金属矿山开采过程上覆岩层应力与变形特征.pdf

金属矿山开采过程上覆岩层应力与变形特征 ① 赵 康１， 赵 奎２ （１．江西理工大学 建筑与测绘工程学院，江西 赣州 ３４１０００； ２．江西理工大学 工程研究院，江西 赣州 ３４１０００） 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。 关键词 开采过程； 上覆岩层； 变形特征； 拉应力； 垂直应力； 位移 中图分类号 ＴＤ３２４文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１４．０４．００２ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１４）０４－０００６－０５ Ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ ｉｎ Ｍｉｎｉｎｇ ｏｆ Ｍｅｔａｌ Ｍｉｎｅ ＺＨＡＯ Ｋａｎｇ１， ＺＨＡＯ Ｋｕｉ２ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ ａｎｄ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ＆ Ｍａｐｐｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｊｉａｎｇｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｇａｎｚｈｏｕ ３４１０００， Ｊｉａｎｇｘｉ， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｊｉａｎｇｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｇａｎｚｈｏｕ ３４１０００， Ｊｉａｎｇｘｉ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ 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 ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ 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． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｍｉｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ； ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ ｒｏｃｋ； ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ； ｔｅｎｓｉｏｎ； ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｔｒｅｓｓ； ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ 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。 岩石材料是一种脆性材料，矿山开采过程和 开采后留下大量的采空区，致使覆岩应力环境发生了 动态改变，应力的作用使岩体移动造成矿山岩爆、冲击 地压、覆岩垮落及地表塌陷等灾害［１］。 掌握覆岩内部 岩层活动规律，对采空区稳定性评估及采取有效的控 制措施有重要的现实意义。 国内外学者对煤矿岩层破 坏机理及运动规律的理论研究较成熟［２－７］，但针对金 属矿山覆岩动态破坏的研究鲜有出现。 因金属矿山多 为裂隙发育的块状岩体，具有不连续性、不规则性，同 时由于地层结构、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，所以金属矿山的覆岩材料破 坏预测缺乏客观性，同时也难以把握，这些给金属矿山 的覆岩移动的控制带来了困难［８－９］。 