南马圈煤矿采空区稳定性分析及治理对策.pdf

燕山大学 硕士学位论文 南马圈煤矿采空区稳定性分析及治理对策 姓名刘东彦 申请学位级别硕士 专业结构工程 指导教师武崇福;梁建平 20061101 摘要 摘要 近年来，随着我国经济的迅猛发展，工业和基础设施建设的数量在不 断的增长，土地资源日益紧缺；而我国在粗放型经济时代，由于矿业的极 大兴盛，形成了大量的采空区，并且大量的采空区地表处于闲置状态，造 成了土地资源的浪费。为了最大限度的利用采空区，增加土地资源的利用 率，加强对采空区的稳定性研究和治理技术研究具有很大的研究意义和工 程价值。 本文初步总结了矿山围岩稳定性研究和建筑地基稳定性研究的历史现 状及存在的问题，进一步讨论了采空区覆岩和围岩稳定性的判断方法；论 文采用大型三维有限差分软件F L A C 3 D 模拟南马圈采空区的稳定性，再现南 马圈煤矿采空区岩体破坏状态及其岩层位移的规律；得出了南马圈矿岩层 处于稳定状态，民采小矿岩层处于基本稳定状态的结论。 另外，本文采用充填加固顶板的方法处治采空区，并且总结了处治采 空区的一些方法；首先确定了采空区处治的范围，通过对南马圈民采小矿 采空区治理进行展望，对注浆工程作了一定的探索和分析。利用F L A C 3 D 软件对场地注浆前后稳定性进行对比分析，通过分析可知，治理效果达到 了预想的效果。而且以后应该加强对采空区项板位移进行监测，不断更新 数据，为以后类似采空区注浆处理工程提供技术依据。 关键词采空区；稳定性评价；数值模拟；工程对策；注浆工程；F L A C 燕山大学工学硕士学位论文 A b s t r a c t T o d a y , t h en u m b e ro fi n d u s t r ya n db a s i ce s t a b l i s h m e n te n h a n c eg r a d u a l l y a n ds o i lr e s o u r c ci si n c r e a s e l ys h o r tw i t ht h ee c o n o m yo f c o u n t r yd e v e l o p m e n t q u i c k l y ．I ne x t e n s i o ne c o n o m i c a lt i m e ，a sar e s u l to fm i n i n gi n d u s t r ye n o r m o u s p r o s p e r o u s ，m a s s i v e l yc o a l - m i n i n ga r e a sw e r ef o r m e d , a n dl a r g ee a r t h ’Ss u r f u r ei s u n u s e d ．m a k i n g 1 1 s co f c o a l - m i n i n ga l e a st h em a x i n l u ml i m i t ．i ti sv e r ye x t r e m e l y s i g n i f i c a n ta n di th a se n g i n e e r i n gv a l u et oa n a l y s i se v a l u a t i o no nt h es t a b i l i t y a n dt os t r e n g t h e nr e s e a r c ha b o u te n g i n e e r i n ge o u n t e r - n l e a s u r e s ． T h ea r t i c l ei n i t i a l l ys u m m a r i z e dt h eh i s t o r yo ft h es t a b i l i t ya b o u tm i n ea n d B u i l d - g r o u n d w o r kf o r m a t i o na n dt h ep r e s e n ts i t u a t i o n , t h ee x i s t e n c eq u e s t i o n , a n de l a b o r a t e dh a sp i c k e dt h ed e p l e t i o nr e g i o ns t a b l ej u d g m e n tm e t h o d ．