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第17卷 1期 2006年1月 中国地质灾害与防治学报 The Chinese Journal of Geological Hazard and Control Vol.17 No.1 Jan.2006 运用ANSYS分析开采倾斜煤层引起的地表变形 张荣亮 1 ,麻凤海 2 ,杨 帆 3 ,肖 波 1 1 1 辽宁工程技术大学土木与建筑工程系,辽宁 阜新 123000; 21 辽宁工程技术大学学科规划发展处,辽宁 阜新 123000; 31 辽宁工程技术大学测量工程系,辽宁 阜新 123000 摘要针对倾斜煤层的开采特点,应用有限元基本原理,建立了倾斜煤层开采的有限元分析模型。利用大型有限元分 析软件ANSYS对开采倾斜煤层引起的岩体移动、 地表沉陷及应力分布情况进行了数值模拟,总结出倾斜煤层开采时 岩体移动的基本特征及地表沉陷的相关参数。利用ANSYS软件作出地表基准点的水平、 下沉移动分布曲线、 应力分 布曲线以及计算模型的应力等值线图、 水平移动等值线图和下沉等值线图。上述分布图直观地显示了顶板、 煤层及 底板的变形以及应力分布情况。阐明了倾斜煤层开采引起地表沉陷的变形机理。为矿区建筑物下倾斜煤层的开采 提供了参考依据。 关键词倾斜煤层;有限元;数值模拟;地表沉陷;下沉等值线图 文章编号10032803520060120091204中图分类号P642126文献标识码A 收稿日期2005201210;修回日期2005206203 基金项目辽宁省教育厅基金202183392、 辽宁省自然科学基 金20022158及辽宁省中青年学科带头人培养基金 联合资助. 作者简介张荣亮1980 , 男,在读硕士研究生,主要研究方 向为煤矿开采沉陷. 1 引言 矿床的地下开采是一庞大而复杂的系统工程。 开采过程中的各个环节、 步骤相互影响,相互制约。 运用有限单元法对西安煤矿倾斜煤层的岩体移动、 地 表变形规律及应力分布情况进行了数值模拟研究,力 求较真实地反映矿山开采过程,寻求由于倾斜煤层的 开采对地表移动变形以及上覆岩体应力分布的变化 规律,以便为实际生产所用。本文利用ANSYS有限 元软件对倾斜煤层进行了数值模拟分析。通过建立 的二维有限元弹塑性模型,模拟计算了应力场、 位移 场的变形情况,为该矿的安全生产和灾害防治提供了 可靠的科学依据。 2 ANSYS计算分析过程 ANSYS计算分析过程 [1]主要由 3部分组成,即建 立模型、 加载求解及结果评价。具体流程图如图1所 示。在建立实体模型时,通过布尔运算、 拷贝、 搭接、 粘接等方法进行,可对任何复杂的结构进行建模且耗 时少。本文建立的模型是通过先建立关键点,然后连 接各关键点形成线模型,最后通过线建立起面。建立 完模型后,定义单元类型并输入材料属性,对每个面 定义单元属性。之后利用分网器对整个模型分网。 也可以用自适应网格划分自动生成单元。单元库非 常丰富,有100多种不同的单元供选择,完全可以满 足一般工程计算的需要。加约束及施加力也很方便, 只需在要加载的节点用鼠标就可完成。对于复杂或 多种载荷并存的情况,通过建立多载荷步完成。后处 理可对计算过程中的任一步,整个过程或沿某个路径 的结果进行打印显示。还可以显示变形图、 各种等值 线图或节点变化曲线。也可直接得出各点的轨线图。 建模 定义作业名 定义单元类型名 定义材料特性 建立几何模型 加载求解 定义分析类型 加载 求解 结果评价 通风后处理 图1 ANSYS计算过程流程图 Fig.1 Flow chart of calculation by ANSYS 3 有限元模型的建立 311 地质背景 某煤矿为向斜盆地构造。矿井煤田系中生代侏 罗纪成煤。煤矿主要可采煤层的平均厚度为2m ,煤 层倾角18 左右,煤层赋存较稳定。随着采深的不断 增加,现开采煤层位于- 200～- 300 m。顶板岩层为 砂页岩,底板岩层为页岩。工作面长100m。 312 建立有限单元模型 将实际开采情况简化为二维平面有限元弹塑性 本构模型 [2] ,采用摩尔2库仑准则进行计算。模型尺 寸取X向500m , Y向350m ,即分别为模型的长、 高 顶、 底板与煤层关系位置以及计算模型如图2所 示。地表为自由边界;底板节点竖向位移固定,水平 方向自由;模型左右边界水平方向固定,垂直方向自 由。由于岩体及其结构的复杂性,模型在设计时进行 了必要的简化,突出了影响地表沉降破坏的主要因 素,能基本体现出岩层移动的变化过程及地表沉降演 化过程。根据建立的计算模型特点,采用标准的四节 点矩形单元对计算区域离散化。根据以上分析,在倾 斜煤层开采的区域内,单元应划分的细一些,对于受 采动影响较小的其它区域,网格划分可稍大。整个计 算模型共离散成为499个节点,445个单元。 图2 有限元网格图 Fig.2 The mesh structure of finite element model 313 计算参数的选取 计算剖面上的岩性主要为砂页岩、 页岩,顶、 底板 的岩石物理力学性质不同。