上覆岩层性质对采空区地表变形影响研究
开采沉陷地表下沉系数（3）
3 地质采矿因素对开采沉陷的影响3.1影响开采沉陷的地质采矿因素多年的实践经验表明，开采沉陷的分布规律取决于地质和采矿因素的综合影响。
这些地质和采矿因素中，一类是人们无法对其产生影响的，称之为自然地质因素；另一类为采矿技术因素。
波兰曾对这些地质采矿因素进行了分类，如下图所示。
只有正确的认识和掌握这些因素的影响，才能合理有效地解决矿山生产中所遇到的实际问题，才能进一步地改进移动预计方法。
其中主要包括的有以下几种地质采矿因素：1、覆岩力学性质、岩层层位的影响；2、松散层对地表移动特种的影响；3、煤层倾角的影响；4、开采厚度与开采深度的影响；5、采区尺寸大小的影响6、重复采动的影响；7、采煤方法及顶板管理方法的影响。
埋藏条件的可靠性图13.2 地表下沉系数的主要地质采矿影响因素分析大量的实测资料以及理论研究已证实,地表下沉系数主要与以下地质采矿因素有关。
(1) 上覆岩层岩性。
覆岩强度对煤层开采以后上覆岩层及地表的下沉值起着重要作用。
统计规律表明,下沉系数与上覆岩层的性质密切相关,覆岩岩性越坚硬,下沉系数越小,反之越大。
通常用覆岩平均坚固性系数f 来反映上覆岩层岩性, f按下式计算:ƒ =∑∑ii im10R m （1）上式中 mi 为覆岩第i 层的法向厚度(m) ; Ri 为第i 层的单向抗压强度(MPa) 。
(2) 开采深度H 和开采厚度M 。
开采深度越大,开采厚度越小,地表下沉系数就越小。
资料表明,初次采动时地表下沉系数与深厚比有关。
根据国内30 个观测站资料回归得出下沉系数与深厚比的关系为q = 1-0.29235⎪⎭⎫ ⎝⎛M δ-H 0.054573（2）上式中 H, M 分别为开采深度和开采厚度(m) ;δ为松散层厚度(m) 。
文献[6 ]通过模糊聚类分析也得出了沉系数与深厚比成反比的结论, 故本文采用深厚比( H/ M) 来反映采深与采厚对地表下沉系数的影响。
(3) 松散层厚度δ。
采动破裂岩体碎胀或离层是使地表最大下沉值小于采厚的主要原因。
煤我国矿采空区输电铁塔加固
煤我国矿采空区输电铁塔加固、纠偏技术当前位置：首页- 论文欣赏- 理工论文摘要：针对煤矿开采对采空区上高压输电线路安全运行的威胁和危害，在深入研究采空区地面变形对输电铁塔的影响、国内外采用的治理方案的基础上，提出了一套采空区上输电铁塔加固与实时纠偏技术的设想，并推荐了铁塔加固与实时纠偏的综合方案。
关键词：煤矿采空区；输电铁塔；加固与实时纠偏；连通器原理1.引言随着煤炭工业的发展，煤炭采掘量急剧增加，采空区日益扩大，导致地面大量沉降，造成该区域内输电铁塔基础不均匀沉降，导致铁塔倾斜、位移和变形，引起铁塔内部应力变化，严重威胁线路安全。
目前国内外虽然也有类似问题发生，但关于采空区输电铁塔加固纠偏处理技术研究的报道非常少。
本文在搜集和分析国内外解决此类问题的工程实例的基础上，提出了一套新方法的设想——连通器原理辅助铁塔实时纠偏。
并推荐了铁塔加固与实时纠偏的综合方案。
2.采空区地表变形对输电铁塔影响研究2.1 煤矿采空区地表变形的一般特征采空区地表变形的形状、大小、速度一般与煤层厚度、开采方式、工艺、埋深、上部岩层强度等因素密切相关。
埋深大于200m 时，如煤层较薄，引起的地表变形相对小一些；煤层埋深越浅、开采层越厚，引起的地表变形塌陷越大。
通常情况下，煤层上岩层强度对采空区地表的变形形状和深度也有影响，煤层较深、覆盖的岩层强度越高，地表变形塌陷越小。
煤炭开采工艺大体上分房柱法和综合机械化采煤（简称综采）两种。
综采由于作业面大，向前推进速度快，采空区地表的塌陷随着作业面的推进逐步发生，基本上一次塌陷到位，后期变形较小[1]。
一般来说，综采工作面地表变形有三种：均匀沉陷，不均匀沉陷，水平变形、水平位移。
采用房柱法开采煤层时，实际操作中一般为了提高煤炭采出量，很少按规范操作，因而总在煤矿开采中和开采后发生采空区上地表缓慢而不规则的地表变形和塌陷。
2.2 煤矿开采对采空区上输电铁塔造成的影响煤矿开采会使采空区的铁塔下沉、倾斜、移位、扭曲；基础外趴、错台；铁塔杆件应力场剧烈调整、杆件受力性质改变；铁塔失稳倒塌、倾覆、破坏等。
金属矿山开采过程上覆岩层应力与变形特征
