开采沉陷对地表建筑物的损坏评价研究.pdf

声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者繇驰≮争一嘞吵勘 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 保密学位论文在解密后遵守此规定 。 签名日期 历k 7 歹 太原理工大学硕士研究生学位论文 开采沉陷对地表建筑物的损坏评价研究 摘要 随着国民经济的快速发展及人民生活水平的日益提高，各行各业对煤 炭资源的需求越来越大，这样就会促使更多企业去开采更多存在煤炭的区 域，像建筑物下采煤，从而可能引起地表的下沉、移动和变形，使地面建 筑物发生倾斜、裂缝、倒塌等现象。 本文以苏村煤矿1 0 1 0 1 工作面开采对地表村庄建筑物的损坏为研究背 景，在总结参考前人相关研究的基础上，对开采引起的地表沉陷做了预计， 并结合相关规程规范及有关模糊数学理论对建筑物的受损坏程度等级进行 了科学的评估研究。 首先，结合苏村煤矿的地质报告及相关图纸资料对苏村煤矿的地质概 况和开采方法等做了简明概述；用矿方送来的岩芯，对岩石强度做了室内 岩石力学试验，为后面的沉陷预计预备好了前提条件； 其次，结合概率积分法及M M S P S 系统软件对地表移动变形做了计算 预计，为后面的综合评价打下了基础； 最后，通过对前面几章相关资料的分析研究j 选择了九个主要影响因 素作为模糊综合评价的因素集，利用现场实测统计综合评价、专家模糊综 合评价及多级模糊综合评价的对比，对地表建筑物损坏等级进行了综合评 估。 关键词概率积分法，沉陷预计，模糊综合评价，损坏等级 太原理工大学硕士研究生学位论文 I I 太原理工大学硕士研究生学位论文 S T U D Y0 ND A Ⅳ【A G EE V A L U A T l 0 NO FS I 瓜F A C EB U I L D I N G S C A U S E DB Y 心Ⅲ崎GS U BS I D E N C E A BS T R A C T A st h e r a p i dd e V e l o p m e n t o fna ．t i o n a l e c o n o m ya n dt h e i n c r e a s e d i m p r o V e m e n to fl i V i I l gs t a J l d a r d ，a l lw a l l so f1 i f ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt o t 1 1 ed e m a n do fc o a l r e s o u r c e ．n l u s ，i tw i l li m p e l r e l e V a n td 印a n m e n t st oe x p l o i t m o r er e g i o n sw h i c hp m b a b l yc o n t a i nc o a l ，s u c ha sm i n i n gu n d e rb u i l d i n g s ． C o n s e q u e n t l y i tm a y b ea r o u s es u b s i d e n c e ，m o v e m e n t ，a n dd e f o m a t i o nf o rt h e s u r f a c e ，a n dm a k et h eb u i l d i n g si n c i n e ，c r a c ka 1 1 dc o l l 印s e ． R e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h i sp a p e rr e s u l t s 丘o md 锄a g eo f b u i l d i n g sc a u s e d b yt h e10 1O1f a c em i n i n gf o rS u c u nc o a lm i n e ．O nt 1 1 eb a s i so fs u m m a r i z i n ga n d r e f b r r i n gt of o m e rr e l e V a n ts t u d i e s ，t h i sp a p e rr e a s o n a b l yp r e d i c t st h es u b s i d e n c e r a n g e ，a n dc o m p r e h e n s i V l ye V a l u a t e st h ed a m a g e dg r a d eo fb u i l d i n g sa c c o r d i n g t or e l e V a J l tm l e s ，n o n l l