15-05-地表残余沉陷变形机理数值模拟与预计参数分析-2016年第2期

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地表残余沉陷变形探讨

时间为９～１４年。
表移动变形计算常用的概率积分法计算原理也应该适用于
从表１中可以看出，ＺＫ１、ＺＫ２和ＺＫ３钻孔的二煤采煤沉陷区地表残余移动变形的预计，并根据具体采矿条
层均已开采过，开采段均有掉钻现象，采空区范围岩芯破件确定相应的残余变形计算参数。碎、没有踏实，可见，停采９～ｌ４年的老采空区的破裂岩体之间仍存在较多的残留空洞，采空区还有进一步垮落、
孔号
孔深
Ｚｌ
３ｌ１９２
目前我国较成熟的、应用最为广泛的预计方法之一是表１各勘察孑Ｌ三带范围及划分依据
弯曲带范围（ｍ）
Ｏ～８４．Ｏ６
第四系厚度（ｍ）
６Ｏ．６５
断裂带范围（ｍ）
８４．０６～２２５．１６
ＺＫ３），这些勘察钻孔揭露的二层煤开采情况见表１。布变形的延续，可以假设其分布规律和地表移动期内的开采置钻孔周围煤层开采时间为１９９９～２００４年，距钻孔施工沉陷规律相一致。在水平和倾斜煤层开采条件下，常规地
为３４．３４ｋｍ，井下开采导致地面塌陷面积超过７０．１６ｋｍ，
化。据统计，焦作市矿井形成的井下采空区平面投影面积并在地表形成一个比采空区范围大得多的沉陷区称下沉盆地。描述下沉盆地内地表移动和变形的指标是下沉、倾斜、受影响村庄２４个，街道８个。因此，采煤沉陷给人民群众曲率、水平移动和水平变形等值。下沉盆地内任一点的地表

厚冲积层下地表沉陷与变形预计的方法的探讨——随机介质法

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根据积分原理可知，（式是不可积的，因此有积分的中值定理５）可知，若函数ｆｘ在某区间【，］（）ａｈ内是单调函数，且为非负非曾函数，那么函数ｇ（）ｘ为可积函数。则有：
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将（）１式和（）２式带入三式可得：
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翡霸
理论研究苑
２０９
厚冲积层下地表沉陷与变形预计的方法的探讨
随机介质法
王司林，李凤燕，刘孝刚，张桂俊
（徐州矿务集团二河尖煤矿地质测量科，江苏徐州２１０三２００）
摘要在厚冲积层下，地表沉陷与移动有自身的特点和变形规律，这些规律南上覆基岩和冲积层的综合影响所决定。在将冲积层枧为随机介质。而将基岩看成是粘弹性基础Ｅ的粘弹性粱的基础上。建立了地表沉陷与变形预计的新方法（随机介质的模型）及计算公式。通过

开采沉陷预计方法概述

开采沉陷预计方法概述摘要：本文主要介绍了当前使用的开采沉陷预计方法（基于实测资料的经验方法、影响函数法和理论模拟法）的原理、特点及应用情况，并简要介绍了开采沉陷预计的发展趋势，相信会对开采沉陷工作具有一定的帮助意义。

关键词：开采沉陷；预计方法；概率积分法；理论模拟法1 引言开采沉陷预计是矿山开采沉陷的核心内容之一，它对开采沉陷的理论研究和生产实践都有重要意义[1]。

由于采矿引起的地面沉陷损坏地面建筑、公路、铁路等，不但给人民生活带来了威胁，而且破坏环境。

开采沉陷的预计，对建筑物和生态环境的保护有重要意义。

因此，有必要对开采沉陷预计方法进行探讨，以指导矿山的开采。

开采沉陷预计方法很多，按建立预计方法的途径可分可分为三类：基于实测资料的经验方法、影响函数法和理论模拟法[2-4]。

2 开采沉陷方法简介基于实测资料的经验方法是通过对大量的已知开采沉陷实测资料进行数据处理，确定开采沉陷中各种移动变形值的函数形式和计算预计参数的经验公式。

这种方法在预测时，首先根据开采的地质条件，确定经验公式中的预计参数，再代入公式确定预计函数进而求出移动和变形值。

这种方法是当前最为可靠的一种预测方法，常见的经验方法有：典型曲线法和剖面函数法等。

理论模拟法把岩体抽象为某个数学的、力学或数学-力学的理论模型，按照这个模型计算受开采影响岩体产生的移动、变形和应力的分布情况。

如认为岩层和地表是一种连续的介质，则此模型属于连续介质模型；否则，就属于非连续介质模型。

此法所用的函数一般均由理论研究得出，所用的参数常用实验室试验或理论推导求得，一般与现场实测资料没有直接关系，常用的理论模型法主要有连续介质力学法等。

影响函数法是介于经验方法和理论模型方法之间的一种方法，它的实质是根据理论研究或其他方法确定微小单元开采对岩层或地表的影响（以影响函数表示），把整个开采对岩层和地表的影响看作采区内所有微小单元开采影响的总和，并据此计算整个开采引起的岩层和地表的移动和变形，目前此方法中所用的参数根据实测资料获得。

