（岩土工程专业论文）采空老区地表变形及沉陷机理研究.pdf

采空老区地表变形及沉陷机理研究 摘要 随着土地资源日益紧缺，为了最大限度的利用采空区，确保采空区上部重 要交通工程和居民小区的安全，提出相应的采空区地表变形和沉陷治理技术， 开展采空老区地表变形及沉陷机理研究具有重要的社会经济意义。 论文基于三维有限差分法，针对实际煤矿采空老区条件，构建了数值分析 模型，进而数值探讨了采空老区的地表变形基本特征及规律，以揭示采空老区 上的地表变形规律和沉陷机理。数值模拟研究得出以下初步结论： 1 ) 在每层煤层被开挖后，上覆岩土层倾向上部区域出现水平应力较小， 倾向下部则较大现象，随着开挖的继续，应力偏差逐渐变小。 2 ) 地表沉降和变形曲率变化沿走向方向较小，而沿倾向变化较大；下沉基 本以最大沉降点为中心对称分布。 3 ) 煤层开采后上覆岩体破坏主要沿走向方向发展，其中1 捍层煤开采后上 覆岩体垮落破坏，而其他煤层开采后上覆岩体则多发生断裂现象。 4 ) 地表沉降数值模拟结果与概率积分法、地表多年的矿区沉降实测值基 本吻合。 研究结论将有助于采空老区地表沉降控制，为老采空区地基处理技术提供 了理论依据。 关键词：采空区；沉陷机理；岩层移动；数值模拟；f l a c 3 d ；概率积分法 g r o u n dd e f o r m a t i o na n ds u b s i d e n c em e c h a n i s m o fo l dm i n i n ga r e a a b s t r a c t w i t ht h ed e c r e a s eo fl a n dr e s o u r c e s ，t om a k et h em o s to ft h eo l dm i n i n ga r e a s ， a n de n s u r et h es a f e t yo fi m p o r t a n tt r a f f i ce n g i n e e r i n ga n dr e s i d e n t i a lb u i l d i n g s f o u n do nt h em i n i n ga r e a s ，t h er e s e a r c ho fs u b s i d e n c em e c h a n i s ma n ds u r f a c e d e f o r m a t i o no fm i n i n ga r e a si so fi m p o r t a n ts o c i a l e c o n o m l cs ig n i f i c a n c e i o r d e v e l o p i n gas u i t a b l ea n d r a t i o n a lt r e a t m e n tt e c h n o l o g y b a s e do nt h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，t h en u m e r i c a lm o d e ll s d i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc o n d i t i o n so fo l dm i n i n ga r e a s t h ed e f o r m a t i o n f e a t u r e sa n dl a wo fg r o u n ds u r f a c ew e r ef u r t h e ri n v e s t i g a t e dt or e v e a ls u b s i d e n c e m e c h a n i s mo fm i n i n ga r e a s t h ep r e l i m i n a r y c o n c l u s i o n sa r ed r a w na s t h e f o l l o w i n g ： 1 、) w h e nt h ec o a ls e a mw a se x c a v a t e do n eb yo n e ，t h e s m a l l e rs t r e s sw a s o b s e r v e di nt h eu p p e rs t r a t aa r e aa l o n gt h ed i