金属矿山开采过程上覆岩层应力与变形特征赵康;赵奎【摘要】采用数值分析方法，研究了动态开采过程中金属矿山采空区覆岩在拉应力、垂直应力作用下的位移及变形破坏特征。
研究发现拉应力对覆岩造成的破坏较其它应力显著，是覆岩垮落的主导因素。
分析覆岩内部垂直应力发现：开采初期覆岩内部压应力显著，随着开采进行，在采空区的正上方，压应力逐渐向拉应力过渡；垂直应力呈“凹”形分布在采空区两端部，其形状和应力值随采空区的增大而增大。
随着工作面的推进，覆岩下沉范围和下沉量均逐渐增大；下沉曲线的最大下沉点，向工作面推进方向逐渐移动；下沉曲线的光滑程度体现了监测点在覆岩所属区域是弹性区、塑性区还是垮落区。
研究结果可为矿山围岩支护提供一定参考依据。
%Displacement and deformation characteristics of overburden over gob under the force of tension and vertical stress during active mining of metal mine was studied by using numerical simulation method. It was found that the tension is the dominant factor for the overburden collapse, bringing more notable damage to it than other stresses. The analysis of vertical stress inside the overburden showed that the internal compressive stress was remarkable at the early stage of exploration and the compressive stress of overburden right over gob area would be gradually transforming into tension as exploration going further, while the vertical stress distributed at both sides of the gob area, just like a concave curve, which increased in terms of shape size and stress value with gob expanding. As working face advancing, the magnitude and extent of the overburden subsidence gradually enlarged. It can be seen that themaximum subsidence point in the subsidence curve is gradually moving towards the working face advancement direction. Besides, the smooth curve of subsidence reflects that the monitoring points in the overburden are all within the range of elastic zone, plastic zone or caving zone. Those research results can be taken as reference for the supporting of surrounding rock in metal mine.【期刊名称】《矿冶工程》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】5页(P6-10)【关键词】开采过程;上覆岩层;变形特征;拉应力;垂直应力;位移【作者】赵康;赵奎【作者单位】江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州341000;江西理工大学工程研究院，江西赣州341000【正文语种】中文【中图分类】TD324材料破坏与所处的外界应力环境关系密切，当外载荷超过了材料所能承受的临界载荷时，材料就会发生破坏。