地表沉陷机理的流变特性分析

ａｒｅｌｇｃｌｍｏｅｓｃｎｒｄｔｎｌｚｈｕｆｃｕｓｄｎｅｍｅｈｎｓｈｏｏｉａｄｌｏｆｍｅｏａａｙｅｔｅｓｒｅｓｂｉｅｃｃａｉｍ．ｉｉａ
Ｋｅｒｓｕｆｃｕｓｄｎｅｈｏｏｉａｒｐｒｙｈｏｏｉａｄｌｙｗｏｄ：ｓｒｅｓｂｉｅｃ；ｒｅｌｇｃｌｐｅｔ；ｒｅｌｇｃｌｍｏｅａｏ
第ｌ卷第６期（１总第７３期）
２００６年１２月
煤
矿开采
Ｖｏ．１．（ｅｉｓＮ．３１１Ｎｏ６Ｓｒｅｏ７）
Ｄｅｍｂｒ２ｏｅｅｅｏ６
ＣａｎｎｅｈｏｏｙｏｌＭｉｉｇＴｃｎｌｇ
针对地表沉陷问题，国内外进行了大量研究，
变形和破坏具有明显的分带性，即上覆岩层移动、
变形与破坏可分为３个带：垮落带，裂缝带，弯曲
带。如图１示。所
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一
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２Ｍａｈｍａｃ．ｔｅｔｓ＆Ｍｅｈｎｃｅａｔｅｔｅｌｎｊｎｃｎｅ＆ＴｃｎｌｙＩｓｔｔ，ｒｉ１０２，Ｃｉａｉｃａｉｓｐｒｎ．ＨｉｇｉｇＳｉｃＤｍｏａｅｅｈｏｏｎｔｕｅＨａｂｎ５０７ｈｎ）ｇｉ
ＡｂｔａｔＬｎｎｎｆｏｌｒｅｕｔｉｅｉｕｕｆｃｕｓｄｎｅａｅｎｔｅｒｅｌｇｃｌｃａａｔｒｓｉｓｏｖｒｕｄｎｓａａｓｒｃ：ｏｇｍｉｉｇｏｌｅｙｒｓｌｎｓｒｓｓｒｅｓｂｉｅｃ．Ｂｓｄｏｈｈｏｏｉａｈｒｃｅｉｔｆｅｂｒｅｔｔ，ｃｉｓｏａｃｏｒ

地表动态沉陷变形的3个阶段与变形速度的研究

地表动态沉陷变形的３个阶段与变形速度的研究
，２黄乐亭１，王金庄１（１中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京㊀１０００８３；２煤炭科学研究总院唐山分院，河北唐山㊀０６３０１２）
摘㊀要：将地表动态沉陷变形发展变化的全过程划分为下沉发展、下沉充分和下沉衰减３个阶段，分析了这３个阶段地表沉陷变形的发展变化规律，提出了地表沉陷变形速度的新概念，研究了地表下沉过程中的地表倾斜变形速度和水平变形速度的发展变化规律，给出了建筑物易受损坏的危险期，水平拉伸（或压缩）变形速度量大于拉伸（或压缩）变形值最大阶段．关键词：地表动态沉陷变形；地表变形速度；下沉；阶段中图分类号：ＴＤ３２５４㊀㊀㊀文献标识码：Ａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｗｈｏｌｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｄｙｎａｍｉｃｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｗａｓｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｓｕｃｈｔｈｒｅｅｓｔａｇｅｓａｓｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｆｕｌｌｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅａｎｄｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｖａｒｉａｔｉｏｎｌａｗｓｏｆｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｓｅｔｈｒｅｅｓｔａｇｅｓｗｅｒｅｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄａｎｅｗｃｏｎｃｅｐｔ“ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ”ｗａｓａｌｓｏｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｗｈａｔ ’ ｓｍｏｒｅ，ａｒｅｓｅａｒｃｈｗａｓｍａｄｅｏｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｖａｒｉａｔｉｏｎｌａｗｓｏｆｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｓｕｒｆａｃｅｔｉｌｔａｎｄｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ，ａｎｄｄａｎｇｅｒｏｕｓｐｅｒｉｏｄｓｏｆｂｕｉｌｄｉｎｇｓｌｉａｂｌｅｔｏｂｅｄａｍａｇｅｄｗｅｒｅｇｉｖｅｎａｓｗｅｌｌ，ｉｔｉｓｔｈｅｓｔａｇｅｆｒｏｍｍａｘ．ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｈｏｒｉｚｏｎｓｔｒｅｔｃｈ（ｏｒｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）ｔｏｍａｘ．ｓｔｒｅｔｃｈ（ｏｒｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｖａｌｕｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｙｎａｍｉｃｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｓｕｒｆａｃｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙ；ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ；ｓｔａｇｅ㊀㊀地下开采引起的地表沉陷变形是一个复杂的随时间和空间变化的四维问题，是空间和时间的连续函数．通常使用的稳定状态的地表沉陷变形规律，仅是地表沉陷变形终止的一个特例．为了正确指导解决建筑物等压煤开采问题，需掌握地表沉陷变形的全过程，才能够预计开采过程中回采工作面位于任一位置时，地表变形的分布规律、最大变形值及其出现的位置和时间，以便合理地布置开采工作面，并选择恰当的开采速度，控制地表变形值．多年来，地表动态沉陷变形规律的研究取得了一些有价值的科研成果．通常仅以下沉速度为标准，把采动过程中的地表沉陷变形全过程划分为３个阶段：初始下沉阶段（地表下沉速度 ≤１６７ｍｍ／ｄ）；活跃下沉阶段（地表下沉速度＞１６７ｍｍ／ｄ）；衰减下沉阶段（地表下沉速度≤１６７ｍｍ／ｄ）．这３个阶段的划

