摘要：本文依据辽宁省丹东市某煤矿采空区，利用大型数值模拟软件ABAQUS和收集的地层资料对其进行三维模拟，通过数值模拟给出矿区不同采空区顶板岩体和地表位移变化规律进行研究。

关键词：ABAQUS;采空区;岩体位移

中国目前正处于飞速发展的时代，我国地大物博，各种资源蕴藏量丰富，同时中国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一。为了跟上国民经济快速发展的脚步，矿产资源的开采得到了飞速提升。由于煤层的大面积开采，在多山地区，因为矿产开采带来的某一地层的缺失，导致岩层倾角改变，进而产生地层断裂、滑坡、泥石流、山体崩塌等地质灾害现象频繁发生;在平原人类居住区，因为煤炭资源的过量无序开采产生了大面积的采空区，有些地区甚至出现了面积庞大的采空区群，这些采空区的大量存在使上覆岩土体的很大程度的降低，引起了各种各样的地质灾害问题。

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：根据所得参数要求建立模型→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

辽宁省凤城市爱阳镇顾家煤矿位于凤城市爱阳镇顾家村，企业性质为全民，开采矿种为焦煤，年产量2.0万吨，矿区面积1.80km2，原为顾家煤矿下属的一个基层生产单位，由国家投资，于1971年建矿，1973年 7月投产。丹东顾家煤矿斜井中心地理坐标为：东经：124° 23′ 11″，北纬： 40° 58′ 53″。矿柱多数都已破坏，所带来的顶板岩体拉裂引起上覆岩土体下沉，进一步导致了地下采空区的影响范围面积越来越大，煤层最厚的达6m，最薄处为4m，平均厚度5m，倾角在1°～5°之间，基本可以认为是水平煤层。控制长度贯穿全区，平控制煤层埋深标高在20m ～90m之间。煤层顶、底板围岩多为砂岩，也有砂泥岩和泥岩出现。

（二）地质参数

本次勘察，根据收集矿山地质和矿床开采资料和物探成果，结合现场调查情况，沿矿脉和预计的采空区走向边缘地带，共布置22个钻孔，钻孔深度位置以揭露采空区和控制采空区边缘为原则，并对物探异常进行验证，钻孔深度120m或达到揭露的采空区底板。

（三）模型假设与建立

岩土是一种非常复杂的物质。所以本文所建立模型之前需做出一定的假设。1假设各层岩土体均为各向同性材料2根据以往的地质资料和现场调查，研究区的地层倾角均在0°-8°之间，因此本次研究取地层倾角为平均值4°。建立模型所需的物理力学参数：荷载条件：只考虑岩土体自重应力。边界条件：模型的左右边界固定，限制水平方向的位移;模型的前后边界固定，限制前后水平方向的位移;模型底部全约束，限制水平和竖向的位移;模型顶部自由，不添加任何约束。本次模拟采用研究矿区采空区赋存最多的地表下标高50m地层，每次增加2m硐室宽度的方法分析上覆岩体的稳定情况。埋深50m情况下，不同跨度采空区顶板岩体和地表在垂向的位移变化情况如下：

从上图可以看出，随着硐室跨度的增大，图中由于采空区造成的沉降影响区域也越来越大。这种情况不仅表现为采空区以上岩体的沉降，可以看到底板以下的影响区域也在横向和垂向也都表现了不同程度的扩大。同时，可以看出采空区顶板和地表的沉降位移值越来越大，直至顶板岩体拉裂。在硐室底板也表现出了相似的变化，由于硐室宽度的增加，底板中心处所承受的向上的弯矩越来越大，因此底板向上隆起的位移和范围也增加。

从以上位移云图中可以得到不同跨度下采空区顶板和地表最大沉降位移數据以及基于数据可得不同跨度下采空区顶板岩体和地表沉降最大位移曲线图如下：

从上图可以分析地表沉降的规律。在硐室跨度达到28m前，采空区地表最大沉降变形维持在0.1mm量级，2m跨度的增加仅对应于不足0.1mm的沉降变形量，几乎可以认为地表没有变形，处于稳定状态。硐室跨度达到28m时，地表沉降仅为5.42mm。当跨度达到30m时，地表沉降发生突变，从5.42mm骤增至54.1mm，增幅也达到10倍。由此可见，在采空区跨度达30m时，地表也发生了塌陷。

二、结语：

通过对辽宁省凤城市某矿区采空区进行模拟分析，得出了该采空区的失稳规律，并预测了沉降发生突变的跨度。依据本文所分析，为防止采空区地表发生突变，建议有关部门采取注浆或加固处理，避免造成不必要的损失。

参考文献：

[1]郭仓.FLAC在采矿工程中的应用.科技信息.2010（3）：23

作者简介：范启鹏（1993- ），男，汉族，辽宁省沈阳市人，工学硕士，沈阳建筑大学，研究方向：采空区岩体变形规律分析。