基于某矿区的采空区地基稳定性模拟

梁少岩

(沈阳建筑大学 辽宁 沈阳 110168)

基于某矿区的采空区地基稳定性模拟

梁少岩

(沈阳建筑大学 辽宁 沈阳 110168)

本文依据辽宁省丹东市爱阳镇某煤矿采空区，利用大型数值模拟软件ABAQUS和收集的地层资料对其进行了三维建模，通过数值模拟给出了矿区地表沉降量，并对该地区的后续地表沉降作了预测。

ABAQUS;采空区;岩体稳定性

一、引言

进入21世纪以来，随着我国经济的飞速提升，伴随着采矿技术的提高，煤炭的开采量也呈现了直线甚至是指数的增长，除了煤矿开采时发生的瓦斯爆炸等矿难事故以外，地下遗留采空区也是一个不能忽视的重要问题，在开采完成后也不进行必要的支撑保护和治理措施，导致采空区顶板塌陷、冒落，进而引起灾害事故。因此，对地下采空区的稳定性情况进行评价具有十分实际的意义。由于传统的分析方法大多是纯理论或者是试验和经验结合的方法，不仅耗时长、成本高，而且不能得到直观的表达。ABAQUS很好的克服了这些缺点，并且可以给出相对准确的计算结果。

二、数值分析过程

ABAQUS是法国达索公司开发的有限元软件，今已大量应用于机械、物理、建筑、矿山和港口等行业。本文即利用ABAQUS对辽宁省丹东市爱阳镇某煤矿区内的聚居区地层进行数值模拟，并对后续的地表沉降做出预测。

(一)工程背景

辽宁省凤城市爱阳镇顾家煤矿位于凤城市爱阳镇顾家村，原为丹东市属地方国营煤矿，历经半个多世纪的开采，造成采空区面积逐年扩大，严重破坏了矿区及周边的生态环境，现已出现多处严重的地面沉降、地面塌陷、地裂等灾害，严重影响到矿区内人民群众的生命财产安全。丹东顾家煤矿斜井中心地理坐标为:东经:124°23'11″，北纬:40°58'53″。上覆岩土层依次为第四系松散堆积层，主要为杂填土、碎石和粉质黏土，厚度从6m－14m，平均厚度11m，本次模拟采用平均厚度;砂岩平均厚度8m;长梁子组Ⅳ煤层厚月为3m，且大部已被采空;底板为较好的砂岩和砂泥互层岩石。

(二)地质参数

为获得更准确资料，本次研究除走访当地和收集历史地质资料以外，还采用了多种试验和探测方法来综合确定矿区的岩石物理力学参数沿矿脉和岩层走向布置了22个钻孔，然后对所取岩样进行切削、打磨，送往实验室进行力学实验。本次所做试验包括抗压强度、劈裂试验、密度试验和抗剪试验，人为将范围内的地层分为覆盖土、土砾岩、砂岩、砂泥岩、煤层和泥页岩六个工程地质岩组，以便建立三维数值模型时的参数赋予。

(三)模型分析过程

本次研究采空区X方向尺寸30m，左右各延伸90m;Y方向20m，前后各延伸60m;Z方向标高19m－22m，向下延伸17m。建立尺寸为210m*140m*40m的三维模型，因煤矿开采历史久远，故假定矿柱和支撑结构均已破坏，不考虑任何支撑和衬砌结构的作用，没有考虑地下水的影响。本次模拟采用摩尔库伦破坏准则。边界条件:整个模型左右边界限定X、Y方向的移动，前后边界限定X、Y方向的移动，底部边界限定X、Y、Z方向的移动，上部为自由边界面。接触条件:各地层之间采用自接触。荷载状况:本模型仅考虑在自重应力作用下地表的沉降，因此定义两个分析步。首先建立初始应力平衡步，在自重应力作用下达到平衡后进而开始下一个分析步。利用ABAQUS特有的生死单元功能，在第二个分析步模拟煤层开挖，因本次模拟重点是采空区岩体在长时间的稳定问题而不是开挖过程的稳定性，所以在第二个分析步开始就完成开挖，而后分析上覆岩层的稳定。

为使模型图直观可见，先对所见模型选择两个剖切方向进行剖切，在X平面对模型剖切如图1。

图1 YOZ截面图

(四)计算结果

模型首先在自重应力场下达到平衡，地层有一定的沉降。然后再煤层采空后，顶板及上覆岩土体在自重应力以及上覆荷载下发生沉降，位移变形图如图2。

图2 位移变形图

由图4可以看出，所研究地区以采空区为中心发生沉降，因模型前后左右边界各取采空区的3倍，所以采空区对模型边界区域的沉降几乎没有影响，在上图也可以看出采空区影响面积约为自身面积的4倍。采空区影响区域的地表沉降位移图如图3。

图3 位移云图

经过分析，采空区中心线处的沉降最大，达0.14m，并向两侧递减，位移沉降曲线呈现“V”字形，在60m左右沉降已小于0.01m，根据地基基础规范的规定，可以认为地表是稳定的。沉降最大的位置正是本次勘察中出现地裂缝最为严重的位置，与检测结果正好吻合。说明本次模拟比较符合实际地质情况。

三、结束语

通过对辽宁省丹东市爱阳镇某煤矿矿区的地下采空区模拟分析，得出该地区地表处于不稳定状态，并预测了不稳定区域的面积。鉴于现有地表塌陷区域小于预测区域，说明地表塌陷仍会扩大，所以有关部门应做好空区治理工作。建议对采空区进行注浆或者胶结物充填治理，以降低地表的沉降。

［1］郭仓.FLAC 3D在采矿工程中的应用.科技信息.2010(3):23.

梁少岩 (1991－)，男，汉族，河北省石家庄市人，工学硕士，沈阳建筑大学，研究方向:采空区岩体稳定性分析与评价。