不同硐室跨度对采空区上覆岩体稳定性的影响

摘要：本文以辽宁省丹东市某煤矿采空区作为工程背景，利用大型数值模拟软件ABAQUS，对采空区进行三维数值模拟，通过数值模拟，分析矿区不同硐室跨度对采空区上覆岩体稳定性的影响

关键词：ABAQUS;采空区;地表沉降

采空区是一个从出现以来就深深困扰人们的难题，人们应用各种方法来研究采空区所带来的地表稳定问题已经超过了半个世纪之久。当采空区的范围足够大的时候，附近的岩层会发生缓慢的蠕动破坏，一旦超过顶板的抗拉强度，便会引起坍塌，造成地质灾害事故的发生。

一、数值分析过程

运用大型数值模拟软件ABAQUS对采空区上覆岩体的稳定性进行模拟分析。ABAQUS的主要操作流程如下：根据所搜集的地质资料建立模型→对模型各部件赋予材料参数→建立实体→创建分析步→设置模型各部件的接触→施加荷载→布置种子→划分网格→提交任务→后处理，对计算结果进行分析。

（一）工程背景

本文所研究的礦区经过了多次重复开采，造成该地区地下采空区遍布。随着时间的推移，由于采空区围岩破坏、矿柱损坏等问题，导致采空区影响范围面积逐年扩大，严重破坏了矿区附近的生态环境问题。因为不同的地域地层岩性、水文地质状况、结构面分布和构造应力等都不相同，再加上空区规模、埋置深度、跨度等的不同，导致影响采空区的稳定因素复杂多样。本文综合了搜集到的矿区地质资料，主要从采空区硐室跨度分析采空区岩体的稳定。

（二）工程资料

根据收集矿区地质资料、矿体开采资料、地形测量、地球物理勘探（物探）、钻探成果，综合确定采空区的范围及埋深。物探工作主要通过直流高密度电测深法结合可控源音频大地电磁法及瞬变电磁法，圈定异常区边界和范围，指导钻探工作布置，以对异常区进行验证，确认物探异常的性质、状态，为采空区的圈定提供依据。钻探工作主要用于揭露采空区，控制采空区边界，并对物探异常进行实际验证，从而结合矿体分布特征、矿体开采现状和物探解释成果，确定采空区分布情况和采空区边界。

（三）模型建立与分析

本次模型取300*200m二维平面模型来模拟空区断面，地表以下地层分为两层，地表以下是10m的第四系土层和110m的砂岩。采空区硐室高度取6m，跨度分别取20m、70m。

部分不同跨度下采空区顶板和地表位移沉降云图如下：

为了更加直观的分析不同埋深条件下的沉降规律，根据以上沉降位移云图，将不同跨度条件下的硐室顶板和地表沉降位移用曲线图表示如下：

从以上的分析结果也可以看出，随着硐室跨度的增加，致使硐室顶板岩体承受的弯矩逐渐越大，拉裂的可能性随之增加，从图3、图4可以发现，在硐室跨度从20m变到70m的过程中，顶板岩体的位移从0.32m剧增到2.1m;同理，由于硐室顶板岩体的拉裂，上部岩体失去了有效的支撑，从图5、图6可见，在硐室跨度从20m变到70m的过程中，地表沉降位移从0.1m增大到1.571m，说明地表已出现塌陷坑。

因本次分析主要研究地表的稳定问题，现将地表沉降值随硐室跨度的变化整理为下表：

二、结语：

通过对采空区进行不同硐室跨度情况下上覆岩体稳定性情况模拟分析，得出随着硐室跨度增大，顶板岩体位移与地表沉降位移均随之增大，且顶板岩体位移量始终大于地表沉降量、为此，在煤矿开采过程中可以适当缩小硐室跨度进而在一定程度上预防地面塌陷发生。

参考文献：

[1]张建.采空区稳定性分析与评价.水利与建筑工程学报，2010，4

作者简介：张搏（1990- ），男，汉族，辽宁省北镇市人，工学硕士，辽宁有色勘察研究院有限责任公司