T h ep a - p e ru s et h r e ed i m e n s i o n a lf i n i t ed i f f e r e n c es o f t w a r eF L A Cs i m u l a t i o ns t a b i l i t y o f N a nM a n q u a nc o a l - m i n e ，r e a p p e a r a n c et h ed e s t r o ys t a t eo f r o c ka n d t h er o c k l a y e rd i s p l a c e m e n tr u l e ，t or e c e i v et h a tt h em e k N a nM a q u a nm i n i n gi sa tt h e s t e a d ys t a t e ，a n dt h eb a s i cs t e a d ys t a t ea b o u tt h eM i nc a is m a l lm i l l e ． M o r e o v e r , t h ep a p e rm a k e l l s eo ff i l l i n ga n dr e i n f o r c i n gc r e s tt op u n i s hc o a l - m i n i n ga r e a sa n ds u m m a r i z et h em e a s u r e st op u n i s ht h ec o a l - m i n i n ga r e a ．F i r s t t om a k et h ea r e sw h i c hn e e dp u n i s h ．F u r t h e rt og o v e r nc a r r i e so nt h ef o r e c a s t t h o u g hp u n i s h i n gt h eM i nc a is m a l lm i l l e ，a n dm a k i n gc e r t a i ne x p l o r a t i o na n dt h e a n a l y s i sa b o u tt h el i q u i dp r o j e c t ．a n dh a sc a r r i e dO i lt h es i m u l a t i o na n a l y s i st ot h e r e s u ku s i n gt h eF L A Cs o f t - w a r , t h e na c h i e v e dt h ee x p e c t a t i o ng o v e r n m e n te f f e c t ． F r o mt h e no n ，i n t e n s i f y i n gt oi n s p e c tc o a l ．m i n i n ga r e a sc r e s t ，a n du p d a t et h e d a t a , T h i sm e t h o dp r o v i d et e c h n i cg i s tt ot h es i m i l a rl i q u i dp r o j e c t ． K e y Ⅳo r d sc o a l - m i n i n ga r e a s ；e v a l u a t i o no nt h es t a b i l i t y ；n u m e r i c a ls i m u l a l i o n ； e n g i n e e r i n gc o u n t e r m e a s u r e s ；s e r o s i t ye n g i n e e r i n g ；F L A C Ⅱ 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明此处所提交的硕士学位论文南马圈煤矿采 空区稳定性分析及治理对策，是本人在导师指导下，在燕山大学 攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知， 论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果． 