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I S S N 1 6 7 12 9 o 0 CN 4 31 3 47 ／TD 采矿技术第 8卷第 4期 Mi n i n g Te c h no l o g y，o 1 ． 8， No ． 4 2 0 0 8年 7月 J u 1 ．2 o 0 8 采 空 区 地 表 沉 陷及 移 动 规 律 的 数 值 模 拟 金 爱兵 ， 明世 祥 ， 孙金 海 北京科技大学土木与环境工程学院， 北京1 0 0 0 8 3 摘要 在 室内物理 力学试验、 E H一 4综合探测采 空区的基础上， 利用 MI D A S ／ G T S建立 三维数值模型 ， 通过动态模拟 某河床下民采开采过程 ， 研 究 了沉降区覆岩移动规律 ， 得到 了与实际监测结果相吻合的结论 ， 并在此基础上对沉降区范围和变化规律进行 了预测， 为 采空区治理方案的确定提供 了依据 关键词 M I D A S ／ G T S ； 采空区； 地表沉陷； 地表移动； 数值模拟 某铁矿北区与中区之间的人工渠槽下所留保安 矿柱遭到 民窑采矿 的严 重破 坏 ， 留下 了约 4 6 ． 7万 m 的采空区， 与该人工渠槽沉陷区对应的 1 民采空 区冒落裂 隙带 已发展到地表 。为防止雨季河床水沿 裂缝流入井下 ， 与采空 区贯通 造成重大事 故， 2 0 0 5 年 6月对河床表面进行 了应急加 固处理。加固后的 河床在雨季过后 2 0 0 5年 1 O月 再 次发 生沉 陷， 河 床 、 河堤 、 沿河公路均 出现 了不 同程度的沉陷和沉陷 裂缝破坏 ， 沉陷裂缝 宽度达 35 mm。沉 陷情况见 图 1一图 2 。 图 1 河堤沉降裂缝 图 2 河床混凝土防冲刷层沉降裂缝 通过对 2 0 0 5年 8月 2 5 13与 2 0 0 4年 7月 2 4 13 沉降观测记录的比较 ， 河堤沉陷深度最大达 一 0 ． 7 9 5 m。河床 内沉陷面积达 1 2 5 6 8 m ， 已形成以 0 观测 点东北 3 0 m处为 中心 ， 河床内外沉陷面积达 3 3 1 7 5 m 的近似环形的锅底状沉降盆地 。2 0 0 5年 l O月马 河渠槽再次发生的剧烈沉陷 ， 可以明显看 出本次沉 陷发生在原沉陷范围内 ， 这说明该人 工渠槽沉陷并 没有得到根治 ， 还需要进一步查明河床下 民采空区 的岩移规律及影响因素 。本文正是在此基础上 ， 结 合变形监测成果， 采用 M I D A S ／ G T S 数值模拟软件， 对民采空区地表沉陷 、 覆岩移动及渗流规律进行数 值模拟研究 ， 并对沉降区塌陷范围及时空变化 规律进行预测 ， 为采空区治理方案的确定提供依据。 1 M I D A S ／ G T S简介及建模 1 ． 1 MI D A S ／ G T S简介 MI D A S ／ G T S不仅能够实现直观建模 、 自动划分 有限元网络 ， 其强大 的分析能力 和可视化 图形用户 界面为用户提 供 了一个很 好 的人 机交 流平 台 3 J 。 M I D A S ／ G T S的施工阶段分析采用累加模型 ， 即每阶 段都继承上阶段 的分析结果 ， 并累加本阶段 的分析 结果 。本次模拟是在基本探明采空区的边界 、 范围 和体积 ， 对岩石物理力学性质进行室内试验之后 ， 针 对采空区的形状及采矿方法对开采过程进行模拟 ， 把所得到的数据和现场监测数据进行 比较分析 ， 从 而预测沉降区范围及时空变化规律。 