开采沉陷预计方法概述

开采沉陷预计⽅法概述开采沉陷预计⽅法概述摘要：本⽂主要介绍了当前使⽤的开采沉陷预计⽅法（基于实测资料的经验⽅法、影响函数法和理论模拟法）的原理、特点及应⽤情况，并简要介绍了开采沉陷预计的发展趋势，相信会对开采沉陷⼯作具有⼀定的帮助意义。

关键词：开采沉陷；预计⽅法；概率积分法；理论模拟法1 引⾔开采沉陷预计是矿⼭开采沉陷的核⼼内容之⼀，它对开采沉陷的理论研究和⽣产实践都有重要意义[1]。

由于采矿引起的地⾯沉陷损坏地⾯建筑、公路、铁路等，不但给⼈民⽣活带来了威胁，⽽且破坏环境。

开采沉陷的预计，对建筑物和⽣态环境的保护有重要意义。

因此，有必要对开采沉陷预计⽅法进⾏探讨，以指导矿⼭的开采。

开采沉陷预计⽅法很多，按建⽴预计⽅法的途径可分可分为三类：基于实测资料的经验⽅法、影响函数法和理论模拟法[2-4]。

2 开采沉陷⽅法简介基于实测资料的经验⽅法是通过对⼤量的已知开采沉陷实测资料进⾏数据处理，确定开采沉陷中各种移动变形值的函数形式和计算预计参数的经验公式。

这种⽅法在预测时，⾸先根据开采的地质条件，确定经验公式中的预计参数，再代⼊公式确定预计函数进⽽求出移动和变形值。

这种⽅法是当前最为可靠的⼀种预测⽅法，常见的经验⽅法有：典型曲线法和剖⾯函数法等。

理论模拟法把岩体抽象为某个数学的、⼒学或数学-⼒学的理论模型，按照这个模型计算受开采影响岩体产⽣的移动、变形和应⼒的分布情况。

如认为岩层和地表是⼀种连续的介质，则此模型属于连续介质模型；否则，就属于⾮连续介质模型。

此法所⽤的函数⼀般均由理论研究得出，所⽤的参数常⽤实验室试验或理论推导求得，⼀般与现场实测资料没有直接关系，常⽤的理论模型法主要有连续介质⼒学法等。

影响函数法是介于经验⽅法和理论模型⽅法之间的⼀种⽅法，它的实质是根据理论研究或其他⽅法确定微⼩单元开采对岩层或地表的影响（以影响函数表⽰），把整个开采对岩层和地表的影响看作采区内所有微⼩单元开采影响的总和，并据此计算整个开采引起的岩层和地表的移动和变形，⽬前此⽅法中所⽤的参数根据实测资料获得。

