基于FLAC3D的某采空区三维变形特征分析

魏 广，黄琰杰

(成都理工大学环境与土木工程学院，四川 成都 610059)

0 引 言

地下矿产资源的开采会使得地下形成大面积的采空区，随着我国城市化进程加快，采空区地表土地资源利用问题也显得尤为重要。现某采空区地表拟修建水库，采空区在水库坝址以及蓄水压力的作用下可能发生严重变形甚至失稳塌陷，导致采空区“活化”，近地表采空区的变形特征更为明显，对地表坝址区的安全稳定运行有着一定的影响。因此，该文根据采空区的分布现状以及该区域的地质环境特征，建立三维地质模型，判断采空区“活化”可能性，以及采空区地表的成库可行性。

目前学者对矿采空区变形特征做了大量研究，孙国权等通过FLAC3D软件计算，分析了某采空区的变形规律，指导了煤柱回采的方案；黄敏等通过现场勘察以及数值模拟的手段，对某分布无规律的采空区稳定性进行评价以及对塑性区范围进行了圈定；黄昌畜、田书广等从结构力学和岩体本构关系的角度出发，对某采空区顶板稳定性进行了分析和验证。王磊等运用三维激光扫描仪更精准的建立了采空区的三维地质模型，分析了采空区顶板以及侧帮围岩的稳定性和形变特征；李春雷、谢谟文等对金属矿山的开采沉降动态预测进行了基于GIS的应用，用实际和预计结果相比较论证，证明了方法的可行性。

文章基于RHINO-FLAC3D耦合技术建立某采空区的三维计算模型，对其在不同工况下的采空区地表变形特征进行模拟分析，确保地表土地资源的可利用性。

1 采空区概况

该采空区分为新老工作面，相邻工作面之间布置有3 m宽保护矿体。采面投影至地表后，库首左岸区域局部位于16 032采矿工作面中，采空区埋深171.3～197.9 m。采区基本沿岩层走向方向向北东展布，平面位置逐渐远离水库。除老采区采用人工普采外，其余采面均采用机械综合采矿法进行采矿活动。顶板管理办法为自然全陷，直接顶板岩性为碳质泥岩。矿层倾角3°～35°，近水库区采矿高度为2.02 m。目前已为充分采动。附近已出现泉点干涸、采空岩溶塌陷等不良现象，对周边环境影响较大。

2 采空区的数值模型建立

拟建水库库区主要位于上下坝剖面这几条勘探线之间，目前已经全部形成采空区。建模分为以下几步：①将CAD地形图导入到Rhino软件，利用MESHPATCH功能，生成地表模型；②以B剖面图为基础，导入Rhino软件后，将平面上的采空区拉伸成三维采空区模型；③根据库区模型的坐标范围，建立库区影响范围内的块体模型；④结合实体模型和块体模型，导出计算库区稳定性分析的三维块体模型。

采空区受坝体基底附加应力的影响，将可能“活化”，使坝体处于不稳定状态，根据前期论证结果，坝体荷载引起的地基附加应力影响深度约为155 m，因此考虑将坝体基底至以下155 m深度内作为坝体稳定性的计算边界；采空区对库盆影响不大，库盆整体稳定性好，采空区对库区的影响，主要体现在对库区左右岸边坡的稳定性造成影响，因此对库区的计算范围，主要以库区左右岸分水岭为界。

将Rhino建立的块体模型，通过Griddle进一步剖分网格，将Rhino的单元和节点信息转换为FLAC3D可读取的文件信息，即生成三维计算模型。模型长度约380 m，宽度约470 m，地表下高度约300 m，共划分3 742 296个单元，包含647 118个节点，计算模型见图1。

