張道勇,左文貴

(中南大學地學與環(huán)境工程學院, 湖南長沙 410083)

邵東石膏礦采空區(qū)沉陷模擬

張道勇,左文貴

(中南大學地學與環(huán)境工程學院, 湖南長沙 410083)

利用FLAC建立數(shù)值模型,對邵東石膏礦采空區(qū)的沉陷進行了模擬計算。比較開采前后的水平和豎向應力變化,發(fā)現(xiàn)應力變化特征不同;分析采空區(qū)頂、底板、邊幫以及地表的位移,可以了解各部分變形機理不同。再結(jié)合模擬的結(jié)果和實際調(diào)查,對采空區(qū)的穩(wěn)定性進行評價,得出采空區(qū)是不穩(wěn)定的,需要采取適當?shù)闹卫泶胧?以避免不必要的損失。

采空區(qū);沉陷模擬;FLAC;石膏礦

0 引 言

有用礦物采出來以后形成采空區(qū),其周圍巖體的原始應力失去原來的平衡狀態(tài),應力將重新調(diào)整直至達到新的平衡,從而致使巖體發(fā)生移動,巖體移動會破壞地下巖體結(jié)構,發(fā)展到地表造成地面塌陷、位移,致使地面上己有的建、構筑物、公路、鐵路及橋涵受到破壞;或者采空區(qū)暫時處于穩(wěn)定狀態(tài),而當在其上修筑新的建筑物時則會引起新的地面塌陷、位移,這就為以后在采空區(qū)上方新實施的各類工程埋下了許多隱患,因此對采空區(qū)的模擬研究,分析其穩(wěn)定性具有相當重要的作用,可以避免不必要的損失。

1 沉陷模擬的研究方法

沉陷的模擬研究方法大體上可以分理論模型模擬法、物理模型模擬法、理論-物理模擬法。理論模擬法隨著數(shù)值計算方法和電子計算機的采用而飛速發(fā)展。如有限元、邊界元、離散元、有限差分法,應用這個方法的軟件如ADINA、ANSYS、FLAC等,可以計算各種情況下開采沉陷問題。

FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Cotinuum)是一種顯式有限差分程序,它是在求解運動方程與動力方程過程中,基本方程組和邊界條件(一般均為微分方程)近似地改用差分方程(代數(shù)方程)來表示,從而把求解偏微分方程的問題轉(zhuǎn)換成求解代數(shù)方程的問題。它廣泛應用于土木建筑、交通、地質(zhì)、水利、等行業(yè),是一款功能強大的數(shù)值模擬工具。

2 采空區(qū)數(shù)值模擬

2.1 采空區(qū)概況

邵東石膏礦為內(nèi)陸湖相沉積的緩傾斜硬石膏礦床,呈層狀產(chǎn)出,厚度8～15m,采用房柱法開采。在原兩市鎮(zhèn)及其周邊相繼形成了34個石膏礦,形成的采空區(qū)總體積371萬m3,總面積1.05km2。自1990年代初,老采場接連不斷地產(chǎn)生地面開裂、地面沉陷等地面變形災害。經(jīng)過多年的開采形成很多采空區(qū),其中一采空區(qū)附近地層巖性由上到下是第四系粘土層,白堊系泥質(zhì)粉砂巖、石膏礦、鈣質(zhì)粉砂巖。地質(zhì)勘察和巖土物理力學試驗得出巖土的物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖土物理力學參數(shù)