金属矿山地下开采引起地面塌陷的规律

第32卷第1期2010年01月武汉工程大学学报J. Wuhan Inst. T ech.Vo l.32 N o.1Jan. 2010收稿日期:2009-10-15基金项目:国家自然科学基金项目资助(50874080)和湖北省教育厅优秀中青年人才项目.作者简介:周春梅(1979-),湖北随州人,博士,讲师.研究方向:矿山地质灾害防治.文章编号:1674-2869(2010)01-0061-04金属矿山地下开采引起地面塌陷的规律周春梅1,李沛2,虞珏2,李先福1(1.武汉工程大学环境与城市建设学院,湖北武汉430074)(2.武汉钢铁集团矿业有限责任公司大冶铁矿,湖北黄石435000)摘要:金属矿山地下开采引起地表塌陷已经成为一种主要的矿山地质环境问题.地面塌陷受多方面因素影响,各因素相互作用使得金属矿山地表塌陷形成机理复杂.本文以大冶铁矿东露天采场地面塌陷为例,从采场地质环境、矿体特征、采矿方法、崩落角、地面塌陷的形式等方面,综述了地面塌陷的特征,并探讨了地面塌陷的形成规律,该研究为矿山地面塌陷的成因及控制对策研究提供了帮助.关键词:金属矿山;地下开采;地面塌陷;矿山地质环境;大冶铁矿中图分类号:P554 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1674-2869.2010.01.0190 引言国内外对矿山开采引起地表塌陷的研究由来已久,但研究成果主要是针对煤层开采的岩层移动与地表沉陷预测.对于金属矿山,由于岩体物理力学性质、地层结构、矿体形态、赋存条件以及采矿方法与煤矿存在着较大的差异,地面塌陷影响因素复杂多变.特别是,对于具有断裂构造、地层与矿体产状复杂变化的金属矿床,目前国内外尚没有比较成熟、系统和准确的方法来研究地面塌陷的形成机理以及控制对策[1].大冶铁矿露天采场矿体自20世纪60年至80年代相继开采完毕并转入地下开采,目前除局部的挂帮矿回采外,主要为地下开采.由于长期的大量地下开采铁矿层,形成大面积采空区,据黄石市地质灾害调查与区划资料,矿区采空区将近4km 2,采空区高度10~25m ,最大达40余米,导致其围岩应力发生改变,岩体完整性遭到破坏,采空区顶板塌落,波及地面引起不均匀沉降与大面积的塌陷[2,3].东露天采场狮子山20世纪70年至80年代发生地面变形,目前已形成长300m,宽50~120m,深20~35m 的塌陷坑,导致地表排水沟道、通风斜井井口以及部分厂房等建筑物受损破坏.尖林山、龙洞、铁门坎等采区也发生多处规模不一的地面塌陷,对铁山区三岔路村2000余人的生命财产造成严重威胁,同时也危及矿业活动的正常进行,地面塌陷已成为一种严重困扰矿山开采的地质环境问题.本文以大冶铁矿东露天采场的地表塌陷为例,从东露天采场的地质环境、矿体特征、采矿方法、地面塌陷的形式、崩落角分析入手,探讨塌陷区的特征及形成规律,为地面塌陷的形成机理及控制对策的研究奠定了基础.1 地面塌陷的形成机理及控制对策金属矿山地下开采地面塌陷是由于矿山地下开采形成采空区,采空区上覆岩体在自重和上覆岩土体的压力作用下,产生向下的弯曲与移动,当顶板岩层内部形成的张拉应力超过岩层的抗拉强度极限时,直接顶板发生断裂、跨塌、冒落,接着上覆岩层相继向下弯曲、移动,随着采空范围的扩大,受移动的岩层也不断扩大,从而在地表形成塌陷.在缓倾条件下的上覆岩土体大致可形成三个带,即冒落带、裂隙带和弯曲变形带,这三个带的界限一般不明显,也不一定同时出现[4].金属矿山地下开挖必然引起岩层变形与移动,其变形速度、影响范围、发生与发展时间受众多因素的影响,如采矿方法、矿体赋存条件(地质条件、岩土物理力学性质、矿层倾角)、开采的深度、厚度、宽度、采场结构尺寸、开采速度和顺序,以及开采的时空关系等,金属矿山开采后地表的移动变形函数可表示为[1]:D r =F (H ,L ,M,T H ,E,J ,C,<,L ,C ,X ,,)其中,D r 为开采后地表的实际移动量;H 为实际62武汉工程大学学报第32卷开采或开挖深度;L为采区的实际开采宽度;M为矿块的实际开挖厚度(或矿层厚度);T H为水平构造应力;E为采区上覆岩体的弹性模量;J为采区矿层上覆岩体节理裂隙影响系数(无量纲量);C为矿层上覆岩体的内聚力;<为矿层上覆岩体的内摩擦角;L为矿层上覆岩体的泊松比;C为介质的密度;X为地下水影响系数.地面塌陷的形式与矿体距地表的埋深及矿体的厚度的关系如表1,同时,在塌陷发生的沉陷盆地中心部位以垂向下沉为主,水平位移、倾斜位移量较少,形成沉陷盆地;在盆地边缘及外缘裂隙拉伸带则以倾斜位移和水平位移变形为主,可能出现地表裂缝、漏斗状塌陷坑,进而在斜坡区域引发边坡失稳,产生崩塌、滑坡等.表1地面塌陷与矿体关系T able1Sur face subsidence ar ea and or ebody矿体距地表埋深矿体厚度采空区对地表影响地面塌陷形式浅厚较大塌陷带、塌陷坑深厚一般裂隙带、地面裂缝分布多深薄轻微地面裂缝分析金属矿山地下开采地表移动范围的方法主要有以下几种:a.工程类比法,金属矿山常用的一种半定量的经验性方法.b.理论分析法,包括上盘渐进崩落理论、上下盘渐进断裂理论、松动区引起地表岩层移动理论、构造应力控制矿山地表岩层移动理论、矿山岩体采动影响与控制工程学理论、概化随机介质理论,其中上盘渐进崩落理论和上下盘渐进断裂理论适用于露天转地下用崩落法回采的矿山.c.