（岩土工程专业论文）地下采空区对地表稳定性的影响.pdf

攘鞭 摘要 逸下浆窆区对逮表稳定性斡影豌是一项舂罄熬要理论意义秘应惩徐僮 麴研究谦繇。本文采嗣功隧强丈懿遗蠲有限元分轿软件a n s y s 对箕进行了数 值模拟分析，主要完成了以下几方面的工作： 1 通过查阅大量文献资料，系统地总结了开采沉陷理论的研究历史与 现状，对其中的两类主瑟研究方法：曦象学研究方法和力学研必方法分别进 行了详蘩憨缝齑译述，势捂鑫了英褥凌豹润蘧蠢不避。蘑菇力学磷究方法为 基础的开采沉陷数值模拟方法做了详细介绍和分析。 2 对地下开采引起沉陷的基本特征进行了简鬻介绍和总结。主要包括 对上覆岩层的分带、移动形式和破坏过程的介绍和总结，以及对地表塌陷范 鏊、速表移韵疆蓼形式黢基本遣表交形参数夔分绥秘慧缝。 3 对辫士弹塑性本构关系进行恩结，对d r u c k e r p r a g e r 模慰及其模型 参数的选取作了简要说明。详细介绍了如何在a n s y s 中实现对岩士非线性力 学行为的模拟分析，并通过一个具体的正程实例说明如何使用a n s y s 对采空 区遗表稳定健翊题进霉数馕摸援分攒，其诗算结果攫工程孛褥劐了应震。 4 辩娥下开采弓| 怒城表沉陷酶影嫡嚣素，应籍胴s ￥s 软俘滋行了数值 模拟计算，缀过详细分析和研究，得出了如下结论： ( 1 ) 开采深度的影响：随着开采深度的增加，地波沉降随之递减；最大水 平变形也随之减小；下沉盆地的魏围咯有扩大，两且交螅越来越平缓。 ( 2 ) 开采嚣瘦酶影穗：蘧羞开采潭发戆增魏，蘧袋竖离整移涎之递增：最 大水平变形也随之增大：下沉敲地的范围变化不大，下沉箍地边缘处 沉降麓值递增。 ( 3 ) 开采宽度的影响；随着开采宽度的增加，地袭竖向位移隧之递增，且 增麓瀵搴较铗；最大承孚交形穗隧之逐速瑷妖；下沉筮遮靛范垂夔黄 开采宽度的增加丽不断扩大。 ( 4 ) 上覆辫层性质的影响：随着岩层硬度的增加，地表最大水平位移，最 大竖向位移都明显减小；在复合型岩层中，上软下硬型的沉降和水平 位移跑上疆下软黧豢蠢簧减奎，燕下沉盆逸较平缓。 ( 5 ) 遣形的影确：随蔫国体坡度稳增匀珏，下沉盆魄已不再位予采空区正上 方，而是逐渐向地势较低方向移动。 ( 6 ) 留设煤柱的影响：留设合理尺寸的安全煤柱j c 于建筑物的下沉值的控制 起到明显载作用，越煤柱尺寸越大，控裁效袋越好；当整竣安全煤柱 对，魏表盏率为蠢( 凸) 莛率，箍漾柱尺寸越，j 、整率越大，可健建表 建筑物产生拉伸变形，对建筑物不利。较小尺寸( 尺寸不足) 的煤柱 对建筑物造成的损害比不留煤械歼采还要大；当安全煤械尺寸继续增 大时，地表蓝率也越之逐渐减小。 中嚣地震局工程力学磷究所硬士学位论文 ( 7 ) 采空医充填的影响：煤层开采之艏及时充填，对减小地表沉降及水平 方向变澎效果显著。采空区充填厝，下沉盆地范围变化不大，下沉盆 地形状变得更加平缓。 5 。在叛上影穗嚣素蛩 突懿基疆土，提毫了初步载治理建议；1 ) 采矮充 填采矿法；( 2 ) 消除开采逸赛的影响；( 3 ) 协调开采 关键词：采警区；地表沉陷：数值模拟；影响因素 a b s t r a c t t h ei n f l u e n c eo ft h em i n i n gs u b s i d e n c eo nt h es t 曲i l i t yo ft h e g r o u n ds u r f a c ei sat a s ko fg r e a ts i g n i f i c a n c ea n dr e s e a r c hv a l u e t h i st h e s i ss t u d i e st h e t a s kb yt h eh u m e r i c a la n a l y s i se m p l o y i n gt h e a n a l y z i n gs o f t w a r ea n s y s ，a n di tm a i n l y i n v o l v e st h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： 。 1 a f t e rr e f e r r i n gt oal a r g ea m o u n to fii t e r a t u r em a t e r i a l s ，it s u m m a r i z e st h eh i s t o r ya n dt h ep r e s e n ts t a t eo ft h er e s e a r c ho nt h e t h e o r yo ft h em i n i n gs u b s i d e n c e ，e x p o u n d si nd e t a i la b o u tt w om a i n t y p e so fr e s e a r c hm e t h o d s ：s t a t i s t i cm e t h o d ，m e c h a n i c a is t u d ym e t h o d ， a n da l s op o i n t so u tt h ed i s a d v a n t a g e so ft h e m i tg i v e sad e t a i l i n t r o d u c t i o na b o u tt h en u m e r i c a lm e t h o da n a l y z i n gt h em i n i n gs i n k i n g b a s e do nt h em e c h a n i c a ls t u d ym e t h o d 2 ab r i e fs u m m a r yo ft h eb a s i cr u l e sc a u s i n gt h es i n k i n g ，w h i c h i n c l u d e sa ni 珏t r o d u o t i o no ft h ed i s t r i c t ，t h ef o r mo fm o t i o na n dt h e p r o c e s so ft h ed a m a g eo fs u p e r i m p o s e dr o c k ，a n da ni n t r o d u c t i o no f t h er a n g eo fs u r f a c es i n k i n g ，t h ef o r m so fs u r f a c em o v i n gd a m a g ea n d t h eb a s i cs u r f a c ed i s t o r t i o np a r a m e t e r s 3 。