因此研究采动过 程中覆岩的应力变化规律和覆岩破坏特征，可为防治 ①收稿日期 ２０１４－０２－２６ 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （５１０６４０１０）；江西省自然科学青年基金项目 （２０１４２ＢＡＢ２１６０２０）； 江西省科技计划项目 （２０１３２ＢＢＧ７０１０６）；江西理工大学科研基金重点项目（ＮＳＦＪ２０１４－Ｋ０２） 作者简介 赵 康（１９８０－），男，河南淮阳人，博士，讲师，从事工程岩体监测及稳定性、岩土工程数值分析的教学与研究工作。 第 ３４ 卷第 ４ 期 ２０１４ 年 ０８ 月 矿 冶 工 程矿 冶 工 程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３４ №４ Ａｕｇｕｓｔ ２０１４ 矿山局部动力灾害和支护提供重要依据。 本文从开采 扰动过程应力环境的变化角度，探讨了金属矿山覆岩 材料承受不同应力时的破坏特性。 １ 力学模型建立及参数 以我国某金矿为工程背景，采用 ＲＦＰＡ（Ｒｅａｌｉｓｔｉｃ Ｆａｉｌｕｒｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ） ［１０－１２］ 计算程序，研究在动态 开采过程中覆岩随着应力变化，其动态破坏特征和过 程与应力之间的关系。 该矿体长度 ９０ ｍ，平均厚度 ５ ｍ，倾角近水平，埋深 ５００ ｍ。 地表为粉质粘土夹碎 石，矿体顶板岩石为砂岩、页岩，其中夹粉砂岩和泥岩， 覆岩内偶有少量破碎带；底板岩石为砂岩、页岩。 采用 平面应变模型（见图 １），由于地应力和自重应力对矿 山开采过程中覆岩破坏都有一定的影响，为了真实反 映矿山的力学环境，通过对附近相邻矿山实测地应力 数据进行研究和分析，结合该矿的地质特点，构造应力 为 ２ ＭＰａ，竖直方向考虑自重应力作用，鉴于模型尺寸 所限，无法通达地表，根据计算竖直方向应施加应力 ７ ＭＰａ（见表 １）。 为了真实反应金属矿山地质赋存条件 的复杂性和不规则性，对上覆岩体单元参数实行随机 赋值，其中弹性模量取均值，其他物理参数根据岩石力 学性质设置（见表 ２）。 计算以每步开挖 １０ ｍ 来研究 实际矿山的开采过程，由于该矿山采用空场法采矿，人 工矿柱的支撑效果往往由于设计强度、施工工艺等因 素影响导致接顶不够，致使采空区上覆岩层移动甚至 垮塌，本次为了充分研究金属矿山开采过程中采空区 覆岩的动态破坏特征，采空区不采取任何支护和充填 措施。 图 １ 采动条件下覆岩破坏模型示意图 （ａ） 计算模型；（ｂ） 力学模型 表 １ 控制边界条件和开采参数 控制条件开采参数 Ｘ 方向应力构造应力２ ＭＰａ矿体距上边界／ ｍ１１０ Ｙ 方向应力覆岩重力７ ＭＰａ每步开采长度／ ｍ１０ 加载方式平面应变矿体厚度／ ｍ５ 强度准则摩尔库伦准则总开采步／ 步９ 表 ２ 覆岩物理力学参数 岩石 名称 弹性模量 ／ ＭＰａ 单轴抗压 强度／ ＭＰａ 重度 ／ （ｋＮｍ －３ ） 泊松 比 内摩擦角 ／ （） 砂岩１０ ０００９０２５０．２５３０ 页岩１５ ０００１００２８０．２４３５ 粉砂岩５ ０００２０２２０．３３０ 泥岩２ ０００１０２００．３２５ 粉质粘土 夹碎石 １ ０００２１４０．３５２０ ２ 开采过程中覆岩破坏特征与关键应力 ２．１ 开采过程中覆岩破坏过程与拉应力关系分析 由于岩石材料是一种“抗压不抗拉”的脆性材料， 因此，覆岩的破坏受拉应力影响最为密切，这里重点讨 论和分析受拉应力条件下覆岩破坏机理与损伤规律。 随着矿山开采过程的进展，覆岩的破裂损伤情况 时刻发生变化，因篇幅所限，本文选择几个有代表性的 开采扰动过程，对其受拉应力影响而产生的覆岩材料 破坏规律进行研究，结果见图 ２。 在开采的初期阶段， 覆岩几乎没有明显的微裂纹出现。 