对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字 去7 客历日期洲年，／月7 日 I 、。’ ‘ 燕山大学硕士学位论文使用授权书 南马圈煤矿采空区稳定性分析及治理对策系本人在燕山 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论 文的研究成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为 第一完成单位及相关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使 用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印 件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全 部或部分内容。 保密口，在 本学位论文属于 不保密口。 请在以上相应方框内打“√” 作者签名刍f 乐穆 导师签名匐詹和 年解密后适用本授权书。 日期2 州石年，，月7 日 日期州年，，月汐日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 ．1 问题提出及研究意义 由于矿藏的开采，形成大范围的地下空洞区域，这个区域就称为采空 区【1 】。开采造成地下岩体结构被破坏，从而引起地面塌陷、位移，致使地面 上已有的建、构筑物等受到破坏，或者在自然状态下已处于稳定状态的采 空区，当在其上部修建建筑时则会出现“活化”现象。采空区的存在，给 工程建设埋下了极大的隐患。在国内，对于采空区，工程建设时，由于在 开采时技术管理的不规范和在对采空区稳定性评价的手段上存在一定难 度，多数情况下采取绕避措施，造成了投资和土地资源的极大浪费；在国 外，同样不容乐观，也存在着类似的问题。如今，随着我国经济的迅猛发 展，工业和基础设施建设的数量和范围也在不断的扩大，土地资源显得日 益紧缺，大多数采空区还处于闲置状态，为了最大化的重新利用采空区地 表，加强对采空区稳定性研究和处治显得日益紧迫。 在过去的几十年中，中西部煤炭资源的开发对国民经济的发展做出了 巨大贡献，但是同时中西部的一些老能源基地也造成了大范围、大规模采 空区。同时地表出现了裂隙、房屋出现倒塌，造成了很大的负面效应。随 着我国西部大开发和可持续发展战略的实施，许多公路、铁路、厂房等需 要建立在或穿越采空区，由于对采空区缺乏深入的理论研究及较少工程实 践，工业和民用建筑及交通设施等在附加荷载和运输工具的动荷载影响下 采空区在部分地区出现了“活化”，导致地表残余变形过大，影响了正常 使用甚至发生了事故。所以，从降低成本，确保安全的角度出发，使所建 工程能够安全、有效的发挥作用，对采空区的稳定性进行深入、系统的研 究就显得十分有研究价值。 采空区稳定性问题在国内外属于一个比较新的课题，目前尚处于起步 阶段。但是许多学科的发展为其深入研究提供了新的研究契机。从丰富岩 石力学内容，将理论的发展转化为生产力的角度出发，本课题的研究也显 燕山大学工学硕士学位论文 得非常迫切，也具有很高工程实用价值。 1 ．2 采空区稳定- 性研究现状综述 1 ．2 ．1 矿山采空区的沉陷理论研究 采空区引起的地表沉陷在1 5 世纪就已经引起关注，人们通过各种方式 研究探讨其沉陷模式【2 卅。在国外其主要理论有 1 1 5 世纪到1 9 世纪末是沉陷模式的萌芽阶段，主要理论有“法线理 论”及修正的“法线理论”，这个理论就是确定开采的破坏范围，引用破 坏极限角。 2 1 9 世纪末到2 0 世纪初是理论发展的初级阶段，进行了地表下沉与变 形规律的研究，主要是以布德雷克一克诺泰为代表的地表沉陷几何理论。 3 2 0 世纪开始到现在，理论大幅度的发展阶段。随着矿山岩土工程的 增加、岩石力学的发展、现在技术的应用，开采沉陷也快速发展，其中具 有代表性的是以阿维尔申及沙武斯托维奇为代表的连续介质理论；波兰学 者李维特尼申院士为代表的随机介质理论，他用严密的数学理论将岩体视 为非连续介质提出的随机介质理论。 在国内其主要理论有目前主要有概率积分法、负指数函数、典型曲 线法三大预计流派。