煤礦塌陷區(qū)建筑荷載作用下地基再變形分區(qū)數(shù)值模擬研究

康育鵬

(河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

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煤礦塌陷區(qū)建筑荷載作用下地基再變形分區(qū)數(shù)值模擬研究

康育鵬

(河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

運(yùn)用數(shù)值模擬軟件(UDEC)建立了某煤礦塌陷區(qū)的二維數(shù)值模型，生成了煤礦塌陷區(qū)的塊體圖、應(yīng)力云圖和位移云圖。結(jié)合煤礦塌陷區(qū)地表下沉盆地的3個(gè)不同區(qū)域，使用UDEC模擬了不同建筑荷載作用下煤礦塌陷區(qū)的地基再變形情況。模擬結(jié)果表明：在煤礦塌陷區(qū)的不同區(qū)域，塌陷區(qū)地基的再變形值隨著建筑荷載的增大而增大；在相同建筑荷載的作用下，煤礦塌陷區(qū)不同區(qū)域的地基再變形有較大差異。對(duì)于擬修建在煤礦塌陷區(qū)的建筑物，要根據(jù)自身的荷載大小及需要，采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，以保障建筑物的安全使用。

煤礦塌陷區(qū)；地基再變形；數(shù)值模擬；建筑荷載；分區(qū)研究

隨著煤炭資源從地下大量采出，我國(guó)的煤礦塌陷區(qū)面積正逐年增加。相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，截至2012年底，我國(guó)采煤塌陷區(qū)土地面積約156萬(wàn)hm2，其中損毀土地約78萬(wàn)hm2[1]。目前，在我國(guó)的許多地方，尤其是一些工礦城市，建設(shè)用地緊張的問(wèn)題日益突出。為了合理開(kāi)發(fā)利用土地資源，有時(shí)需要在煤礦塌陷區(qū)規(guī)劃和興建一些工業(yè)、民用建筑，這樣既緩解了建設(shè)用地緊張的問(wèn)題，又能不占或少占耕地，提高塌陷區(qū)土地的利用率。

煤礦塌陷區(qū)的建設(shè)用地性質(zhì)主要取決于其地基受到荷載后的變形量，即建筑荷載作用下煤礦塌陷區(qū)地基的再變形量[2]。對(duì)于一般的長(zhǎng)壁垮落法開(kāi)采所形成的煤礦塌陷區(qū)，上覆巖層從下到上形成了垮落帶、斷裂帶和彎曲帶，這“三帶”中存在著大量的離層、裂隙，它們會(huì)在建筑荷載的作用下發(fā)生閉合，進(jìn)而使塌陷區(qū)地基產(chǎn)生再變形。而對(duì)于煤礦塌陷區(qū)的地表下沉盆地，則形成了中央?yún)^(qū)、拐點(diǎn)區(qū)和邊緣區(qū)等區(qū)域。

本文以焦作礦區(qū)某礦的地質(zhì)采礦條件為原型，使用數(shù)值模擬軟件對(duì)該礦進(jìn)行模擬開(kāi)挖，并對(duì)開(kāi)挖后所形成的煤礦塌陷區(qū)地表下沉盆地的3個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行加載試驗(yàn)，從而對(duì)煤礦塌陷區(qū)建筑荷載作用下地基的再變形進(jìn)行分區(qū)研究。

1 數(shù)值模型建立

1.1 UDEC簡(jiǎn)介

通用離散元程序(Universal Distinct Element Code，簡(jiǎn)稱(chēng)UDEC)是美國(guó)Itasca咨詢(xún)集團(tuán)推出的，基于離散單元法用于模擬非連續(xù)介質(zhì)的二維數(shù)值計(jì)算程序。UDEC一般用來(lái)模擬靜態(tài)或動(dòng)態(tài)荷載作用下非連續(xù)介質(zhì)(如節(jié)理巖體)的響應(yīng)[3]。對(duì)于因煤炭開(kāi)采而形成的塌陷區(qū)(見(jiàn)圖1)來(lái)講，由于其研究對(duì)象上覆巖層中存在大量的離層、裂縫、裂隙，這些是比較典型的非連續(xù)介質(zhì)，因此采用UDEC對(duì)煤礦塌陷區(qū)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)值模擬研究是最合適的。

