龐仙笛，王 健

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心吉林總隊，吉林 長春 130033）

離散巖位元法把一種節(jié)理介質(zhì)巖體，視為由一個離散的巖塊構(gòu)成，但是在我國它起步比較晚，好在其技術(shù)發(fā)展較為迅速，它可以允許節(jié)理巖塊自由平移、轉(zhuǎn)動和自由變形。離散元技術(shù)用于巖土、采礦和冶金、農(nóng)業(yè)、食品和化學(xué)工程、制藥、環(huán)境等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，可分為分選、混合、團(tuán)聚、充填壓榨、儲運、鏟除、爆破、破碎、流化等工序。離散二位元法在我國巖土科學(xué)工程、地質(zhì)科學(xué)工程和再生能源聯(lián)合開采等許多領(lǐng)域也已經(jīng)有著廣泛的研究應(yīng)用。根據(jù)牛頓第二運動定律，可以精確得到每個元素的運動加速度；每個單元的運動速度和單元位移系數(shù)可以通過測量時間和微積分方法獲得。

1 礦山開采引起地面塌陷的離散元模擬

1.1 提取土體類型及特征

礦山頂層和砂巖底板以及基層砂質(zhì)巖石層的地質(zhì)巖性以砂質(zhì)泥巖巖性為主，抗壓抗蝕強(qiáng)度相對來說較差。砂巖和硬質(zhì)橡膠的晶體粘結(jié)性差、松散且易碎，在開采過程中難以維護(hù)。泥巖巖石質(zhì)地柔軟，易收縮膨脹且難滑移。在進(jìn)行開采較厚的硬質(zhì)地層時，要注意留下一個帶假礦層頂板。底板容易在水箱底鼓和底板立柱中“針刺”。地表分布礫石土，巖性以礫石、砂礫石、中細(xì)砂、細(xì)砂等為主。軟巖主要分布在各個工礦山區(qū)的礦層頂板和底板上。經(jīng)特殊流體力學(xué)條件測試，其中在自然運動條件下單向電流抗壓強(qiáng)度為0.55mpa～12.7mpa，屬于軟弱變質(zhì)巖石，巖體機(jī)械強(qiáng)度低，整體性差[1]。通過實時采集各個采空區(qū)的具體水文、氣象、地形、區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)、地震、構(gòu)造、采礦等各種相關(guān)信息數(shù)據(jù)，并同時查明采空區(qū)基層范圍、埋深、礦產(chǎn)資源開采基層厚度、頂板巖性、上覆基層巖體及受破壞程度特征等各種相關(guān)數(shù)據(jù)資料。調(diào)查研究開采管理時間、開采管理方式、采空區(qū)基層塌陷、頂板巖性管理實施方式、充填管理情況；同時調(diào)查研究采空區(qū)內(nèi)建筑地表基層下沉、伴生基層裂縫和其他地區(qū)基層裂縫的地質(zhì)變形程度分布變化規(guī)律。工程地質(zhì)調(diào)查：在調(diào)查區(qū)內(nèi)進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查，確定研究區(qū)地層的工程地質(zhì)條件。環(huán)境地質(zhì)調(diào)查：在調(diào)查區(qū)內(nèi)進(jìn)行環(huán)境地質(zhì)調(diào)查，確定研究區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件。地質(zhì)災(zāi)害測量：利用測得的大比例尺地形圖，通過實地調(diào)查工作，重點查明地表塌陷及伴生裂縫災(zāi)害的分布和發(fā)展特征。野外測點位置采用手持式GPS儀器。路線調(diào)查采用交叉法和檢索法相結(jié)合的方法。對調(diào)查區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，對地面裂縫、塌陷坑進(jìn)行了詳細(xì)記錄，并進(jìn)行了現(xiàn)場拍照；詳細(xì)記錄耕地、運河、農(nóng)路等地面設(shè)施發(fā)生的地面塌陷、伴生裂縫、塌陷坑等特征，并進(jìn)行現(xiàn)場拍照。

1.2 建立拉伸數(shù)值模型

長期以來，由于離散的元法則的計算需求量巨大，其實際應(yīng)用受到很大限制。隨著現(xiàn)代研究和工程的需要，離散元計算中對粒子數(shù)的要求越來越高。地表地質(zhì)沉降災(zāi)害是各類采礦活動引起的常見重大地質(zhì)自然災(zāi)害，對整個礦區(qū)全體居民的人身生命財產(chǎn)安全，構(gòu)成非常嚴(yán)重的威脅。本文主要采用離散元的模擬分析方法對礦山開采空區(qū)引起的鹽礦地表整體沉降條件進(jìn)行分析模擬，評價該開采空區(qū)的安全性與穩(wěn)定性，并預(yù)測受當(dāng)?shù)爻两禇l件影響的礦地表沉降范圍。仿真試驗結(jié)果更好地符合實際應(yīng)用情況，對我國礦山開采治理項目工程設(shè)計提供了一定的技術(shù)幫助[2]。鹽礦的水下地面開采沉降空區(qū)是由于鹽礦地下開采過程形成的鹽采空區(qū)。該礦的切向分量表示，如下公式1所示：

