秦韶芬，胡海峰，張雪芹(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

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基于Midas GTS的地下開采對管狀皮帶影響的有限元分析

秦韶芬，胡海峰，張雪芹
(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

隨著煤炭資源的大規(guī)模開采，越來越多的建(構(gòu))筑物不可避免的受到沉陷影響，這對建(構(gòu))筑物的安全構(gòu)成了極大威脅。為保證鎮(zhèn)城底礦22620工作面上方興能電廠管狀皮帶的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，以鎮(zhèn)城底礦地質(zhì)采礦條件為基礎(chǔ)，通過Midas GTS巖土結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，對管狀皮帶在地下開采過程的移動和變形進(jìn)行了動態(tài)預(yù)計，并與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)作了對比。研究結(jié)果表明，所建立數(shù)值模型滿足工程精度需要，工作面推進(jìn)至310m時，管狀皮帶的移動變形值大于規(guī)程規(guī)定的臨界變形值，皮帶將受到采動破壞。根據(jù)預(yù)計結(jié)果提出了皮帶走廊的修補(bǔ)保護(hù)措施，以保證電廠正常運(yùn)營。

地下開采；數(shù)值模擬；移動變形；Midas GTS；管狀皮帶

地下煤炭資源采出后破壞了巖體內(nèi)部原有的力學(xué)平衡狀態(tài)，使巖層發(fā)生移動、變形，當(dāng)開采規(guī)模超過一定范圍，破壞和移動將會擴(kuò)展到地表形成地表沉陷，對地表的建(構(gòu))筑物產(chǎn)生重大影響[1]。為了達(dá)到開采煤炭資源和保護(hù)地表建(構(gòu))筑物的平衡，有必要對地下開采引起的地表移動變形進(jìn)行預(yù)測。從目前國內(nèi)外的研究來看，預(yù)測方法主要有唯象法、力學(xué)法、數(shù)值模擬和相似模擬4類[2-6]。

近些年來隨著計算機(jī)和軟件的不斷發(fā)展，數(shù)值分析方法的不斷成熟，數(shù)值模擬逐漸成為預(yù)測開采沉陷問題的重要手段[7]，目前廣泛使用的數(shù)值方法主要有：有限差分法、離散單元法、彈塑性有限單元法等[2]，各類數(shù)值分析軟件也運(yùn)用到開采沉陷中。Midas GTS是一種較新的大型巖土結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，具有直觀建模、自動劃分有限元網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)，能提供強(qiáng)大的二維和三維模擬功能，為解決地表沉陷問題提供了有利工具[8]。

本文通過采用Midas GTS有限元分析系統(tǒng)，結(jié)合鎮(zhèn)城底22620工作面地質(zhì)條件，對工作面上方興能電廠排灰管道在采動過程中的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并據(jù)此提出了皮帶保護(hù)措施。

1 工程概況

1.1 工程背景

古交興能電廠位于鎮(zhèn)城底礦南六采區(qū)，電廠皮帶排灰管道從采區(qū)上方通過，如果在其范圍內(nèi)全部留設(shè)保護(hù)煤柱，勢必造成煤炭資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。為了盡可能開采煤炭資源并保證興能電廠排灰通道的正常運(yùn)行[9]，必須分析地下開采對排灰管道穩(wěn)定性的動態(tài)影響，以便及時采取保護(hù)措施，保證皮帶走廊的安全。

1.2 工作面概況

22620工作面位于元家山村以東、王家坡村以南、雞兒溝西北部；井下位置屬于南六采區(qū)。工作面走向長1207m，傾向長170m，平均開采深度430m。所采煤層為2#、3#煤，煤層厚度3.5m，整體呈一向斜構(gòu)造，煤層平均傾角為6°。工作面于2011年8月開始回采，開采為走向長臂式開采，頂板管理為全部垮落法。22620工作面上方建有地表巖移觀測站。觀測站共布置傾斜觀測線2條，走向觀測線1條，管狀皮帶觀測線1條，其中皮帶觀測線位置見圖1。