数值分析方法,能对地表变形破坏的定量评价,已广泛应用于地表移动机理研究中[4].2大冶铁矿东露天采场塌陷区2.1东露天采场地质环境大冶铁矿东露天采场是由象鼻山、狮子山、尖林山三个矿体组成.其中西部的象鼻山最高标高228m,中部的狮子山最高标高276m,东部的尖林山最高标高250m,封闭圈标高为72m.采场总体走向NW300b,长度为2200m,坑底面积为8150m2.东露天采场内的地质构造复杂,断层节理发育,主要发育的断裂构造有F9、F25、F13、F10、F11、F12、F8;此外,大冶铁矿东露天采场广泛发育一种介于断层与节理之间过渡类型的断裂结构面到区域性节理,一般由切割闪长岩体长达几十到几百米的剪破裂面或狭窄的构造劈理化带组成,对工程地质分区、边坡的稳定性(特别是和断层组合在一起)影响明显,大冶铁矿主要发育的节理构造有J1-4、J5-6、J7-9[5,6].大冶铁矿东露天采场工程地质岩组划分为6组,其中大理岩、闪长岩组强度最高,风化花岗闪长岩和矽卡岩组、蚀变闪长岩组次之,断层角砾岩、砂砾石和粘土岩组强度最低.采场岩体结构类型主要有块状结构、层状结构、层状碎裂结构、碎裂结构、散体结构,其中具有碎裂结构、散体结构的岩体在矿山地下开采中易产生地面塌陷、崩塌及滑坡.2.2东露天采场矿体特征大冶铁矿狮子山矿体(26-30线)主要赋存于闪长岩与大理岩接触带内,局部地段呈分枝插入大理岩或闪长岩内.矿体走向320b,沿走向长430 m,矿体上部北倾,下部转向南西,矿体倾角75~ 90b,厚度20~80m,一般厚30~50m,赋存标高+ 170~-400m.矿石矿物主要为磁铁矿,次为赤铁矿、黄铜矿、菱铁矿、黄铁矿、白铁矿、斑铜矿、磁黄铁矿等,条痕呈不同程度的红色[7].脉石矿物主要有方解石、绿泥石、透辉石、白云石、金云母、石榴子石等.矿石结构为自形-半自形粒状结构、它形粒状结构、交代残余结构、包裹结构、隐晶粒状结构、环带状结构等.矿石构造为块状构造、粉状构造、浸染状构造、脉状构造、条带状构造、角砾状构造、晶簇状构造等.2.3东露天采场采矿方法大冶铁矿东露天采场地下采矿采用无底柱崩落法开采,随着每个步距的矿石回采出来,矿体上面覆盖的松散岩石也就随之崩落,覆盖到下一个分段的矿体上.如此自上而下采完各分段,覆盖岩石和地表跟着崩落塌陷.矿块的水平尺寸50m@ 50m或60m@60m,阶段高度为70m,分段高度为10m,进路间距为8到10m,崩落步距为1.2至2.4m(即1至2排炮孔距离).2.4东露天采场采空区地面塌陷该塌陷区位于东露天采场狮子山坡脚处(图1),目前地下开采在-72m阶段,受地下开采和爆破震动的影响,塌陷区域呈椭圆状,长度近300m,宽度在80m左右,面积约2.4 @104m2.塌陷区北帮为花岗闪长岩,坡角近45b,南帮为大理岩,坡角42b,塌陷区两侧堆积成分为土夹石,塌陷坡度约80b,高度约25 m.塌陷区周边地裂缝发育,垂直于塌陷方向(图2),地裂缝宽度10~50cm,深度90cm,长度10~50cm,密度约1L/m.第1期周春梅,等:金属矿山地下开采引起地面塌陷的规律63图1 狮子山地面塌陷F ig.1 Sur face subsidence ar ea of Shizimountain图2 地面塌陷区周围地裂缝Fig.2 G round fissur e ar ound sur facesubsidence ar ea大冶铁矿东露天采场狮子山采区地表塌陷与地下巷道分布如图3,地表塌陷范围比地下巷道范围大,且塌陷范围逐年递增,严重影响两边高陡边坡的稳定性.地表塌陷给矿区地质环境与生态环境造成强烈破坏,同时也给矿山生产带来严重威胁,随着地下开采工程的延深,采空区塌陷与地表变形还会继续扩展.塌陷区于2007年8月16日开始启动/正负零塌陷区回填工程0,将尾石抛于塌陷的坑内.图3 地表塌陷与地下巷道分布图F ig.3 Sur face subsidence ar ea and distr ibut ion map o funder gr ound tunnel依据矿体赋存条件、上下盘围岩的物理力学性质、采矿方法等进行类比确定的岩移角如表2.类比法预测地表变形范围属一种经验方法,它把复杂的围岩工程地质条件和岩体破坏概化为一种宏观均匀的地质变化,但实际上影响围岩破坏的各方面因素必然存在着一定的差异性,这也将导致预测的移动界线与实际上地表破坏边界不可能完全吻合,故矿山在生产过程中,应建立完善的监测系统,通过监测数据,不断修正优化崩落角、移动角参数,以期能获得更好的预测效果,为地质灾害防治和搬迁决策等提供可靠依据.表2采空区岩体移动角T able 2 Rock mov ing angle of g oaf采区岩石及开采深度上盘下盘端部东采区-180m 以上60b60b65b (东西两端)大冶铁矿东露采塌陷区Ñ-Ñc 剖面如图4,在崩落铁矿石中,存在两种情况引起地表塌陷的形状不一[8]:a.覆于其上的岩体随矿石一起被崩落,其余部分则呈/悬钟状态0暂时保留,但这种状态是极不稳定的,受邻近采矿活动的影响,部分岩体将坠落下来,最有在其上方距源矿层数十米的地方形成如图所示的空场,此时产生地表不均匀沉降,地表移动呈现出/漏斗型0形态特征;b.利用崩落法采矿,在一般正常地段,自然崩落法需达到充满采空区为止,顶部岩体移动常达到地表,产生均匀沉降,地表移动呈现出/盆地型0形态特征.图4 塌陷区Ñ-Ñc 剖面图F ig.4 Ñ-Ñc pr ofile of surface subsidence area3 结语a.