公式1中：L表示接觸運動的切向接觸剛度；N表示切向位移的增量。因此，采空區(qū)在地層上覆蓋的巖土自重，在其他外力作用下將不會發(fā)生向下方的位移和彎曲變形。嚴(yán)重情況時會直接造成水泥鹽井內(nèi)的水泥營造環(huán)境的損壞、套管破裂、套管彎曲引起鹽井事故，影響鹵水生產(chǎn)。地面接連室外墻結(jié)構(gòu)采用Rrc30混凝土，主筋結(jié)構(gòu)采用Rrhrb400鋼筋。采用時考慮到在設(shè)計鋼筋彎矩時所采用的鋼筋極限抗拉受力強(qiáng)度承載設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值為360mpa，而采用鋼筋抗彎強(qiáng)度承載標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計為200mpa，計算地面連接室外墻正面橫截面鋼筋抗彎強(qiáng)度承載力時由于鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計采用的為標(biāo)準(zhǔn)值1.25倍，所以應(yīng)在估算時能得到鋼筋極限設(shè)計彎矩，如下公式2所示：

地板所連接的墻面板為單層無縫鋼腹筋板，其內(nèi)部受剪力板承載的應(yīng)力極小的限值估算可根據(jù)上式和下式兩種估算方法得到，下式如下公式3所示：

公式3中：fyo表示軸心抗拉彎標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值；h0表示模型中的有效高度。當(dāng)采空區(qū)頂板巖層受力抗拉時的應(yīng)力強(qiáng)度，超過其巖層抗拉應(yīng)力強(qiáng)度極限設(shè)定值時，會直接引起局部頂板巖層破裂、倒塌，使頂板上覆地表巖層相繼向下傾斜移動，導(dǎo)致局部地表巖層坍塌。

1.3 明確礦山開采引起地面塌陷范圍

由于礦層較厚，圍巖屬于軟巖。礦層開采后，上部巖層塌陷。由于應(yīng)力關(guān)系，采空區(qū)在地表投影區(qū)有一定程度地擴(kuò)大。作為影響范圍，影響范圍內(nèi)的地面建筑在地面上會出現(xiàn)不同程度的開裂、細(xì)小裂縫和塌陷坑。越靠近采空區(qū)，地表建筑開裂程度越大，反之亦然。鈣質(zhì)石灰泥巖：黃-灰-深灰色。通過研究發(fā)現(xiàn)，該巖石層頂部4m～6m為原始強(qiáng)風(fēng)化巖石層，逐漸向下一層過渡可看到原始變質(zhì)巖石層的顏色。厚度8m～280m，田區(qū)自北向西南逐漸變厚。砂巖下第三層一系泥質(zhì)云英巖石群膏鹽群(eyn2)①砂巖一系硬石膏段(eyn52)：巖呈灰色，主要由泥質(zhì)灰泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r中間夾片狀泥質(zhì)粉巖和砂巖三層組成，鉆孔巖層厚度20m～89m。②上石下鈣芒硝段(eyn42)：土呈灰色，由石粉泥質(zhì)的上鈣芒硝、石灰質(zhì)灰色泥巖以及夾雜石粉砂質(zhì)灰色泥巖、泥質(zhì)粉紅色砂巖等雜質(zhì)組成，出露處的鉆孔土層厚度8m～88m。③巖質(zhì)石鹽段(eyn32)：灰白色，由三層不等厚度的淺層巖質(zhì)石鹽巖、泥質(zhì)白色灰泥、泥巖和淺層粉砂質(zhì)灰色泥巖巖塊組成。此段巖石含鹽礦物分布較密，形成的巖鹽團(tuán)＜br>巖石含鹽礦物常呈現(xiàn)淺灰白色和淡黃白色，少數(shù)種呈灰白色和多數(shù)灰黑色，主要由巖石和鹽物質(zhì)組成，其次主要是小的硬石膏、芒硝、少量的流水狀的云母、泥晶狀的白云石和其他有機(jī)質(zhì)。礦石晶體具有方形塊狀、帶狀和圓形塊狀三種結(jié)構(gòu)，因此，進(jìn)一步明確了礦山開采引起地面塌陷范圍。

2 實驗與分析

2.1 實驗準(zhǔn)備

顆粒細(xì)觀參數(shù)的標(biāo)定一直以來都是離散元仿真模擬中的重點和難點，本文對實驗室獲取的砂巖應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合。通過不斷的調(diào)試和校核直到砂巖的顆粒離散元模型的力學(xué)性能滿足真實室內(nèi)試驗的結(jié)果，如下表1所示。

表1 砂石模型的物理參數(shù)

如上表1所示，根據(jù)室內(nèi)試驗巖石材料的屬性和巖石試樣的尺寸確定模型的物理細(xì)觀參數(shù)如顆粒大小、密度等。

2.2 結(jié)果分析

本文通過大量反復(fù)的模擬測試得到砂巖的顆粒細(xì)觀參數(shù)，實驗通過提取，礦山開采中引起地面塌陷的巖石（砂巖），對砂巖的單軸壓縮破壞過程的數(shù)值模擬，結(jié)果如下圖1所示。

圖1 砂石試樣破壞過程

觀察上圖1中深灰色部分為加載中裂紋的發(fā)育結(jié)果，呈現(xiàn)圓盤顆粒狀，隨著加載的繼續(xù)，砂石產(chǎn)生上下貫通裂紋，因此，得出文中的離散元模擬方法，能夠較直觀的觀察到砂巖的裂縫過程。

3 結(jié)語

實際工程中巖體一般處于三維應(yīng)力狀態(tài)。近年來，隨著各類礦山的開采，學(xué)者們開始對與這些領(lǐng)域相關(guān)的礦山開采進(jìn)行深入的認(rèn)識和研究。本文通過離散元的方法，模擬礦山開采引起地面塌陷，實驗得出本文方法能有效的模擬砂石的裂縫過程，為礦山開采引起地面塌陷的離散元模擬提供有效參考。