地表下沉系数计算方法研究

地表下沉系数计算方法研究邹友峰（焦作工学院测工系，４５４１５９）１引言地表下沉系数是预计地表沉陷的关键性参数，其取值的准确性决定了地表移动变形的精图１水平煤层半无限开采平面应变问题度。目前，大量的实测资料已证实下沉系数与覆岩岩性有关，岩体越坚硬，...     

井工开采对露井联采边坡稳定影响的塑性极限分析

针对目前对露井联采边坡稳定研究方法的局限性和不足,首先根据露井联采边坡稳定的特征,基于塑性力学上限定理的边坡稳定极限分析方法,建立了井工长壁开采沉陷岩体的机动位移场,对沉陷岩体利用塑性极限分析方法建立功能方程。其次,利用该方法对安太堡南侧排土场下井工开采导致地表沉陷岩体进行了研究,分析了井工开采产生的沉陷对周围岩体特别是边坡岩体沉陷稳定和边坡稳定的影响,提出了露井联采边界参数应以井工开采工作面与边坡台阶的垂直安全距离为依据确定,其井工矿工作面开切眼位置应以Y=74160(与露天矿边坡水平距离为231 m)为界布置,才能保证其安全高度在105 m以上,实现安太堡南帮在露井联采下的安全稳定。     