1 ． 2 屈服准则’ 根据本工程的实际， 宜选用摩尔 一 库仑屈服准则。 ～ ～， c√ 一 c√ 式 中 ， ， 分别为最大和最小主应力 ， MP a ； c 粘结力 ， MP a ； 摩擦角， 。 。 当 0时， 材料将发生剪切破坏 J 。 1 ． 3 计算参数 根据现场地质调查和相关研究提供的岩石力学 试验结果， 考虑了尺寸效应和地层构造面的影响， 模 拟计算采用的岩体力学参数见表 1 。 1 ． 4 模型设计 原地面取为模型顶面 ， 1 采空 区矿体平均埋深 维普资讯 金爱兵， 等 采空区地表沉陷及移动规律的数值模拟 7 1 为 1 7 0 m， 矿体平均厚度为 l 9 ． 9 1 m， 取2 0 m为模拟 计算厚度 ； 2 矿体平均埋 深为 2 3 0 m， 矿体平均厚度 为5 ． 8 2 m， 取 5 m为模拟计算厚度 ； 3 矿体平均埋深 为 2 0 0 m， 矿体平均厚度为 9 ． 4 2 m， 取 1 0 m为模拟 计算厚度 ； 4 矿体平均埋深为 2 0 0 m， 矿体平 均厚度 为 4 ． 3 9 9 m， 取 5 m为模拟计算 厚度。模 型单元 网 格尺寸为 5 m 5 m， 岩土体单元网格尺寸为 2 5 m 2 5 m， 节点总数为 7 3 0 6 6个 ， 单元总数为 4 1 5 2 4 4个 见 图 3～图 4 。 表 1 岩体 力学参数 羹 M P a g 弹性 ri t 翳 k褪N／m M黝Pa em／sM Pa M Pa cm／s 集 强 度 松 擦 角 ， 3、 ” 系 数 犬 比 。 2 采空区目前状态数值模拟 2 ． 1 垂直方向应力 图5为当前开采状态下 1 ～ 4 采空区的垂直应 力等值线图。其中， 1 采空区 一1 ． 6 7 M P a应力等值 线 已经和采空 区连成一片 ， 并贯通地表 ， 说 明 1 采 空区已经发生地表塌陷 ； 2 上方应力等值线基本没 有变化， 地表 不 会 产 生 明显 位 移 ； 3 采 空 区 上 方 一 1 ． 6 7 M P a应力等值线只在其正上方略有下凹 ， 说 明 3 近地表覆岩局部应力得到释放 ， 会发生较小的 位移 ； 4 采空区上方应力等值线基本没有弯 曲， 地表 也不会发生明显位移。 图 3 数值计算模型 图4 数值计算模型顶视图 图5 开采现状下采空区剖断面垂向应力等值线 2 ． 2 垂直方向位移 当前开采状态下 ， 1 、 2 、 3 、 4 采空区数值模拟 的体积和实际探测的采空区体积相符合。从位移等 值线剖面图6 a 可以看出 1 采空 区地表沉陷量 已 经超过 一0 ． 5 7 2 3 3 m 图中地 表黑 色 剖断 面等 值 线 ， 部分区域已超过 一 0 ． 7 3 m 图6 a 中白色等值 线 ， 采空 区中心 正上方最 大位 移 已经 超过 一1 ． 0 m， 这和该河床民采空区的实际相吻合 ； 4 采空区虽 然在采空区顶部也发生了较大 的位移， 但沉陷并没 有到达地表。从 图 6 b 可以看 出 2 采空区只有在 空区附近发生塌陷 ， 沉陷并没有到达地表 ； 3 采空区 沉陷到达地表 ， 最大沉陷值在 0 ． 4 5 m左右 ， 采空 区 中心正上方最 大地表沉 陷 已接 近 0 ． 7 0 m， 如 图 6 b 中白色等值线 所示。根据马河塌 陷实际 ， 2 0 0 5 年 8月 2 5 13 实测最大沉降量为 一0 ． 7 9 5 m， 2 0 0 5年 1 O在原沉 降区的基础上又发生 了一次沉陷 ， 总沉降 量超过 一1 ． 