1.2 地質(zhì)采礦條件

以焦作礦區(qū)某礦的地質(zhì)采礦條件為模擬原型，對(duì)該礦的綜合柱狀圖進(jìn)行了概化，得到各巖層的厚度及物理力學(xué)參數(shù)(見(jiàn)表1)。該礦的主要可采煤層為二1煤層，煤層的賦存結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，煤層厚度約為3.5 m，采深約為133.5 m，煤層傾角為近水平。煤層的上覆巖層以砂巖和泥巖為主，巖性為中硬，其中松散層的厚度約為15 m。

圖1 煤礦塌陷區(qū)剖面示意圖

表1 巖層的物理力學(xué)參數(shù)

巖層名稱(chēng)厚度/m彈模E/GPa泊松比μ黏聚力C/MPa內(nèi)摩擦角?/(°)單軸抗拉強(qiáng)度/MPa容重ρ/(kg/m3)松散層150．10．300．0125．001950泥巖1514．40．264．932．05．22400砂質(zhì)泥巖2020．50．295．333．05．42640中粒、粉砂2329．50．266．033．06．32761巖互層泥質(zhì)頁(yè)巖1722．60．245．725．05．72590老頂粗砂巖2432．40．226．937．07．22500直接頂泥巖1615．30．264．532．04．22400煤層3．51．00．301．025．01．11427砂質(zhì)泥巖36．520．50．295．333．05．42640

1.3 煤礦塌陷區(qū)模型建立

假設(shè)工作面的長(zhǎng)度為180 m，采高為3.5 m，頂板控制方法為全部垮落法。在數(shù)值模型建立前，考慮到煤系地層多節(jié)理裂隙和煤層開(kāi)挖前后上覆巖層所發(fā)生的變化，應(yīng)該對(duì)試驗(yàn)得出的巖層物理力學(xué)參數(shù)(如彈性模量E、黏聚力C、單軸抗拉強(qiáng)度)進(jìn)行適度的折減方能用于解算。

模型的邊界條件為下邊界無(wú)水平和垂直位移，左右邊界無(wú)水平位移，即下邊界xvel=0、yvel=0，左右邊界xvel=0。模型的上邊界為自由邊界，可以在上邊界進(jìn)行加載用以模擬建筑物荷載的情況。在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，由于研究區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，因此只考慮巖體的自重應(yīng)力,而不考慮構(gòu)造應(yīng)力的作用。

結(jié)合該礦的地質(zhì)采礦條件以及模型的邊界條件等信息，運(yùn)用UDEC建立長(zhǎng)540 m、高170 m的二維數(shù)值模型，對(duì)該模型的工作面進(jìn)行模擬開(kāi)挖，形成煤礦塌陷區(qū)的二維數(shù)值模型。從建立模型到模型開(kāi)挖的部分UDEC代碼為：

;模型建立

block 0,0 0,170 540,170 540,0

crack 20,0 20,170

crack 520,0 520,170

crack 0,36.5 540,36.5

jreg id=111 0,0 0,36.5 540,36.5 540,0

jreg id=1 20,0 20,36.5 520,36.5 520,0

jset 0,0 540,0 0,0 7.3,0 0,0 range jreg 111

jset 90,0 7.3,0 7.3,0 10,0 20,0 range jreg 1

jset 90,0 7.3,0 7.3,0 10,0 25,7.3 range jreg 1

;邊界條件

bound xvel=0 range -0.1 0.1 0 170

bound xvel=0 range 539.9 540.1 0 170

bound yvel=0 range 0 540 -0.1 0.1

;模型開(kāi)挖

ini xdis=0 ydis=0 xvel=0 yvel=0

delete range 180 360 36.5 40

hist unbal

set pline 0 166.5 540 166.5 36

set pline 0 80 540 80 36

step 20000

對(duì)該模型的模擬開(kāi)挖解算完成后，就可以利用UDEC強(qiáng)大的后處理功能將所需要的煤礦塌陷區(qū)塊體圖以及應(yīng)力、位移等分析云圖輸出并顯示出來(lái)(見(jiàn)圖2～圖5)。

圖2 煤礦塌陷區(qū)塊體圖

2 分區(qū)加載試驗(yàn)