圖1 皮帶觀測線布置圖

2 模型建立

2.1 Midas GTS簡介

Midas GTS(Geotechnical and Tunnel analysis System)是將有限元分析與巖土結(jié)構(gòu)的專業(yè)性有機(jī)結(jié)合的有限元分析軟件，具有基于CAD的三維幾何建模功能、自動劃分網(wǎng)格、映射網(wǎng)格等特點(diǎn)，其強(qiáng)大的前、后處理能力及分析能力為解決開采沉陷問題提供了優(yōu)秀的平臺[10]。本次模擬結(jié)合開采實際對開采過程進(jìn)行模擬，從而預(yù)測地面及管狀皮帶的動態(tài)移動與變形。

2.2 力學(xué)模型的選擇及巖層力學(xué)參數(shù)的選取

覆巖破碎的抗剪強(qiáng)度一般遵循Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，所以本次模擬采取摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)模型。建模時按力學(xué)性質(zhì)特點(diǎn)對不同地層進(jìn)行一些合并，模型所包含的巖層從上到下依次為：黃土、砂質(zhì)泥巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖、灰?guī)r、泥巖、煤層、細(xì)砂巖。所采用的巖層力學(xué)參數(shù)見表1。

2.3 幾何模型建立

本次模型以工作面走向為X方向，以傾向方向為Y方向，豎直方向為Z方向。根據(jù)彈塑性力學(xué)理論，開挖后應(yīng)力變化的影響范為所開挖范圍的3～5倍。此次模擬的開挖尺寸為采長480m，采寬170m。為了滿足計算需要并保證計算精度，取模型走向長度為1500m，傾向長度為550m。模型盡量符合地表實際，最高點(diǎn)473m，最低點(diǎn)436m。詳細(xì)的三維模型及其網(wǎng)格劃分見圖2。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

圖2 三維計算模型及網(wǎng)格劃分圖

2.4 邊界條件設(shè)定

本模型采用的邊界約束條件：①模型的上邊界地面為自由邊界；②模型的前后、左右邊界均施加水平法向約束；③模型底邊界施加固定約束。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

數(shù)值模型工作面采長480m，本次模擬結(jié)合觀測情況，對開采過程中五個階段的地表移動變形進(jìn)行分析。數(shù)值模擬首先根據(jù)地層物理力學(xué)參數(shù)、模型邊界條件等計算初始應(yīng)力場，然后在初始應(yīng)力場的基礎(chǔ)上按順序模擬開挖，每開挖一次為一個施工階段。進(jìn)行施工階段分析后，可輸出任意斷面的水平和豎向位移云圖[10]。圖3、圖4為工作面推進(jìn)230m時，走向主斷面上的水平和豎向位移圖。

觀測點(diǎn)各階段下沉曲線如圖5所示。由圖5可知，隨著開采的進(jìn)行，位于皮帶走廊的各觀測點(diǎn)產(chǎn)生不同程度的下沉，下沉量自皮帶走廊觀測線中心向兩側(cè)逐漸減小。工作面推進(jìn)230m時，位于回采工作面以外的G35、G38、G61、G63下沉量均在10mm以下，基本不受開采影響。隨著工作面的推進(jìn)，各觀測點(diǎn)下沉量不斷增加，不均勻沉降問題也愈加明顯。工作面推進(jìn)至480m時，預(yù)計最大沉值位于G50，達(dá)到1280mm；最小為63mm。為保證皮帶支架結(jié)構(gòu)的安全，建議解開支架固定螺栓，卸載地表沉陷引發(fā)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

地表點(diǎn)的傾斜、曲率和水平變形值由節(jié)點(diǎn)的下沉差值和水平移動差值計算而得。

圖3 走向主斷面豎向位移云圖

圖4 走向主斷面水平位移云圖

圖5 皮帶觀測點(diǎn)下沉曲線

傾斜曲線見圖6。由圖6可知，隨著工作面的推進(jìn)，皮帶走廊傾斜變形顯著增加。最大值由0.95mm/m增加至11.7mm/m，大于規(guī)程規(guī)定的臨界值3mm/m；軌道巷一側(cè)最大傾斜變形預(yù)計出現(xiàn)在G44～G46之間，皮帶巷一側(cè)出現(xiàn)在G54～G55之間。傾斜變形會造成皮帶支架歪斜，進(jìn)而破壞皮帶穩(wěn)定性。為減緩傾斜影響，建議在皮帶的支架側(cè)面加斜撐。