pd i r e c t i o n ，b u tt h el a r g e rv a l u ei nt h e b o t t o ma r e a a n dt h es t r e s sd e v i a t i o nd e c r e a s e dw i t ht h ee x c a v a t i o np r o c e s s 2 1t h eg r o u n ds u b s i d e n c ea n dc u r v a t u r ec h a n g e ds l i g h t l ya l o n gt h es t r a t as t r i k e ， o nt h eo t h e rh a n d ，c h a n g e dg r e a t l ya l o n gt h ed i p d i r e c t i o n t h es u b s i d e n c e d i s t r i b u t e ds y m m e t r i c a l l ya r o u n dt h ec e n t e ro ft h em a xs e t t l e m e n ta sc e n t e r 3 ) d a m a g eo fo v e r l y i n gr o c km a s sm a i n l yo c c u r r e da tt h ed i r e c t i o no fs t r i k e - t h eo v e r l a y i n gr o c km a s s e sw e r ec o l l a p s e da f t e rt h ec o a l1 w a sm i n e d ，b u tt h e o v e r l a y i n gr o c km a s s e sw e r er u p t u r e dw h e n t h eo t h e rc o a lw a sm i n e d 4 1t h ec o m p u t e dg r o u n ds u b s i d e n c ef r o m t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a s c o i n c i d e n tw i t ht h a tf r o mt h ep r o b a b i l i t yi n t e g r a t i o nm e t h o da n dt h em e a s u r e d v a l u eo fs u r f a c es u b s i d e n c eo v e ry e a r s t h e s er e s u l t sw i l lc o n t r i b u t et ot h es u r f a c es u b s i d e n c ec o n t r o l ，a n dp r o v i d e a t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef o u n d a t i o nt r e a t m e n tt e c h n i q u e so fo l dm i n i n ga r e a s k e yw o r d s ：o l dm i n i n ga r e a ；s u b s i d e n c em e c h a n i s m ；s t r a t am o v e m e n t ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；f l a c 3 d ；p r o b a b i l i t yi n t e g r a lm e t h o d 插图清单 采空区岩移三带示意图。6 区域构造图8 有限差分法计算流程图1 3 计算剖面线示意图1 3 三维计算模型1 4 开挖前的竖向沉降云图1 8 y = 1 0 0 米处竖向沉降切片图1 9 标高3 8 7 米处的沉降切片图1 9 1 4 0 观测点沉降曲线图1 9 4 1 8 0 观测点沉降曲线图2 0 开挖前竖向应力云图2 0 开挖前y 轴向水平应力云图2 1 开挖前x 轴向水平应力云图2 l l 拌煤层开挖后的竖向沉降云图2 2 1 4 0 观测点沉降曲线图2 2 4 1 8 0 观测点沉降曲线图。