sa I l df h z z ym a t h e m “c st 1 1 e o 珥 F i r s t ，w ec o n s i s e l ys u m m a r i z eg e o l o g i c a li n f o r m a t i o nf o rt h ec o a lm i n eb y a n a l y z i n ga 1 1 du n d e r s t a n d i n gg e 0 1 0 西c a lr e p o I r ta n dd r a w i n gi n f o m a t i o no f S u c u nc o a lm i n e ． T h e n ， w eu s er o c kc o r es e n t t om a k et h ei n d o o rr o c k m e c h a n i c st e s ta b o u tr 0 6 ks t r e n g m ，a n dl a yaf o u n d a t i o nf o rm ef o l l o w i n g s u b s i d e n c ep r e d i c t i o n ． S e c o n d l y ，w ec a l c u l a t ea 1 1 d f o r e c a s tt 1 1 em o v e m e ma n dd e f o m a t i o no f I I I 太原理工大学硕士研究生学位论文 s u r f a c ew 油t 1 1 eh e l po fp r o b a b i l i 够i n t e g r a lm e t h o da I l dM M S P Ss y s t e m ，t 1 1 u s l a y i n gas o l i df b u n d a t i o nf o rm en e X tc o m p r e h e n s i V ee V a l u a t i o n ． F i n a l l y ，w e s e l e c t1 1 i n e k e y e f r e c tf a c t o r sa st 1 1 ef a c t o rs e t o f 如z z ， c o m p r e h e n s i V ee V a l u a t i o nb ya J l a l y z i n ga n gr e s e a r c h i l l gt h er e l e V a n tr e s o u r c e s w i mm ef o m e rs e V e r a lc h a p t e r s ．T h e n ，w em a k ec o m p r e h e n s i V ee V a l u a t i o nf o r t h ed 锄a g e 旷a d eo fs u r f a c eb u i l d i n g s ，b yc o m p a r i n gw 淌f i e l dm e a s u r e m e n t s t a t i s t i c a l c o m p r e h e n s i V ee V a l u a t i o n ，e 【p e nc o m p r e h e n s i V ee V a l u a t i o n ， a n d m u l t i l e V e lc o m p r e h e n s i V ee V a l u a t i o n ． K E Yw O l m S p r o b a b i l 匆i n t e 铲a lm e m o d ，s u b s i d e n c ep r e d i c t i o n ，如z z ， c o m p r e h e n s i V ee V a l u a t i o n ，d 锄a g eg r a d e I V 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 第一章绪论⋯．．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．1 1 ．1 选题的背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 ．1 选题的背景．．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．1 1 ．1 ．2 选题的意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 国内外相关研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．3 1 ．2 ．