分形及损伤力学在矿山开采沉陷中的应用研究

 博士学位论文摘要　岩体是经过漫长的地质演化过程而形成的复杂结构体, 由于地质构造运动的影响, 其内部存在大量的断层、节理、层理和地质弱面。这些地质结构面(即损伤) 的存在, 破坏了岩体的整体性, 影响着岩体的变形性质和强度特性, 从而导致岩体开采沉陷更加复杂, 即: 在规律上的非规范性、在程度上的剧烈性和在损害上的严重性。因此, 仅采用常规的开采沉陷理论来分析和解决矿山开采沉陷工程问题已暴露出诸多的缺陷和不足。基于上述问题和认识, 提出了矿山开采沉陷理论研究和实践应用的新思路: 将损伤力学及分形几何等现代非线性科学应用于开采沉陷学科领域, 在现有的开采沉陷理论基础上, 进一步揭示岩体(特别是地质构造复杂的岩体) 开采沉陷的更深层次的机理、特征和规律, 进一步发展矿山开采沉陷学科, 使其在理论上更完备、实践上更符合实际、工程预测上更准确、应用上切实可行。在此研究思路的指导下, 就节理对岩体采动沉陷规律的影响、采动岩体裂隙分形分布及演化规律、采动断层活化的分形界面效应等3 个问题进行了一系列的理论研究和实验研究:(1) 初始节理(初始损伤) 对采动岩体沉陷规律的影响研究①为了研究岩体内初始损伤(初始节理) 对开采沉陷的影响规律, 分别制作无节理和考虑节理倾角单因素的相似材料模型, 进行了系统的实验研究;②为了进一步得到岩体内初始损伤(初始节理) 对开采沉陷的影响的定量规律, 应用损伤力学原理统计研究了初始节理(初始损伤) 在开采沉陷中的控制作用, 建立了开采沉陷量值与损伤量值的数量关系;③应用损伤力学原理定性分析非贯通节理岩体采动沉陷的损伤岩梁弯曲效应, 进一步验证实验研究成果。(2) 采动岩体分形裂隙网络研究①制作一套考虑不同开采宽度的相似材料模型, 在实验观测的基础上统计分析了采动岩体裂隙分布随采宽增加(工作面推进) 的变化规律和分形性质;②制作一套考虑不同岩性的相似材料模型, 分析了岩性对采动岩体裂隙分布的影响和分形性质;③研究初始节理对采动岩体裂隙网络的影响规律, 检验其分形性质。(3) 采动断层活化的分形界面效应研究①进行野外实地勘查、勘测和研究断层面的结构形态与分形性质;②构造了自仿射分形曲线来模拟实际的断层面, 制作一套含有这种分形断层面的相似材料模型, 系统研究分形断层面对断层活化的影响规律;③对采动断层活化的分形界面效应进行数值模拟。通过上述实验和研究工作获得了如下的成果:(1) 岩体内存在的初始节理打破了岩体采动破坏和地表移动的正常规律, 与无节理岩体采动沉陷规律相比较(地表移动稳定后) , 初始节理在岩体采动沉陷过程中起催化作用, 打破了采动岩体裂隙的分布规律和扩展方向, 使覆岩破坏范围和地表移动范围增大, 地表移动量值也随之增加。(2) 通过实验现场观测发现: 不同展布的初始节理, 使岩体表现出不同的破坏机制。水平初始节理使岩体出现层裂、层滑现象, 使岩体在采动过程中出现离层数量增多、离层高度增大、地表移动矢量增大; 倾斜初始节理使采动覆岩中出现沿倾斜节理滑移的现象, 从而导致岩体破坏区域和地表移动曲线出现偏态, 最大下沉点和最大水平移动点均偏向节理的倾斜方向; 高角度初始节理使岩体破坏出现尖角突变现象, 使覆岩破坏更加剧烈。(3) 考虑初始节理倾角单因素的影响, 随着节理倾角的增大, 采动岩体裂隙扩展角随之增大, 覆岩破坏范围和地表移动范围随之增大, 地表下沉值和水平移动值也随之增大, 且地表下沉值的增加幅度较水平移动增加幅度大。　(4) 初始损伤对岩体采动沉陷具有严重的影响,损伤岩体采动沉陷量值较无损伤岩体采动沉陷量值要大。其中的垂直移动量主要以决于损伤岩体中初始孔隙在竖直平面内的总占位,其占位越大,下沉值越大;水平移动量主要取决于损伤岩体中初始孔隙在水平面内的总占位,其占位越大,水平移动值越大。(5) 在给定的研究条件下,地表移动特征值(最大下沉值Wmax 、下沉系数q、背离节理倾斜方向的最大水平移动值U+max和水平移动系数b + 、顺着节理倾斜方向的最大水平移动值U2max和水平移动系数b2) 与岩体损伤变量Ωy 存在如下明确的定量对应关系:Wmax = - 416. 667Ω2y - 568. 