2 2 2 撑煤层开挖后的竖向沉降云图2 3 1 4 0 观测点沉降曲线图2 3 4 1 8 0 观测点沉降曲线图2 4 3 拌煤层开挖后的竖向沉降云图2 4 4 1 8 0 观测点沉降曲线图2 5 4 1 8 0 观测点沉降曲线图2 5 4 拌煤层开挖后的竖向沉降云图2 6 4 1 8 0 观测点沉降曲线图2 6 4 1 8 0 观测点沉降曲线图2 6 5 拌煤层开挖后的竖向沉降云图2 7 4 1 8 0 观测点沉降曲线图2 7 4 1 8 0 观测点沉降曲线图2 8 l 撑煤层开挖后竖向应力云图2 8 1 样煤层开挖后x 轴方向的水平应力云图2 9 l 拌煤层开挖后y 轴方向的水平应力云图2 9 2 撑煤层开挖后竖向应力云图_ 3 0 2 舟煤层开挖后x 轴方向的水平应力云图3 0 2 拌煤层开挖后y 轴方向的水平应力云图3 1 3 拌煤层开挖后竖向应力云图3 1 3 拌煤层开挖后x 轴方向的水平应力云图3 2 3 存煤层开挖后y 轴方向的水平应力云图3 2 4 j 6 煤层开挖后竖向应力云图3 3 4 # 煤层开挖后x 轴方向的水平应力云图3 3 h勉弛牝钙销铴销”伽化螂“w仙蚴蚴化蚴似秘秘蚴懈蚴蚴坝城螂似 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 图4 3 54 # 煤层开挖后y 轴方向的水平应力云图3 4 图4 3 65 样煤层开挖后竖向应力云图3 4 图4 3 75 群煤层开挖后x 轴方向的水平应力云图3 5 图4 3 85 # 煤层开挖后y 轴方向的水平应力云图3 5 图4 3 9新地形等值线图3 9 图4 4 07 0 年代地形等值线图4 0 图4 4 1最大沉降点示意图4 1 图4 4 2评价区地表沉降云图4 1 图4 4 3开采后沉降等值线图4 2 图4 4 4x 轴位移云图4 3 图4 4 5x 轴位移等值线图一4 3 表格清单 岩石力学参数表( 平均值) 1 0 煤层编号参照表1 4 岩土层力学参数表1 5 模型不同深度监测点编号和坐标( 单位：1 7 1 ) 1 6 模型不同深度监测点编号和坐标( 单位：1 1 1 ) ( 续表) 1 7 全部开采时的地表移动变形预计参数( 初次采动) 3 7 全部开采时的地表移动变形预计参数( 1 次重复采动) 3 7 全部开采时的地表移动变形预计参数( 2 次重复采动) 3 7 全部开采时的地表移动变形预计参数( 3 次及多次重复采动) 3 7 1 1 2 3 4 l 2 3 4玉弘争孓孓舢缸舡牟表表表表表表表表表 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金壁王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：i f 嵫砬签字日期锄年归夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目垦王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权佥胆王些太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向：荨重- 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日嘶年口归如日 电话：蕊s s m 邮编： 覆 哓 户 瞻7 口妒月 0 d ， ： o 名 年 签 口 者 叫 作 呢 文 期 沦 日 位 字 学 签 致谢 值此论文完成之际，首先向我的导师汪明武教授表示诚挚的感谢。在这两 年半的学习和生活中，他一直给予我无私的帮助、关怀、鼓励和宽容。 在论文写作过程中，导师给了我很多深入指导和帮助，并给予了许多宝贵 的意见和建议。导师渊博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的精神、一丝不 苟的工作态度，是我学习的榜样，使我终生难忘。 感谢师兄弟陈光仪、赵志俊、张继宝、韩金平等给予论文写作方面地帮助。 感谢室友刘正军、阳栋这几年来的和睦相处并对我学习和生活上的帮助。此外， 还有许多关心和帮助我的各位同学，无法一一提及，在这里对他们表示深深的 谢意。 本文得到了国家自然科学基金项目( n o 4 0 7 0 2 0 4 9 ) 和安徽省优秀青年科技 基金项目( n o 0 8 0 4 0 1 0 6 8 3 0 ) 的资助，在此表示衷心的感谢! 