辽宁灯塔西马煤矿充填式开采地表变形预测
辽宁灯塔西马煤矿充填式开采地表变形预测题正义;柳东明;王振【摘要】针对建筑物保护煤柱的煤炭资源回收问题,根据西马煤矿具体地质采矿条件,选择概率积分法对西马峰村保护煤柱开采后引起地表移动变形进行预计;并以1326工作面似膏体充填开采结果为基础,计算出充填采区工作面的等效采高;预计结果表明,如按设计开采方案布置工作面,西马峰村建筑物损害等级为Ⅱ级,不符合预先制定的标准;将开采方案进行一定的调整后再进行预计,结果表明,西马峰村建筑物所处地表的移动变形值均在建筑物损坏等级Ⅰ级所规定的范围内,即建筑物在不用维修或简单维修的情况下可以正常使用,则西马峰村保护煤柱似膏体充填开采是可行的.【期刊名称】《中国地质灾害与防治学报》【年(卷),期】2014(025)004【总页数】6页(P66-71)【关键词】充填开采;概率积分法;开采沉陷预计;地表移动变形【作者】题正义;柳东明;王振【作者单位】辽宁工程技术大学,辽宁阜新123000;辽宁工程技术大学,辽宁阜新123000;辽宁工程技术大学,辽宁阜新123000【正文语种】中文【中图分类】TD820 引言“三下”开采一般指建筑物、铁路、水体下矿体的开采［1-2］。
矿山生产过程中，通常在建筑物下、铁路下、水体下预留保护煤柱，不仅造成大量煤炭资源的积压，而且影响矿井生产的合理布局和接续。
我国“三下”资源储量巨大，据统计煤炭资源中，“三下”压煤约137.9×108t，其中建筑物下压煤量最大，约为94.63 × 108t［3-5］。
近年来，“三下”开采技术发展迅速，随着充填技术及充填工艺的不断发展，“三下”压煤充填开采已经成为一种必然趋势。
充填开采不仅能有效控制地表移动变形，而且资源回收率最高可达90%以上。
充填开采技术主要有似膏体充填、超高水材料充填和固体废物充填等，特别是似膏体充填开采技术在我国的矿井生产应用最为广泛。
沈阳焦煤集团西马煤矿在南一采区1326工作面、1327工作面成功地进行了似膏体充填开采，为该项技术应用于北翼充填采区西马峰村保护煤柱开采提供了宝贵的经验。
近水平煤层开采上覆岩层运动与沉陷规律相关研究_王崇革
2004年8月 Rock and Soil Mechanics Aug. 2004收稿日期：2003-06-09 修改稿收到日期：2003-09-28 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No. 50028403）。
作者简介：王崇革，男，1970年生，博士研究生，副教授，目前从事岩土工程的教学和科研工作。
E-mail: chgewang@文章编号：1000－7598－(2004) 08－1343－04近水平煤层开采上覆岩层运动与沉陷规律相关研究王崇革1，宋振骐2，石永奎2，郑文华2(1.山东科技大学 力学教研室, 山东 泰安 271019；2.山东科技大学 资源与环境工程学院, 山东 泰安 271019)摘 要：将近水平煤层开采的上覆岩层运动与地表沉陷作为一个整体系统进行研究，论述了采场上覆岩层的运动规律和裂隙拱的形成及发展变化过程。
并结合地表沉陷的GPS 观测，确定了针对具体地质条件的地表移动变形边界角、移动角，找到了井下工作面推进位置与地表下沉速度之间的关系。
关 键 词：矿山压力；岩层运动；地表沉陷 中图分类号：TO 82 文献标识码：AStudy on the relation between stratum movement andsubsidence of flat seam miningWANG Chong-ge 1, SONG Zhen-qi 2, SHI Yong-kui 2, ZHENG Wen-hua 2(1. Mechanics Teaching and Research Section, Shandong University of Science and Technology, Tai’an 271019, China; 2. College of Resources and Environmental Engineering, Shandong University of Science and Technology, Tai’an 271019, China )Abstract: We can look the stratum movement and subsidence as a whole system to study. The common nature of stratum movement and the development procedure of crack arch are described. Meanwhile, based on the ground observation by the global positioning system (GPS), the boundary angle and the motion angle, which aim at special geologic conditions, are determined. The relation between the position of underground working face and ground subsidence velocity are found. Key words: rock pressure in mine; stratum movement; ground subsidence1 引 言地下开采所引起的上覆岩层运动与地表沉陷是一个十分复杂的力学变化过程[1]。
煤矿地表沉降与地面破坏分析
地表沉降会导致大量土地无法耕 种或使用，造成土地资源的浪费
。
土地功能丧失
严重沉降会导致土地失去原有的使 用功能，如住宅、农田、林地等。
土地质量下降
沉降过程中可能伴随地裂缝、塌陷 等地质灾害，导致土地质量严重下 降。
对水资源的污染
01
02
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水质恶化
地表沉降可能破坏地下水 层，导致地下水污染，影 响周边居民和生态系统的 正常用水。
监测数据显示，该矿区的地表沉降速率呈现出一定的时空分布规律。在 采空区的边缘地带，沉降速率较大，而在采空区的中心地带，沉降速率
较小。
通过分析监测数据，可以发现地表沉降与地下采煤活动之间的密切关系 ，为后续的地表沉降控制提供科学依据。
地表沉降控制效果评估
为减轻地表沉降对当地居民和生态环境的影响，该矿区采 取了一系列地表沉降控制措施，如充填开采、注浆加固等 。
控制措施实施后，通过对比分析控制前后的监测数据，可 以评估控制措施的有效性。
评估结果表明，采取的控制措施在一定程度上减缓了地表 沉降的速率，降低了地面破坏的程度。但同时也存在一些 局限性，需要进一步优化和完善。
THANKS
精密水准测量
利用精密水准测量技术，定期对沉降 区域进行高程测量，获取地表沉降数 据。
地表沉降控制措施
优化开采方案
通过优化开采方案，合理安排开采顺序和开采方 法，减小地表沉降的影响。
充填开采
采用充填开采技术，将采空区充填上合适的材料 ，以减小地表沉降和地面破坏。
土地复垦
对已经破坏的土地进行复垦，恢复土地功能，减 小地表沉降对生态环境的影响。
当采空区顶板岩层重量超过其 承载能力时，会发生垮落，导 致采空区上方地面沉降。
覆岩主关键层对地表下沉动态的影响研究
(a) 平面布置示意图
2005 年
2 岩体内部移动与地表下沉实测的 对比分析
山西省阳泉矿区曾于 20 世纪 60 年代在阳泉一 矿 70310 面开展了岩体内部移动与地表下沉的对比 观测[11]。70310 面为走向长壁全部冒落开采 3#煤层， 煤层倾角 3°～6°，采厚 2.2 m，工作面斜长 70 m， 走向长 217 m。从 70310 面地面打了 6 个岩体内部 移动观测钻孔，同时布置了走向地表下沉测线 C 及 倾向地表下沉测线 D。各钻孔及测点布置见图 1。 按关键层判别方法确定出距 3#煤顶板 78～103 m 间 邻近的 3 层硬岩层(累计厚度近 20 m)组成复合关键 层并成为覆岩主关键层[8]。
• 789 •
断对地表下沉动态的影响，进一步开展了数值模拟 和物理模拟研究。
3 主关键层对地表下沉动态过程影 响的模拟研究
3.1 数值模拟试验研究 (1) 模拟方案 煤层为水平煤层，模型中各岩层岩性、厚度以