模擬結(jié)果顯示水平變形曲線與曲率曲線形狀相似。曲率曲線見圖7，位于工作面邊界外側(cè)的支架將產(chǎn)生拉伸變形和正曲率變形，而工作面中心部位支架受到壓縮變形和負(fù)曲率變形的影響。工作面推進(jìn)到380m時，最大正負(fù)曲率變形分別達(dá)0.25mm/m2和-0.35mm/m2，超出規(guī)程臨界值0.2mm/m2。拉伸變形易引起皮帶支架產(chǎn)生豎向裂縫，而壓縮變形易使皮帶支架產(chǎn)生剪切和水平擠壓裂縫。建議在壓縮變形嚴(yán)重部位挖變形縫以減緩壓縮變形對皮帶的影響。

圖6 皮帶觀測點(diǎn)傾斜曲線

圖7 皮帶觀測點(diǎn)曲率曲線

3.2 模擬值與觀測值對比分析

本文采用Midas GTS軟件進(jìn)行采空區(qū)施工過程的動態(tài)數(shù)值模擬，得出五種工況下管狀皮帶觀測點(diǎn)的移動變形值。表2給出了模擬結(jié)果與觀測值的對比。

表2 模擬與實測結(jié)果對比

由表2可知，數(shù)值模擬預(yù)計的移動變形與實際觀測數(shù)據(jù)存在差距。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因主要有：①所建模型與真實地表有一定差異；②上覆巖層復(fù)雜多變，而所建模型經(jīng)過一系列簡化，不能完整表達(dá)研究區(qū)域的地層構(gòu)造；③地表移動變形模擬的準(zhǔn)確性很大程度取決于巖土力學(xué)參數(shù)的選取。模擬所采用巖層物理力學(xué)參數(shù)與真實值之間存在差異。

經(jīng)計算，此次模擬下沉預(yù)測誤差在2.4%～7.6%之間，水平移動在1.5%～7.1%之間，傾斜誤差在2.7%～10.4%之間，水平變形誤差在3.3%～10.8%之間，曲率誤差在0%～20%之間。除曲率外，其它移動變形值預(yù)測誤差均在11%以內(nèi)，與實測數(shù)據(jù)誤差較小。因此，本文認(rèn)為采用Midas GTS軟件能較好地進(jìn)行地表移動變形預(yù)測。

4 結(jié) 論

1)本文采用Midas GTS軟件進(jìn)行了開采過程的數(shù)值模擬，經(jīng)與皮帶實測移動變形資料對比，除曲率外的移動變形預(yù)測誤差均在11%以內(nèi)，表明Midas GTS作為一種較新的有限元分析軟件，用來預(yù)測地表開采沉陷規(guī)律是可行的。

2)由于上覆巖層及地形的復(fù)雜性，所建三維模型很難完全表達(dá)實際情況，為了用數(shù)值模擬方法更準(zhǔn)確地分析開采沉陷問題，需進(jìn)一步深入研究。

3)分析結(jié)果表明，隨著工作面的推進(jìn)電廠皮帶將受到采動破壞。為保證電廠的正常運(yùn)行，建議及時采取保護(hù)措施。

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Finite element analysis of effect of underground mining on tubular belt based on Midas GTS

QIN Shao-fen，HU Hai-feng，ZHANG Xue-qin

(School of Mines，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

With the mining of coal resources，more and more building are influenced by the subsidence.For the sake of the normal operation of ash discharge pipe of Gujiao xingneng plant，which pass over the 22620 face of Zhenchengdi colliery，the movement and deformation are predicted based on the finite element analysis software Midas GTS.The forecasts and measured data are compared.The results show that，the numerical model established meet with engineering need.When the working face was advanced to 310 meters，the movement and deformation of belt is greater than the critical deformation value of the regulations.The belt will suffer from mining damage.Protection measures for belt are put forward to ensure the normal operation.

underground mining；numerical simulation；movement and deformation；Midas GTS；tubular belt

2015-01-11

山西自然科學(xué)基金項目“采煤沉陷區(qū)地表破壞及對生態(tài)環(huán)境的影響研究”資助(編號：2014011001-3)

秦韶芬(1990-)，女，山西晉城人，太原理工大學(xué)碩士研究生，主要從事開采沉陷與變形監(jiān)測方面的研究。E-mail：qsftyut@163.com。

TD5

A

1004-4051(2015)09-0141-04