沉陷区内尾矿库变形预测.pdf

第 25 卷增 刊 辽宁工程技术大学学报 2006 年 6 月 Vol.25 Suppl. Journal of Liaoning Technical University Jun. 2006 收稿日期2006-02-28 作者简介刘 成（1982-） ，男，江苏 沭阳人，硕士研究生，主要从事岩土动力学方面研究，E-mailliucheng83。本文编校赵 娜 文章编号1008-05622006增刊 1-0111-03 沉陷区内尾矿库变形预测 刘 成 1，王来贵1， ，王凤江 2 （1.辽宁工程技术大学 力学与工程科学系，辽宁 阜新 123000; 2.中冶沈勘秦皇岛工程技术有限公司，河北 秦皇岛 066301） 摘 要为了判别在河北省范各庄煤矿沉陷区内建立尾矿库安全问题，对尾矿库变形进行预测研究是非常重要的。通过应用 FALC 3D 对其进行数值模拟，将建立尾矿库前的沉陷变形及未来历年开采引起的预测变形与前期评估报告和现场勘探资料，表明用煤矸石作筑 坝材料如不作加筋处理会产生较大位移，但对库区变形不会产生大的影响，符合工程极限变形要求， 关键词FALC3D；沉陷；尾矿库 中图分类号P 642.26 文献标识码A Deation prediction of trailings in subsidence area LIU Cheng1，，WANG Lai-gui1，，WANG Feng-jiang2 1.Department of Mechanics and Engineering Science, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China; 2. Zhongye Shenkan Qinhuangdao Technical Limited Company, Qinhuangdao 066301, China AbstractIn order to make sure wheter it’s safe to build embankment in subsidence area at Fan gezhuang Coal Mine in Hebei Province, it’s critical to study the future deation of the embankment. FLAC3D is used to simulate it, the subsidence strain before embankment construction and the forecast strain every year are compared with the prophase uation the report and locale data, It is shown that it’s needed to reinforce coal waste rock or it will reduce a large displacement, but has little influence on embankment area and it satisfies project limited strain demand. Key wordsFALC3D；subsidence；tailings embankment 0 引 言 范各庄煤矿近 30 年的开采已使场地地表发 生大面积沉陷，沉陷平均深度 5 m 左右。在沉陷区 建立尾矿库既解决了征地的困难，又合理的利用了 荒废的土地资源。尾矿库下方的采空区包括老采空 区、现采空区和未来采空区，地质环境相当复杂， 属于抗震危险地段的复杂建设场地、中等复杂地 基，岩土工程勘察等级为甲级。初期坝筑坝材料为 煤矸石， 目前尚属首例， 堤坝允许极限变形值为 9.0 mm/m。因此，综合考虑用煤矸石在沉陷区筑坝和 未开开采对库区的影响，作出可行性评价和提出相 应的控制措施，对实际工程有重要的指导意义。 1 计算模型与参数 1.1 工程地质概况及构建模型 FLAC3D是美国 ITSCA 国际咨询与软件开发公 司在 FLAC 基础上开发的三维数值分析软件，它是 岩土体工程高级连续介质力学分析程序[3-6]。 拟建尾矿库位于开滦范各庄煤矿采煤沉陷区 南大坑，安全等级为三等库。南大坑区域覆盖有特 厚第四系冲积层，冲积层平均厚约 180 m，其底部 为厚 26 m 的粘土层。冲积层下伏煤系地层为石炭、 二迭系，煤层基底为含水丰富的奥陶系灰岩，所有 基岩地层基本上为单斜构造。煤层顶底板岩性多为 粉砂岩、砂岩和细砂岩。煤层倾角在 714之间。 构建三维工程地质模型如图 1。 图 1 三维工程地质模型图 Fig.1 the model of three-dimensional engineering geology 辽宁工程技术大学学报 增 刊 112 计算模型的几何边界相对应的地理坐标如表 1。模型共剖分节点 127 824 个，单元 112 134 个。 图 2 为三维计算模型网格划分图。 图 2 三维计算模型网格划分图 Fig.2 the mesh model of three-dimensional engineering geology 表 1 与模型的几何边界相对应的地理坐标 Tab.1 the geographical coordinate according to model geometric boundary 东/m 西/m 南/m 北/m 上/m 下/m 494 550 492 300 385 750388 300 25 -692 1.2 本构模型的选取及计算参数确定 根据现场勘探资料，选取摩尔库仑和弹性本构 模型来模拟现场岩土特性。