPa的低层建筑荷载为例，改变边界条件的UDEC程序代码为：

bound xvel=0 range -0.1 0.1 0 170

bound xvel=0 range 539.9 540.1 0 170

bound yvel=0 range 0 540 -0.1 0.1

bound stress 0 0 -5.0E+04 range 260 280 165 170

bound stress 0 0 -5.0E+04 range 340 360 165 170

bound stress 0 0 -5.0E+04 range 180 200 165 170

bound stress 0 0 -5.0E+04 range 420 440 165 170

bound stress 0 0 -5.0E+04 range 100 120 165 170

在运用UDEC对煤矿塌陷区的3个不同区域进行加载试验时，应当根据建筑物荷载的大小以及体系中的最大不平衡力等因素合理确定程序运行的时步，这样才能得到较为准确和理想的模拟结果。

为了更好地研究建筑荷载作用下煤矿塌陷区的岩层及地表的移动变形情况，可以在塌陷区的近地表和岩层内部设置一些观测线，或者针对塌陷区内的某一点，对其在运行时步内的应力或位移的变化进行记录，这样有助于对煤矿塌陷区的研究。相应的UDEC代码为：

set pline 0 166.5 540 166.5 36

set pline 0 80 540 80 36

hist unbal

hist syy 270,170

hist ydisp 270,170

2.2 结果分析与规律研究

在对煤矿塌陷区的不同区域进行加载的UDEC运行结束后，可以利用诸如“print pline 1 ydisp”或“print hist 1”等UDEC结果输出命令将所需要的数值模拟结果输出，然后运用EXCEL软件绘制并显示出来(见图8～图9)。

图8 不同建筑荷载作用下煤矿塌陷区的地基再下沉曲线图

图9 不同建筑荷载作用下煤矿塌陷区的地基水平移动曲线图

根据不同建筑荷载作用下煤矿塌陷区的地基再下沉曲线图和地基水平移动曲线图，本文总结的规律为：

(1)在煤矿塌陷区的不同区域，塌陷区地基的再下沉值和水平移动值随着建筑物荷载的增大而增大；

(2)在相同建筑荷载的作用下，煤矿塌陷区中央区的地基再下沉值最大、拐点区的次之、边缘区的最小；

(3)在相同建筑荷载的作用下，煤矿塌陷区拐点区的地基水平移动值最大、中央区的次之、边缘区的最小。

在煤矿塌陷区建筑荷载作用下，由于地基再变形是地基的再下沉与地基的水平移动的矢量叠加，而塌陷区地基的水平移动值相对于地基的再下沉值要小很多，所以可以认为煤矿塌陷区地基的再变形主要是由地基的再下沉引起的。

结合煤矿塌陷区不同区域的上覆岩层特征和地质采矿条件，总结得到上述模拟结果的原因是：在煤矿塌陷区的中央区，因为采空区的顶板冒落充分，上覆岩层中断裂带的裂隙发育充分，弯曲带中的离层空间较大，导致中央区的地基再变形最大；在煤矿塌陷区的拐点区，由于煤壁的支撑作用，使得采空区的顶板冒落不充分，上覆岩层中的裂隙和离层空间较小，导致拐点区的地基再变形较小；在煤矿塌陷区的边缘区，由于上覆岩层的破坏较小，裂隙和离层不发育或者非常小，因而边缘区的地基再变形最小。

3 结语

(1)运用UDEC建立了煤矿塌陷区的二维数值模型，模拟了煤矿塌陷区的不同区域在不同荷载作用下的地基再变形情况，得出煤矿塌陷区的地基再变形随着建筑荷载的增大而增大，不同区域在相同建筑荷载的作用下的地基再变形有较大差异。

(2)针对拟修建在煤矿塌陷区的建筑物，要根据自身的荷载大小及需要，采取适当的保护措施，以防止建筑物地基在自身荷载的作用下发生较大的再变形，超出《建筑地基基础设计规范》[10](GB 50007—2011)中所规定的临界变形值，保障建筑物的安全使用。

[1]李树志．我国采煤沉陷土地损毁及其复垦技术现状与展望[J].煤炭科学技术，2014，42(1)：93-97．

[2]柴华彬，宋博，刘瑞斌，等．煤矿塌陷区地基稳定性与承载力研究现状分析[J].河南理工大学学报(自然科学版)，2014,33(2)：173-176．

[3]郭春颖，李云龙，刘军柱．UDEC在急倾斜特厚煤层开采沉陷数值模拟中的应用[J].中国矿业，2010，19(4)：71-74．

[4]郭增长，柴华彬．煤矿开采沉陷学[M].北京：煤炭工业出版社，2013．[5]李振霞，魏广龙．房屋建筑学概论[M].北京：中国建材工业出版社，2005．

[6]朱广轶，解陈，窦明，等．老采区及地表残余变形对建筑物的影响[J].沈阳大学学报(自然科学版)，2012，24(3)：70-74．

[7]赵浩，祝云辉．小马矿老采空区建筑适宜性分析[J].矿业工程研究，2014,29(4)：7-12.

[8]康育鹏，孟海梅．固体充填开采地表沉陷数值模拟研究[J].河南城建学院学报，2015,24(1)：15-21．

[9]钱自卫，吴慧蕾，姜振泉．老采空区高层建筑物地基稳定性综合评价[J].湖南科技大学学报(自然科学版)，2011，26(1)：58-62．

[10]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑地基基础设计规范：GB 50007—2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

Foundation redeformation of partitioning numerical simulation in coal mining subsidence under construction load

KANG Yu-peng

(SchoolofSurveying&LandInformationEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454003,China)

A two-dimensional numerical model of coal mining subsidence area has been established by using UDEC software, coal mining subsidence area of block map, and stress contour map and displacement contour map also are produced. Combined with the three different surface subsidence basin of coal mining subsidence, using the UDEC program to simulate the different construction loads in coal mining subsidence area of foundation redeformation situation, simulation results showed that in different areas of the coal mining subsidence, subsidence of foundation and redeformation value increase with the increase of construction load. In the condition of same construction load, coal mining subsidence area of foundation redeformation in different areas has a large difference. The appropriate protective measures should be taken to ensure its safety.

coal mining subsidence area; foundation redeformation; numerical simulation; construction load; partitioning study

2015-07-29

河南省高校科技创新团队支持计划(13IRTSTHN029)

康育鹏(1989-)，男，河南焦作人，硕士研究生。

1674-7046(2015)05-0061-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.05.012

TD325;TU433

A