1. 中国地震局 工程力学研究所, 哈尔滨 150080 2. 吉林建筑工程学院 勘查工程系, 长春 130021
3. 防灾科技学院 地震工程系, 河北 三河 065201
摘要: 采空区地表沉降影响因素众多, 以有限元 软件 A N SYS 为基础, 利用数值 模拟方 法的灵 活性, 分
别对各主要影响因素进行分析。选用适合于 岩土类 材料的德 鲁克- 普拉 格本构 模型, 利用 A NSY S 特有 的
第 39 卷 第 3 期 2009 年 5 月
吉 林 大 学 学 报( 地 球 科 学 版)
Jour nal of Jilin U niver sity( Ea rth Science Editio n)
Vo l. 39 No . 3 M a y 2009
采空区地表沉降影响因素研究
孙 超1, 2, 薄景山1, 3 , 刘红帅1, 齐文浩1
增加: ( 1) 地表竖向沉降随之递减; ( 2) 最大水平变形 也随之减小。当开采深度较大时, 开采深度对地表 变形的影响已不明显。
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吉 林 大 学 学 报( 地 球 科 学 版)
第 39 卷
3 开采厚度影响
通过改变计算模型的开采厚度, 模拟分析不同 开采厚度对地表变形的影响, 开采厚度分别取 1 m、 2 m 、3 m、4 m、5 m 、6 m、7 m, 结果如图 4 所示。
向移动; 矿体开采后及时充填, 对控制地表变形效果显著 。
关键词: 采空区; 地表沉降; A NSY S; 德鲁克- 普拉格模型
中图分类号: P642. 2
文 献标识码: A
文章编号: 1671- 5888( 2009) 03- 0498- 05
Study on Influencing Factors of Ground Settlement over Mined-Out Area
1 AYSYS 模拟分析过程简介
态, 以及由重力引起的初始位移; 第二步通过 ANSYS 特有的杀 死单元命令, / 杀死0 采空区单元, 模 拟矿体被采出, 并计算此状态下的应力及变形。最 后通过 ANSYS 后处理中的/ 载荷组0减操作求得采 空区上地表处由于开采引起的真实变形[ 8-9] 。
由于德鲁克- 普拉格屈服准则考虑了中应力 R2 对屈服和破坏的影响而且屈服面光滑没有棱角, 有 利于塑性应变增量方向的确定和数值计算, 而且该 准则所需材料参数少, 且易于试验测定; 此外, 德鲁 克- 普拉格准则考虑了静水压力对屈服和破坏的影 响, 因此特别适用于岩土类材料使用。因此, 本文选 用 ANSYS 程序中的德鲁克- 普拉 格本构模型。使 用此模型时, 除了输入弹性模型所需的基本参数之 外, 还需要输入如下 3 个参数: 粘聚力 C, 内摩擦角 U, 膨胀角 Uf 。其中 Uf 用来控制体积膨胀的大小, 对 压实的颗粒状材料, 当材料受剪时, 颗粒将会膨胀。 如果 Uf = 0, 则表示不会发生体积膨胀; 如果 Uf = U, 材料将会发生严 重的体积 膨胀。一 般来说, Uf = 0 是一种比较保守的方法[ 10-11] 。
图 1 计算模型 Fig. 1 Calculation model
Fig. 4
图 4 地表变形随开采厚度的变化规律 Variation of ground displacement with mining thickness
由以上数据可见, 随着开采厚度的增加, 地表竖 向位移随之递增, 最大水平变形也随之增大。以上 变化对地表建筑而言均是不利的。
表 1 各岩土层物理力学参数
Table 1 Mechanical parameters of materials
弹性模量 内摩擦角 粘聚力
容重
岩性
泊松比
/ M Pa
/ (b)
/ k Pa
/ ( kN # m- 3 )
粘土 6. 9
20. 0
10. 0 0. 3
砂岩 2. 62 @ 103 30. 1 1 043 0. 2
/ 杀死单元0 命令模拟矿体被采出, 再通过/ 激活单元0 命令模拟采空区被 填充。分别 研究了开采 深度、开采
厚度、地形条件、采空区填充 等因 素对地 表沉 降的 影响。结果 表明: 随 开采深 度的 增加, 地表 变形 随之 降
低; 随开采厚 度的增加, 地表变形增长较快; 随着地形坡度的变化, 采空 区地表移 动盆地逐渐 向地势较 低方
Key words: mined- out area; g round set t lement ; ANSYS; Dr ucker- Prag er model
收稿日期: 2008- 12- 17 基金项目: 国家自然科学基金项目( 50808164) 作者简介: 孙超( 1978 ) ) , 男, 黑龙江绥阳人, 博士研 究生, 讲 师, 主要从 事地 下结构、岩 土工 程抗震 方面 研究, E- mail:
sunchaobox @ 163. com。
第3期
孙 超, 等: 采空区地表沉降影响因素研究
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0 引言
