任雷平 楊高攀 劉閆鋒西安建筑科技大學信息與控制工程學院 710055

淺析地表沉降變形的預測方法

任雷平 楊高攀 劉閆鋒
西安建筑科技大學信息與控制工程學院 710055

由于地下大體積空區(qū)的存在，引起了地表的沉降變形。為了預測變形趨勢，我們建立了沉降模型去模擬變形情況。該物理模型的建立，使用有限元的思想，采用不同的巖層結構、結合有限元分析軟件ANSYS、用自適應網(wǎng)格劃分算法劃分網(wǎng)格，使用了參數(shù)評估加權算法進行物理參數(shù)的選取。仿真結果與實際情況相符合，為地表沉降研究機制提供了依據(jù)。

ANSYS；有限元；地表沉降；地下空區(qū)

ANSYS; finite element; subsidence deformation; underground mined-out area

引言

我國大部分礦山由于開采初期沒有進行正規(guī)、嚴格的開采設計就進入了生產，亂采亂挖現(xiàn)象嚴重；同時，沒有進行采礦后期的設計、處理，也從來沒有考慮礦山開采后期以及開采結束后礦山的采場、地表處理問題等，造成了我國現(xiàn)存的幾百萬畝的塌陷區(qū)，造成了無盡的經濟建設、生活活動的損失和影響。

開采沉陷預計是礦山開采沉陷學科的核心內容之一,它對開采沉陷的理論研究和生產實踐都有重要意義[1], 這方面研究已經有許多成果[2～4]。從全國范圍看,每年礦山地質災害的總體損失不亞于一次地震或洪水帶來的損失[5]。在我國部分煤炭能源開發(fā)較早的地區(qū),開采沉陷帶來的災害問題顯得尤為突出。

數(shù)值模擬計算可靠性主要取決于建模。而對礦山開發(fā)的建模極其復雜，尤其是建立三維實體模型。采用傳統(tǒng)的建模方法，不僅花費大量的人工、計算時間，而且可靠性不高。鑒于此，我們采用了ANSYS[6]進行整個礦區(qū)的模型建立。利用有限元的思想，結合ANSYS平臺從系統(tǒng)化、模塊化、可視化的角度進行模擬分析，得出采空區(qū)引起的地表沉降的范圍、最大下沉線、最大下沉點、覆巖移動及變形等規(guī)律，仿真結果與實際情況相符合，為礦山開采和大體積地下工程的建設提供了研究依據(jù)。

1、大空區(qū)引起地表沉降計算模型的建立

1.1 物理模型

由于礦山區(qū)域地質結構相當復雜，不同的巖層相互交錯，構成了特殊的地質構造結構。為了計算方便，我們簡化了原始地質構造，如圖1所示的模型。整個模型最上層為地表土體，其次由巖石1、巖石2、巖石3、巖石4、和礦體1、礦體2組成的三維實體，圖1（a）和圖1（b）所示為三維實體的剖面圖。

圖1 地表沉降物理模型

1.2 模型計算思想

本模型將整個復雜的物理模型實體拆分為若干個形狀簡單的單元，利用單元節(jié)點變量對單元內部變量進行插值來實現(xiàn)對總體結構的分析。將連續(xù)體進行離散化，離散而成的有限元集合將替代原來的彈性連續(xù)體，所有的計算分析都將在這個模型上進行。其分析過程主要可分為以下五步：單元劃分、位移模式的確定、單元分析、總體分析及有限元方程組的求解。

由于計算機資源使用的有限性，本模型使用SOLID45單元[7]用于構造三維固體結構，滿足了模型計算的精度要求，同時，計算效率也大幅提升。該單元通過8個節(jié)點來定義，每個節(jié)點有3個沿著x,y,z;方向平移的自由度。單元具有塑性、蠕變、膨脹、應力強化、大變形和大應變能力。單元由8個節(jié)點和各向同性的材料參數(shù)來定義。各向同性材料方向對應于單元坐標系方向，單元載荷包括節(jié)點載荷和單元載荷。SOLID45單元結構如圖2所示。

