作者：郑晓蒙
基于Midas GTS的地下开采对管状皮带影响的有限元分析内容简介：
地下煤炭资源采出后破坏了岩体内部原有的力学平衡状态，使岩层发生移动、变形，当开采规模超过一定范围，破坏和移动将会扩展到地表形成地表沉陷，对地表的建（构）筑物产生重大影响‘1]。为了达到开采煤炭资源和保护地表建（构）筑物的平衡，有必要对地下开采引起的地表移动变形进行预测。从目前国内外的研究来看，预测方法主要有唯象法、力学法、数值模拟和相似模拟4类。
近些年来随着计算机和软件的不断发展，数值分析方法的不断成熟，数值模拟逐渐成为预测开采沉陷问题的重要手段，目前广泛使用的数值方法主要有：有限差分法、离散单元法、弹塑性有限单元法等‘2]，各类数值分析软件也运用到开采沉陷中。Midas GTS是一种较新的大型岩土结构有限元分析软件，具有直观建模、自动划分有限元网络等特点，能提供强大的二维和三维模拟功能，为解决地表沉陷问题提供了有利工具。
本文通过采用Midas GTS有限元分析系统，结合镇城底22620工作面地质条件，对工作面上方兴能电厂排灰管道在采动过程中的稳定性进行了分析，并据此提出了皮带保护措施。
1工程概况
1.1工程背景
古交兴能电厂位于镇城底矿南六采区，电厂皮带排灰管道从采区上方通过，如果在其范围内全部留设保护煤柱，势必造成煤炭资源的严重浪费。为了尽可能开采煤炭资源并保证兴能电厂排灰通道的正常运行，必须分析地下开采对排灰管道稳定性的动态影响，以便及时采取保护措施，保证皮带走廊的安全。
1.2工作面概况
22620工作面位于元家山村以东、王家坡村以南、鸡儿沟西北部；井下位置属于南六采区。工作面走向长1207m，倾向长170m，平均开采深度430m。所采煤层为2#、3#煤，煤层厚度3.5m，整体呈一向斜构造，煤层平均倾角为6。。工作面于2011年8月开始回采，开采为走向长臂式开采，顶板管理为全部垮落法。22620工作面上方建有地表岩移观测站。观测站共布置倾斜观测线2条，走向观测线1条，管状皮带观测线1条，其中皮带观测线位置见图1。
2模型建立
2.1 Midas GTS简介
Midas GTS(Geotechnical and Tunnel analysisSystem)是将有限元分析与岩土结构的专业性有机结合的有限元分析软件，具有基于CAD的三维几何建模功能、自动划分网格、映射网格等特点，其强大的前、后处理能力及分析能力为解决开采沉陷问题提供了优秀的平台。本次模拟结合开采实际对开采过程进行模拟，从而预测地面及管状皮带的动态移动与变形。
2.2力学模型的选择及岩层力学参数的选取
覆岩破碎的抗剪强度一般遵循Mohr-Coulomb准则，所以本次模拟采取摩尔一库伦(Mohr-Coulomb)模型。建模时按力学性质特点对不同地层进行一些合并，模型所包含的岩层从上到下依次为：黄土、砂质泥岩、砂岩、砂质泥岩、灰岩、泥岩、煤
层、细砂岩。所采用的岩层力学参数见表1。
2.3几何模型建立
本次模型以工作面走向为X方向，以倾向方向为Y方向，竖直方向为Z方向。根据弹塑性力学理论，开挖后应力变化的影响范为所开挖范围的3～5倍。此次模拟的开挖尺寸为采长480m，采宽170m。为了满足计算需要并保证计算精度，取模型走向长度为1500m，倾向长度为550m。模型尽量符合地表实际，最高点473m，最低点436m。详细的三维模型及其网格划分见图2。
图2 三维计算模型及网格划分图
2.4边界条件设定
本模型采用的边界约束条件：①模型的上边界地面为自由边界；②模型的前后、左右边界均施加水平法向约束；③模型底边界施加固定约束。
3 数值模拟结果及分析
3.1数值模拟结果
数值模型工作面采长480m，本次模拟结合观测情况，对开采过程中五个阶段的地表移动变形进行分析。数值模拟首先根据地层物理力学参数、模型边界条件等计算初始应力场，然后在初始应力场的基础上按顺序模拟开挖，每开挖一次为一个施工阶段。进行施工阶段分析后，可输出任意断面的水平和竖向位移云图。图3、图4为工作面推进230m时，走向主断面上的水平和竖向位移图。