及力学参数如表 1 所示。其中，距煤层 30 m、厚 10 m 的砂岩为覆岩主关键层。模型走向长度 450 m， 垂直高度 110 m，工作面开采深度为 103 m，见图 3。 假设主关键层初次破断距为 72 m、周期破断距为 40 m。采用的数值模拟软件为 UDEC2D3.0。通过将 主关键层块体间节理的参数设置得很大，使块体间 不产生运动，以此来模拟关键层岩体破断前运动； 当采宽达到关键层破断距时，减小块体节理参数， 模拟主关键层破断后运动。
表 1 模型内各岩层赋存特征及力学参数
Table 1 The characteristic and mechanical parameters of
strata in the numerical model
三下一上采煤
一、基础知识（一）岩层与地表移动特征一、岩层移动及其特征采出煤炭后，上覆岩层被破坏，当H>25M时，即开采深度是采高的25倍时，在回采空间上方形成竖三带。
图23-1。
1、垮落带：分为二部分，不规则垮落带和规则垮落带。
1）不规则的：岩层破坏严重，已失去原有的层次，破碎杂乱，并堆积于煤层底板之上。
2）规则的：垮落，但呈巨块，失去连续性，大体上保持原有的层次。
3）高度：与岩性、采高有关，一般为采高的3～5倍；2、断裂带或导水断裂带在垮落带之上，岩层有许多裂隙，但仍保持原有的岩层层次。
断裂呈垂直或斜交岩层层面，或平行层面（离层），因有透水性，也称为导水断裂带。
高度：与上覆岩性有关，为采高的9～35倍；3、弯曲带或整体移动带位于断裂带之上一直到达地表，其岩层移动是成层的、整体性地，最下部分可能出现离层和不导水的细微断裂。
岩层移动具有分带性特征，会随地质和采矿条件的变化而变化。
采用充填技术，则无冒落带（跨），当煤层厚或距地表近时，无弯曲带。
二、地表移动特征1、地表移动及移动盆地1）、地表移动：采用长壁垮落时，随采区面积的增大，岩石移动范围也随之增大。
当采空区的面积扩大到一定范围时，岩层移动发展到地表，使地表产生移动与变形，这一活动称为地表移动。
2）移动盆地：当采煤工作面采完，地表移动稳定后，采空区上方地表形成沉陷区域，形成一个中间下沉近似相等，边缘下沉量少的一个移动盆地。
（煤层水平，矩形的采空区，地表呈椭圆形，以10mm下沉为界）图23-2。
2、移动盆地的形成过程及种类1）形成过程1、2、3 非充分采动；4 充分采动；5 超充分采动2）种类：三种，非充分采动、充分采动、超充分采动3、移动盆地的主断面及其特征1）主断面：最终移动盆地的最大下沉点沿煤层走向或倾向作断面，称为移动盆地的主断面。
有走向主断面和倾向主断面。
2）特征：在主断面上，用各种夹角来表示其特征。
（1）边界角：在充分采动或接近充分采动的条件下，以下沉值为10mm的点作为边界点（移动盆地主断面上）a，将a与采空区边界点b连线，与水平线在煤柱一侧的夹角为边界角；当地表有松散层时，以松散体上部下沉10mm处开始，先将边界点沿松散层移动角ϕ的方向投到基岩面上作为a点。
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图 ６ 开采 引起 的地 表各 点沉 降值 ｙ （ 均匀 中硬型 ）
６ ４
防灾科技 学院学报
第 ｌ 卷 ２
０
０
８Ｏ
１ ２０
图 １ 几 何 模 型
表 １ 上覆岩 层物理力学参数
的岩 层 结构组 合形 式 ，分 析研 究 了上覆 岩层 性质 的
变化 对采 空 区地表 变形 的影 响 。
１ 计算模型及模型参数 【 ］ ５
计 算采 用 的几何 模型 如 图 １ 示 。该 模 型水平 所
方 向取 ２ ０ ０ ｍ，分 １０个 单元 ，竖 向取 ６ ０ ０ｍ，分成
发 一系列 的环 境岩 土工 程 问题 ，给矿 区人 民的 生产
生活及 工 程建 设带 来重大 影 响 。采 空区 地表变 形破 坏机理 、影 响 因素 、治理措 施等 方面 研 究工作 日益 受到广 大科 研人 员 的重视 。 本 文采 用大 型有 限元 分析 软件 ＡＮ ＹＳ进 行数 Ｓ
收稿 日期：２ １ — ０ １ ０ ０ １— ８ 基金项 目：博士科研 启动基金 （６ ００ ；学院青年基 金 （２ｏ １３ ） ８ １３ ） ｊｏ９ｏ １ 作者简介：孙 超 （９ ８ ） １７一 ，男，黑龙江绥 阳人 ，博 士，讲师 ，主 要从 事开采沉 陷、地下结构抗震 等方面研 究
第４ 期