由衷地感谢父母对我的关心、爱护、支持和鼓励，他们在生活的关心和精 神上的鼓励让我可以顺利的完成学业。 感谢评阅论文和出席学位论文答辩会的各位专家。 谢晓龙 2 0 0 9 年1 2 月 第一章绪论 1 1 问题提出及研究意义 随着我国经济的迅猛发展和城市化的快速发展，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，煤矿采空老区上部常常作 为高速路或小区建设用地，但煤矿采空老区的沉降机理问题是一类特殊的岩土 工程问题，受诸多因素控制和影响。在工程建设中一般要尽量避开，但矿区采 空区往往星罗棋布，工程建设不可避免地要穿越或坐落在采空区，其会给路基、 路面及其他桥梁等构筑物的施工带来风险和潜在的危害，然而为了最大化的重 新利用采空区土地资源，工程界亟待解决采空老区的地表变形和稳定性评价难 题。 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。 长期以来，关于采空区问题的研究，国内外主要是在煤矿系统开展，如波 兰、前苏联、英国和中国等主要产煤国家从2 0 世纪5 0 年代开始就对“建筑物、 水体、铁路下”采煤技术进行了详细的研究，同时对采空区地表构筑物保护和 防治技术也进行了大量的试验研究，积累了宝贵的经验。近年来，随着我国高 速公路建设的飞速发展，京福高速公路徐州东西绕城段、晋焦高速、乌奎高速、 太旧高速公路等都不同程度地遇到了煤矿采空区次生地质灾害问题，并对此问 题进行了一定的实验研究。但总体来说，我国采空区高速公路建设技术尚处于 摸索阶段，尚未形成系统的治理理论于技术，无规范规程可循，特别是对于多 层复杂煤矿采空区的处理问题尚缺乏成功的经验。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 理论研究 人们对地表沉陷的认识及相关理论的建立时随生产生活中遇到的相关问题 逐步总结发展起来的。早在1 5 世纪，比利时列日城就对地下开采所导致的问题 颁布相关法令，并形成了最初的地表沉陷学假设，即垂线理论【1 1 。从上个世纪 2 0 年代以来，人们开始系统地、大规模地进行了地表水平移动观测，地表沉陷 理论得到了快速的发展。1 9 2 4 1 9 4 1 年，史米茨( s c h m i t z ) 、凯因霍尔斯特 ( k e i n h o r s t ) 、巴尔斯( b a l s ) 等人先后研究了开采影响的作用范围和分带规律，提 出了连续分布的影响函数，为影响函数法奠定了基础。 1 9 4 7 年原苏联学者阿维尔申运用塑性理论对地表沉陷进行了理论研究分 析，并结合经验方法建立了地表下沉盆地剖面方程，提出了地表水平移动与地 表倾斜成正比的著名观点。1 9 5 3 年波兰学者萨武斯托维奇( s a l u s t l w i c z ) 采用弹性 基础梁理论计算得出了波动性下沉剖面方程。 1 9 5 0 年以后，波兰学者布德雷克( b u d r y k ) 和克诺特( k n o t h e ) 对几何沉陷理论 进行了修正，提出了用高斯曲线作为影响曲线的方法。1 9 5 4 年波兰学者李特维 尼申( l it w i n i s z y n ) 提出了地表沉陷的随机介质理论。至2 0 世纪7 0 年代末期，形 成地表沉陷理论体系。1 9 6 3 年英国学者贝里( b e r r y ) 和赛勒斯( s a l e s ) 将岩体视为 均质弹性体，分别为平面各向同性、横观各向同性、空间问题三类和将采区边 界条件分为不闭合、部分闭合、全闭合三种状态，提出计算岩体下沉方法。萨 拉蒙( s a l a m o n ) 提出了更为般的线性分析原理，即面元原理。 随着科学技术的发展和研究手段的提高，岩层移动计算向自动化、智能化、 复杂化和可视化方向发展。根据己有的观测资料反求参数、计算开采影响的动 态地表移动变形，并能计算出倾斜煤层、岩体内部含断层等复杂条件下的移动 变形，计算结果能以各种图形方式给出，直观可视：根据计算理论和专家经验 设计的专家系统或决策支持系统来辅助决策。 在我国，地表沉陷学科是在建国以后才发展起来的。19 3 5 年在开滦矿务局 建立第一个地表移动观测站，此后在一些矿区相继建立地表移动观测站，从而 获得了大量宝贵的实测资料，通过对这些资料的总结分析，得出了这些矿区的 地表移动参数，为矿区采动损害的防护和地表沉陷理论研究提供了基础数据。 