金属矿山地表塌陷受矿体形态、产状,采空区埋深、采厚比,矿体围岩工程地质结构、物理力学性质,矿区地质构造、地下水活动等多方面因素影响,这些因素相互作用,加上地质上的不确定性,使得金属矿山地表塌陷机理复杂.64武汉工程大学学报第32卷b.文中从大冶铁矿东露天采场地质环境、矿体特征、采矿方法、地面塌陷的形状及与地下巷道之间的关系等方面介绍了地面塌陷的形成机理.大冶铁矿东露天采场地面塌陷严重破坏了矿山地质环境,同时也给矿山生产带来严重威胁,随着地下开采工程的延深,采空区塌陷与地表变形还会继续扩展,必须采取合理的治理方案.致谢:论文的研究得到了武汉工程大学环境与城市建设学院课题组及武汉钢铁集团矿业有限责任公司大冶铁矿的大量帮助,论文的资料由大冶铁矿科技处提供,在此一并表示感谢!参考文献:[1]武钢矿业公司大冶铁矿龙洞采区塌陷区预测及尾矿管防护措施研究[R].武汉:中国科学院武汉岩土力学研究所,武钢矿业公司大冶铁矿.2008,6.[2]姜建军,刘建伟.大冶铁矿矿山环境调研报告[R].国土资源通讯,2005,15:42-43.[3]戚冉,黄建华,郭春颖.矿山地面塌陷预测方法研究[J].中国矿业,2008,17(6):39-48.[4]袁义.地下金属矿山岩层移动角与移动范围的确定方法研究[D].长沙:中南大学,2008,4.[5]Zho u Chunmei,Wu Yanling,L i Xianfu,et al.Slo peHazards and System Desig n of Emerg ency Rescue inDaye Ir on M ine[C]M Q iy uan P ebg,Yun Pu,K elvinC P Wang,et a l.Internatio na l Co nfer ence on T rans-po rtation Eng ineering2009(Vo lume F ive).T he A-mer ican So ciety o f Civ il Eng ineer s,2009:4098-4103.[6]周春梅,李先福.大冶铁矿高陡岩质边坡变形破坏机理分析[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2009,10(16):25-30.[7]大冶铁矿深部探矿关键技术研究与应用[R].武汉:中国冶勘总局中南地质勘查院,2006,12.[8]蔡荣.一种危害矿山安全的特殊塌陷[J].有色矿冶,1997,6:51-58.Research on mechanism of surface subsidencearea of underground metal miningZHOU Chun-mei1,LI Pei2,Y u Jue2,LI Xianf u1(1.Scho ol o f Env ir onment and Civ il Eng ineering,Wuhan I nstit ute o f T echnolog y,Wuhan430074,China)(2.Daye Ir on M ine of M ining L imited Co mpany of Wuhan I ron G roup,H uang shi435000,China)Abstract:Sur face subsidence area caused by undergr ound mining o f metal m ines has been a main pro blem fo r m ine g eo logical env ir onm ent.The influence facto rs of surface subsidence area are in m any aspects,at the same time,the interaction o f each influence facto rs m ake the mechanism of surface subsidence area o f metal mines be mor e com plex.T aking surface subsidence area of east open-pit in Daye iron mine for example,this paper sum marized the characteristics and analyzed the law of surface subsidence from the mine g eo logical environment,characteristics of ore body,m ining m ethod,ang le of collape,shape o f surface subsidence ar ea.T his resear ch offers help for the study o f m echanism of surface subsidence and control counterm easure.Key words:metal mine;undergr ound mining;surface subsidence area;mine geolog ical environment; Daye iron mine本文编辑:龚晓宁。