2.1 煤礦塌陷區(qū)分區(qū)加載

當(dāng)?shù)叵旅簩颖徊沙鲆院?，在煤礦塌陷區(qū)的巖體內(nèi)部會(huì)形成采空區(qū)，而在煤礦塌陷區(qū)的地表，會(huì)形成一個(gè)比采空區(qū)大得多的地表下沉盆地。對(duì)于一般的充分采動(dòng)的情況，煤礦塌陷區(qū)的地表下沉盆地可以被分為中央?yún)^(qū)、拐點(diǎn)區(qū)和邊緣區(qū)等3個(gè)研究區(qū)域[4]。中央?yún)^(qū)位于采空區(qū)的正上方，即塌陷區(qū)的中央；拐點(diǎn)區(qū)位于地表下沉盆地的拐點(diǎn)處，即采空區(qū)邊界正上方的區(qū)域；邊緣區(qū)位于采空區(qū)邊界的煤柱上方，即塌陷區(qū)的邊緣。因?yàn)檫@3個(gè)區(qū)域存在較大的地質(zhì)采礦條件方面的差異，所以有必要對(duì)煤礦塌陷區(qū)建筑荷載作用下地基的再變形進(jìn)行分區(qū)研究。

一般的建筑物按照層數(shù)劃分可以分為低層建筑(1～3層)、多層建筑(4～6層)、中高層建筑(7～9層)和高層建筑(10層及以上)[5]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[6-9]，建筑物每層產(chǎn)生的荷載約為18～25 kPa，考慮到煤礦塌陷區(qū)上方一般不會(huì)修建10層以上的高層建筑的情況，本文采用50 kPa、100 kPa和200 kPa等荷載模擬低層、多層和中高層建筑荷載作用在煤礦塌陷區(qū)不同區(qū)域的地基再變形情況，對(duì)煤礦塌陷區(qū)不同區(qū)域進(jìn)行加載的UDEC程序界面如圖6～圖7所示。

圖3 煤礦塌陷區(qū)塊體圖(局部放大)

圖4 煤礦塌陷區(qū)豎向應(yīng)力云圖

圖5 煤礦塌陷區(qū)豎向位移云圖

圖6 煤礦塌陷區(qū)不同區(qū)域進(jìn)行加載示意圖

圖7 煤礦塌陷區(qū)不同區(qū)域進(jìn)行加載示意圖(局部放大)

對(duì)煤礦塌陷區(qū)模型的3個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行加載，其實(shí)就是利用UDEC改變模型上的邊界條件。以加載50 kPa的低層建筑荷載為例，改變邊界條件的UDEC程序代碼為：

bound xvel=0 range -0.1 0.1 0 170

bound xvel=0 range 539.9 540.1 0 170

bound yvel=0 range 0 540 -0.1 0.1

bound stress 0 0 -5.0E+04 range 260 280 165 170

bound stress 0 0 -5.0E+04 range 340 360 165 170

bound stress 0 0 -5.0E+04 range 180 200 165 170

bound stress 0 0 -5.0E+04 range 420 440 165 170

bound stress 0 0 -5.0E+04 range 100 120 165 170

在運(yùn)用UDEC對(duì)煤礦塌陷區(qū)的3個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行加載試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)建筑物荷載的大小以及體系中的最大不平衡力等因素合理確定程序運(yùn)行的時(shí)步，這樣才能得到較為準(zhǔn)確和理想的模擬結(jié)果。

為了更好地研究建筑荷載作用下煤礦塌陷區(qū)的巖層及地表的移動(dòng)變形情況，可以在塌陷區(qū)的近地表和巖層內(nèi)部設(shè)置一些觀測(cè)線，或者針對(duì)塌陷區(qū)內(nèi)的某一點(diǎn)，對(duì)其在運(yùn)行時(shí)步內(nèi)的應(yīng)力或位移的變化進(jìn)行記錄，這樣有助于對(duì)煤礦塌陷區(qū)的研究。相應(yīng)的UDEC代碼為：

set pline 0 166.5 540 166.5 36

set pline 0 80 540 80 36

hist unbal

hist syy 270,170

hist ydisp 270,170

2.2 結(jié)果分析與規(guī)律研究

在對(duì)煤礦塌陷區(qū)的不同區(qū)域進(jìn)行加載的UDEC運(yùn)行結(jié)束后，可以利用諸如“print pline 1 ydisp”或“print hist 1”等UDEC結(jié)果輸出命令將所需要的數(shù)值模擬結(jié)果輸出，然后運(yùn)用EXCEL軟件繪制并顯示出來(lái)(見(jiàn)圖8～圖9)。

