基于ANSYS软件的某残煤自燃采坑边坡的稳定分析
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于ANSYS软件的某残煤自燃采坑边坡的稳定分析范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘 要：通过有限元软件ANSYS，对某露天矿残煤自燃采坑边坡进行模型简化，并进行三维数值模拟，通过数值分析得出残煤自燃的温度场云图，进而得出残煤自燃采坑边坡的X及Y方向位移云图；所得结果对进一步研究残煤自燃采坑边坡的稳定性具有一定的参考意义。
关键词：ANSYS；数值模拟；残煤自燃；位移云图
中图分类号：TD32 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）07-0122-01
随着我国经济的发展，对煤炭需求量也随之增加，露天煤矿的开采数量、深度也随之增加。在煤层开采过程中，我国大约有50%的矿井存在自燃发火危险，每年由于自燃造成直接或间接经济损失近百亿元。尤其是到20世纪80年代末以来，自燃火灾已成为制约煤矿高产高效技术发展的主要障碍之一。因此，研究和分析露天矿边坡残煤自燃诱发滑坡过程和规律，具有重要意义。
本文基于ansys软件对某露天矿残煤自燃采坑边坡进行模型简化，并进行三维数值模拟，通过分析确定其基本稳定性，为此边坡的后续治理提供了依据，同时对同地质条件下露天矿残煤自燃采坑边坡的稳定性分析提供参考。
1 残煤自燃采坑边坡概况
此露天矿坑岩质高边坡局部总高度达300m以上，现在已经形成一个由若干个台阶组成的，坡角20°～40°的露天开采边坡。根据该区地层出露分布情况和岩石组成特征，可分成三个工程地质岩组，即（1）砂质页岩-砂岩-夹薄煤层（或炭质页岩）岩组；（2）煤层-粗砂岩-砾岩互层岩组；（3）断层破碎带岩组。
由于本露天矿的开采条件、设备和开采技术的限制，采空区遗煤较多，且多为浅部开采，易于和地表裂缝沟通，发火危险突出。
本矿坑已经测得有200余处发火点，主要发火点约有50处。从1953―2008年之间共发生了80次滑坡，其中，由残煤自燃诱发达29次，占34%。
2 残煤自燃采坑边坡主要特征
此露天矿坑岩质高边坡岩体为顺倾的层状岩体，岩层倾向与边坡倾向一致。构成边坡岩体的主要岩层为：砂质页岩、砂岩、页岩、薄煤层及炭质页岩，弱层的主要成分为页岩及炭质页岩，多分布在薄煤层的顶底板。
由于煤的自燃使地层内出现空区，导致岩层的强度，弹性模量和泊松比等力学参数发生变化，使其岩层的承载力降低，造成岩层移动、断裂，导致滑坡。
3 数值模型建立
基本原理
（1）对于稳态热传递，表示热平衡的微分方程：
（2）相应的有限元平衡方程：
式中：为传到矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；为节点温度向量；为节点热流率向量，包含热生成。
（3）参数及边界条件：岩石热膨胀系数取0.8e-5，导热系数取0.75（W・（m・K）-1），煤层热膨胀系数取5e-5，导热系数取3.0（W・（m・K）-1）。孙家湾层、中间层和太平上层煤层燃烧温度为1000℃，内部温度35℃，接触空气温度为23℃。
根据此边坡的变形破坏机制，其岩体在空间上分布具有较显著的不均一性。基于ANSYS软件，建立三维数值模型模拟边坡的模型尺寸：高度350m，宽度为500m，长度为500m。岩体单元取为八节点六面体等参实体元（Plane82），采用理想弹塑性本构模型及Drucker―Prager屈服准则。
4 结语
由于中间层和太平上层煤层自燃，边坡变形和破坏区域标高为0-100m。现状此岩质高边坡坡脚位移大，不能保证安全要求，须进行治理。随着残煤自燃采坑边坡露头残煤的燃烧，温度场影响范围相应增大，进而导致整个边坡岩体结构发生改变，炔坑αΤ≈匦路植肌K孀湃伎涨的增大，边坡岩体的塑性破坏区域向边坡深部发展。采坑边坡裂纹也逐渐增多、连通，进而导致位移增大，致使整个坡体出现破坏。
参考文献
[1]郑颖人，等.岩质边坡破坏机制有限元数值模拟分析[J].岩石力学与工程学报，2003，22（12）：1943-1952.
[2]吴晓光.煤自然发火实验台温度场数值模拟研究[D].西安：西安科技大学，2005.
[3]赵尚毅，郑颖人，时卫民，王敬林.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J].岩土工程学报，2002（03）.
[4]单衍景，崔俊芝，梁复刚.基于结构面统计模型和应力场的岩体稳定性分析的期望滑移路径方法[J].岩石力学与工程学报，2002（02）.
[5]赵吉东，尹健民，周维垣，杨若琼.节理岩体断烈损伤模型在三峡坝基岩体力学参数模拟和预测中的应用[J].岩石力学与工程学报，2002（02）.
[6]郑颖人，赵尚毅，时卫民，林丽.边坡稳定分析的一些进展[J].地下空间，2001（04）.
[7]朱维申，任伟中.船闸边坡节理岩体锚固效应的模型试验研究[J].岩石力学与工程学报，2001（05）.
[8]霍克-布朗强度准则中m，s参数的断裂分析[J].岩石力学与工程学报，2001（04）.
[9]张林洪.结构面抗剪强度的一种确定方法[J].岩石力学与工程学报，2001（01）.
[10]朱维申，张玉军.三峡船闸高边坡节理岩体稳定分析及加固方案初步研究[J].岩石力学与工程学报，1996（04）.