333Ωy + 1 399. 4q = - 0. 115 7Ω2y - 0. 4277 8Ωy + 0. 881U+max = 358. 796 0Ω2y - 176. 389Ωy + 386U-max = - 1 562. 5Ω2y + 771. 677Ωy + 379. 3b + = 0. 694 44Ω2y - 0. 15Ωy + 0. 286b - = - 0. 864 17Ω2y - 586. 333Ωy + 1 399. 4(6) 采动岩体裂隙形成、扩展、分布极其复杂,处于明显的混沌状态,具有分形特征,用分形维数可以综合描述采动岩体裂隙化程度(裂隙条数、迹线长度、张开度等) 。(7) 随着工作面的推进,采宽的逐渐增加(或重复采动) ,使采动岩体裂隙分布越趋复杂:破坏范围增大、破坏程度增大、不规则性增加,导致采动岩体分形裂隙网络出现升维现象,在给定的研究条件下的打动岩体分形裂隙网络的分形维数D 与采宽L 具有很好的定量关系:D = 0. 000 172 432L2 - 0. 010 265 4L + 1. 259 6(8) 岩体特性对采动岩体裂隙的分布规律有一定影响。抗压强度较大的岩体,采动后形成的裂隙空间占位较大,其形成的分形裂隙网络的分形维数值也较大;而地表下沉值则较小,地表下沉值与采动后岩体中形成的裂隙空间占位的分维值成反比关系。(9) 含有规则展布初始节理的岩体采动后形成的裂孙网络具有分形性质,且随着初始节理倾角的增大,采动岩体裂隙网络的分形维数值越趋减小。(10) 在给定的研究条件下,地表最大下沉值Wmax与采动岩体裂隙网络分形维数值D 具有明确的定量关系:Wmax = - 16. 872 7D3 + 64. 117D2 - 81. 060 2D + 75. 370 1(11) 地质断裂面粗糙不平,具有统计自相似分形性质,且表现为各向异性分形特征。(12) 地质断裂面具有多层次性,分形维数反映了它的粗糙起伏程度,很好地反映了断层面的逐级包络的形态特征,分形维数是描述断裂面全貌起伏特征的有效数量指标。(13) 地质断裂面在采动影响下的活化现象严重受控于断裂面的分形几何形态,具有明显的分形界面效应,表现为断层面分形维数越大,断层面两侧岩体互相约束性越大。(14) 通过对含断层面的模型实验发现:含有分形维数较小断层面的模型中,覆岩破坏比较迅速,移动比较充分,弯曲带内的离层最终表现为不发育;而含分形维数较大断层面的模型中,覆岩破坏和移动表现为较前者缓慢和不充分,弯曲带内的离层最终表现为较发育。(15) 分形断层面打破了采动断层的正常活化规律,导致地表移动随着断层面分维的减小而愈加剧烈(下沉速度愈趋增大) 断层两侧的台阶落差值和地表最大下沉值均随着断层面分维的减小而增大。在给定的研究条件下,台阶落差值H、地表最大下沉值Wmax和某一时间段的平均下沉速度V 与断面分形维数D 的经验数量关系为H = 1 528. 5D2 - 4 654. 29D + 3 602. 1Wmax = 1 200D2 - 5 832D + 4 094V = - 15. 00D2 + 30. 9D + 20. 58(16) 采动断层活化分形界面效应的数值模拟,不仅有效地验证了实验成果,而且获得了断层面分形性质对采动岩体内部应力分布的影响规律。断层面的分形性质对X 方向的拉应力影响不大;各模型的X 方向压应力和Y 方向拉应力在分形断层面的下部集中程度大体一致,而靠近断层露头附近则随分形维数的增大,集中程度越来越弱,说明断层活化量越来越小,从而造成断层面活化后其两侧岩体的接触程度越来越弱. Y 方向的压应力随断层面分形维数的变化规律是:随着断层面分形维数的增加,整个采场上覆岩层的压应力值逐渐减小,说明随着断层面分形维数增大,断层两侧岩体互相约束性越趋增大,导致采场上覆岩体向下的移动越趋减小,其中的离层越趋增多。上述研究成果表明,将分形几何和损伤力学等先进的理论应用于矿山开采沉陷学科领域中,有助于深入认识和理解复杂的矿山开采沉陷现象,有助于研究矿山开采沉陷更深层次的机理、特征和规律以及此为出发点的控制开采损害的技术措施,将推动矿山开采沉陷理论的进一步发和工程实用。     