有用矿体被采出以后, 开采区域周围的岩体原 始应力平衡状态受到破坏, 应力重新分布。此影响 如果发展到地表, 将产生连续或非连续的地表变形, 引起一系列环境岩土工程问题, 给矿区人民生产生 活带来巨大的影响和损失, 同时给矿区未来工程建 设留下巨大隐患[ 1-3] 。因此, 开展采空区地表沉陷的 影响因素研究, 对于进一步认识开采沉陷基本规律, 为矿层的合理开采及采空区的治理工作提供依据, 有着重要意义。
2 开采深度的影响
2. 1 计算模型及模型参数 计算模型在水平方向取 600 m , 分为两层: 地表
覆盖土层为粘土, 厚度为 20 m ; 第二层为 480 m 砂 岩, 单元大小为 5 m @ 5 m。采空区宽度为 40 m, 采 厚 5 m , 对其单元的划分采用了局部细化, 单元大小 为 1 m @ 1 m。模型底部采用固定边界, 模型两侧采 用滚轴边界, 仅限制 水平方向位移, 计算模型 见图 1。开采深度分别取为 40 m 、50 m 、60 m、80 m、100 m、150 m 、200 m、250 m、300 m。物理力 学参数见 表 1。
Abstract: T here are many fact or s to inf luence on t he g round set t lement in mined- o ut area. Based o n the f init e element sof t ware ANSYS, making use o f t he f lexibilit y of numerical sim ulat ion method, t he main fact or s are analyzed respectively. T he Druker- Prag er m odel is chosen, w hich is suit able to simulat e the m at erials of rock and soil. -Kill Elem ent. co mmand is used t o simulat e t he sit uation of ex plo it ing, and t hen t he co mmand of -Act iv at e Element. in ANSYS is used t o sim ulat e that the mined- out ar ea is filled. T he inf luence of each fact or in t he g round set tlement o ver m ined- out area is st udied r espect ively such as dept h, t hickness of t he mined- o ut area, t he t opog raphic co ndition and the filling of t he minedout area. T he r esult show s t hat t he gr ound set t lement decreases w it h t he increase of the mining depth, the g round set t lem ent increases obviously w it h t he increase of m ining thickness, t he basin m ovement w il l m ove t o t he low er direct ion w it h t he change of t opogr aphty , and it w ill reduce t he gr ound sett lement ev ident ly t o f ill t he mined- o ut ar ea in t ime af t er mining .
19. 4 2Байду номын сангаас. 0
本文将采空区地表沉陷简化为平面应变问题, 进行弹塑性数值模拟分析。为了再现采空区周围岩 层的真实应力状态, 分析过程中每次计算分为两步: 第一步首先计算开挖前只有自重存在时岩层的应力 状态, 通过此步骤计算模拟研究区域的初始应力状
2. 2 计算结果 结果如图 2、图 3 所示。可见, 随着开采深度的
SU N Chao1, 2 , BO Jing- shan1, 3 , L IU H ong- shuai1 , Q I Wen- hao1
1. I nsti tu te of E ngi neer ing M echani cs , China E art hquake A d mini st rat ion, H arbi n 150080, Chi na 2. I nv esti g ati on E ngi neer in g D ep art ment , J i li n Inst i tut e of Ar chi te ctu re and Ci v il Eng inee ri ng , Chang chun 130021, Chi na 3. Ear th quake Engi neer i ng D ep art ment , I nsti t ute of Di sat er Pr ev ent i on Sc ienc e and Te chnology , Sanhe , H e bei 065201, Chi na