1 9 6 3 年周国锉等根据对实测资料分析，建立了地表下沉盆地的负指数剖面函数。 19 6 5 年廖国华、刘宝深在煤矿地表移动基本规律一书中对波兰学者提出的 随机介质理论进行了进一步完善、改进，形成地表移动预计的概率积分法。8 0 年代至9 0 年代间，我国基于地表沉陷理论的覆岩活动理论和实践出现了飞速的 发展。1 9 8 3 年，钱鸣高【2 】提出了采场矿山压力与控制理论，并出版了采场矿 山压力与控制一书。1 9 8 7 年，宋振骐p 】提出采场上覆岩层运动的矿山压力和 岩层控制理论，并出版了实用矿山压力控制。于广明、杨伦1 4 】提出岩层二 次压缩理论，将地表下沉与岩体的物理力学性质直接联系起来；李增琪【5 j 将采 动岩体视为是多层梁板的弯曲，运用f o u r i e r 变换推出岩层与地表移动表达式； 黄平路等【6 】提出在复杂岩层地质的条件下岩层移动的位错理论；郝庆旺1 7 j 提出 了采动岩体沉陷的空隙扩散模型。杨硕j 提出了地表沉陷的力学预测模型。范 学理等【9 】相继采用相似材料平面模型试验对不同地质采矿条件下开采覆岩与地 2 表移动进行了深入的研究。邓喀中等【l o 】提出了岩体沉陷的结构效应对地表沉降 的影响。邹友峰等【l l 】提出了条带开采条件下地表沉陷预计的三维层状介质理 论。吴立新等【1 2 】提出了条带开采覆岩破坏的托板理论。崔希民等【1 3 】对主断面的 地表移动与变形进行了实时位移的分析，应用流变模型进行地表沉陷研究。钱 鸣高【i 4 】提出了关键层理论，推动了岩层移动理论的发展。赵经彻等f 1 5 】从可持续 发展角度深入研究了建筑物下煤炭资源的开采战略；于广明0 6 d s 从非线形科学 角度认识地表沉陷的复杂性，开始研究覆岩活动的非线形机理和规律。李玉琳 等【1 9 】运用流变特性理论分析了地表沉陷机理。宋常胜等【2 0 】等对地表沉陷的主控 因素和机理进行了理论分析和模拟试验，探讨了巨厚松散层下条带开采岩土层 移动的复合介质模型。黄平路等【2 l 】等研究了复杂地质条件下矿山地下开采地表 变形规律，得出地下采空区的扩大是引起地表塌陷的主要原因。因此可以说， 我国在采动岩体破裂和岩层移动的理论研究和实际应用方面都取得了巨大的成 绩。 1 2 2 数值研究 随着地表沉陷研究的发展，越来越多的数值模拟方法应用到地表沉陷研究 领域中。常用的数值分析方法有：离散元法、边界元法、有限元法等【2 2 。2 引。 离散元法【2 5 】是c u n d a l l 于1 9 1 7 年提出的分析裂隙块状岩体稳定的一种数 值方法。适用于节理岩体的分析，也用于可以模拟采动破碎岩体，在采矿工程 中得到了广泛的应用，目前二维离散单元程序已很成熟，三维问题的研究也有 飞快的进展。其基本原理是将节理裂隙所切割的岩体作为完全分割的块体镶嵌 系统。在岩体开挖前，系统处于平衡状态假定岩体开挖瞬时完成，岩体在重力 作用下产生移动，从而使它与四周相邻块体间的接触发生变化。块体间的接触 为面接触和点接触，块体为刚体，其表面允许有变形，即嵌入。由于嵌入产生 法向作用力，除上述作用力外，块体间还可能作用有剪切力，产生剪切位移。 作用力的变化引起块体运动，又产生新的位移，如此循环，使得各个块体在每 一时刻都有其空间位置和相应的受力状态，由此可模拟岩体从开裂到塌落的全 过程【2 6 - 2 7 1 。 边界元法【2 8 】的基本原理：边界元法实质是一种求解偏微分方程边值问题的 一种数值方法。该方法是对具有己知边界条件的域，把基本支配方程转换成相 应的边界积分方程，然后通过对边界的离散化建立相应的代数方程组进行求解， 故又常称为“边界积分方程法。边界方程可通过“直接法 和“间接法”两种 途径来建立。 有限元法是一种用有限单元将连续体离散化，通过对有限单元作分片插值， 求解各种力学、物理问题的数值方法。有限元法在解决矿山工程力学问题时有 非常多的优点【2 9 】：能成功地反映岩体的各向异性、不均匀性、非线性；能很好 地适应各种复杂的几何形状；问题的边界条件能容易得到满足；便于编写计算 3 机程序，充分发挥高速计算机的计算优势。 俞建霖等【3 0 】曾运用有限元方法计算煤层开采引起的地表移动问题。宋扬等 人 3 1 】曾利用有限元方法研究了支承压力的显现过程。此外，王泳嘉等p 2 】利用可 变性离散单元模拟地层沉降控制。古全忠等1 33 j 应用边界单元法研究了岩层的移 动规律及其冒落、离层等问题。 近年来，用f l a c 模拟采空区沉陷的研究日益成熟。