当工作面开采到 ２０ ｍ 时，在采空区顶部靠近中间的区域拉应力增强， 从图 ２（ａ）的拉应力（应力数值负的表示拉应力，正的 表示压应力）区可看出，拉应力主要在采空区围岩的 正上方和下方聚集，形如蝴蝶状，基本上呈左右对称趋 势，其中上部拉应力区域和拉应力值均比下部底板要 大，造成这种现象的原因是随着采空区空间的增大上 部覆岩受拉应力和自重应力的影响越来越显著。 从图 ２（ｂ）中可以看出仅有极少微破裂纹出现，众所周知， 拉应力是导致覆岩破坏的最重要的因素，所以导致采 空区正上方覆岩顶板中部区域最先发生拉破裂纹出 现，从应力值的大小也可以看出，此时剪应力最大值为 ６．１７ ＭＰａ，而拉应力的最大值为 ４．８５ ＭＰａ，虽然剪应力 较拉应力大很多，但拉应力造成的破坏相对剪应力较 显著。 此时的覆岩区域属于弹性区。 随着工作面推进到 ４０ ｍ 时，采空区围岩已经进入 塑性区域，岩石材料分子在剪应力作用下也发生了一 些破裂，塑性区的范围在增大。 拉应力区域变得越来 越大（图 ２（ｃ）），在拉应力作用下，采空区顶板已出现 局部的垮落，在垮落区上方明显出现岩石材料破裂且有 贯通的趋势，从应力值可看出，尽管此时最大剪应力为 ７．９０ ＭＰａ，比拉应力最大值 ５．４９ ＭＰａ 要大，但是拉应力 的作用已造成覆岩局部零星垮落产生（图 ２（ｄ））。 此 时，该区域垮落区已经形成。 当工作面推进到 ６０ ｍ，拉应力区域一直在增大扩 散，拉应力的最大值为６．２６ ＭＰａ（图２（ｅ）），随着拉应 ７第 ４ 期赵 康等 金属矿山开采过程上覆岩层应力与变形特征 图 ２ 开采扰动过程中覆岩破裂损伤演化与拉应力关系 （ａ） 开采 ２０ ｍ 拉应力与覆岩损伤演化；（ｂ） 开采 ２０ ｍ 覆岩破裂分布；（ｃ） 开采 ４０ ｍ 拉应力与覆岩损伤演化；（ｄ） 开采 ４０ ｍ 覆岩破裂分布； （ｅ） 开采 ６０ ｍ 拉应力与覆岩损伤演化；（ｆ） 开采 ６０ ｍ 覆岩破裂分布；（ｇ） 开采 ８０ ｍ 拉应力与覆岩损伤演化；（ｈ） 开采 ８０ ｍ 覆岩破裂分布 力的增大，覆岩发生了大面积的垮落破坏，并产生了贯 通，在此期间发生一次大的垮落区域，垮落长度为 １８ ｍ，垮落高度达到 １１ ｍ（图 ２（ｆ））。 垮落区域产生后， 由于覆岩自重应力和构造应力的作用，继续对没有垮 落区周边围岩施加外力，这样导致周边围岩破裂区域 扩展，使塑性区域范围进一步增大。 当矿体开采到 ８０ ｍ 时，随着采空区体积的增大， 在自重应力场和构造应力的共同作用下，拉应力又继 续增大，微破裂纹继续产生，使塑性区范围也进一步增 大，此时拉应力最大值达到 ９．２６ ＭＰａ（图 ２（ｇ））。 由 于塑性区域微裂纹扩展范围增大，顶板垮落区垮落高 度也增大（图 ２（ｈ）），此时约达到 １４ ｍ。 如果大垮落 发生，将会吸收和转移覆岩内的一大部分能量，致使拉 应力有一定程度降低，但随着采空区的继续增大，拉应 力又会增加到一个新高度，直到大的垮落区产生，吸收 和释放一大部分能量后，拉应力又会降低，如此反复。 直到整个采矿过程结束，拉应力最终达到 ８．２９ ＭＰａ， 塑性区域破坏范围继续增大，顶板垮落区垮落高度也 增大，此时达到 １５ ｍ。 纵观整个开采扰动过程，从拉应力条件下的采空 区覆岩破碎损伤演化过程可知，拉应力主要集中在采 空区顶板区域。 在造成采空区围岩破坏损伤方面，拉 应力对采空区顶板区域造成宏观的拉破坏，总体上拉 应力对覆岩破坏的影响最显著。 拉应力是覆岩顶板垮 落的主导因素。 ２．２ 开采过程中覆岩破坏与垂直应力关系分析 在整个开采扰动过程中，覆岩的破坏主要受内部 应力变化影响，通过监测覆岩内部主要产生水平应力 和垂直应力，由于垂直应力是造成覆岩垮落的主要诱 因，为了进一步研究应力对采空区覆岩的破坏特征的 影响，研究了覆岩内部垂直应力在开采过程中对覆岩 破坏的影响。 下面就距采空区顶板 １０ ｍ 处覆岩内断 面的垂直应力进行分析讨论，结果见图 ３。 采空区工作面从开切眼到推进 １０ ｍ 的过程中垂 直应力迅速增大，此时主要体现出压应力，其值为 ２．１～ １２．９ ＭＰａ（图 ３），沿矿体走向其压力值以 ７ ＭＰａ 为中 心轴上下基本等幅振动。 随着工作面长度的增加压力 值范围一直在增大，在推进到 ３０ ｍ 时，压力值为 ０．