地下开采引起地表沉陷的数值模拟

地下开采引起地表沉陷的数值模拟针对地下开采引起的岩层移动和地表沉陷是一种比较常见又很复杂的地矿山工程问题,要深入研究开采中引起岩层和地表沉陷的因素,研究人员一定要熟悉力学变化过程以及其他各领域的理论知识,才能全面深入对沉陷现象进行研究和分析。

目前地下开采引起岩层和地表沉陷的问题在很久以前就引起一些专家的注意,人们也逐步开始对该问题开展调研工作,希望早日找到控制沉陷的手段,进一步提升地下开采工作人员的安全。

1 我国矿山开采沉陷理论研究现状矿山开采沉陷理论的兴起是随着我国矿山开采活动的发展而逐步引起人们关注和深入研究的问题。

在建国初期,我国在滦矿务局建立了国内第一个地表移动观测站,经过工作人员的努力,为后来理论研究局的工作提供丰富的地表移动历史资料。

直到后来我国又成立了矿业学院和峰峰矿务局等理论研究部门,这些部门的工作人员通过对遗留的历史资料进行总结和分析,得出了一些岩层和地表发生移动的参数,为工作的开展提供很多有利的资料。

最后,唐山煤炭研究所根据历史资料,提出了地表下沉盆地的负指数剖面函数,到1965年,我国研究专家引进国外先进理论研究成果,使得国内地下开采引起地表沉陷理论得到进一步的完善和发展。

目前随着科技和经济的不断发展,矿山沉陷现象理论研究和实地观测水设备技术水平都得到相应的提高,为理论研究工作提供更加现代化和科学化的研究工具,极大的改善工作环境,提升了数值的精准度。

近年来,理论研究专家渐渐将其他相关学科理论研究成果渗透到地表开裂理论中,目前,地表开裂理论已经逐步成为一门独立的学科发展起来,取得一定的研究成果,如有限元数值模拟技术等,地表沉陷理论正在不断完善和丰富。

2 开采中影响岩层和地表沉陷的因素分析2.1 影响因素地下开采过程中有p目前国内外对地表沉陷研究一般采用两种手段:其一,在理论基础上,基于随机介质理论,采用弹性、塑性力学分析方法,然后使用计算机编程得出结果。