2.2 采空區(qū)不良地質(zhì)現(xiàn)象

采空區(qū)里不良地質(zhì)現(xiàn)象有頂板掉塊和塌方、跨幫、底鼓。掉塊、塌方在礦坑道內(nèi)是較普遍的,一般掉塊高0.2～1.0m,塌方高度一般小于1.0m,最大1.8m,掉塊和塌方的規(guī)模不一樣;坑道出現(xiàn)垮幫,并且側(cè)幫向采空區(qū)擠出,側(cè)幫在壓張作用下引起開裂;底鼓隆起高一般0.5～1.5m,最低0.1～0.3m,最高1.8m。底鼓面上發(fā)育著很多平行縱張裂縫。地面調(diào)查發(fā)現(xiàn)地面塌陷均發(fā)生在采空區(qū)上方,其平面形態(tài)似圓形或橢圓形,但經(jīng)多次塌陷地表形態(tài)不規(guī)則,垂向上呈上大下小的漏斗狀,地表最大下沉值達到0.8m,位于采空區(qū)正上方。

2.3 建立計算模型

2.3.1 建立網(wǎng)格

為了模擬采空區(qū),首先得建立網(wǎng)格模型。研究開采引起的地表移動和變形分布規(guī)律,多是首先研究主斷面上的地表移動和變形,因此以主斷面為基礎建立簡化模型。同時為了比較全面的模擬采空區(qū)對地表的影響范圍,所以在主斷面上橫向取值較大,建立此模型時主斷面長為200m,深83m;此采空區(qū)位于主斷面中間,采空區(qū)頂板深度為56m,底板深度為62m。在建立網(wǎng)格時,為了詳細了解各部分變形情況,各種巖體的網(wǎng)格密度不一樣。在建立模型時還做了如下簡化:

(1)由于巖層緩傾,建立模型時,將各個地層形態(tài)抽象為水平。

(2)表層粘土粘性土膠結(jié)較緊密,透水性差,地下水僅局部分布,地下水類型屬上層滯水,分布范圍小且不連續(xù),埋藏淺,所以在建立模型時沒有考慮地下水的情況。

(3)采空區(qū)斷層發(fā)育對采空區(qū)影響較小,采空區(qū)埋深較淺,故不考慮構造應力的影響。

2.3.2 確立邊界條件和對材料賦值

根據(jù)建立的模型和實際條件確定邊界條件,在模型的兩側(cè)采用水平方向的固定邊界,模型底部采用兩個方向同時固定邊界。材料的本構模型采用庫倫-摩爾塑性模型,根據(jù)表1對建好的材料模型進行賦值。

2.3.3 初始應力計算

將重力設置為9.81N/kg,進行初始應力計算。為了保證模型不至于在初始計算階段即出現(xiàn)塑性屈服區(qū)并發(fā)生塑性流動,計算采用彈性本構模型,計算模型在初始自重應力場作用下巖土材料的壓實和應力調(diào)整過程,得到采空區(qū)真實的應力分布情況。

2.3.4 采空區(qū)開挖模擬及計算

開挖模擬就是將開采礦體部分設置為空模型,采空區(qū)模擬開挖是一次性完成,開挖尺寸為12m×6m,規(guī)則矩形,再進行計算。需要注意的是,在這一工況的計算時,需要將前一步驟計算獲得的位移場清零,以便獲得開挖對上覆巖體的真實影響。通過以上步驟建立計算模型,共建立網(wǎng)格6848個。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 采空后應力變化規(guī)律

開挖后形成采空區(qū)改變了原始的力學平衡,采空區(qū)周圍豎向和水平的應力均發(fā)生了變化。開采后采空區(qū)頂、底板豎向應力均減小,在頂板形成一個拱形的拉應力區(qū),底板形成拱形的卸壓區(qū);但是采空區(qū)兩側(cè)的豎向應力增大,同樣是呈拱形的。在開挖后采空區(qū)兩側(cè)3m范圍內(nèi)出現(xiàn)水平應力減小的拱形的卸壓區(qū),向外延伸出現(xiàn)增壓區(qū)。礦體采出后,形成臨空面,使得頂板、片幫擠壓采空區(qū)。而底板的豎向應力變化開始是應力釋放擠向采空區(qū)(向上),逐漸平衡后來變成豎向向下。