水平及缓倾斜煤层开采条件下离层值的计算

煤层开采诱发岩层与地表移动和变形所导致的地表沉陷对地表建筑物产生很大的影响和破坏。覆岩离层充填技术作为矿区开采沉陷控制的新方法，在我国一些矿区的应用实践证明，其控制效果和经济效益均很显著，但在减沉机理方面的研究还有待进一步深入，其中离层充填减缓地表沉陷技术在应用中的一个关键任务之一就是确定离层产生的位置及其大小，目前仍处于经验判定阶段，尚没有完善和准确的理论计算方法。根据薄板小挠度力学理论的基本思想，分析了采用薄板小挠度理论计算采动覆岩中离层产生位置及其大小的可行性及边界条件确定的合理性，探讨了水平及缓倾斜煤层开采条件下离层产生位置及离层值大小（薄板挠曲度）的理论确定方法，并给出了相应的计算公式。这些结果对于现场在应用离层充填技术减缓地表沉陷过程中确定离层产生的位置具有理论上的指导意义。     

急倾斜煤层开采岩移基本规律的模型试验

针对新集三矿急倾斜煤层开采复杂的采矿地质条件，运用实验室相似模型试验方法，对西三采区煤层开采引起的岩体移动和地表沉陷的基本规律进行了研究，总结出了新集三矿急倾斜煤层开采重复采动所引起的厚冲积层岩体移动基本特征和地表沉陷的相关参数。所得结果对现场开采及地表沉陷治理具有一定的指导作用，对于同类地质和开采条件的矿区具有重要参考价值。     

初始节理对岩体内部沉陷范围的影响研究与实验验证

采动覆岩断裂直接影响在表沉陷规律,岩体中初始节理的存在使采动覆岩断裂更加复杂,从而导致岩体内部沉陷范围更难确定,首次对岩体中初始节理以采动覆岩断裂扩散规律,采动覆岩断裂范围,采动覆岩断裂分布、岩体内部沉隆范围的影响进行系统研究,提出初始节理对采动覆岩断裂的影响作用,建立了初始节理端部附近的最大切向应力计算表达式和初始节理开裂的力学条件,为岩体内部沉陷范围的确定提供了理论依据,构造了4台含有不同分布初始节理的相似材料模型,进行开挖实验,验证结果与实际吻合。     

盐腔形成过程对覆岩影响的相似材料模拟实验研究

应用相似材料模拟实验研究了盐腔成腔过程中上覆岩层移动、变形和破坏规律,上覆岩层损伤演化过程及规律,上覆岩层的层面效应及分层特性,上覆岩层破碎岩体尺寸特性等内容。通过这些研究,获得了上覆岩层在盐腔形成过程中的损伤演化方程、上覆岩层因岩层性质不同而产生的分层特性、上覆岩层移动变形过程中表现出来的层面效应以及岩层破碎岩体尺寸与岩层力学性质的关系。为进一步弄清开采沉陷的微观机理和建立新的预测模型打下了基础。     

基于GIS和概率积分法的北洺河铁矿开采沉陷预测及应用

金属矿山多为裂隙发育的块状岩体，因而开采引起的地表沉陷机制不同于层状地层的煤矿。为指导矿山安全生产及地表沉陷治理提供科学依据，以崩落法开采矿山地表沉陷为具体研究对象，对北洺河铁矿开采沉陷预测研究，将基于GIS和概率积分法的开采沉陷预测方法应用于采用无底柱分段崩落法的金属矿山中。通过GIS建模全面反映矿区的三维地理、地质信息及其内在属性，应用基于概率积分法和组件技术开发的MSDAS-GIS系统进行开采沉陷预测。利用GIS强大的空间分析和图形显示功能对预测结果进行分析和处理，并直观反映出开采沉陷对周围环境的影响程度及范围。通过与地表观测数据及实际情况的对比分析，验证预测方法的适用性，同时也为指导金属矿山安全生产提供良好的三维可视平台。     

程潮铁矿西区不同采矿水平下的岩体变形规律分析

 金属矿山不同采矿水平下的岩体变形规律分析,能为矿山地表移动沉陷范围的圈定及安全生产决策提供依据。以湖北鄂州程潮铁矿西区为例,依据近8 a监测所得的地表及深部岩体变形成果,对不同采矿水平下的岩体变形规律进行分析。结果表明：开采－290,－307.5和－325水平时,顶板岩体进入初始冒落阶段;开采－342.5水平时,顶板岩体进入了大量冒落阶段,其崩落是间断发生的;开采－358水平时,地面沉降漏斗均匀扩展,岩层移动表现出很强的连续性;开采－375水平时,围岩进入快速向外扩展阶段,边界线、移动线得到了较大的扩展,下盘沉降漏斗在2010年1月之后变为不均匀扩展,岩层移动出现了突变性;开采－395水平时,围岩进入扩展放缓阶段,边界线、移动线基本未向外扩展,下盘沉陷坑区域变形仍旧非常剧烈,没有减缓的趋势。     