观测点各阶段下沉曲线如图5所示。由图5可知，随着开采的进行，位于皮带走廊的各观测点产生不同程度的下沉，下沉量自皮带走廊观测线中心向两侧逐渐减小。工作面推进230m时，位于回采工作面以外的G35、G38、G61、G63下沉量均在lOmm以下，基本不受开采影响。随着工作面的推进，各观测点下沉量不断增加，不均匀沉降问题也愈加明显。工作面推进至480m时，预计最大沉值位于G50，达到1280mm;最小为63mm。为保证皮带支架结构的安全，建议解开支架固定螺栓，卸载地表沉陷引发的结构应力。地表点的倾斜、曲率和水平变形值由节点的下沉差值和水平移动差值计算而得。
倾斜曲线见图6。由图6可知，随着工作面的推进，皮带走廊倾斜变形显著增加。最大值由0. 95mm/m增加至11. 7mm/m，大于规程规定的临界值3mm/m；轨道巷一侧最大倾斜变形预计出现在G44～G46之间，皮带巷一侧出现在G54～G55之间。倾斜变形会造成皮带支架歪斜，进而破坏皮带稳定性。为减缓倾斜影响，建议在皮带的支架侧面加斜撑。
模拟结果显示水平变形曲线与曲率曲线形状相似。曲率曲线见图7，位于工作面边界外侧的支架将产生拉伸变形和正曲率变形，而工作面中心部位支架受到压缩变形和负曲率变形的影响。工作面推进到380m时，最大正负曲率变形分别达0. 25mm/m2和-0.35mm/m2，超出规程临界值0.2mm/m2。拉伸变形易引起皮带支架产生竖向裂缝，而压缩变形易使皮带支架产生剪切和水平挤压裂缝。建议在压缩变形严重部位挖变形缝以减缓压缩变形对皮带的影响。
3.2模拟值与观测值对比分析
本文采用Midas GTS软件进行采空区施工过程的动态数值模拟，得出五种工况下管状皮带观测点的移动变形值。表2给出了模拟结果与观测值的对比。
由表2可知，数值模拟预计的移动变形与实际观测数据存在差距。产生这种结果的原因主要有：①所建模型与真实地表有一定差异；②上覆岩层复杂多变，而所建模型经过一系列简化，不能完整表达研究区域的地层构造；③地表移动变形模拟的准确性很大程度取决于岩土力学参数的选取。模拟所采用岩层物理力学参数与真实值之间存在差异。
经计算，此次模拟下沉预测误差在2.4%～7. 6%之间，水平移动在1.5%～7.1%之间，倾斜误差在2.7%～10.4%之间，水平变形误差在3.3%～10. 8%之间，曲率误差在0%～20%之间。除曲率外，其它移动变形值预测误差均在II%以内，与实测数据误差较小。因此，本文认为采用Midas GTS软件能较好地进行地表移动变形预测。
4 结 论
1)本文采用Midas GTS软件进行了开采过程的数值模拟，经与皮带实测移动变形资料对比，除曲率外的移动变形预测误差均在11%以内，表明Midas GTS作为一种较新的有限元分析软件，用来预测地表开采沉陷规律是可行的。
2)由于上覆岩层及地形的复杂性，所建三维模型很难完全表达实际情况，为了用数值模拟方法更准确地分析开采沉陷问题，需进一步深入研究。
3)分析结果表明，随着工作面的推进电厂皮带将受到采动破坏。为保证电厂的正常运行，建议及时采取保护措施。
5评述：
随着煤炭资源的大规模开采，越来越多的建（构）筑物不可避免的受到沉陷影响，这对建（构）筑物的安全构成了极大威胁。为保证镇城底矿22620工作面上方兴能电厂管状皮带的正常运转，以镇城底矿地质采矿条件为基础，通过Midas GTS岩土结构有限元分析软件，对管状皮带在地下开采过程的移动和变形进行了动态预计，并与现场实测数据作了对比。研究结果表明，所建立数值模型满足工程精度需要，工作面推进至3lOm时，管状皮带的移动变形值大于规程规定的临界变形值，皮带将受到采动破坏。根据预计结果提出了皮带走廊的修补保护措施，以保证电厂正常运营。
