地下采空区对地表稳定性的影响

地下采空区对地表稳定性的影响是一项有着重要理论意义和应用价值的研究课题。本文采用功能强大的通用有限元分析软件ANSYS 对其进行了数值模拟分析,主要完成了以下几方面的工作: 1.通过查阅大量文献资料,系统地总结了开采沉陷理论的研究历史与现状,对其中的两类主要研究方法:唯象学研究方法和力学研究方法分别进行了详细总结和评述,并指出了其存在的问题和不足。对以力学研究方法为基础的开采沉陷数值模拟方法做了详细介绍和分析。 2.对地下开采引起沉陷的基本特征进行了简要介绍和总结。主要包括对上覆岩层的分带、移动形式和破坏过程的介绍和总结,以及对地表塌陷范围、地表移动破坏形式和基本地表变形参数的介绍和总结。 3.对岩土弹塑性本构关系进行总结,对Drucker-Prager 模型及其模型参数的选取作了简要说明。详细介绍了如何在ANSYS 中实现对岩土非线性力学行为的模拟分析,并通过一个具体的工程实例说明如何使用ANSYS 对采空区地表稳定性问题进行数值模拟分析,其计算结果在工程中得到了应用。4.对地下开采引起地表沉陷的影响因素,应用ANSYS 软件进行了数值模拟计算,经过详细分析和研究,得出了如下结论: (1)开采深度的影响:随着开采深度的增加,地表沉降随之递减;最大水平变形也随之减小;下沉盆地的范围略有扩大,而且变的越来越平缓。 (2)开采厚度的影响: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;下沉盆地的范围变化不大,下沉盆地边缘处沉降差值递增。 (3)开采宽度的影响:随着开采宽度的增加,地表竖向位移随之递增,且增加速率较快;最大水平变形也随之迅速增长;下沉盆地的范围随着开采宽度的增加而不断扩大。 (4)上覆岩层性质的影响:随着岩层硬度的增加,地表最大水平位移,最大竖向位移都明显减小;在复合型岩层中,上软下硬型的沉降和水平位移比上硬下软型要有所减小,且下沉盆地较平缓。 (5)地形的影响:随着山体坡度的增加,下沉盆地已不再位于采空区正上方,而是逐渐向地势较低方向移动。 (6)留设煤柱的影响:留设合理尺寸的安全煤柱对建筑物的下沉值的控制起到明显的作用,且煤柱尺寸越大,控制效果越好;当留设安全煤柱时,地表曲率为正(凸)曲率,且煤柱尺寸越小曲率越大,可使地表建筑物产生拉伸变形,对建筑物不利。较小尺寸(尺寸不足)的煤柱对建筑物造成的损害比不留煤柱开采还要大;当安全煤柱尺寸继续增大时,地表曲率也随之逐渐减小。