1 相关理论的发展状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．3 1 ．2 ．2 相关方法的简明概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．4 1 ．3 研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 1 ．3 ．2 研究技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 第二章苏村煤矿概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．9 2 ．1 苏村煤矿地质概况⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．．9 2 ．1 ．1 自然地理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．1 ．2 矿区地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l l 2 ．1 ．3 水文地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．1 ．4 环境地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．2 苏村煤矿开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．1 8 2 ．2 ．1 可采煤层顶底板工程地质情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．2 ．2 瓦斯与煤尘⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 2 ．2 ．3 煤的自燃倾向性．⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．．．2 l 2 ．2 ．4 地温与地压⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯2 2 第三章岩石力学试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．1 试验的理论方法⋯．⋯．．⋯⋯．．．．⋯⋯．．．．⋯⋯⋯．．．．．．⋯⋯．2 3 3 ．1 ．1 单轴抗压试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．2 4 3 ．1 ．2 单轴抗拉试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．2 5 3 ．1 ．3 抗剪试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．2 试验结果处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ．2 ．1 抗压试验处理结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 3 ．2 ．2 抗拉试验测定结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．2 ．3 抗剪试验测定结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 第四章开采沉陷范围预计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．1 依据原有留设煤柱预计的沉陷范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 4 ．2 依据概率积分法预计的沉陷范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．2 ．1 概率积分法预计模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 4 ．2 ．2 预计参数选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．2 ．3 地表移动变形预计结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．2 ．4 沉陷范围的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 第五章开采沉陷对地面建筑物损坏评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 5 ．