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图 ３ 开采引起的地表各点沉降值 ｙ （ 均匀较软型 ）
中图分类号：Ｔ ４ ６ Ｕ ５ 文献标 识码 ：Ａ 文章编 号 ：１ ７－ ０ ７ ２ １） ０— ０ ２ ０ ３ ８ ４ （０ ４ ０ ６ — ５ ６ ０
０ 引言 【４ 】
矿体 开采 后 ，开采 区原有 的应 力平 衡状 态被 破 坏 ， 空 区上方 依次形 成塌 落 带、 隙 带及 弯 曲带 ， 采 裂 甚 至发展 到地 表产 生连 续或 非连 续 的地表 变形 ，引 ３ 单 元 ，采 空 区宽 ４ ，采 厚 ５ ０个 ０ｉ ｎ ｍ。开采深 度 为 ４ Ｉ对其 单元 的划 分采 用 了局 部细 化 ， 分为 ２ ０ ５１ 。 Ｔ 划 ０ 个 单元 。上 覆岩 层共 分 为三层 。第 一层 厚 １ ５ｍ，第 二层厚 １ ５ ｍ，第 三层 厚 ３ ０ ｍ，通过 改 变其力 学参
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当上覆岩层结构类型为均匀较软型岩层时， 计
算 结果如 下 ：
图 ４ 开采引起的地表各点水平位移 ｘ（ 均匀较软型 ）
１ 均 匀 中硬 型岩 层 ． ２
当 上覆岩层结构类型为均匀中硬型岩层时， 计
算 结果 如 下 ：
．
…
ｍ
６，
孙
超等：上覆岩层性质对采空区地表变形影响研究
分析所 用 上覆 岩层 结构 类 型如下 ：
。
１ ）均 匀较 软型 岩层 （ 序 号 １ 取 ）； ２ ）均 匀 中硬型 岩层 （ 序 号 ２ 取 ）；
３ ）均匀 较 硬型岩 层 （ 序号 ３ 取 ）； ４ ）上 软下 硬型岩 层 （ 序号 １ ，３ ； 取 ，２ ） ５ ）上硬 下 软型岩 层 （ 取序 号 ３ ， １ 。 ，２ ） １１均匀较 软 型岩 层 ．
孙 超 ，薄景 山 ２ 孙有为
０５０） ６２ １
（ １吉林建筑工程 学院，吉林 长春 １０２； ２防灾科 技学院，河北 三河 ３０ １
摘
要：采 空区引发地表变形 问题是环境岩土工程领域 的重要研 究课题 。本文 以有 限元分析 软件 Ａ Ｓ Ｓ为基 ＮＹ
础 ，通过数值模拟方法研 究 了采 空 区上方 不同性质 岩层 以及 不同上覆 岩层组合形 式对采 空区地表 沉降变形 的 影响。揭 示了上覆岩层性质对采 空区地表变形 的影响规律。 关键词：采空 区；上覆岩层；地表 变形
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图 ２ 开采 引起 的竖向变形 ｙ（ 匀较软 型） 均
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图 ５ 开 采引起的竖向变形 ｙ（ 匀中硬 型） 均
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２１ ０ ０年 １ ２月
防
灾 科
技
学
院
学 报
Ｖｏ ．２ ＮＯ ４ １１ ． ．
Ｄｅ ． ｃ２０１ ０
Ｊ ｏ ｎ ｔｔ ｅｏｆＤ ｉａ ｔｒＰｒ ｖｅ ｉ ． ｆＩ ｓｉｕｔ ｓ ｓｅ ｅ ｎｔｏｎ
上 覆 岩 层 性 质 对 采 空 区地 表 影 响研 究 变形
数 ，模 拟 不 同的上 覆岩层 性 质对采 空 区上地 表 稳定
的影 响 。采用 的三 种 岩层物 理 力学 参数 见表 １ 。
值 模拟分 析 ，将 采 空 区地 表 沉 陷研 究 简化 为平 面应
变 问题进 行弹 塑性 有 限元分 析 。在 分析 过程 中每 次 计算 分为 两个 步骤 ，第一 步先 计算 矿体 被开 挖前 只 有 自重存 在 时岩层 的应 力状 态 ，从 而求 得计 算模拟 研究 区域 初始 的应 力状态 ，以及 由重力应 力 引起 的 初始变 形 ；第二 步通 过 Ａ Ｙ ＮＳ Ｓ软件 中特 有 的杀死 单元 命令 ，“ 除 ”采 空 区单元 ，从 而模 拟 矿 体被 挖 采 出的过程 ，并 计算此 状态 下 的应 力及变 形 。最后 通 过 ＡＮＳ ＹＳ软件 后处 理 中的 “ 荷 组 ”减 操 作求 载 得 采空 区地 表处 由于 开采 引起 的真 实变 形量 。通过 数 值 模 拟 采 空 区 上 覆 坚 硬 程 度 不 同的 岩 层 及 不 同