于广明著《矿山开采沉陷的非线性理论和实践》1993年煤炭工业出版社出版

人们很久以前就认识到了地表沉降是采矿带来的一种灾害问题。为了减少开采损害,全世界很多科学家和采矿工程师把开采沉陷预测和控制视为重要的研究领域。多年来,基于观测到的地表沉陷特征开发了许多种开采沉陷预测方法,包括经验公式、剖面函数法、影响函数法及在简单地质条件下进行相对规则开采的地表沉陷的计算模型。数学模拟和物理模拟为研究不同岩层结构的地层沉陷提供了另一种可能,即可直接模拟和观测地表及岩体内部破坏和移动规律,在这方面,中国学者辽宁工程技术大学于广明博士所著《矿山开采沉陷的非线性理论和实践》一书提供了…     

覆岩主关键层运动对地表沉陷影响的 钻孔原位测试研究

 通过神东矿区补连塔煤矿31401工作面内部岩移的地面钻孔原位观测与地表沉陷观测的对比研究,就覆岩主关键层运动对地表沉陷的影响进行实测研究。研究结果表明：厚47.01 m的粉砂岩主关键层控制了上覆基岩直至地表的移动变形,上覆岩层的运动随主关键层破断出现周期性跳跃变化;受主关键层的控制作用,地表沉陷测站观测时间间隔长短显著影响了测点的下沉速度曲线,观测时间间隔越短,其对应的下沉速度曲线呈现的周期跳跃性变化越强;观测时间间隔越长,其对应的下沉速度曲线更为均化。因此,在浅埋煤层开采中,为了准确反映地表下沉的动态过程,应该缩短观测时间间隔,才能正确掌握采动覆岩内部移动与地表沉陷的内在联系,推动开采沉陷预计的发展。     

官庄铁矿深埋破碎矿体开采岩体变形测试分析

 以大量实测资料为基础,分析官庄铁矿北区深埋破碎厚矿体开采引起的围岩变形和地表移动规律。实测结果表明,官庄铁矿北区地表下沉属于连续下沉,岩层破坏主要是缓慢型破坏。分析过程中,把几种实测分析方法和数值分析法有机结合在一起,形成岩体移动变形综合研究方法,对地下开采引起的岩体移动机制进行具体分析。分析中所采用的实测分析类方法包括蠕变试验分析、地表移动观测分析、围岩变形监测分析、原岩应力量测分析;数值分析类方法包括ANSYS和FLAC。结合官庄铁矿工程实例,通过具体测试分析,探讨深部开采岩体移动变形规律及特点,即深部开采覆岩移动变形具有均匀、整体压缩变形等特点,地表移动连续且周期较长。实践证明,所采用的综合研究方法是分析岩体移动和地表下沉机制的有效途径。     

覆岩主关键层对地表下沉动态的影响研究

在对岩体内部移动与地表沉陷实测资料进行对比分析的基础上,采用物理和数值模拟方法,就覆岩主关键层对地表下沉动态过程的影响进行了研究。研究结果证明,覆岩主关键层对地表移动的动态过程起控制作用,覆岩主关键层的破断将引起地表下沉速度和地表下沉影响边界的明显增大和周期性变化。在此基础上,提出将控制覆岩主关键层不破断失稳作为建筑物下采煤设计原则的观点。     

软岩地层地下铁矿开采岩体移动影响范围及变化趋势分析

 在我国官庄东矿北采区,采用分段崩落法进行回采,虽然矿区地表建筑物远离设计的地表移动影响范围,但仍受到影响。结合官庄东铁矿北采区进行分析,对深部开采引起的动态岩体移动变形问题进行具体计算,分析深部开采的岩体移动变形规律及特点,实际观测和理论分析均表明,深部开采工作面的覆岩破坏,具有整体移动变形均匀的特点;软岩地层深部铁矿开采引起的地表移动变形发展缓慢且周期较长。     