1 地表建筑物损坏因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 5 ．1 ．1 开采沉陷对建筑物的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 5 ．1 ．2 建筑物本身的因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．4 9 5 ．1 ．3 地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．2 村庄受损房屋实测及其评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 5 ．2 ．1 受损房屋实测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯5 1 5 ．2 ．2 受损房屋评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 5 ．3 模糊综合评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。．6 3 5 ．3 ．1 确定评价因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 5 ．3 ．2 确定评价集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5 ．3 ．3 确定单因素隶属函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 5 ．3 ．4 建立单因素评价矩阵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 5 ．3 ．5 确定权重矩阵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 l 5 ．3 ．6 进行模糊综合评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 8 第六章主要结论及存在问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 3 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．8 3 6 ．2 存在问题．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 9 I I 太原理工大学硕士研究生学位论文 致谢⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．9 3 攻读学位期间发表的学术论文目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 5 I I I 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．1 选题的背景及意义 第一章绪论 1 ．1 ．1 选题的背景 我们国家自古以来就是地大物博、物产丰富的国家，人口就更不用说了。在这块九 百六十万平方公里的土地上，不仅孕育着中华民族的优良传统美德，更蕴藏着巨大的能 源资源，而其中的煤炭是我们国家应用最多的能源。自建国以来，煤炭在我国的能源消 费中一直占据着主导地位，在一次性能源产生及消费中的比例分别达到了7 6 ％和6 9 ％， 远远高于整个世界能源的消费水平。据不完全统计，我国现有煤炭在建 构 筑物下、 铁路下、水体上和承压水体上的压煤储量远超过1 3 0 亿吨，其中建筑物下的压煤量所占 的比例多达6 4 ％，而村庄下的所压煤量就占了建筑物下压煤量的6 0 ％多[ 。 随着经济的快速发展，尤其是改革开放以后，我们国家的工业飞速前进，因此而带 来的能源需求[ 2 】更是直线飙升。近十几年来，煤炭方面的市场行情已经达到巅峰状态， 国内的所有煤矿都加大了生产，各个公司分配给下属煤矿的生产任务一年比一年多，而 由此带来的就是生态、环境、土地、建筑物破坏[ 3 】等方面日益严峻的形式。一说环境问 题我们脑海中更多出现的是污水排放、空气污染、黄色沙尘暴等，而对于三下一上采煤 引起的土地破坏、房屋倒塌、大量植被遭受破坏却未引起足够的重视【4 】。我国大量煤炭 资源是位于人类生活生产的地下范围内，对于地下的环境，没有一个学者或专家能完全 掌握其复杂的地质条件，所以在下面进行的工作所带来的地质方面的破坏性问题就不能 保证不会波及到地表。在我国这么一个煤炭生产大国，大约有三分之一的煤矿位于山区， 尤其是山西、陕西、内蒙等地的山区煤矿【5 ] 最多。