采空区地表沉降影响因素研究
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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
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
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。
图 2 开采引起的竖向变形 y( 采深 40 m) Fig. 2 Vertical deformation induced by mining ( depth
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
/ 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
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。
50 0
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。
19. 4 24.பைடு நூலகம்0
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
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] 。
sunchaobox @ 163. com。
第3期
孙 超, 等: 采空区地表沉降影响因素研究
49 9
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。
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:
已有的开采沉陷理论研究方法可以分成两个大 的类别[ 4-7] : 一类是唯象学研究方法。它是从地表移 动观测入手, 将地表描述与地质采矿因素联系起来, 在大量的地表观测的基础上, 用统计学方法来描述 预测岩层与地表移动变形, 如概率积分法、典型曲线 法、剖面函数法等。由于以地表移动为研究对象, 计 算中采用的参数没有明确的物理意义, 所以不能很 好地解释岩层地表移动的力学本质。另一类是力学 研究方法。它利用力学原理和方法( 材料力学方法, 结构力学方法等) , 假定岩体为连续介质, 将岩体简 化为等效力学模型, 以连续介质力学理论研究岩体 的力学行为, 如拱形冒落论、悬臂梁冒落论、砌体梁 平衡论等。由于这些模型中的参数物理、力学意义 明确, 概念清晰, 因此可以从力学本质上对岩层与地 表的移动作出解释。但是, 实际的开采过程中复杂 的地质条件, 以及其它众多多变的影响因素, 是此类 方法无法考虑的。在此情况下, 有限元数值模拟方 法的优势体现出来。随着大容量、高速度计算机的 出现, 尤其是功能强、速度快的工程数值分析软件的 开发, 使得数值分析已经成为研究复杂地质条件下, 岩层移动机理模拟与开采沉陷影响因素研究的一种 重要手段。本 文采用功能强大 的有限元分析 软件 ANSYS 对开采沉陷过程进行模拟, 对其中的 开采 深度、开采厚度、地形条件、采空区填充等影响因素 进行了初步研究, 给出变化规律。
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 .
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
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。
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
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
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。
图 2 开采引起的竖向变形 y( 采深 40 m) Fig. 2 Vertical deformation induced by mining ( depth
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
/ 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
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。
50 0
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。
19. 4 24.பைடு நூலகம்0
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
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] 。
sunchaobox @ 163. com。
第3期
孙 超, 等: 采空区地表沉降影响因素研究
49 9
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。
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:
已有的开采沉陷理论研究方法可以分成两个大 的类别[ 4-7] : 一类是唯象学研究方法。它是从地表移 动观测入手, 将地表描述与地质采矿因素联系起来, 在大量的地表观测的基础上, 用统计学方法来描述 预测岩层与地表移动变形, 如概率积分法、典型曲线 法、剖面函数法等。由于以地表移动为研究对象, 计 算中采用的参数没有明确的物理意义, 所以不能很 好地解释岩层地表移动的力学本质。另一类是力学 研究方法。它利用力学原理和方法( 材料力学方法, 结构力学方法等) , 假定岩体为连续介质, 将岩体简 化为等效力学模型, 以连续介质力学理论研究岩体 的力学行为, 如拱形冒落论、悬臂梁冒落论、砌体梁 平衡论等。由于这些模型中的参数物理、力学意义 明确, 概念清晰, 因此可以从力学本质上对岩层与地 表的移动作出解释。但是, 实际的开采过程中复杂 的地质条件, 以及其它众多多变的影响因素, 是此类 方法无法考虑的。在此情况下, 有限元数值模拟方 法的优势体现出来。随着大容量、高速度计算机的 出现, 尤其是功能强、速度快的工程数值分析软件的 开发, 使得数值分析已经成为研究复杂地质条件下, 岩层移动机理模拟与开采沉陷影响因素研究的一种 重要手段。本 文采用功能强大 的有限元分析 软件 ANSYS 对开采沉陷过程进行模拟, 对其中的 开采 深度、开采厚度、地形条件、采空区填充等影响因素 进行了初步研究, 给出变化规律。
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 .
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
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。