５～ １６ ＭＰａ，在采空区的正上方覆岩内部压应力逐渐减 少，向拉应力逐步过渡；在采空区的两个端部压应力增 加，采空区正上方拉应力的出现和采空区端部压应力 的增加导致覆岩内部破裂纹的产生。 当工作面推进到 ４０ ｍ 时，在采空区正上方出现了明显的拉应力，应力 范围为－２．４～２０ ＭＰａ，存在拉应力的区域进一步增大， 拉应力和压应力的值都在增大，覆岩破裂范围也在增 大。 随着采空区推进到 ５０ ｍ 时，覆岩中出现拉应力的 区域一直增大，而此时的最大拉应力值基本上变化不 大，仍然在－２．４ ＭＰａ 左右，压应力仍然出现在采空区 的两个端部，最大达到了 ２１．２ ＭＰａ。 造成拉应力变化 不大的原因，本文认为是由于大范围拉应力在采空区 正上方出现，导致了覆岩的破裂和贯通，一部分顶板垮 ８矿 冶 工 程第 ３４ 卷 图 ３ 开采扰动过程中覆岩断面垂直应力变化曲线 落，释放了一定的能量；而由于岩石材料“抗压不抗 拉”的特性，尽管在采空区两端部压应力一直增大，但 无法导致覆岩在此区域大量破裂、贯通。 随着开采的 继续进行，直到开采结束，采空区上方的覆岩破裂、垮 落区域越来越大，覆岩中存在拉应力的区域随着工作 面增大而增大，而最大拉应力变化不大，一直在－２．４ ＭＰａ 左右；而采空区两端部的压应力一直在增大，开 采结束后最大压应力达到了 ３２．８ ＭＰａ。 从图 ３ 可以看出，在开采的初期阶段，覆岩内部都 是压应力，随着采空区的增大，最大压应力一直增大，而 在采空区的正上方，压应力逐渐向拉应力过渡，随着开 采进行，拉应力逐渐增大；其采空区上部形成“凹”形的 垂直应力在采空区两侧集中，且其“凹”形的跨度随着 开采工作面的增大而增大，在采空区覆岩产生初次垮 落后，拉应力值不再增大，而采空区两侧的压应力值一 直增大，垂直应力与采空区中轴线呈左右对称趋势。 ３ 开采过程中覆岩破坏特征与位移变 化关系 图 ４ 是距采空区顶板 １０ ｍ 的覆岩内岩层位移变 化与开采工作面推进距离的关系。 由图可见，随着工 作面长度的推进，采空区范围越来越大，距顶板 １０ ｍ 处覆岩的下沉范围与下沉量都在增大。 在工作面推进到前 ３０ ｍ 时，覆岩的下沉量是渐变 的，这与图 ２ 中覆岩没有发生大的破坏贯通相吻合，所 以导致其上部的覆岩位移量小，没发生突跳，仅有极少 量岩石材料内部发生破裂，岩石材料分子本身体积的 变化导致覆岩位移量的变化是有限的；其下沉量曲线 都是连续、渐变的，表明在距离顶板 １０ ｍ 处，覆岩没有 发生岩石材料内部的贯通破坏和大的位移，也即没有 垮落现象发生，此处属于弹性区。 当工作面推进到 ４０ ｍ 时，其下沉量曲线有突变趋 ９第 ４ 期赵 康等 金属矿山开采过程上覆岩层应力与变形特征 图 ４ 覆岩移动与采空区尺寸关系 势，最大下沉量达到 ２２．２３ ｍｍ，说明此时覆岩材料本 身有大量分子产生破坏，另一方面表明材料分子破坏 发生了贯通，导致大量的微裂隙出现，致使下沉量曲线 突跃。 通过研究表明，覆岩内部产生裂隙和贯通才是 导致覆岩下沉量较大和突跃的本质，此时该区域属于 塑性区。 工作面推进到 ５０～９０ ｍ 之间，从图中可看出其下 沉量曲线有中断（此中断处数据发生下沉量较大，从 图 ２ 可知此处发生了垮落，导致数据突变，与其他数据 差异较大，甚至达到 ５ 个数量级，为了研究需要和方便 对比，将此处突变数据略去），表明在距顶板 １０ ｍ 处 发生了垮落现象，下沉范围随着开采工作面的增大而 增大。 通过前述分析，可发现在距采空区顶板同一位置 时，随着工作面的推进，采空区体积逐渐增大，其覆岩 下沉范围和下沉量均逐渐增大。 下沉曲线的下沉量的 最大下沉“顶点”，随着工作面长度的推进，向工作面 推进方向逐渐移动。 下沉曲线的光滑体现了监测点在 覆岩所属区域是垮落区、塑性区还是弹性区。 ４ 结 论 １） 在造成采空区覆岩破坏损伤方面，剪应力和拉 应力都对围岩造成损伤，剪应力对围岩造成微观破裂 纹，拉应力对采空区顶板区域造成宏观的拉破坏，总体 上拉应力对覆岩破坏的影响最显著，是覆岩垮落的主 导因素。 ２） 在开采的初期阶段，覆岩内部压应力显著，随 着采空区的增大，采空区两端部压应力一直增大，而在 采空区的正上方，压应力逐渐向拉应力过渡，且拉应力 随着开采的进行而逐渐增大，拉应力最大值达到 ９．２６ ＭＰａ；覆岩中垂直应力呈“凹”形在采空区两端部聚集 增大，且其跨度随着工作面的增大而增大，在采空区覆 岩产生初次垮落后，拉应力值达到 ２．４ ＭＰａ 时不再增 大，而采空区两侧的压应力值却一直增大，直到开采结 束达到 ３２．８ ＭＰａ，垂直应力与采空区中轴线呈左右对 称趋势。 ３） 随着工作面的推进，其覆岩下沉范围和下沉量 均逐渐增大。 下沉曲线的最大下沉“顶点”，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。 参考文献 ［１］ 赵静波，高 谦，李 莉． 地下采动岩层移动预测理论分析与研究 ［Ｊ］． 矿冶工程，２００４，２４（３）１－４． ［２］ Ｔｏｒａｎｏ Ｊ， Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ Ｒ， Ｒａｍｉｒｅａ⁃ｏｙａｎ⁃ｇｕｒｅｎ Ｐ． Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ⁃ｉｎｄｕｃｅｄ ｓｔｒａｉｎｓ ａｔ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ａｂｏｖｅ ｓｔｅｅｐ ｓｅａｍ ｍｉｎｉｎｇ ［Ｊ］． Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍｉｎｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， ２０００，３７（３）１１６１－１１６７． ［３］ Ｚｈａｎｇ Ｙ Ｚ， Ｗａｎｇ Ｍ Ｌ． Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ Ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ ｆａｉｌｕｒｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ｔｗｏ ｃｌｏｓｅ⁃ｒａｎｇｅ ｓｅａｍｓ ｕｓｉｎｇ ｒｏｏｍ⁃ａｎｄ⁃ｐｉｌｌａｒ ａｎｄ ｌｏｎｇｗａｌｌ ｍｉｎｉｎｇ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０００ （６）１０－１３． ［４］ 朱星辉． 平邑石膏矿房柱式开采大面积采空区处理方法研究 ［Ｄ］． 泰安山东科技大学资源与环境工程学院，２００４． ［５］ Ｇｏｋｃｅｏｇｌｕ Ｃ， Ｓｏｎｍｅｚａ Ｈ， Ｋａｙａｂａｓｉ Ａ． Ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｉ ｏｆ ｒｏｃｋ ｍａｓｓｅｓ［Ｊ］． Ｉｎｔ Ｊ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈ ＆ Ｍｉｎ Ｓｃｉ， ２００３，４０７０１ －７１０． ［６］ Ｙａｎｇ Ｙ， Ｋａｎｇ Ｔ， Ｈａｏ Ｘ， ｅｔ ａｌ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｉｎ⁃ｓｉｔｕ ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈ⁃ ｎｉｑｕｅ ｏｆ ｍｉｎｅ ｗａｔｅｒ ｉｎ Ｓｈｅｎｄｏｎｇ ｍｉｎｉｎｇ ａｒｅａ［Ｊ］． Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｄｕｃ Ｓｃｉ Ｔｅｃｈｎｏｌ Ｐａｒｔ Ａ，２０１２，２９２０９－２１６． ［７］ 余伟健， 王卫军． 矸石整体置换“三下”煤柱后关键层移动与等价 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