在煤炭开采给我们带来巨大经济效益 的同时，必然会带来环境生态环境遭受破坏、地表出现塌陷【6 】等不好的一面，我们势必 要引起足够的重视。难道非要等到哪一天我们的身边活生生多出几个大坑，我们才要恍 然大悟吗 马克思的唯物辩证法告诉我们，矛盾的双方是成双成对存在的，既对立又统一。而 我们的煤炭开采所带来的问题也一样，在造福于人类的同时，又给我们留下了前所未有 的问题。要想既发展了经济又不对环境造成一点破坏，这基本上是不可能的。这就是我 们现在的煤矿开采所面临的一个大环境、大背景。而我们所能做的就是探索寻找他们之 太原理工大学硕士研究生学位论文 间的平衡点，让二者和谐发展，共同共存下去。 1 ．1 ．2 选题的意义 人口、资源和环境【1 7 】是我们人类面临的三大问题，他们之间的互利共存组成了我们 整个人类社会。在资源给我们的物质生活带来保证的同时，也给我们的生存空间带来了 太多的污染源。 拿我们国家来说，我国各类矿产相对较齐全，目前发现的矿产有1 6 0 多种，而已经 探明的达1 4 0 多种。2 0 多种矿产的探明储量都排在世界前列，如煤、锡、稀土、高岭土 等，已开发利用的达1 3 0 多种，每年采掘的矿石量已经有5 0 多亿吨，9 5 ％的能源、8 0 ％ 以上的工业原料以及7 0 ％的农业生产资料都是以矿产品为原料的，现在我国已成为世界 第三矿产资源采掘大国【8 ．1 们，矿产资源开采业俨然也己成为我国国民经济发展的重要基 础工业。然而，我们不得不承认矿山开采在给我们国民经济做出巨大贡献的同时，更是 带来了环境问题的日益严重。由于人类在开采活动中缺乏统筹规划、综合利用和地质环 境保护意识，开采多、治理少，掠夺性[ 1 1 1 开采现象严重，从而造成矿山地质环境的恶化 程度已相当严重，像矿山沉陷区地面建筑物【1 2 ] 的保护、加固、迁移、赔偿等问题，都直 接和百姓的生存生活环境紧密相连。因此，在建筑下开采，如何能既经济又合理地进行， 已成为我们各个科研院校及科研单位一个重要的课题。 2 1 世纪的中国已经竖起了和谐的伟大旗帜，在这面大旗的指引下，中共中央总书记 胡锦涛同志更是提出了以人为本的科学发展观【1 3 】，其很明确的指出把发展作为第一要 义，但不能违背以人为本的核心，还要符合全面协调可持续发展的要求，所用的方法是 统筹兼顾。从这一发展观当中，我们不难找到解决开采沉陷与建筑物安全合理共存这一 对矛盾的办法，那就是统筹兼顾，走可持续发展之路。那又如何去做到统筹兼顾，如何 能可持续发展下去呢 其实，就只为追求两个字合理，也就是我前面提到过的平衡点， 具体即指开采沉陷和建筑物安全之间的平衡点。我们不能说是为了一味追求发展、一味 追求第一要义，而不顾生态环境的存亡、不顾老百姓住房的安危；我们也不能说是为了 保证百姓住房的不倒塌、地表的不变形而一点也不开采，这都是偏激的想法，不可取。 那如何在现实生活中去人为的做到这样的平衡呢 我认为要从三方面着手，第一，对开 采引起的地表沉陷范围做尽量准去的预计；第二，对地面建筑物进行综合性评价；第三， 对出现的损坏进行治理、恢复【1 4 】等方面的研究，提出合理性措施。只要有了这三方面的 具体性的工作，我相信我们就能找到那个平衡点，也就能做到合理合情、统筹兼顾，从 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 而可持续的发展下去。 我的这篇论文就是以苏村煤矿要开采的1 0 4 煤层1 0 1 0 l 工作面对地表村庄的影响为 研究对象，利用煤矿已有的地质资料及我们进行的现场实测和拍照，对工作面地表的沉 陷范围做了科学的预计，再利用预计的结果结合三下一上采煤的相关理论、条例及模糊 数学理论做了综合性评价，为提出保护治理措施提供依据，从而实现了开采沉陷和地表 环境的健康和谐可持续发展。 1 ．2 国内外相关研究现状 1 ．2 ．1 相关理论的发展状况 矿山开采沉陷本身是一门独立性学科，其综合性是比较强的，涉及到的学科知识包 括测量、地质、岩石力学、数学等很多，它的所有理论和这些学科有着非常紧密的的联 系【1 5 1 ，各学科之间既互相制约依赖，又互相补充促进，从而把矿山开采沉陷打造成了一 门集众家理论于一体的综合性独立学科。 随着时间的推进、科技的进步，开采沉陷学的发展越来越步入完善，从发展的历史 来看，分为1 9 0 0 年以前，1 9 0 1 年～1 9 4 0 s ，1 9 4 0 s ～现在。若按开采沉陷学科的发展来 分的话，包括假说推理阶段，根据现场实测资料总结规律阶段，方法和理论的建立阶 段。 