Applied Sciences：彼得罗沙尼大学等人基于COMSOL模拟Lupeni矿区采煤引发的地面沉降

标题：Simulation of Land Subsidence Caused by Coal Mining at the Lupeni Mining Exploitation Using COMSOL Multiphysics

单位：彼得罗沙尼大学

期刊：《Applied Sciences》

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研究内容：研究卢佩尼矿业开采煤矿产生的沉降现象。

研究方法：利用COMSOL仿真软件，应用巴塞罗那基本模型（BBM）和改良Cam-Clay（MCC）模型。

结果：BBM模型更适合用于评估非饱和土壤在采矿影响下的沉降行为。数值结果证实地下水位变化在土壤变形中起着关键作用，强调使用先进的本构模型预测矿区部分饱和土壤行为的重要性。

背景

地下煤矿开采可能会导致地面沉降，地面沉降会导致基础设施损坏和生态问题。

Lupeni矿区，开采的煤炭以烟煤为主，固定碳含量在60%至75%之间。煤层厚度在0.5 m至3-4 m之间变化，主要开采区偶尔超过5 m。

由于采矿，可以观察到持续的沉降。

巴塞罗那基本模型

BBM可以分析非饱和条件下受吸力变化和湿干循环影响的变形和沉降过程。MCC为研究完全饱和条件下的塑性的演变和达到临界状态的行为提供了框架。

BBM的基础在于塑性理论、临界态土壤力学和改进的Cam-Clay公式。

MCC模型对软粘土的实验观察为本构关系提供了基础，描述了空隙比 e作为有效平均应力对数的函数的演变。

k和λ可以计算自

𝐶_𝑐是一维压缩指数。这些参数是从标准的经纬测试中获得的。

在BMM中，净应力定义为

应力不变量为

弹性形变定义为

两种屈服面公式为

屈服面由硬化参数控制，定义为

塑性应变增量定义为

模型参数更新后的应力状态表示为

模拟设置

建立了一个宽度为 8 米、深度为 6 米的土壤层有限元模型。在地层上设置一个 0.8 米宽的基脚，施加一个逐渐增大的法向载荷。

在下水平面施加固定边界条件，在左侧垂直面施加辊支承边界条件，在右侧垂直边界上使用二维轴对称模型镜像对称。

通过重力节点实现加载重力。通过外部应力节点对土壤域饱和部分施加孔隙压力。在土壤层上表面施加边界荷载模拟重量。

在理查兹方程中，最初设定 3 米的压力水头代表地下水位。随后增加到 8 米以模拟逐渐湿润的情况。

初始将饱和区设置在浸润线以下，将非饱和区设置在浸润线以上。在完全施加地基荷载后，将地下水位升高，至土壤完全饱和。

模型的材料属性来源于九谷矿盆地。

浮动压力、全局水位和初始吸力定义为随时间变化的函数。

 

模型的网格大小定义为更细。

结果

仿真计算了土壤域内不同地下水位的孔隙压力分布。

MCC模型预测的塑性区范围较广，但对吸力变化不敏感。BBM模型能更真实地反映地下水位上升导致的吸力丧失，从而引发附加沉降。

Von Mises应力分布显示BBM模型在考虑吸力后对土体强度的预测更为保守。

地基荷载与沉降关系图表明：在塑性阶段，BBM预测的沉降小于MCC，体现吸力增强土体强度的作用。

结论

BBM模型更适合用于评估非饱和土壤在采矿影响下的沉降行为。

地下水位变化是影响沉降的关键因素，应在矿区管理中重点监测。

建议未来结合现场监测数据进一步优化模型，并探索减缓沉降的工程措施，如回填、支护或排水系统改进。