我国学者刘宝琛、廖国华等发展完善非连续介质的随 机介质理论【5 6 】，此种方法在目前应用广泛。 另外，李文秀口q 】不仅导出了地下开采后山地地表出现倾斜、曲率及水 平变形的表达式；又对山区开采引起的地面下沉给出了数值计算方法，并 利用计算机进行了工程计算分析；而且采用F u z z Y 测度理论对复杂条件下 开采岩体变形问题进行了卓有成效的理论分析，他把导致岩体变形的诸因 素都视为模糊因素，建立了开采岩体变形的数学模型。 1 ．2 ．2 采空区稳定性控制技术研究 1 ．2 - 2 ．1采空区顶板稳定性控制技术的研究2 0 世纪2 0 年代以前，理论的 发展主要有以下方面 第l 章绪论 1 古典的压力理论阶段1 9 】，借助于土力学的基本理论解决岩石力学问 题。该理论认为，作用在支护上的压力是其上覆岩层的重量，其代表是海 姆 H a i m ．A 、朗金 R a r l k i e ．W ．J ．K 和苏联学者金尼克的理论。 2 由于开挖深度的不断增加，发现古典压力理论不符合实际情况。出 现了散体压力不是上覆岩体的重量，而只是围岩坍落拱内的岩体重量，可 以作为代表的有太沙基 T e r a h i ．K 和普氏理论【l o 】，但是这类理论也没有科学 地确定坍落拱的高度和形成过程。 3 从2 0 世纪5 0 年代后期开始有人利用弹塑性理论来研究围岩稳定性 问题，著名的芬纳 F e n n e r - - 塔职勃 T a l o b r e ．J 公式和卡斯特奈 K a s t e r ．H 公 式就是这方面的代表性例子，后来发展了岩石流变扩容理论。 4 2 0 世纪6 0 年代我国学者于学馥教授提出“轴变论”，认为应力均匀 分布的轴比是巷道最稳定的轴比，其形状为椭圆形。并在围岩稳定轴比规 律中，从理论上论述了巷道方向、巷道轴比与原岩应力的关系。但该理论 对于那些受结构面控制的弹性体围岩破坏规律没有实际指导意义。 5 2 0 世纪6 0 年代末，出现了考虑围岩节理、裂隙的计算解。 6 2 0 世纪8 0 年代，我国一些科研、设计、教学部门在进行一些重大 工程设计时引用了共同作用理论来计算的实例，但它也存在一些问题，如 计算需要的岩石力学参数还难以确定，对支护设置前围岩变形量尚缺乏正 确的估计，对围岩破坏机理认识不足并缺乏围岩破坏、失稳的判断准则等 等。因此，利用该理论一般只能作为设计参考依据。同时，也有人利用块 体理论和极限平衡法进行围岩稳定的分析。 1 ．2 ．2 ．2 采空区地基稳定性分析过去关于采空区地基稳定性基本上运用 传统的方法，主要通过测量观察，然后结合实地数据分析进行判断。传统 的评价方法是从覆岩的性质、应力分布入手，研究破坏机理、塌陷的分带 性、地表移动和变形的计算、移动速度和移动过程的持续时间、岩移的观 测方法、观测网的设置原则等，对于后期位移预测多是探讨计算方法。而 目前较常用的是定性和半定量的分析方法。其分析主要分为采空区顶板稳 定分析和采空区地基稳定性分析。文献【1 1 】介绍了用半经验方法进行煤田的 沉降研究。 燕山大学工学硕士学位论文 近年来，随着计算机的发展，数值模拟计算方法有了长足的进步，己 经成为岩石力学研究和工程计算的重要手段。然而，尽管数值模拟计算方 法及理论越来越完善，但也无法完全适应复杂的地质条件及工程条件，数 值模拟把岩石作为一种结构体来研究【1 2 】，从而使数值模拟计算定量结果只 能作为定性或准定量评价的应用。数值模拟方法主要有有限差分法、有限 单元法、边界元法、半解析解法、离散元法、无界元法以及上述各种方法 的耦合。文献[ 1 3 ～1 5 1 ，等叙述了采空区稳定性有限元分析的方法、建模方 法的一些探讨以及应用工程实例。 1 ．2 ．3 采空区稳定性研究及控制存在的问题 岩石力学是一门与实践密切相关的学科，结合岩体的工程实践开展岩 体稳定性分析和岩体工程设计方法的研究是一条最直接最有效的研究途 径。在过去几十年中，岩石力学模型的理论发展获得了较大的发展，但是 在工程实际应用中却发展缓慢。 在现阶段，采空区稳定性研究存在的问题可总结为以下几个方面 1 岩石力学模型体现着人类对岩石本质的认识程度，岩体是一种天然 材料，由于岩石具有足够的差异性，岩性变化比较大，非均质性、各向异 性、非线性和非连续性及其流变性是岩石力学性质复杂的标志。现代岩石 力学研究，岩石全过程应力一应变曲线可分为非线性弹性阶段、线弹性阶 段、微裂缝稳定扩展阶段、非弹性变形破坏阶段、应变软化阶段及残余荷 载阶段等六阶段【1 6 1 。