遗传规划方法用于确定岩体移动参数

运用遗传规划理论,建立确定岩体移动参数的遗传规划模型,用岩体移动实测数据对网络进行训练,并用测试样本对模型进行测试。研究结果表明,模型的预测性能是令人满意的。运用经典的概率积分法计算公式,通过工程实例计算分析表明,采用遗传规划方法确定出的地表移动参数符合工程实际。     

采矿诱发地震分类的探讨

为有利于矿震灾害的预测、预防和治理,针对目前矿震各种分类间尚未建立起相互联系体系的现状,应用该灾害机制的最新研究成果,按照有利于对症治理灾害的原则,照顾到已被普通接受的习惯,提出矿震层级分类的概念、原则和优越性。按照矿震发生受原生构造应力场作用方式、岩石介质物理力学性质及岩层力学结构对矿震的控制作用、矿震与采矿活动的相关性、次生应力场动力来源和矿震发生及破坏的部位分出5个层级16种矿震类型,强调区域构造应力场和开挖造成的岩体应力状态改变在矿震分类、研究和治理中作用的重要。     

基于正交设计的滚石运动特征现场试验研究

 考虑滚石启动方式、斜坡覆盖层和植被特征、斜坡坡度、坡面长度、滚石形状和滚石质量等6个可能影响滚石运动特征的因素,按照正交设计现场滚石试验。在试验基础上,采用极差、方差和回归分析等手段,以滚石运动的加速度和滚石与坡面碰撞速度恢复系数作为评价指标,对影响滚石在斜坡上运动特征的6个因素进行分析。结果表明：影响滚石运动加速度的诸多因素中,斜坡坡度是主要因素,以下依次是滚石形状、斜坡覆盖层和植被特征、坡面长度、滚石质量和滚石启动方式;斜坡坡度、滚石形状和斜坡覆盖层及植被特征是滚石运动加速度的决定性因素;滚石运动加速度与上述决定性因素之间可用线性关系来描述。斜坡覆盖层和植被特征对滚石碰撞恢复系数起控制性作用,其他因素几平无影响;斜坡覆盖层与植被特征和碰撞恢复系数之间可用线性关系描述。所得成果为危岩体防治时冲击能量的确定提供了依据,提出危岩体整体防治的新的可行方法,对坡面地质灾害的防治有实际意义。     

多煤层开采时岩层垮落过程的数值模拟

 运用自行开发的岩层破断过程分析(SFPA2D) 系统模拟了多煤层开采时岩层的垮落过程。数值模拟结果表明,虽然上部煤柱的存在改变了上覆岩层结构, 但岩层的垮落仍具有明显的周期性, 地表的水平移动和垂直下沉仍具有明显的对称性; 当垮落带高度达到上部煤柱后, 可能出现大面积的垮落, 产生较大的次生来压现象, 从而影响下部长壁工作面的安全。通过和相似材料模拟以及理论分析结果的对比, 本次数值模拟基本上反映了多煤层开采时采动岩体的动态发展过程, SFPA2D系统可以作为模拟采动覆岩破坏过程的一种新方法。     

多煤层开采进岩层垮落过程的数值模拟

运用自行开发的岩层破断过程分析（SFPA^2D）系统模拟了多煤层开采时岩层的垮落过程。数值模拟结果表明,虽然上部煤柱的存在改变了上覆岩层结构,但岩层的震落仍具有明显的周期性,地表的水平移动和垂直下沉仍具有明显的对称性;当垮落带高度达到上部煤柱后,可能出现大面积的垮落,产生较大的次生来压现象,从而影响下部长壁工作面的安全。通过和相似材料以及理论分析结果的对比,本次数值模拟基本上反映了多煤层开采时采动岩体的动态发展过程,SFPA^2D系统可以为模拟采动覆岩破坏过程的一种新方法。