计算采用的岩土体及节 理面物理力学参数见表 2，其中节理面法向刚度和 切向刚度根据临近区域的体积模量和剪切模量确 定，公式如下 ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ∆ min 4 3 max*10 z GK （1） 在 FLAC3D中，描述材料破坏基本准则是摩尔- 库仑准则，这一准则把剪切破坏面看作直线破坏面 φφ σσNcNfs2 31 − （2） 其中，1 sin /1 sin φ Nφφ−； 1 σ为大主应力压 应力为负； 3 σ为最小主应力；φ为摩擦角；c为粘 聚力。 表 2 岩土体及节理面物理力学参数 Tab2 the properties of rocks and interface 抗拉强 度/MPa 粘聚力 /MPa 摩擦角 /（） 密度 /（kgm-3） 体积模量 /MPa 剪切模 量/MPa 下部岩石 3.1 10.85 33.2 2 523 10 420 7 170 煤 3e4 1.76e6 50 1 400 1 240 364 冲积层 0 2e4 15 2 100 8.33 3.86 筑坝材料 2 000 20 12 节理面 1e10 1e10 2 数值模拟及分析 开采模拟以 5、7、8、9、11、12 及 12 半煤层 采掘工程平面结合南三、南四地质剖面图，按时间 进程进行。按工矿条件分三步进行首先根据目前 开挖状况，分析煤矿开挖至今的沉降位移场；第二 步预计现在建坝对拟建库区的影响；最后预计未来 逐年采动对库区的影响[1,2]。 2.1 煤矿开挖至今的位移场 图 3 为煤矿开挖至今的竖向沉降位移云图,这 与现场勘探资料很近似，说明用 FLAC3D模拟此工 程煤矿开挖是可行的。 图 3 煤矿开挖至今的竖向沉降位移云图 Fig.3 the present vertical displacement contour for coal mining 2.2 库区建坝位移场和应力场变化 图 4 和图 5 分别为建坝后的库区位移沉降云图 和坝体的竖向位移。煤矸石在自然条件下比较松 散，会产生很大的位移，拟对筑坝材料进行加筋处 理。坝基位置也会产生较大的沉降位移，但这不会 使库区产生大的沉降位移。图 6 为建坝后的最大主 应力场。 图 4 建坝后的库区位移沉降云图 Fig.4 the vertical displacement contour of embankment area for embankment building 图 5 建坝后坝体的竖向位移云图 Fig.5 the vertical displacement contour of embankment for embankment building 增 刊 刘 成等沉陷区内尾矿库变形预测 113 图 6 建坝后的最大主应力场 Fig.6 the max principal stress contour of embankmen for embankment building 2.3 煤矿未来开挖各年的沉降位移 图 7 为 2005 年至 2014 年未来 10 年煤矿开采引 起的地表位移沉降， 这与煤炭科学研究总院唐山分院 报告中采用概率积分法计算结果比较接近，见图 8。 图 7 开采到 2015 年的沉降位移云图（地表部分） Fig.7 the future vertical displacement contour for coal mining in 2015 图 8 煤矿未来 10 开挖各年的沉降位移对比分析 Fig8 the comparison analysis of the future ten years displacement for coal mining 3 结 论 （1） 采用 FLAC3D对范各庄煤矿形成沉陷区进 行模拟分析， 与现场勘测资料比较吻合， 误差不大， 表明模拟开采沉陷是可行的。 （2）由于煤矸石力学性质较弱，用它做筑坝 材料会产生较大位移，需要加筋处理。 （3）在沉陷区建库对库区影响不大，地基不 会产生大的沉陷，符合工程需要。 （4） 用 FLAC3D模拟未来煤矿开采引起的地表 沉陷与概率积分法比较吻合，对库区影响不大，符 合工程需要。 参考文献 [1] 谢和平,周宏伟,等.FLAC 在煤矿开采沉陷预测中的应用及对比分析 [J].岩土力学与工程学报,1999,184397-401. [2] 何国清,杨 伦.矿山开采沉陷学[M].徐州中国矿业大学出版 社,1991. [3] 黄润秋,许 强.显式拉格朗日差分分析在岩石边坡工程中的应用[J]. 岩石力学与工程学报,1995,144346-354. [4] 杨力强,张中杰.FLAC 基本原理及其在地学中的应用[J].地学前 缘,2003,10122-24. [5] 王泳嘉,邢纪波.离散单元法同拉格朗日法及其在岩土力学中的应用 [J].岩土力学,1995,1621-14. [6] Itasca Consulting Group Inc. FLAC-3D Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions ,Version 2.10， Users Manual VolumeⅤ [R]. USAItasca Consulting Group Inc,1997. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 2005 200920132016 沉降位移/m 概率积分法 FLAC3D 模拟 年份