但计算时以考虑力学性 质为主,对岩类进行简化,计算中的力学性质指标不 以岩性而是以岩类来划分。岩体力学参数将对于顶 板、 煤层及底板3类给出。计算模型的基本参数均通 过实验室测得,其参数详见表1所示。岩土体的强 度指标值一般小于实验所得的岩土块强度指标值。 因此各岩土层计算参数根据室内岩土样的实测物 理力学性质指标乘以小于110的经验系数换算得到。 在计算时表层土厚平均50m ,重度210 3kg m - 3 ,故 计算时在模型上加2MPa的均布荷载,作为模拟上伏 岩层自重。由于要考虑倾斜开采所引起的地表移动 变形情况,计算区域向上直到地表,上覆岩层以及下 伏岩层都是倾角18 的倾斜岩层,模拟煤层厚度为 210m。 表1 各岩层物理力学性质参数 Table 1 Parameters of rock layers 各岩层 名称 弹性模 量E GPa 泊松比 μ 密度 ρ 103kgm- 3 黏聚力 C MPa 内摩擦 角φ 抗拉强 度RL MPa 抗压强度 RC MPa 顶板150124215103991410515 煤层01801351132257126913 底板12012821493611149115 4 数值模拟的结果及分析 选取模型中沿着x轴方向上7个点作为分析地 表移动的基准点通过ANSYS软件计算得出这7个点 的主应力、 剪应力以及水平移动值和下沉值。 411 开采引起的应力状态及其变化 通过对倾斜煤层开采应力分布状态计算,得到地 表应力变化曲线如图3所示。详细的参数值见下表 2。从以上的表格中可以得出x方向上,y方向上的 主应力以及剪应力xy变化成不规则曲线型。 图3 地表应力分布曲线 Fig.3 Surface stress variation of the rock mess 29 中国地质灾害与防治学报 ZHONGG UO DIZHIZAIHAI Y U FANGZHI XUEBAO2006年 表2 基准点的主应力及剪应力 Table 2 Primary stress and shear stress on the key points 编号 节点号 x方向的 坐标值m x方向的 主应力MPa y方向的 主应力MPa 剪应力 MPa 110- 0111- 3156- 0132 23101- 0186- 3120- 0146 34194- 1196- 2159- 0128 45280- 1192- 21410127 56359- 0155- 21710155 674321111- 21770129 725001156- 31090110 利用ANSYS强大的后处理系统可以清楚地看到 倾斜煤层开采时所引起的上覆岩体、 煤层以及下伏岩 体应力分布情况如图4所示。开采活动破坏了采 场围岩的原始应力平衡状态 [3] ,导致其围岩应力重新 分布。在采场围岩形成新的应力平衡状态。采场围 岩内部的这种破坏和应力重新分布过程随着开采活 动的继续,不断发生改变。 图4 地表应力等值线分布图 Fig.4 Isogram of stress within the rock mass 图5 地表水平移动等值线分布图 Fig.5 Isogram of horizontal displacement of the rock mass 图6 地表沉降等值线分布图 Fig.6 Isogram of ground subsidence 412 地表移动变形特征 通过对倾斜煤层开采位移计算,得到水平移动以 及沉降变化等值线如图5、6所示。详细的参数值 见表3。并绘制了地表位移参数在同一个坐标系下 的图形图 7 。 表3 基准点的水平移动值及下沉值 T able 3 H orizontal displacement and subsidence of the key points 编号 节点号X方向坐标值m水平移动值mm下沉值mm 1100- 233 231014177- 238 34194- 1160- 246 45280- 1112- 240 56359- 1519- 224 67432- 1016- 209 725000- 205 图7 地表水平移动分布曲线 Fig.7 Horizon displacement of ground surface 〔UX2水平移动值;UY2下沉值〕 39 第1期张荣亮,等运用ANSYS分析开采倾斜煤层引起的地表变形 通过对计算结果的分析表明,顶、 底板法向最大 位移分布规律为上部位移大于中部位移,中部位移大 于下部位移。岩层移动形式除有法向弯曲外,还伴随 有沿层面的剪切移动和岩石下滑。覆岩破坏部分呈 抛物线形状,地表沉陷的盆地并不是对称的,而是非 对称的碗形或盘形。有以下几点规律 41211 下沉曲线、 倾斜曲线和曲率曲线下沉曲线失 去对称性,如上山部分的下沉曲线比下山部分的下沉 曲线要陡,范围要小;最大下沉点向下山方向偏离,下 沉曲线的两个拐点与采空区不对称,而是偏向下山方 向。随着下沉曲线的变化,倾斜曲线和曲率曲线也相 应发生变化。 图8 倾斜煤层开采示意图 Fig.8 Diagrammatic sketch of excavation of the inclined coal layer 地表移动达到充分采动后,在地表下沉曲线上找 出最大下沉的边缘点,投影到地表O1、O2点,见图8。 