张金海【3 4 】对钱家营矿 采煤工作面上行开采可行性分析，依据f l a c 软件数值计算结果所提供的模型， 确定了上部煤层回采工作面和下沉盆地形态，研究解决上行开采薄煤层问题。 谢和平等 3 5 】将f l a c 数值计算方法应用于煤矿开采地表沉陷预测的分析之中。 孟伟等【3 6 】对不同因素作用下采空区对地表稳定性影响进行了分析。陈德芳等【3 7 j 对长沟谷煤巷支护效果的f l a c 模拟分析，论证了现行锚杆锚索支护的可行性， 及在煤壁破碎的情况下采用注浆锚杆的必要性。魏好等【38 】对倾斜多煤层条带开 采地表移动规律进行研究对控制地表沉陷，减轻采动损害具有重要的理论意义 和实用价值。刘金山等【3 9 】对地下开采引起的地面沉降对铁路安全的影响性进行 了分析，得出了小王庄铁矿地下开采引起的地面沉降对大秦铁路的影响甚微的 结论，为小王庄铁矿后续生产提供了有力的科学依据。赵洪亮【4 0 j 对综放开采地 表移动变形规律用f l a c 进行了数值模拟与实践。刘明建【4 l 】对基于f l a c 数值 模拟的路堑边坡进行了稳定性分析。龚生武等【4 2 】对地下老采空区对边坡稳定性 影响运用f l a c 进行了分析。黄志安等【4 3 】用f l a c 和数值分析对矿山地表沉降 进行预测，计算出地表各个沉降点的斜率和曲率，预测结果对矿山建设有参考 作用。 1 3 主要研究内容 论文采用有限差分法f l a c ( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u a ) 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 ) 根据徐州市某采空区地基稳定性评价报告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 ) 研究采空区的应力分布状态与开采过程中地应力的变化规律以及采空 区、在各煤层分别开挖后的沉降分析。 ( 5 ) 运用f l a c 3 d 软件对采空区的沉降进行模拟，并把模拟的数据和概率积 分法的分析结果进行比较分析。 4 第二章采空老区沉陷机理及工程实例简介 2 1 煤矿采空区沉陷基本规律 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【4 4 1 。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 4 5 1 ： ( 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。 ( 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。 5 2 1 2 采空区上覆岩体空间破坏特征 在大面积全部、跨落法管理顶班条件下，覆岩破坏呈现出明显的分区域特 点h 6 ，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并不会波及地 表。而当采空区范围较大而采深较小时，其上覆岩体的移动将会波及到地表， 并引起地表下沉，下沉所涉及的整个范围称为下沉盆地。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h 钉、断裂带、弯曲带( 图2 1 ) 。 煤柱垮落岩块压密区 煤柱 图2 - 1采空区岩移三带示意图 垮落带是指用全部垮落法管理顶班时，回采工作面放项后引起煤层顶板岩 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。 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 6 透水裂隙带，在靠近冒落带的岩层，断裂。 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，它们之间存在着一定的过 渡高度。 2 1 3 采空区地表的变形特征 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，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，地表沉降值最大。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。