1 9 0 0 年以前的推理假说阶段1 8 2 5 年和1 8 3 9 年，比利时组成的专门委员会提出的 垂线理论，虽然该理论缺陷很多，但毕竟是往前迈进了一步，值得赞扬学习；1 8 8 2 年， O e s t e r r 教授提出了自然斜面理论，其认为下沉盆地是由自然斜面角所圈定的，其圈定的 移动范围与现代开采沉陷理论虽然挺相近，但他的理论只适用于水平矿层，可毕竟他第 一次提出了岩层移动范围与岩层性质有关的思想，这就是创举，要敢于根据实际的观测 资料敢于进行原因的猜测，假说、真理就是这样提出来的；1 8 8 5 年法国人F a v 0 1 提出了 圆拱形理论，认为岩层移动的形式是塌陷式的，移动波及到的地表区域会呈现圆拱形， 还有至今咱们现在理论界还在延用的平衡圆拱理论，更让人佩服的是他是第一个用室内 模型研究开采沉陷问题的学者；1 8 7 6 年至1 8 8 4 年，德国人J l c i n s k y 创造了二等分线理 论，同时建立了计算移动角的公式，他的思想相对来说比较靠近我们现代所用理论； 1 8 9 5 ～1 8 9 7 年，H a u s e 创建的理论，认为煤炭采出后，会在采空区形成塌落、弯曲的综 合移动带，还提出了岩层胖胀系数的范围是0 ．0 1 到0 ．0 2 ；达尔特穆特煤矿管理局在对地 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 面进行系统观测的基础上创立了达尔特穆特规则。 1 9 0 1 ～1 9 4 0 s 1 9 0 7 年，K o r t e n 依据实测数据，建立了水平移动、变形规律，这个 规律跟现代的非充分采动条件下地表移动规律较吻合，并且他认识到在急倾斜开采条件 下地表的水平移动可能大于下沉；前苏联一些专家根据实际的观测，提出了当煤炭采出 后新的采空区会随着变形逐渐移动侵入到旧的采空区，这个观点至今仍在被采用；1 9 1 0 年，P u s c h m a m 在他的书中第一次给出了关于岩层移动的观测结果，从而引起了一股大 量学者模仿其书中相应岩层移动观测，而且取得了不少很有价值意义的理论成果1 9 3 4 年～1 9 3 5 年，G l u c k a u f 根据自己的计算方法，创建了极限角角值确定这一理念，同时前 苏联的一些学者通过研究大量的现场实测资料，以及相关的立体模型试验，建立了沉陷 区的地表移动变形规律，还第一次绘出了相应的等值线图，这次令人惊叹的成果通过和 现场的实际情况相比较，其结果是非常吻合的；在同一时期，美、英、苏联等国对地表 移动进行了系统观测，获得了地表移动变形规律，还通过现场观测地表建筑物的损坏程 度，获得了建筑物损坏等级与地表变形的关系。 1 9 4 0 s ～现在1 9 4 7 年，阿威尔辛在其新出版的关于岩层移动方面的著作中，非常条 理地对岩层移动规律及移动参数进行了研究，后来，由于阿威尔辛的影响，各国学者建 立了大量的预测方法和公式，像影响函数、剖面函数和数值计算法等；1 9 5 0 年左右，我 国开始在淮南、开滦两矿区建立了地表移动观测站，像抚顺、阜新、峰峰等矿区都建立 观测站，到目前为止，已有几百个观测站，从而获得了大量地表移动观测数据，为预测 方法及参数研究提供了可靠数据；2 0 世纪8 0 年代，北京开采研究所、中国矿大等先后 引进了钻孔伸长仪和测斜仪，在淮北、抚顺露天矿、邢台等矿区进行了岩体内部移动规 律，为深入分析岩体内部移动规律提供了基础数据。 以上就是国内外的研究理论，从中，我们看到一个科学的理论得来是多么不容易， 这需要理论与实践的反复验证、互相推进，更需要我们人类自己的强烈的主观能动性的 不断探索欲及征服欲。 1 2 ．2 相关方法的简明概述 地下的煤炭被采出后，就会引起开采区周围岩体原始应力的变化，出现岩体移动和 变形，变化应力经过排列组合之后，向一种新的平衡方向发展，同时这样的应力变化还 会经过岩层的传播，波及到地表，引起地表的沉陷及建筑物的破坏，这一系列活动完了 之后，最后就又建立了另外一种平衡态，这就是开采沉陷[ 1 6 】。由于矿山开采沉陷学是一 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 门与众多学科都有关系的综合性学科，所以其通常采用的研究方法也是非常具有综合性 及其独立性，具体内容如下 1 地质条件研究、法 由于开采工作是在地下进行的，整个过程必然会对岩体的结构、赋存条件等方面造 成影响，比如岩体弱结构面及岩体结构等【1 7 】，所以，采用对岩石、岩相和岩层特征 如 粘土成分、可溶盐类、含水蚀变矿物及原生结构与构造等 等方面的研究方法，将非常 有利于对相关岩体的研究，从而很好地把握开采引起的地表沉陷及破坏方面的规律。 2 岩石力学试验研究法 我们通常做的室内岩石力学试验所用的材料是矿上利用大小不等的钻头进行打钻 孔取岩芯，然后送到我们试验室后，又经过我们利用钻孔机、磨石机的后期处理，从而 制成相应标准的试件，然后去做单轴抗压、单轴抗拉及抗剪试验，最后把取得的结果数 据经过我们相关人员的处理取得所需要的参数数据即可。而现实采场中我们所面对的往 往是非常巨大的岩体，它不单单是数十块岩芯就能代表的，岩体是由岩块及结构面组成 的，它的性质和岩石有很大的差异，这主要是结构面的影响，因此既要研究岩石方面的 力学性质，而且更重要的是研究结构面的相关力学性质，尤其是弱结构面的强度变形等， 把两者有机地结合起来研究，这将非常有利于对岩体的研究【1 8 删。 