由最大下沉的边缘点向采空区边界连线,与煤层所交 的在采空区一侧的夹角称为充分采动角。倾斜煤层 开采,下山方向的充分采动角用 1表示,上山方向的 充分采动角用 2表示。 41212 水平移动曲线在倾斜煤层开采时,随着煤层 倾角的增大,指向上山方向的水平移动值逐渐增大, 而指向下山方向的水平移动值逐渐减小。 41213 水平变形曲线水平变形曲线有两个极值,正 极值称最大拉伸值 边界点和拐点之间,负极值称 最大压缩值 拐点和最大下沉点之间。拐点处水 平变形值为0。 41214 水平移动曲线和倾斜曲线不相似,水平变形 曲线和曲率曲线不相似。 由ANSYS预计的最大地表下沉值为292mm ,最 大水平移动值234mm。 5 结论 从数值模拟分析中得到如下结论 511 在倾斜面方向,由于最大下沉点偏移,使得倾斜 剖面上沿上山方向影响范围小、 下沉变化较快,沿下 山方向影响范围大、 下沉变化相对较小,从而形成一 个非对称的瓢形下沉曲线剖面。 512 煤层倾角是地表移动参数如下山移动角、 下山 边界角、 最大下沉角以及水平移动值的重要影响因 素。因此,在开采之前应该做好各项预计。有限单元 法ANSYS提供了一种有效的预测方法。 513 经计算机数值模拟,初步得到如下参数通过 下沉等值线图可以量出下沉值为 10mm的点作为下 沉盆地的边界。并将开采达到或接近充分采动时的 移动盆地主断面上的盆地边界点和采空区边界点的 连线,与水平线在采空区外侧的夹角称为边界角。边 界角用来确定下沉影响范围。因此影响范围为 1020m ,最大下沉值位于节点305 ,其剖面坐标是 305 114 , - 2401 16 。这些结果同通过概率积分法 [3] 计算出来数据基本吻合。可以作为地表下沉预计的 参考。 514 倾斜煤层沿倾斜方向采场上覆岩层的变形、 移 动与破坏特征,与缓倾斜煤层的主要区别在于由煤层 倾角增大而带来的不对称性。具体表现在采空区充 填程度、 冒落带与裂隙带形态以及压力分布等方面的 不对称。 参考文献 [1] 王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践 [M].西安西北工业大学出版社,2000. 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Measuring on the benefits of clear air and water ,originalenglish2languageeditionbublishedby resources for the future. 上接第94页 Analysis of surface deation of a rock mass with a inclined coal seam using ANSYS ZHANG Rong2liang 1 , MA Feng2hai 2 ,Y ANG Fan 3 ,XIAO Bo 1 1 1Civil Engineering and Architecture College , Liaoning Technical University , Fuxin 123000 , China ; 21Department of Discipline Planning 31Department of Surveying Engineering , Liaoning Technical University , Fuxin 123000 , China AbstractSurface deation of a rock mass with an inclined coal seam is analyzed using a FEM code of ANSYS. By numerical simulation , the features of strata movement , fundamental behavior of related parameters of surface displacement and stress distribution are obtained. The paper shows that the mechanism of deation is controlled by ocurrence of the inclined coal seam. Findings of this paper are expected to provide reference basis for understanding of ground deation above inclined coal seam. Key wordsinclined seam; finite element ; numerical simulation; surface displacement ; subsidence isogram 051 中国地质灾害与防治学报 ZHONGG UO DIZHIZAIHAI Y U FANGZHI XUEBAO2006年