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10 m m 为标准来圈定。 2 2 工程实例概况 本文工程实例为徐州某煤矿采空区，通过进行对该地区的沉降稳定性和变 形分析，来揭示老采空区的沉降机理。 2 2 1 区域地质构造 工程实例的大地构造位置位于华北地台南缘鲁西台背斜与河淮台向斜交界 部东距郯庐断裂带约1 0 0 k i n 。区域构造部位处于徐州弧形构造内弧转折部内侧、 贾汪复向斜核部位置。贾汪复向斜的北西侧为汪庄复背斜，南东侧为大庙一大许 复背斜。贾汪复向斜呈n e 向分布，由一系列n e n e e 向次级褶皱构造组成， 并被近e w 向展布的f 2 、f 3 、f 4 断层切割为四部分( 图3 1 ) 。f 2 断层分布于 采空区以北约6 k i n 处，走向e w ，倾向s ，倾角大于7 0 度，长度大于1 2 k i n ， 为压性左旋断层，后期发生过张拉活动，落差2 0 0 - 2 5 0 m 。f 3 断层分布于采空 区以南约2 k m 处，走向e w ，倾向s ，倾角6 5 8 0 度，长度大于1 7 k m ，为压性 左旋断层，落差3 0 0 1 2 0 0 m 。f 4 断层分布于采空区以南约3 k m 处，走向8 5 度， 倾向s ，倾角8 0 度，在该矿区东南交于f 3 断层，长度大于1 l k m ，为压性左旋 断层，落差3 0 0 3 5 0 m 。根据断层两侧第四系冲积层厚度分析，上述断层在第四 纪均已停止活动，属非全新活动断裂。根据矿区地质图，评价区位于贾汪复向 斜的次级褶皱构造一煤矿背斜构造的核部偏南位置，地质构造格局主要为背斜构 7 造，地层走向n e n w ，倾向s e - n e ，倾角5 。1 5 度，并以5 1 0 度为主。矿f 2 断层自采空区西南部通过，该断层为正断层断面倾向s w ，倾角6 5 度，垂直 落差2 0 一2 5 m 。矿f 3 断层自采空区东部外侧约5 0 0 r a 处通过，该断层为正断层， 断面倾向n w ，倾角丈于6 0 度，垂直落差约2 5 m 。 # 目目t 目 回擀= i 回g r 一 _ 田女_ 田3 月 i g t 1 t 圈3 * # 圈$ 目自_ * 田t 自田自自 团n * 团e * &团a h * 田* e 7 i 女i 目 _ 目t # 圈2 - 2 区域构造圈 2 2 2 工程地质条件 工程地基土类型有耕土、一般粘性土及老粘性土，根据沉积时代、物理力 学性质划分出4 个地质层，各层地基土主要特征如下： 1 层粘土色杂，硬坚硬，中上部舍大量砂礓，富水。场区普遍分 度：l5l5 2 5 0 0 m ，平均2 0 9 1 m ；层底标高：51 6 1 48 6 m ，平均86 2 m ；层底埋 深：15 1 5 2 50 0 m ，2 09 1 m 。 2 层页岩灰深灰色，杂黄，赭青灰等色斑，全风化一强风化，局部残留中 风化夹层，夹砂岩。场区普遍分布，厚度：35 0 一4 46 8 m ，平均2 40 9 m ；层底标 高：2 9 8 2 1 6 6 m ，平均1 4 0 8 m ；层底埋深：2 8 5 0 5 9 8 3 m ，平均4 4 1 7 m 。 3 层煤黑色，疏松土状，碎屑状，中部夹1 8 5 。2 3 0 m 红灰色粘土质页岩。 场区普遍分布，厚度：6 9 3 7 0 6 m ，平均7 o o m ；层底标高：一3 6 7 5 5 4 0 m ，平 均2 1 0 8 m ；层底埋深：3 5 5 6 6 6 7 6 m ，平均5 1 1 6 m 。 4 层页岩灰深灰色，杂黄，紫灰i 青灰等色斑，中风化，局部强风化， 成分为粘土质页岩及砂质页岩，夹砂岩，滑面发育。场区普遍分布，厚度： 2 3 9 7 3 2 1 2 m ，平均2 6 7 2 m ；层底标高：6 8 8 7 1 8 2 3 m ，平均3 8 8 2 m ；层底 埋深：4 6 6 6 9 8 8 8 m ，平均6 8 3 6 m 。 5 层砂岩浅灰灰白色，中粗砂结构，块状构造，中风化，局部节理发 育。场区普遍分布，厚度：8 6 8 3 1 6 0 m ，平均1 7 7 l m ；层底标高：一7 7 5 5 3 1 0 7 m ， 平均5 6 5 3 m ；层底埋深：5 9 5 0 1 0 7 5 6 m ，平均8 6 0 6 m 。 6 层页岩灰深灰色，中风化，成分为粘土质页岩及砂质页岩、夹砂岩， 滑面发育。