谈基于ADINA对煤矿采空区的建模

张晓杰+赵静+孙晓林

【摘 要】以淮北市煤矿采空区为例，在查阅大量的文献资料的基础上，以有限元分析软件ADINA为平台建立模型。本文建模过程进行了阐述，从而为提出在煤矿采空上方建造高层建筑的可行性提供理论依据创造条件。

【关键词】煤矿采空区；ADINA；建模

一、工程概述

淮北市拟建一住宅区，场地大小约为600m2，處于采煤沉陷区上方，如图1所示。按前期规划，建筑住宅高度为10～18层，矿区水位埋深为3～4m，采用ADINA软件进行非线性有限元分析。

图1 煤层开采平面分布图及剖面图

二、模型设计

（一）基本假设

假设岩体为一种均匀的、各向同性的介质，符合莫尔-库仑弹塑性模型；岩层地表视为水平；各岩层几何形状规则，厚度均匀；在采空区上覆岩体中不存在造成采空区不连续的因素；采空区不考虑时间效应，开挖是一次性形成的。

（二） 模型几何尺寸和边界条件

在采空区，岩体受到采动影响的范围一般为采空区跨度的3～5倍，超过该范围的岩体所受的影响可忽略不计。采空区位于拟建区域，模型在采空区水平方向取800m；在垂直方向上，从采空区底部下40米起延伸至地面模型高度为505m，采用800m×505m模型。模型左右两侧Y向位移为零，只允许有垂直位移；模型底部边界只允许有水平位移，Z向垂直位移为零。

三、建模过程

（一）几何建立模型

根据采空区的结构特点，利用ADINA Native几何建模方式，建模按照一定的顺序建立2D模型：几何点→线→面[1]，计算模型的几何尺寸见图1剖面图。

（二） 定义并施加边界条件

边界条件是岩体的左、右两侧均约束Y向的位移自由度，只允许垂直方向上的位移；底边约束Z向位移自由度即可，如图2所示。

（三）施加荷载

定义时间函数：对于自重荷载的选为默认设置，荷载作用下的时间步长为1，步数为10。

施加荷载：定义并施加重力荷载；定义并施加建筑物荷载。如图3所示。

（四）定义材料和单元组

如图4所示，采用岩土材料中的莫尔—库仑模型，在弹出的窗口中分别设定简化后的6种岩体力学参数，再定义6个单元组，但要若要施加初始地应力，在定义单元组时必须修改单元组的选项来进行定义。

（五） 指定网格密度，并划分面单元

划分网格密度，采用5m×5m，然后采用四边形四节点低阶单元进行面单元划分，如图5所示。

（六）模型求解、施加初始地应力

定义模型自由度：只考虑了Y、Z两个方向上的位移，删除模型多余的自由度。

分析类型设定：在选择动力学选项中，打开大变形开关。

打开ADINA求解器进行求解。为了合理模拟采空区的受力和位移变化情况，加载过程共分为两步进行：步骤一只考虑模型自重影响，目的是得到各结点的基准位移值，另一方面计算各单元的初始地应力，为第二个步骤准备初始条件。步骤二在第一步计算的基础上，施加新建建筑物引起的载荷值，然后计算模型内各结点的变形情况，减掉由自重引起的初始位移，从而可得到最终变形值。

四、结论

在查阅大量的文献资料的基础上，以ADINA软件对该采空地区建模过程进行了阐述，工程模拟采用2D建模技术方法，但根据采空区的结构特点，也可利用ADINA Native进行3D几何建模。

参考文献：

[1]孙超. 地下采空区对地表稳定性的影响[D]. 哈尔滨： 中国地震局工程力学研究所， 2005.