岩石的变形只有一个弹性和塑性的分界点，这是岩石 区别于其它材料的最主要特点。由此可见，采用经典连续介质力学的理论 用于岩体存在着局限性。 2 由于岩石结构非均质和非连续的复杂性，到目前为止，还没有一个 统一的、成熟的岩石力学本构关系【1 6 】。虽然损伤力学为研究开辟了一种新 思路，但是目前的模型中仍没有反映出在压缩状态下的曲线斜率递增的现 象，而多数把应力一应变曲线分段建立来解释力学机理和建立本构方程。 3 1 地应力的存在是使岩石与其他人工材料有很大的区别原因之一，应 大力测试理论测试理论和技术的研究，以期获的进行采矿设计的精确原始 4 第1 章绪论 资料。 4 目前采空区的评价则是从覆岩的性质、应力分布入手，研究破坏机 理、塌陷的分带性、地表移动和变形的计算、移动速度和移动过程的持续 时间、岩移的观测方法、观测网的设置原则等，对于后期的位移预测多采 用探讨方法。而目前较常用的是定性和半定量的分析方法，没把理论、模 拟、现场实测三种方法相结合，只能提供一种理论分析的依据，不能为实 际工程提供定量的分析。 1 ．3 论文研究内容与技术路线 1 ．3 ．1主要研究内容 采空区数值模拟‘1 7 叫9 1 可以使用有限元法、边界元法、离散元法、有限 差分法等。论文采用有限差分法F L A c 口呲u F a s tL a g r a n g i a nA n a l y s i so f C o t i n u u m 软件模拟，本课题把采空区覆岩考虑为宏观体，课题拟采用莫尔 一库仑破坏准则，具体研究内容如下 1 本文首先介绍采空区沉陷的基本规律，以及影响采空区稳定性的因 素；讲述了评价采空区稳定性的理论依据。 2 根据承德南马圈煤矿采空区现场勘查、物理勘查、地质钻探以及实 地测量等方法查明采空区空间范围、回采时间，对不同类型采空区进行分 类。 3 依据相关规范对不同类型采空区进行时间、空间特征稳定性分析。 4 1 应用数值模拟方法，研究回采过程中覆岩变形规律，确定地表沉陷 范围，给出采空区的关键部位。 5 根据地表沉陷的关键部位，确定一种合理的处治方法，并迸一步比 较处治前后采空区的稳定性，评价治理效果。 1 ．3 ．2 研究技术路线 本文采用拉格朗日有限差分法进行分析，利用大型岩土分析软件模拟 南马圈采空区的稳定性，具体研究技术路线如图1 一l 燕山大学工学硕士学位论文 图1 - 1 技术路线流程图 F i g ，1 1T h e f l o w c h a r t a b o u t t e c h n i c p a t h 6 第2 章采空区沉陷理论与控制技术研究 第2 章采空区沉陷理论与控制技术研究 2 ．1 矿山开采沉陷基本规律 2 ．1 ．1 采空区上覆岩体移动模式 矿体开采破坏地应力的分布，应力受到扰动而重分配，重分布后形成 的应力则称为二次应力或诱导应力【1 6 】。地下空间的开采必然使围岩应力场 和变形场重新分布并引发围岩和覆岩损伤，严重时导致失稳、垮塌和破坏 直到新平衡，发生岩移现象。地下开采后形成的巷道、采空区数量大，形 状复杂，因此岩层移动过程和岩体破坏形式复杂多样。下面简单描述采动 岩体移动的基本形式1 2 2 l 1 上覆岩层的弯曲弯曲是岩层移动的主要形式，当地下矿体被采出 后覆岩中的各个分层，从直接顶开始，沿法线方向，依次向采空区方向弯 曲。在整个弯曲范围内，岩层可能出现数量不多的微小裂缝，基本上保持 连续性和层状结构。当采空区跨度较大时，弯曲的岩层可能产生破断、跨 落。 2 矿体上方岩石垮落由于矿体被开采，在自重作用下，岩体内部应 力超过岩石的破坏极限，部分岩石就会脱离，破碎成大小不一的岩块。 3 上覆岩层的裂隙是指在采空区不大时或在跨落岩石堆积到一定程度 时，其上方的岩层只产生断裂和离层而不跨落。 4 矿体被挤出矿体采出后，采空区顶板岩层出现悬空，其上覆压力 转移到周围矿柱上，形成高应力区，周围矿体在附加应力的作用下，一部 分矿体被压碎，并挤向采空区，导致片帮现象。 5 岩石岩层面滑移在倾斜岩层条件下，岩石自重力方向与岩层的层 理面斜交。由于采空区下部应力释放，在重力作用下岩石将沿层理方向移 动，随着岩石倾角的逐渐增大，岩石岩层节理面的滑移越明显，其结果将 导致采空区上山方向的部分岩层受拉，甚至被剪断，而下山方向部分岩层 被压缩。 7 燕山大学工学硕士学位论文 6 跨落岩石的下滑矿层采出后，采空区被岩块填充。