圖8 不同建筑荷載作用下煤礦塌陷區(qū)的地基再下沉曲線圖

圖9 不同建筑荷載作用下煤礦塌陷區(qū)的地基水平移動(dòng)曲線圖

根據(jù)不同建筑荷載作用下煤礦塌陷區(qū)的地基再下沉曲線圖和地基水平移動(dòng)曲線圖，本文總結(jié)的規(guī)律為：

(1)在煤礦塌陷區(qū)的不同區(qū)域，塌陷區(qū)地基的再下沉值和水平移動(dòng)值隨著建筑物荷載的增大而增大；

(2)在相同建筑荷載的作用下，煤礦塌陷區(qū)中央?yún)^(qū)的地基再下沉值最大、拐點(diǎn)區(qū)的次之、邊緣區(qū)的最??；

(3)在相同建筑荷載的作用下，煤礦塌陷區(qū)拐點(diǎn)區(qū)的地基水平移動(dòng)值最大、中央?yún)^(qū)的次之、邊緣區(qū)的最小。

在煤礦塌陷區(qū)建筑荷載作用下，由于地基再變形是地基的再下沉與地基的水平移動(dòng)的矢量疊加，而塌陷區(qū)地基的水平移動(dòng)值相對(duì)于地基的再下沉值要小很多，所以可以認(rèn)為煤礦塌陷區(qū)地基的再變形主要是由地基的再下沉引起的。

結(jié)合煤礦塌陷區(qū)不同區(qū)域的上覆巖層特征和地質(zhì)采礦條件，總結(jié)得到上述模擬結(jié)果的原因是：在煤礦塌陷區(qū)的中央?yún)^(qū)，因?yàn)椴煽諈^(qū)的頂板冒落充分，上覆巖層中斷裂帶的裂隙發(fā)育充分，彎曲帶中的離層空間較大，導(dǎo)致中央?yún)^(qū)的地基再變形最大；在煤礦塌陷區(qū)的拐點(diǎn)區(qū)，由于煤壁的支撐作用，使得采空區(qū)的頂板冒落不充分，上覆巖層中的裂隙和離層空間較小，導(dǎo)致拐點(diǎn)區(qū)的地基再變形較?。辉诿旱V塌陷區(qū)的邊緣區(qū)，由于上覆巖層的破壞較小，裂隙和離層不發(fā)育或者非常小，因而邊緣區(qū)的地基再變形最小。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)運(yùn)用UDEC建立了煤礦塌陷區(qū)的二維數(shù)值模型，模擬了煤礦塌陷區(qū)的不同區(qū)域在不同荷載作用下的地基再變形情況，得出煤礦塌陷區(qū)的地基再變形隨著建筑荷載的增大而增大，不同區(qū)域在相同建筑荷載的作用下的地基再變形有較大差異。

(2)針對(duì)擬修建在煤礦塌陷區(qū)的建筑物，要根據(jù)自身的荷載大小及需要，采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，以防止建筑物地基在自身荷載的作用下發(fā)生較大的再變形，超出《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10](GB 50007—2011)中所規(guī)定的臨界變形值，保障建筑物的安全使用。

[1]李樹(shù)志．我國(guó)采煤沉陷土地?fù)p毀及其復(fù)墾技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，42(1)：93-97．

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[6]朱廣軼，解陳，竇明，等．老采區(qū)及地表殘余變形對(duì)建筑物的影響[J].沈陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，24(3)：70-74．

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[8]康育鵬，孟海梅．固體充填開(kāi)采地表沉陷數(shù)值模擬研究[J].河南城建學(xué)院學(xué)報(bào)，2015,24(1)：15-21．

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[10]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50007—2011[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

Foundation redeformation of partitioning numerical simulation in coal mining subsidence under construction load

KANG Yu-peng

(SchoolofSurveying&LandInformationEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454003,China)

A two-dimensional numerical model of coal mining subsidence area has been established by using UDEC software, coal mining subsidence area of block map, and stress contour map and displacement contour map also are produced. Combined with the three different surface subsidence basin of coal mining subsidence, using the UDEC program to simulate the different construction loads in coal mining subsidence area of foundation redeformation situation, simulation results showed that in different areas of the coal mining subsidence, subsidence of foundation and redeformation value increase with the increase of construction load. In the condition of same construction load, coal mining subsidence area of foundation redeformation in different areas has a large difference. The appropriate protective measures should be taken to ensure its safety.

coal mining subsidence area; foundation redeformation; numerical simulation; construction load; partitioning study

2015-07-29

河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃(13IRTSTHN029)

康育鵬(1989-)，男，河南焦作人，碩士研究生。

1674-7046(2015)05-0061-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.05.012

TD325;TU433

A