3.2 采動后位移變化規(guī)律

巖體的位移隨著應力變化而發(fā)生變化。在采空區(qū)的頂板發(fā)生下沉彎曲,底板出現(xiàn)底鼓,兩側(cè)向采空區(qū)中間凸出。模擬得出頂板下凸的最大位移達到6.513m,位于采空區(qū)正中央上方,兩側(cè)向采空區(qū)中間凸出,最大位移是1.002m,如圖1所示,它們只是發(fā)生塑性變形。底板的變形過程是先發(fā)生塑性變形達到最大位移后出現(xiàn)一個彈性回彈,穩(wěn)定后最大位移是3.70m,如圖2所示。這些變形形狀與采空區(qū)實際調(diào)查的形狀相吻合。

圖1 側(cè)幫最大位移隨時步的變化

圖2 底鼓最大位移隨時步的變化

隨著采空區(qū)面積擴大到一定的范圍后,巖層移動發(fā)展到地表,使地表產(chǎn)生移動和變形,并且移動是有明顯的規(guī)律的。采空區(qū)開采后形成一個比采空區(qū)面積大得多的下沉盆地,地表移動呈V字形,如圖3所示。地表下沉最大位移是82.45cm,最大下沉點位于采空區(qū)中央之正上方。水平移動曲線的分布如圖4,盆地邊界至拐點間水平移動漸增,拐點至最大下沉點間水平位移漸減,且在最大下沉點處水平位移為零;在拐點處水平位移最大,最大位移是31.75 cm,最大位移點在距采空區(qū)中央兩側(cè)的35m處,最大下沉點左右兩個方向的水平位移與最大下沉點呈中心對稱,可見模擬出的地表下沉情形與實際相差不大。

圖3 地表下沉曲線

圖4 地表水平移動曲線

3.3 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

通過以上模擬及實際調(diào)查,采空區(qū)頂板發(fā)生冒落,底板隆起,邊幫發(fā)生垮幫;地表移動變形大,最大下沉位移為82.45cm,并且下沉呈對稱式,在距采空區(qū)中央正上方100m處有最小位移2cm,說明采空區(qū)對地表影響范圍較大。根據(jù)地表下沉曲線可見,采空區(qū)正上方下沉曲線斜率很大,并且采空區(qū)頂板為不具水穩(wěn)性的石膏層(青膏),具有較大膨脹性和崩解性,遇水或受濕時易發(fā)生崩解,頂板逐漸剝落,在受潮及浸泡時其表面影響層繼續(xù)變形,發(fā)生膨脹塑性擠出及崩解脫落。如此循環(huán)地發(fā)生累進式破壞,直至近地面時,會發(fā)生漏斗狀塌陷坑,所以此采空區(qū)是不穩(wěn)定的。

4 結(jié)論與建議

(1)通過計算模擬結(jié)果與實際調(diào)查情形的比較,說明FLAC可以用于模擬采空區(qū)的開采沉陷,可以選用開采的主斷面建立模型,在建立模型時應盡量模擬出地表的變形,主斷面的長度一般為采空區(qū)的長度的15～20倍。在設置網(wǎng)格時可以根據(jù)需要設置不同密度的網(wǎng)格。

(2)變形總是伴隨著應力的改變而發(fā)生的。模擬發(fā)現(xiàn)采空區(qū)各個部分變形機理不一樣,頂板、邊幫和地表下沉盆地都出現(xiàn)塑性變形,底板先發(fā)生塑性變形,再發(fā)生彈性變形,這些都與應力的變化有關。

(3)模擬出地表變形曲線,可以按照不同的建筑類別進行危險性分區(qū)。

(4)通過模擬計算和現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),采空區(qū)是不穩(wěn)定的,應當采取適當?shù)奶幚泶胧?避免發(fā)生不必要的損失。

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2009-08-28)

張道勇(1984-),男,湖北浠水人,碩士研究生,主要從事工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)研究,Email:zhdy2008x@163.com。