圖2 SOLID45單元結構圖

2.3 網(wǎng)格劃分以及邊界處理

考慮到本模型存在復雜的結構以及極不規(guī)則的地質條件和采場空間幾何形狀?？紤]到幾何形狀對網(wǎng)格的影響，同時，幾何特征區(qū)域上網(wǎng)格劃分形式取決于特征的重要度?？梢詮奶卣鞯膸缀涡螤?、幾何參數(shù)大小、屬性和約束等多方面進行評價一個特征的重要度。外加載荷的力學特性分析是研究形體工作狀態(tài)的情況。這兩種情況下，受力情況和幾何情況完全不同，也決定了這兩種模式下網(wǎng)格劃分情況的不同。在網(wǎng)格劃分的過程中，兩者相互考慮、相互結合，同時，使用了自適應網(wǎng)格劃分算法，得到比較高效、精確的三維劃分。

由于我們取的模型足夠大，空區(qū)對模型邊界的實際影響可以忽略不計，至此、整個三維模型的邊界我們進行鋼化面處理。

2.4 物理參數(shù)的選取

整個模型的計算，物理參數(shù)的選取對整個模型的精確度和可參考性起到了重要的作用。本模型中我們使用了參數(shù)評估加權算法進行參數(shù)的確定。評估加權算法如下表1所示：

表1 評估加權算法表

根據(jù)礦山設計院的地質結構圖與相關本區(qū)域內的地質構造圖表我們得出了各個水平層巖石物理參數(shù)。我們進行計算參數(shù)選取時，以某個區(qū)域內大體積含有某種巖石，以此區(qū)域進行研究對象，結合此區(qū)域內的其他種類巖石進行整體評估加權。其中：mi其依據(jù)本體積內巖石namei所占的體積份數(shù)，并且1=m1+m2+m3+…+mi。pi為巖石namei實際物理參數(shù)。整個該區(qū)域內最終確立的參數(shù)為

p=m1p1+m2p2+m3p3+…+mipi

2、結論

1）、該方法的模擬結果與實際結果相符合。我們可以快速建立模型，簡單、方便的得出地下工程的開采引起的地表變形的結果。從可視化的角度、從便捷的角度、從準確、可靠的角度，無疑用有限元思想結合ANSYS分析軟件進行礦上分析，是行之有效的。

2）、在上述理論模型的基礎上，利用有限元機制，結合國內外大型有限元分析軟件，實現(xiàn)對模型的數(shù)值模擬，得出了地下大型工程累積損傷引起的地表下沉的一些數(shù)據(jù)，包括：地表下沉范圍、最大下沉曲線、最大下沉點、下沉時間預測。

3）、隨著國民經濟快速良性的發(fā)展，我國存在數(shù)量巨大的地下工程。同時，早期缺乏地表沉降預測該類問題的探討與研究；加之，現(xiàn)存土地資源經濟價值巨大，該類沉降問題越顯重要。該研究迎合了行業(yè)市場的發(fā)展，具有非常重要的實用價值。

[1]何國清,楊倫,賈鳳彩,等.開采沉陷學[M].北京:中國礦業(yè)大學出版社.1991.

[2]彭欣，崔棟梁，李夕兵等.特大采空區(qū)近區(qū)開采的穩(wěn)定性分析[J].中國礦業(yè).2007，16(4):70-73.

[3]建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程[S].國家煤炭工業(yè)局.北京:煤炭工業(yè)出版社，

[4]余學義，張恩強.開采損害學[M].北京:煤炭工業(yè)出版社.2005.07.

[5]謝和平,可持續(xù)發(fā)展與煤炭工業(yè)報告文集[M].北京:煤炭工業(yè)出版社.1998.6

[6]尚曉江，邱鋒，趙海峰，等.ANSYS結構有限元高級分析與規(guī)范應用[M].中國水利水電出版社.2008.5

[7]ANSYS Modeling and Meshing Guide[M]. ANSYS Release9.0.

Simulation of Ground Collapse Deformation caused by Mined-out Area Based on the Finite Element

The underground large mined-out area leads to the surface subsidence deformation. To predict the deformation trend, we have established the settlement model. The physical model use the finite element ideas, adopt different rock layer structures, combine with finite element analysis software ANSYS, use the adaptive meshing algorithm for meshing grid. At the same time , the model use the parameters evaluation weighting algorithm to select the physical parameters.The simulation results correspond with the actual situation ,and this results provide a basis for the study of surface subsidence mechanism.

TP391.9

A

任雷平(1984-).男.漢族,陜西省渭南市.西安建筑科技大學,信息控制與工程學院.碩士研究生,研究方向:大型復雜系統(tǒng)的計算機應用

楊高攀(1985-),男,漢族,陜西省渭南市,西安建筑科技大學.信息控制與工程學院，碩士研究生,研究方向:數(shù)字圖像處理