3 现场实测研究法 现场实测方面的内容主要是指地表沉陷方面的监测、地表移动变形及土地遭受破坏 方面的监测、井筒变形方面的监测及建筑物受损变形方面的监测。我们关注的主要就是 地表沉陷方面的监测技术和建筑物变形方面的监测，前者主要是利用一些新仪器新技术 按照设计的程序一步步来监测，像全站仪、G P S 等；后者主要是关于建筑物测点相对位 移之间的监测、裂缝扩展的监测及一些应力的监测等。 4 数值模拟研究法 我们平时在研究开采沉陷方面所用的沉陷预计理论都是针对地质条件相对比较简 单的情况，他要求的都是些像工作面比较规则、没有大的地质构造断层等条件；而现实 客体中这种情况基本上是少之又少，大多都是地质条件比较复杂的，像一些急倾斜的矿 层、大的断层褶皱构造带等，单靠经验方面的方法是根本不够的，这就要研究一些恰当 的岩体力学模型，将连续岩体和非连续岩体融为一体，常用的前沿的方法像相关的有限 单元法，还有离散元法[ 2 2 ．2 3 】，如A 1 1 s y s 、F L A C 、U D E C 等。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 模拟试验研究法 利用模拟试验进行的研究主要是参考现场的一些具体的地质调查资料，进行岩体结 构的划分，然后再进行室内的岩石力学试验，了解岩体的基本赋存条件、结构面的几何 特性，从而为即将进行的物理模拟试验或相似模拟做好充分的准备[ 2 4 1 。 6 过程辨识法 所谓的过程辨识是指按一定的输入形式输入变量，根据输出响应特性来推导出系统 传递函数的过程即为过程辨识。其方法有阶跃响应法、脉冲响应法、相关函数法、最 小二乘法等等。依据其建立的模型只是在一定的前提条件下的一种近似处理，其近似处 理的好坏很大程度上依赖于我们人类对于对于相关行业的熟知程度及有没有丰富的实 际基层经验口5 1 ，所以这种方式的研究对人的要求条件及依赖程度都是非常高的。 7 综合分析法 作为一名研究人员，我们非常清楚每一种研究方法或理论的建立都是在大量的实际 观测与实践中，是经过千百万次的提炼而升华为书本上的理论。所以说每一套理论都有 其适合的客体。在现实生活中，当我们遇到一个工程时，首当其冲的是要首先分析了解 他具体的一些特性，像地质方面的赋存条件了、岩性了等等，从而进一步把他进行归类， 看看这项工程到底适合哪一种理论去解决，如果条件非常复杂，那就综合运用以上各种 方法去解决它【2 6 。2 7 1 。 1 ．3 研究内容及技术路线 1 ．3 ．1 研究内容 本文以苏村煤矿1 0 1 0 1 工作面开采对地表村庄建筑物的影响为背景，在总结参考前 人已有研究的基础上，对苏村煤矿1 0 1 0 1 工作面开采引起的地表沉陷做了预计，并结合 相关规程规范及有关数学知识对建筑物的受损坏程度等级进行了科学的评估研究，其具 体内容如下 1 参考翻阅相关专家教授编辑的书籍，对相关的理论发展史、研究方法及采取的 措施进行了总结； 2 结合苏村煤矿的地质报告及相关图纸对苏村煤矿的地质概况和开采方法等做了 简明概述； 3 利用矿方打钻孔运来的岩芯，对1 0 4 煤层1 0 1 0 1 工作面项板的覆岩岩性及岩石强 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 度做了室内力学试验研究； 4 依据概率积分法及M M S P S 系统软件对地表移动变形做了分析计算预计； 5 利用现场对受损建筑物进行的实测统计及模糊数学理论模型，结合规程【2 8 1 规定 对建筑物受损坏等级程度进行了综合评估。 1 ．3 ．2 研究技术路线 依据具体的研究内容及研究方法，建立了如下的技术路线图1 ．1 图1 ．1 技术路线图 F i g u r e1 - 1T e c h n 0 1 0 9 rr o a d m 印 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 ．1 苏村煤矿地质概况 第二章苏村煤矿概述 2 ．1 ．1 自然地理 1 、位置及交通概况 苏村煤矿所在的井田位于中阳县城北1 5 k m 处的苏村村附近，行政区划隶属于中阳 县苏村乡管辖。其地理坐标为东经1 1 1 0 1 1 ’1 1 ”．1 1 1 。1 3 ’2 5 ”，北纬3 7 。2 3 ’1 4 ”．3 7 。2 1 ’1 5 ”。井 田范围由下列1 3 个坐标点依次连接圈定，如表2 ．1 平面坐标 点号 XY 0 14 1 4 1 9 5 1 ．4 0 21 9 5 1 6 4 2 9 ．9 1 7 0 24 1 4 1 9 5 1 ．4 0 81 9 5 1 7 4 7 9 ．9 2 2 0 34 1 4 1 3 0 1 ．4 0 51 9 5 1 7 4 7 9 ．