0 m， 说明数值模拟成果和马河 民采空区 目前塌陷实际情况较吻合。 维普资讯 7 2 采矿技朱 b 图6 开采现状下采空区剖断面垂向位移等值线 3 沉降区范围预测及变化规律研究 通过位移等值线图同样可以看 出， 在垂向位移 等值线形态基本相似的情况下 ， 1 采 空区位移从 一 0 ． 7 3 I n增加到的 一 0 ． 8 7 I n 图中白色位移等值线 ， 位移略有增加 ； 2 采空区在整体围岩的影响下 ， 也产 生了少量位移 ； 3 采空 区受继续开采影响较大 ， 沉 陷 达到地表 ， 位移和沉降影响范 围明显扩大 ， 地表沉陷 最大深度已达 一0 ． 8 0 I n ， 如 图 7 b 白色等值 线所 示 ； 4 采空 区在其它采空区塌陷及 围岩的影响下 ， 整 体弯曲带也 已达地表 ， 地表位移已经超过 一 0 ． 1 4 I n ， 如图 7 a 中地表 白色等值线所示。 b 图 7 进一步开采下采空区剖断面垂向位移等值线 数值模拟结果显示 ， 在继续开采条件下 ， 该河床 沉陷范围将明显增大， 采空区中心沉降量也会明显 增大 ， 河床表面防冲刷层将被破坏 ， 而且整个沉陷区 会连成一片 ， 形成较大范围的整体沉 陷， 且整体沉陷 将超过 一 0 ． 1 4 I n ， 在较大范围形成沉 陷盆地和裂缝 。 4 结 论 通过对 4个 民采空区开采过程 的数值模拟和实 测结果对 比分析 ， 证实采空 区引发的地表沉 陷有一 定规律可寻 ， 可 以分析得到如下结论。 1 当前开采状态下 ， 1 采空 区中心正上方最 大位移已经超过 一1 ． 0 I n ， 其他 3个采空区位移略 小 ， 与现场实测情况比较吻合 。 2 继续开采情况下 ， 3 采 空区受 开采影 响最 大 ， 沉陷达到地表 ， 位移 和沉降影响范围明显扩大 。 地表沉陷最大深度可达 一 0 ． 8 0 I n 。 3 继续开采条件下 ， 如果不对河床进行治理 ， 其沉陷范围以及中心沉降量会明显增大， 河床表面 防冲刷层将被破坏 ， 出现塌陷坑 ， 将会严重影响井下 开采安全 。 参考文献 [ 1 ] 谭小宁， 缪协兴． 煤矿巷道围岩非连续变形的数值模拟[ A ] ． 中国科协 2 0 0 4年学术 年会第 l 6分会场论文集 [ c] ． 北京 中 国煤炭学会 ， 2 0 0 4 3 7 7～3 8 1 ． [ 2 ] 程心恕， 邹盛堂． 基于非线性有限元的路堤稳定性分析[ A] ． 第十届全国结构工程学术会议论文集第 Ⅱ卷[ c ] ．北京 中 国力学学会 ， 工程力学 ， 2 0 0 1 ， 增 7 0 7～ 7 1 9 ． [ 3 J MI D A S I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y C o ．L t d ． M I D A S U s e r G u i d e 『 R] ． 北京 北京迈达斯技术有限公司 ， 2 0 0 6 ． [ 4 ] 金爱兵， 王金安． 某露天边坡加固方案研究及其稳定性数值分 析[ J ] ． 金属矿山， 2 0 0 3 3 1 ～ 3 ． 收稿 日期 2 0 0 8 0 5 2 2 作者简介 金爱兵， 男， 副教授， 主要从事采矿工程、 岩土工程 的研 究工作 ， Em a i l j i n a i b i n g r i p ． s i n a ． c o m。 维普资讯
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