如果矿层倾角 较大，上部跨落的岩石下滑充填采空区。跨落岩石下滑后，其上部岩石失 去支撑而跨落，造成跨落和裂隙向上发展。如果岩层倾角很大，开采边界 距地表越近，跨落就可能发展直到地表，形成抽冒现象。 7 底板隆起如果开采矿层底板岩石很软且倾角较大，在矿体被开采 后，底板在侧压力作用下向采空区方向隆起，形成底板岩石移动。在有地 下水时，地板可能破裂。 2 ．1 ．2 采空区上覆岩体空间破坏特征 在大面积全部、跨落法管理项班条件下，覆岩破坏呈现出明显的分区 域特点。开采当采空区范围较小而采深较大时，采空区上覆岩体的移动可 能不波及地表。而当采空区范围较大而采深较小时，其上覆岩体的移动就 会波及到地表，并引起地表下沉，下沉所涉及的整个范围称下沉盆地。在 矿区称为塌陷区。当开采空间跨度足够大，即使完整坚硬的顶板，会因强 度超过极限而垮塌、冒落。实际上，由于大多数岩体都含有各类地质弱面 将岩体切割成一系列弱联接的嵌合体或各式各样的组合体，这种岩块体在 围岩应力与自重共同作用下，当矿体被采空后，在紧靠采空区的块体被暴 露以后，临空块体就发生移动，满足失稳的力学和几何条件的块体先行垮 落，并将这种过程传递给相邻的岩块体，随之垮落相继发生，顶板岩块的 移动逐渐发展，破裂区逐渐扩大。同时，垮落岩体发生一定程度的碎胀和 剪胀，当碎胀和剪胀的体积之和等于采出空间时，垮落终止。垮落终止后 岩体的应力状态逐渐恢复平衡。在此过程中，上覆岩层因下方采动而产生 的移动、变形从性质上可以分为垮落带、断裂带、弯曲带。如图2 ．1 所示 1 垮落带垮落带是指用全部垮落法管理顶班时，回采工作面放顶后 引起煤层顶板岩层产生垮落破坏的区段。其高度主要取决于采出厚度和上 覆岩石的碎胀系数，通常为采出厚度的3 ～5 倍。实践中可估算冒高塌“ 肪志 2 _ 1 式中 ，煤层厚度 8 第2 章采空区沉陷理论与控制技术研究 口煤层倾角 K 一岩石碎胀系数，岩石的碎胀系数取决于岩石破碎的块度，一般 取1 ．0 5 ～1 ．8 0 文献[ 2 2 】把采空区顶板冒落阶段分为初始冒落阶段、间断冒落阶段、地 表冒落阶段、扩展下移阶段，从时间上对顶板的冒落进行阐述。 图2 1 采空区覆岩破坏分区 F i 晷2 1T h er o c kd e s t r u c t i o nd i s t r i c ta b o u tc o a l m i n i n ga l e a ．5 2 断裂带断裂带又称为裂隙带，位于垮落带之上。主要由岩层离层 及相对滑移而生成，与冒落带没有明显的界限。在采空区上覆岩层中产生 裂缝、离层及断裂，但仍然保持层状结构的那部分岩层及所属范围，称为 断裂带。其断裂裂缝形式具有垂直或接近垂直的规律性。岩层断裂带和冒 落带没有明显的界限，合称为透水裂隙带，在靠近冒落带的岩层，断裂严 重，裂缝贯通性明显。在这一区域，一般会有顺层面脱开的离层裂缝。其 高度玩可有如下经验公式估算 I L L - - 型 2 - 2 c M d 3 弯曲带弯曲带位于断裂带之上直到地表。在垂直剖面图上，其上 下各部分的沉降差异很小，一般不会出现离层现象。岩层在自重力的作用 下产生层面法向弯曲，在水平方向处于双向受压缩状态，而且其沉陷过程 是连续而有规律的，并保持其整体性和层状结构，不存在或极少存在离层 裂缝，贯通性很差。其弯曲带的高度主要受开采深度影响。 以上划分的三个岩层移动带，在水平和缓倾斜煤层开采时较明显。三 带的划分是为了研究方便，实际上覆岩的破坏是连续的，它们之间存在着 9 燕山大学工学硕士学位论文 一定的过渡高度。 2 ．1 ．3 采空区地表的变形显现特征 当地下开采影响到大地表以后，在采空区上方地表将形成一个凹陷盆 地，或称为地表移动盆地。一般来说，地表移动盆地的范围要比采空区面 积大很多，形状近似椭圆形。在矿层平缓和充分采动情况下，发育完全的 地表移动盆地可分为三个区域，如图2 ．2 1 中间区位于采空区正上方，其地表下沉均匀，地面平坦，一般不 出现裂缝，地表下沉值最大。 2 内边缘区位于采空区内侧上方，其地表下沉不均匀，地面向盆地 中心倾斜，呈凹形，一般不出现明显的裂缝。 3 外边缘区位于采空区外侧矿层上方，其地表下沉不均匀，地面向 盆地中心倾斜，称凸形，常有张裂缝出现。地表移动盆地的外边界，常以 地表下沉1 0 m m 为标准来圈定。 ／。弋 二- 。