图1 采空区三维计算模型图Fig.1 3D calculation model picture of the goaf

3 本构模型及材料力学参数选取

对模型的侧边界、底部加以位移约束，地表为自由边界，强度准则采用Mohr-Coulomb屈服破坏准则以及弹塑性本构关系。

根据前期勘察资料，室内试验并结合经验综合确定岩土体的岩土力学参数及渗透系数，见表1。

表1 岩土物理力学参数Tab.1 Geotechnical physical mechanical parameters

4 变形特征模拟结果分析

4.1 计算工况

模拟计算分为3种情况：

(1)首先考虑该采空区未留有保护矿体即全部采空的情况下，计算其地表的变形情况；

(2)根据钻探结果以及前期的收集资料，将模型计算时采空区的矿体保留，计算现有采空区的地表的稳定性情况，即保留部分矿体情况；

(2) 针对库水作用下的岩质边坡稳定性研究，在静力方面已经取得很多研究成果，但是，目前针对库水作用下复杂地质构造岩质边坡地震响应特征的研究尚无文献进行研究，尤其是库时骤降对边坡稳定性较为不利已经成为了共识，但是，库水骤降及地震作用两个不利因素联合作用下，复杂地质构造岩质边坡的动力稳定性及其破坏演化过程还需要深入探讨。

(3)将拟建大坝荷载施加后，对工况②进行计算。

经数值模拟计算后，可得到在3种情况下，坝区及附近的地表垂向位移变化情况。在极端全部采空下，经计算可得采空区地表的Z方向的位移云图，见图2。在保留矿体条件下，模型的Z方向的位移云图，见图3。在加坝荷载后条件下，模型的Z方向的位移云图，见图4。

图2 工况1采空区Z方向位移图Fig.2 The goaf’s displacement in Z direction under condition 1

图3 工况2采空区Z方向位移图Fig.3 The goaf’s displacement in Z direction under condition 2

图4 工况3采空区Z方向位移图Fig.4 The goaf’s displacement in Z direction under condition 3

图2显示了全部采空状况下整个地表的位移场，从图中可知位移主要集中在大坝上游附近，采空区上部，采空区靠近地表处，最大位移量为约为86 cm，这主要由于下伏采空区全部采空所致，库区其余位置位移量约0.5 cm。而在坝轴线附近采空区上部地层会产生较大的变形，约为75 cm。

图3显示在保留矿体条件下，地表位移主要集中在两矿体之间，最大约为46 cm，在坝轴线剖面处从河流矿体往上，位移变形逐渐减小，从约26 cm减小到5 cm。

图4显示在保留矿体，施加荷载条件下，地表位移主要集中在2矿体之间，最大约为173 cm，在坝轴线剖面处从河流矿体往上，位移变形逐渐减小，从约76 cm减小到10 cm。

通过对比可知，采空区是影响地表沉陷的关键因素，大坝加载后，由于坝自身重力作用，使已经“静止”的采空区重新活化，并发生新的沉降。

4.2 监测点情况分析

为了准确分析3种情况下，模型范围类坝基及采空区的具体位移情况，在进行模型计算时，新增了部分监测点。监测点的布置位置见图5，其中bj1，bj2，bj3为坝基位置监测点；xd1、xd2、xd3为采空区上部监测点，xd4、xd5、xd6为采空区中部监测点，处于河流下矿体处，xd4、xd5、xd6为采空区下部监测点。

图5 监测点位置图Fig.5 Locations of the monitoring points

在3种情况下，各点的位移情况见表2。

表2 监测点位移统计表Tab.2 Displacements of the monitoring points

5 结 语

通过建立采空区的三维地质模型，对其在地震作用下响应分析，主要有以下结论。

(1)在三维有限元分析中，全部采空状况下，采空区上部，采空区靠近地表处，最大位移量为86 cm左右；在保留矿体条件下，地表位移主要集中在2矿体之间，最大约为46 cm；施加荷载条件下，地表位移主要集中在2矿体之间，最大约为173 cm。

(2)通过三维计算施加的监测点位移情况可以得知，在3种工况下，采空区的位移变形在y方向上，呈现逐渐增大的趋势；在沿采空区空间展布方向向下，也呈现逐渐增大的趋势。

(3)另外，施加坝荷载后对坝基的位移影响为25 cm左右，对采空区的影响在xd6监测点处最大，而在其他点处，由于矿体起到了一定的支撑作用，故变形的增量不大。xd2、xd5、xd8处于河流下保护矿体处，与全部采空情况对比，也能看出矿体对采空区的变形影响是巨大的。