其二是有限元数值模型,即基于采矿工程设计基础上,借用工程类比法,建立地表实地观测站,根据观测结果类比得出其他板块的地表开裂结果。

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5. 5 ～ 6. 0 ΔW 1044 1040 1008. 7 988. 9 20. 9
10 ～ 12. 2 ΔW 0. 2
0. 6
1. 1
1. 8 10. 1
注： ΔH 为岩层距煤层顶板高度，m； W 为下沉量； ΔW 为下沉
t 增量。
中国煤w炭.c期hi刊na网caj.ne 图2 岩层内测点下沉量随时间变化曲线 w 前一阶段为煤层开采至停采之初（大致为 0 ～ w 6 个监测时间步），该阶段覆岩沉陷量迅速增大，
程中，覆岩沉陷增量自下往上递减，至地表时值最 kN / m，范围为整个上部自由边界。
小，如采空区上方 20m，40m，60m，80m，100m
图 3 为数值模拟在均布加载作用下采空区覆岩
岩层沉陷量从 5. 5 至 6 个时间步时分别增加了下沉云图。由图 3 可以看出，在竖直方向上，采空
［摘要］采用数值模拟计算，通过对覆岩移动过程的模拟研究，指出了地表沉陷由岩体变形
破坏到岩体密实沉陷的发展过程，揭示了岩体密实沉陷延续是引起地表残余沉陷变形的机理；通过对
岩体密实阶段地表沉陷分布规律的模拟研究，证实地表残余变形可以用概率积分法进行预计。根据数
值模拟及现场实测数据，确定了长壁开采条件下地表残余沉陷变形的概率积分法预计参数。
岩下沉量及下沉增量，从岩层移动的角度，可以将的过程中，覆岩沉陷增量则由下至上累积增加，如
采动沉陷过程分为 3 个阶段。
采空区上方 20m，40m，60m，80m，100m 岩层沉
表 1 采动过程中覆岩下沉量及下沉增量
陷量从 10 至 12. 2 个时间步时分别增加了 0. 2m，
Байду номын сангаас
监测时间步
0 5. 5
H0 = 100m，松散层厚度 Hs = 20m，基岩厚度 Hj = 80 m，基岩由砂岩、泥岩和砂质泥岩等岩性组成。图 1 为数值计算模型网格剖分图。
图 1 数值计算模型剖分
义，但在对残余沉陷变形预测参数取值时大多凭经
验，缺乏足够的理论支持，给采煤塌陷区地表建筑 1. 1 地表沉陷过程
6. 0
W 1530. 6 1456 1213. 7 992. 5 28. 4
空洞、裂缝、离层等空隙再压实引起的［9］。从力
10
W 2261. 8 2163. 5 2063. 1 1995. 7 1926. 7
学机理上讲，该阶段地表沉陷主要是由于上覆岩体
12. 2
W 2262. 0 2164. 1 2064. 2 1997. 5 1936. 8
及拟合曲线。由图 4 可以看出，采空区在地表均布设定为工作面停采时间，拟合数据包含了岩体变形
加载作用下，地表下沉分布仍为中部下沉量大、两破坏及过渡阶段的地表沉陷实测数据。而实际上，
侧边缘下沉小的盆形特点，只在采空区边缘附近下地表残余沉陷变形是岩体密实沉陷延续在地表的一
沉量比采空区中央大，但整体符合正态分布。概率种显现，在对地表移动有限时间段内实测数据进行
（ 1）
式中，a 为地表最终残余下沉系数； b 为地表残余
下沉收敛系数。目前，大多数学者［9，11－12］对其拟合多取工作面
停采后的实测数据，致使 a，b 取值相差悬殊，不
图 3 均布加载作用下采空区覆岩下沉
具备推广应用价值。究其原因，主要是未从机理上
图 4 为在均布加载作用下采空区上方地表移动认清地表残余沉陷变形的沉陷本质，将时间参数 t
根据 “三下” 采煤规程［9］定义，地表残余沉陷为地表在 “移动期结束” 后还将可能产生的少量残余下沉和变形值。地表的残余沉陷阶段下沉速度缓慢，岩体应力应恢复至自然重力恒载状态，残余沉陷变形主要由岩体在自然重力恒载状态密实引起，数值模拟反映的覆岩移动过程可以看出，地表残余沉陷是岩体密实沉陷延续在地表的一种显现。 1. 2 岩体密实沉陷阶段地表沉陷变形分布规律
炭 ac 开采沉陷延续时间较长，地表将在很长时间内 in 存在残余沉陷变形，对采煤塌陷区地表新建建煤 h （构）筑物产生不利影响。因此，了解和掌握采煤国 .c 塌陷区地表残余沉陷规律十分重要。但是，限于采
煤塌陷区地表残余沉陷延续时间长、数值较小，一
中 w 般难以用实测方法掌握其全部发展规律。目前，对 w 采煤塌陷区地表残余沉陷变形的预测已有了一些研 w 究［1－3］，对采煤塌陷区建设利用具有一定的指导意
t rienced the process that from rock mass deformation to rock mass subsidence，it revealed that rock mass subsidence development was 网 e reasons that induced surface residual subsidence deformation． Surface residual deformation could be predicted by probability integral
积分法的拟合结果为：拟合下沉系数 0. 14，拟合地表残余变形概率积分法拟合求参时，应剔除掉地
method according numerical simulation of surface subsidence distribution law during rock mass subsidence stage. On the basis of numer-
刊 j.n ical simulation and measured data，predicting parameters of probability integral method of surface residual subsidence deformation with
Surface Ｒesidual Subsidence Deformation
YI Si-hai
（ CCTEG Tangshan Ｒesearch Institute，Tangshan 063012，China）
Abstract： Overburden strata movement process was studied by numerical simulation，the results showed that surface subsidence expe-
第 21 卷第 2 期（总第 129 期） 2016 年 4 月
煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY
Vol. 21No. 2 （ Series No. 129） April 2016
地表残余沉陷变形机理数值模拟与预计参数分析
易四海
（中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北唐山 063012）
显的 “三带” （垮落带、断裂带和弯曲带）破坏特 “中间大，两侧边缘小” 的特点，这是由于采空区征［7－8］，“三带” 覆岩内产生大量新生空间（空洞、上方覆岩移动量主要是由荷载作用下的空隙再压实
裂缝、离层），使得覆岩移动在向地表传播的过程引起的；煤柱上方覆岩移动量则是由荷载作用下岩
［引用格式］易四海 . 地表残余沉陷变形机理数值模拟与预计参数分析［J］ . 煤矿开采，2016，21 （ 2）： 29－32.
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总第 129 期
煤矿开采
2016 年第 2 期
点从开采至沉陷稳定时的下沉量变化曲线。该曲线一系列变形破坏（冒落、断裂、弯曲）引起的。
簇可解读为岩层内测点下沉量随时间的变化。由图因此，可定义该阶段为岩体变形破坏阶段。
下沉测点 1 量 / mm ΔH = 20
W
0
W 486. 5
测点 2 ΔH = 40
0 416. 0
测点 3 ΔH = 60
0 205. 0
测点 4 测点 5
ΔH = 80 ΔH = 100
0
0
3. 6
7. 5
0. 6m，1. 1m，1. 8m，10. 1m，增加值由下往上递增。这是因为此阶段覆岩内残留的空洞、离层、裂缝等空隙逐渐被压实，覆岩移动是由覆岩内残留的
中出现衰减。从力学机理上讲，该阶段地表沉陷来层的压缩引起的。但在采空区上方地表，边缘附近
源于煤层开采致上覆岩体力学失稳，覆岩相继发生移动量明显比其他区域要大，这主要是由于采空区
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易四海：地表残余沉陷变形机理数值模拟与预计参数分析
2016 年第 2 期
边缘附近存在较多的空洞。
公式可表示为：
qr（ t） = a·e －bt
如采空区上方 20m 岩层下沉由开始的 0mm 增至
为更好体现采空区破裂岩体的密实效果，在模
5. 5 个时间步时的 486. 5mm，到第 6 个时间步时则拟工作面开采计算达到平衡状态后，对地表进行了
迅速增至 1530. 6mm；开采沉陷在向地表传播的过均布加载，模拟地表建筑荷载，荷载大小为 18
1044m，1040m，1008. 7m，988. 9m，20. 9m，增加区上覆破碎岩体内残留空隙由于在均布加载作用下
值由下往上递减。究其原因是因为此阶段覆岩在一进一步密实，岩体沉陷量由下至上累积增加，至地
系列复杂的受力变形时空变化后，在竖向上形成明表值最大；在水平方向上，覆岩移动量整体符合
2 可以看出，上覆岩体在开采之初，岩体下沉迅
后一阶段为工作面停采一段时间后（大致为 9
速，经过一段时间后，岩体下沉变化趋缓，直至沉个监测时间步之后），该阶段覆岩沉陷量缓慢增
陷最终收敛于某一最大固定值。表 1 统计了工作面加，如采空区上方 20m 岩层下沉由 10 至 12. 2 个时