∑7丧竺 ■”7 ， ， l 、 ，／譬采空区区、、／矿层 、 、 、 、 图2 2 地表移动盆地分区图 F i g ．2 2D i s t r i c tc h a r [ a b o u ts u r f a c em i g r a t i o nb a s i n 2 ．2 采空区稳定性评价 2 ．2 ．1 采空区稳定性影响因素 采空区稳定性除了与建筑物本身的因素有关外，主要取决采空区覆岩 体性质和变形及围岩的受力特征【2 3 1 ，直接受到地质采矿等多种客观因素的 综合影响，尽管地质与采矿条件很复杂，在目前技术条件下很难完全查明， 1 0 第2 章采空区沉陷理论与控制技术研究 诸种影响因素都具有强烈的模糊性。归纳起来有如下几种 1 采空区上覆岩石类型及物理力学性质岩组类型[ 2 4 1 指上覆岩体中岩 石的组成成份及其相互之间的上下顺序。不同类型，其移动的变形特点是 不同。岩组中各分层厚度越大，岩体移动所需采空区面积越大，变形和破 坏过程也越长；当岩组中有松散岩体和流砂层时，如果在浅部开采，则流 砂可能沿裂隙逐渐透至井下，在地表形成塌陷漏斗，如在深部开采，则流 砂可能沿裂隙逐渐流失，使地表移动盆地扩大并变缓如塑性较大的软弱 岩体覆盖于脆性较大的坚硬岩体之上，则坚硬岩体所产生的裂隙将被软弱 岩体所掩盖或缓冲，地表出现较为平缓的移动盆地；如坚硬岩体覆盖于软 弱岩体之上，则地表移动较为剧烈，且出现裂缝的可能性更大；如上覆表 土层很厚，则对建筑物的保护十分有利。一般来说，上覆岩层强度高且单 层厚度大时，采动区的沉降较小，其变形破坏过程长，不易影响到地面的 稳定性；而强度低、单层厚度薄的岩层则相反。脆性岩层易出现裂缝，而 塑性岩层则往往表现出均匀沉降变形。 2 采空区的尺寸及开采倾角采空区尺寸的大小可以决定地表移动过 程中发展的程度以及地表移动盆地的形状和大小。采空区尺寸的大小对移 动角有一定影响，一般来说岩层移动角随着采空区面积的增大而减小，但 当采空区面积很大时，对移动角的影响不大口在一定开采深度条件下，随 着采空区尺寸的增大，地表移动影响范围变得越平越大。 矿体倾角的大小与变化，对地表移动和变形的影响十分明显，不同的 矿体倾角，地表移动与变形值的大小及其分布规律都不相同。 3 采空区开采采厚及采深采厚是造成采空区覆岩破坏的根本原因之 一，研究资料表明随着采厚的增加，冒落带和裂隙带的高度按线性比例 增加，即在相同条件下，采厚越大，破坏波及的范围就越大，岩石的破坏 也就越严重【2 5 】。通常以深厚比作为衡量开采条件对地表移动和变形影响的 粗略估计指标。 一般说，随开采深度的增加，下沉速度减小，地表移动范围增大，扩 展到地表所需时间延长，但移动和变形值变化不大，因而地表移动和变形 比较慢，同时下沉盆地变得平缓。 燕山大学_ [ 学硕士学位论文 4 采空区的开采方式及顶板管理方式采矿方法及顶板管理方法对岩 体移动变形有直接影响，是影响围岩应力变化、岩层移动、覆岩破坏的主 要因素。采用不同的采矿方法及顶板管理方法，地表移动变形值也不同。 5 边缘煤柱的稳定性在采用煤柱支撑法管理顶板时，煤柱的稳定性 是至关重要的。岩层的变形和破坏是从直接顶开始，自下而上扩散，破坏 时，直接顶最下部岩层的碎胀性最大。因此，基本顶和所有上覆层的下沉 量一般都比煤层开采的高度要小。这样，在很长一段时间内，在煤柱内部 尤其是煤柱边缘区存在着较大的集中应力。如果煤柱边缘区因应力过大而 导致其破坏，岩层的两帮会失去支撑，将会引起应力调整而使裂隙带的高 度继续增大，从而导致支撑压力向煤柱深部发展，同时会引起基本顶悬臂 跨度的增大。若煤柱根本不足以承受覆岩的压力，在一段时间内，煤柱将 被压跨。 2 ．2 ．2 采空区稳定性评价判据 2 ．2 ．2 ．1采空区覆岩破坏机理人类采矿的历史非常悠久。但在1 9 世纪以 前，人们对煤炭的需求量还不大。1 9 世纪末，采矿导致的覆岩移动和破坏 以及由此造成的地面建筑物破坏引起了人们的注意。2 0 世纪以来，随着社 会发展对能源的需求和机械设备的发展，尤其解决了“三下”采煤的难题 后，大大的推进了工程技术人员对采区的岩层与地表移动规律的认识达到 了一个新的高度。 图2 ．3 煤柱边缘的变形破坏图 F i g ．2 - 3T h ed r f o r m a t i o ni nm a r l i no f p i U a r 1 2 第2 章采空区沉陷理论与控制技术研究 关于覆岩的破坏机理的理论有四种比较流行的理论，他们都在不同程 度上解释了不同地质条件、不同开采方式、不同开采阶段覆岩破坏特征和 地表移动特征。