场区普遍分布，厚度：4 0 0 4 4 7 3 8 m ，平均4 4 1 6 m ；层底标高： 1 1 7 5 9 7 8 4 5 m ，平均1 0 0 6 9 m ；层底埋深：1 0 6 8 8 1 4 7 6 0 m ，平均1 3 0 2 2 m 。 7 层砂岩浅灰灰白色，中细砂结构，块状构造，中风化，局部节理发 育。场区普遍分布，厚度：1 1 1 1 4 2 6 3 m ，平均2 5 6 0 m ；层底标高：- 1 6 0 2 2 - 8 9 5 6 m ， 平均1 2 6 2 8 m ；层底埋深：1 1 7 9 9 1 9 0 2 3 m ，平均1 5 5 8 2 m 。 8 层煤黑色，碎屑状，碎块状，质轻，滑感，污手。场区普遍分布，厚 度：0 0 5 1 9 5 m ，平均1 o o m ；层底标高：1 6 0 2 7 1 3 1 0 2 m ，平均一1 4 5 6 5 m ；层 底埋深：1 6 1 1 8 1 9 0 2 8 m ，平均1 7 5 7 3 m 。 9 层砂岩浅灰灰白色，中细砂结构，块状构造，中风化，局部节理发 育，中部及底部夹页岩。场区普遍分布，厚度：4 0 5 2 6 3 6 8 m ，平均4 9 0 1 m ； 层底标高：2 0 3 0 9 1 5 3 2 4 m ，平均1 7 5 9 6 m 层底埋深：1 8 1 6 7 2 3 3 1 0 r e ，平均 2 0 5 4 9 m 。 1 0 层页岩灰深灰色，杂黄，紫灰，青灰等色斑，中风化，成分为粘土 质页岩及砂质页岩，夹砂岩，滑面发育，顶部为l - 2 灰，中部为3 灰。场区普 遍分布，厚度：3 2 0 5 3 6 2 6 m ，平均3 3 6 5 m ；层底标高：2 3 5 7 3 1 8 9 5 0 m ，平 均2 0 9 6 1 m ；层底埋深：2 1 7 9 3 2 6 5 7 4 m ，平均2 3 9 1 4 m 。 1 1 层石灰岩灰色，微晶结构，中厚层构造，微风化中风化，溶蚀程度 中等，中部夹砂岩及页岩。场区普遍分布，厚度：1 5 7 6 2 1 3 5 m ，平均19 4 5 m ； 层底标高：2 5 7 0 8 2 0 5 2 6 m ，平均2 2 9 0 6 m ；层底埋深：2 3 3 6 9 2 8 7 0 9 m ，平均 2 5 8 5 9 m 。 1 2 层页岩灰深灰色，中风化，局部强风化，成分为粘土质页岩及砂质 页岩，滑面发育，夹砂岩，2 3 层灰岩及2 3 层煤。场区普遍分布，厚 度：3 5 8 9 3 9 6 4 r n ，平均3 7 4 8 m ；层底标高：一2 9 6 7 2 2 4 1 1 5 m ，平均2 6 6 5 4 m ； 层底埋深：2 6 9 5 8 3 2 6 7 3 m ，平均2 9 6 0 7 m 。 9 1 3 层煤黑色，碎屑状，碎块状，质轻，滑感，污手，中部夹o 1 5 0 4 5 m 页岩。场区普遍分布，厚度：1 3 5 1 9 9 m ，平均1 6 8 m ；层底标高：- 2 9 8 0 7 2 4 3 1 4 m ， 平均2 6 8 2 2 m ；层底埋深：2 7 1 5 7 3 2 8 0 8 m ，平均2 9 7 7 5 m 。 1 4 层石灰岩灰色，微晶结构，中厚层构造，微风化- 中风化，溶蚀程度 中等，上部夹砂岩及页岩，底部为1 0 灰。场区普遍分布，厚度：1 6 4 l 一2 1 4 0 m ， 平均18 8 1 m ；层底标高：31 4 4 8 。2 6 1 7 5 m ，平均一2 8 7 0 2 m ；层底埋深： 2 9 0 1 8 - 3 4 4 4 9 m ，平均3 1 6 5 6 m 。 1 5 层煤黑色，碎屑状，碎块状，质轻，滑感，污手。场区普遍分布，厚 度：0 3 1 0 7 0 m ，平均o 5 4 m ；层底标高：一3 1 5 0 9 2 6 2 0 6 m ，平均一2 8 7 5 6 m , 层底埋深：2 9 0 4 9 3 4 5 1 0 m ，平均3 1 7 1 0 m 。 1 6 层页岩灰。深灰色，杂黄，紫灰，青灰等色斑，中风化，局部强风化， 成分为粘土质页岩及砂质页岩，夹砂岩，滑面发育，底部为1 2 灰。场区普遍分 布，厚度：2 2 9 0 2 5 3 0 m ，平均2 4 1 4 r n ；层底标高：一3 3 7 9 9 2 8 6 2 9 m ，平均 。3 1 1 7 1 m ；层底埋深：3 1 4 7 2 3 6 8 0 0 m ，平均3 4 1 2 4 m 。 1 7 层煤黑色，碎屑状，碎块状，质轻，滑感，污手。场区普遍分布，