9 2 6 0 44 1 4 1 3 0 1 ．4 1 91 9 5 1 9 7 2 9 ．9 3 7 0 54 1 4 0 4 0 1 ．4 1 11 9 5 1 9 1 2 9 ．9 3 9 0 64 1 4 0 4 0 1 ．4 0 61 9 5 1 8 4 2 9 ．9 3 6 0 74 1 3 9 4 5 1 ．4 0 21 9 5 1 8 4 2 9 ．9 4 2 0 84 1 3 8 9 5 1 ．4 0 01 9 5 1 8 4 7 9 ．9 4 5 0 94 1 3 7 9 5 1 ．3 9 41 9 5 1 8 3 7 9 ．9 5 1 1 0 4 1 3 7 9 5 1 ．3 8 81 9 5 1 7 4 2 9 ．9 4 6 1 14 1 3 8 9 5 1 ．3 9 31 9 5 1 7 4 2 9 ．9 4 0 1 24 1 4 0 2 5 1 ．4 0 01 9 5 1 7 4 2 9 ．9 3 2 1 34 1 4 0 2 5 1 ．3 9 31 9 5 1 6 4 2 9 ．9 2 7 根据山西国土资源厅2 0 l O 年5 月4 号颁发的C 1 4 0 0 0 0 2 0 1 0 0 5 1 2 2 0 0 6 4 1 6 2 号采矿许 可证，兼并重组后整个井田南北宽3 ．3 5 k m ，东西长3 ．1 8 1 k m ，为一不规则形状，面积 6 ．1 0 0 l ‰2 ，批准开采4 4 ～1 0 4 煤层，开采深度1 1 3 0 ～7 7 8 m 标高。 3 0 7 国道和孝 义 一柳 林 铁路均从中阳县城通过，山西中阳华润联盛有限公司 往西4 k m 有三级油路与中阳县和3 0 7 国道相通，交通运输条件较为便利。详见交通位置 图2 ．1 。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 匾 图2 ．1 井田交通位置图 F i g u r e2 - 1D i a g r 锄o f 仃a 伍cl o c a t i o nf o rt h ec o 出f i e l d 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 、地形地貌 该矿地处晋西黄土高原，属吕梁山西侧的中低山区，地貌类型以侵蚀的黄土梁、塬、 峁为主，其次为冲沟，地面切割强烈，地形复杂。区内最高点在井田东部山梁上，标高 为1 3 2 3 m 左右，最低点在井田西部季节性河沟中，标高为1 0 9 1 m 左右，相对高差为2 3 2 m 左右。 3 、河流水系 本区属黄河流域的三川河水系。该矿内无常年性河流，仅在雨季沟谷中有短暂洪水 向西流入三川河支流南川河。 4 、气象状况 该矿地处晋西北黄土高原，属温带大陆性气候，四季分明，昼夜温差较大。其气候 特点是冬春干旱少雪多风，夏秋温和多雨，全年夏短冬长。据中阳县气象局多年观测资 料，年主导风向为西南风，冬季多西风，夏季多西南风，年平均风速为3 ．1 l 州s 。最高气 温3 2 ．5 ℃，多出现在7 月份，最低气温．2 1 ．7 ℃，多出现在1 月份。全年无霜期1 3 2 天， 每年1 1 月底冻结，翌年3 月初解冻，最大冻土深度O ．7 0 m ，降水量为3 2 6 ．9 0 ～8 1 1 ．5 0 姗， 大多集中在7 ～8 月份，蒸发量为1 4 8 2 1 9 4 1 I 衄，蒸发量大于降水量。 5 、地震状况 本区地处吕梁地隆区，根据记载只受邻区地震影响，如1 8 2 9 年4 月离石北纬 3 7 ．5 。，东经1 1 1 ．2 。 发生的5 ．2 5 级地震和1 8 9 1 年4 月1 7 日孝义、介休 北纬3 7 ．1 。， 东经1 1 1 ．9 。 发生的5 ．7 5 级地震，时区内有感觉，表现为房响尘土落。依据G B l 8 3 0 6 ．2 0 0 1 中国地震动参数区划图，本区地震动峰值加速度为0 ．0 5 9 ，对应地震基本烈度为Ⅵ度。 5 、经济状况 区内耕地贫瘠，人口稀少，主要农产品以豆类、谷类和玉米为主，一年一收，畜牧 业不甚发达，劳动力有较大剩余。工业主要为煤炭和农副产品加工等，是当地的主要经 济来源。， 2 ．1 ．2 矿区地质 1 、地层状况 苏村煤矿位于河东煤田中部离石矿区境内，井田内地表几乎全为上第三系上新统 N 2 ，第四系中、上更新统 Q 2 3 ，全新统 Q 4 所覆盖，仅在较大的沟谷有零星的 二叠系下统下石盒子组 P 1 X 出露。现根据区域资料，结合井田内钻孔揭露的资料， 由老至新综述如下 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 奥陶系中统峰峰组 0 2 D 以深灰色、灰色巨厚层状石灰岩及白云质灰岩为主，夹灰～黄色泥灰岩，灰岩致密、 坚硬，质地纯净，地表及浅部溶洞发育，直径由数厘米至数米。顶部侵蚀面下有石膏带， 厚度为2 0 ．7 9 ～3 1 ．4 4 m ，