随着开采技术的发展以及对岩层破坏变形规律研究的不断 深入，研究认为，即使是在同一地区，对于采空区不同的埋深和区段，其 破坏机理也不尽相同，主要有以下四种理论 1 拱形冒落论和拱形假说它是由俄国人普落托吉亚诺夫于1 9 0 7 年提 出，德国人哈克和吉列策尔于1 9 2 8 年提出压力拱学说，并完善了拱型冒落 论。采掘时，由于矿体采出后形成新的临空面，从而引起一定高度覆岩冒 落，直到形成一个近似拱形的形状时才停止冒落，并逐步达到稳定调查研 究表明在顶板和底板的变形破坏中都存在类似的变形破坏规律。随着开 采工作面的不断推进，压力拱也会不断的发展。拱形冒落现象常见于覆岩 性质坚硬、结构和组成简单的地层，适用于解释工作面跨度较小，覆岩厚 度较大的采空区。 2 悬臂梁冒落论与冒落岩块碎胀充填论这种理论由德国人舒尔兹和 施托克提出。该理论把工作面和采空区上方的顶板看作是梁或板，在初次 冒落后，该梁或板的一端固定在工作面和采空区前方的矿壁上，而另一端 自由悬露，或者支撑在支架或跨落的岩石上，也可能只产生弯曲变形而不 折断，当悬臂梁板的悬臂长度很大时，就发生周期性的冒落。冒落的岩块 由于破裂或其间存在裂缝而体积膨胀，并填充了采空区所留下的空间，从 而限制了覆岩冒落的继续发展，使之逐渐趋向稳定。 O N 落岩块铰接论原苏联库兹涅佐夫在2 0 世纪5 0 年代提出。他将工 作面的覆岩的破坏分为两个带，上部是规则的移动带，其移动的岩块相互 联系和铰合，成一条铰练形状，在采空区上方规则的下沉；下部的不规则 带又分为两个部分，上部的岩块按原来的方向规则的排列，其下部的岩块 可以自由地冒落到采空区内，其排列是杂乱无章的。这种理论是今天“三 带”分布理论的基础。 4 砌体梁平衡理论该学说是由我国钱呜高教授提出来的。它认为在 工作面附近断裂带的岩层对于上覆岩层的破坏最大，形状有如砖石堆砌而 成的砌体结构，故称其为“砌体梁”。其外形是梁，实际是拱，在地层中形 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 成了新的平衡结构。这种学说将覆岩断裂带的岩层在横向分为三个区矿 壁支撑区、离层区、重新压实区。上覆断裂带岩层的结构平衡是借助于岩 块间的由于重力和相互挤压所产生的摩擦力。我国有关学者利用此理论成 功地计算和分析了有关采场的岩石结构形态和受力情况【2 6 】，对采场的“砌 体梁”理论作了实证。 综合上述四种学说，并参考模型的应力分布。由此我们认为采空区的 变形经历下列过程首先在采空后，上覆岩层如同梁或板的受力情况，在 竖直方向上从上至下，应力由压变拉，中间的附加应力存在零点。由于上 覆岩层的自重较大，岩石的抗拉强度较小【2 ”，于是下部岩层开始发生变形 破坏并且逐渐向上扩散并波及地表；其次，由于采空区的埋深较大，上覆 岩层中存在厚度、强度较大的岩层，形成悬臂梁，使采空区的跨度层层减 小；然后，在重力作用和摩擦力作用下，上覆岩层向采空区的中心地带移 动，由于岩石具有一定的粘聚力，并不会向流体一样完全涌向采空区，岩 石内部的粘聚力和内摩擦角和岩层间的摩擦、粘结等作用，致使变形的范 围向上不断扩大，应力不断消散；最后，由于岩石的破碎存在一定的碎胀 性，根据资料，细砂岩的碎胀系数与煤壁的距离有关，距煤壁愈近，碎胀 系数愈大。岩石的碎胀性对下部的采空区具有填实作用，于是三带逐渐形 成，当采空区被填充后，三带互相连接或形成稳定结构，可以进行应力的 传递，覆岩在蠕变作用下，逐渐被压实而趋于稳定。 2 ．2 ．2 ．2 采空区围岩的破坏机理地下工程开挖常能使围岩的性状发生很 大变化，如果围岩体承受不了回弹应力或重分布应力的作用，围岩即将发 生塑性变形或破坏。围岩的破坏主要表现为拉伸破坏和剪切破坏。随着深 度增加，岩体应力会增加到足以引起开挖区周围岩石产生破坏的程度。地 下开挖体的变形和破坏，除与岩体内的初始应力状态和洞室有关外，主要 取决于围岩的岩性和结构。 1 拉伸破坏机理H o c k 【2 卜3 0 1 1 9 6 5 认为，当0 3 R 置，为单轴抗拉强 度 时会发生拉伸破坏。因为R 1 ／2 疋 r e 一√朋2 4 s 疋为单轴抗拉强 度 ，用R ，表示的强度与应力比由下式确定 1 4 第2 章采空区沉陷理论与控制技术研究 强度R c m 一√，”2 4 s ， “ 应力 拉伸 2