新汶矿区岩体力学参数识别与地表变形预计

摘要　根据新汶矿区浅部观测站资料，以岩石力学为基础，采用了弹性力学有限元法反演了地层力学参数，由反演的采动地层力学参数，预计了深部开采地表移动值，获得了深部采矿地表岩移参数的变化规律，并提出了安全开采深度的实用计算方法，建立了岩层与地表移动、变形与岩体力学性质之间的联系问题，为深部安全开采探明了一条新路。
关键词　岩体力学　参数　地表变形　岩层移动

　　针对地下开采引起的岩层与地表移动、变形问题，新汶矿区已进行了三十余年的研究工作。
　　为寻求新的研究手段，特别是解决岩层与地表移动、变形与岩体力学性质之间的联系问题，开展了“深部采矿岩层移动参数分析的研究”工作，由于观测资料限制，本次参数分析仅研究了潘西煤矿1965年完成的开采十九层煤2901、2902工作面地表岩层移动观测资料，对其力学参数进行了反演计算及深部开采地表岩移值预计计算。地层柱状图见图1。

图1　地层柱状图

　　这次研究，首先把各岩层视为各向同性材料，把整个岩体视为各向异性，并按有限单元进行离散化，建立的岩体力学模型作为适用于新汶矿区具体开采条件下的最佳力学模型，在此力学模型中，把各层基岩视为各向同性材料，表土层视为横向各向同性材料，采空区的矸石带作为一种起支撑作用的材料，程序可解算三角形单元、矩形单元和节理单元这三种单元类型。而模型的节点、单元信息均自动形成，同时可自动形成给定的边界条件。
　　岩层与地表移动的参数识别（主要是岩体的弹性模型），是通过建立下列目标函数，配合最优化方法，采用参数识别的直接算法，运行有限元计算程序来进行的，用以计算不同参数下的地表移动变形值。

式中
　　n——已知观测位移个数；
　　m——待求参数的个数；
　　A_i、B_i——待求参数的上、下限；
　　Q——罚因子；
　　w_i——计算的测点下沉及水平移动值；
　　w^*_i——对应的实测下沉及水平移动值；
　　Eⁱ——待求参数初值。

　　这次岩层移动参数分析采用“日本软脑株式会社”开发的2D—σ软件完成。支持系统为MD—WindowsVersion3.1以上版本，软件包括前处理器、分析器和后处理器。前处理器可自动将用户输入的力学数据转换成分析用的有限元数据：分析器将前处理器的输出数据进行分析，并输出有限元的分析结果；后处理器则用于将分析器的分析结果转换成直观的且具有力学意义的结果。使用2D—σ软件，用户只须将设计图、材料常数、载荷、边界条件等参数以及填土、控挖、支护等与施工工艺相关的数据直接输入给前处理器，就可从后处理器获得变形图、等值线图、应力分布曲线、数值表等易于理解的直观结果，用户不必关心与有限元理论相关的中间处理过程，集调查、设计、分析和评价功能于一体，能完成高质量、高难度的工程设计和结构分析。
　　2D—σ软件使用的位移反分析的有限元模型为使用高维插值函数的单元模型，其表现是：
　　a　使用少量单元就可获得较高的分析精度。
　　b　具有复杂形状的构造物也可被正确地模型化。
　　c　可得到分析领域边界上的应变／应力。
　　d　用一个单元就可取得多个采样点。
　　由2901、2902工作面实测下沉值拟合地层力学参数初值及力学参数拟合结果见表1。拟合过程见图2。

图2　2901、2902岩层移动观测站地表移动力学模拟图

表1　模拟计算值