t h et h e s i sa l s os u m su pt h ec o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i po ft h e e l a s t i c i t ya n dp l a s t i c i t yo ft h es o i la n db r i e f l ya c c o u n t sf o rt h e d r u c k e r p r a g e rm o d e la n dt h ec h o i c e o ft h em o d e lp a r a m e t e r s i t p a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e st h a th o wt or e a l i z et h en u m e r i c a la n a l y s i s o ft h es o l1n o n - 1 i n e a rm e c h a n i c sb ya n s y s t h r o u g hac o n c r e t ep r o j e c t i te x p l a i n sh o wt ou s et h ea n s y st oh a v et h en u m e r i c a la n a l y s i so n t h es t a b i ii t yo ft h eg r o u n ds u r f a c eo ft h em i n i n gs u b s i d e n c e ，a n dt h e c a l c u l a t i n gr e s u l ti sa p p l i e dt ot h ep r o j e c t 4 t h ec o n c l u s i o na f t e rh a v i n gt h en u m e r i c a la n a l y s i so ft h e i n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h em i n i n gs i n k i n g ： ( 1 ) t h ei n f l u e n c eo ft h em i n i n gd e p t h ：w i t ht h ei n c r e a s eo ft h e m i n i n gd e p t h ，t h es u r f a c e s i n k i n gd e c r e a s e s ：t h em a x i m a l l e v e l d i s t o r t i o nd e c r e a s e s ：t h er a n g eo ft h es i n k i n gb a s i ne x p a n d sa n d b e c o m e sm o r ea n dm o r ee v e n 。 ( 2 ) t h ei n f l u e n c eo ft h em i n i n gt h i c k n e s s ：w i t ht h ei n c r e a s eo f t h et h i c k n e s s ，t h ev e r t i c a ls i n k i n go ft h es u r f a c ei n c r e a s e sb y d e g r e e s ：t h em a x i m a ll e v e ld i s t o r t i o na l s oi n c r e a s e sb yd e g r e e s ：t h e r a n g eo ft h es i n k i n gb a s i nd o e s n th a v ea no b v i o u sc h a n g ea n dt h e 中莺蛾震晟工赣力学研究所硕士学位论文 s i n k i n gd i f f e r e n c eo nt h ev e r g eo ft h eb a s i ni n c r e a s e sb yd e g r e e s ( 3 ) t h ei n f l u e n c eo ft h em i n i n gw i d t h ：w i t ht h ei n c r e a s eo ft h e w i d t h ，t h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n to ft h eg r o u n ds u r f a c ei n c r e a s e sb y d e g r e e sa n dt h er a t ei sq u i c k e r ：t h em a x i m a ll e v e ld i s t o r t i o na l s o r a p i d l yi n c r e a s e s ：t h er a n g eo ft h es i n k i n gb a s i nc o n t i n u a l l ye x p a n d s 。 ( 4 ) t h ei n f l u e n c eo ft h eq u a l i t yo ft h es u p e r i m p o s e dr e c k s ：w i t h t h ei n c r e a s eo ft h er i g i d i t yo ft h er o c kf o r m a t i o n ，b o t ht h em a x i m a l l e v e la n dv e r t i c a ld i s p l a c e m e n to ft h eg r o u n ds u r f a c eo b v i o u s l y d e c r e a s e ；i nc o m p o s i t er o c k f o r m a ti o n s ，t h es i n k i n ga n dt h el e v e l d i s p l a c e m e n to ft h er o c kw h i c hi ss o f ti nt h eu p p e rp a r ta n dr i g i d i nt h el o w e rp a r ti ss m a l l e rt h a nt h eo p p o s i t et y p e ( 5 ) t h ei n f l u e n c eo ft h er o c kf o r m a t i o n s ：w i t ht h ei n c r e a s eo ft h e g r a d i e n to ft h eh i l l ，t h es i n k i n gb a s i nw i l ln o tl i ee x a c t l yo v e rt h e m i n i n gs u b s i d e n c e ，b u tg r a d u a l l ym o v e st o w a r d st h ed i r e c t i o no ft h e l o w e r ( 国t h ei n f l u e n c eo fs e t t i n gc o a lc o l u m n s ：t h es e t t i n go f r e a s o n a b l ec o a lc o l u m n sp l a y sa ne v i d e n tr o l ei nt h ec o n t r o lo ft h e s i n k i n go ft h eb u i l d i n g s 。t h el a r g e rt h es i z eo ft h ec o l u m n s ，t h e b e t t e r w h e ns e t t i n gt h es a f e c o a lc o l u m n s ，t h ec u r v a t u r eo ft h eg r o u n d s u r f a c ei sp o s i t i v e ，t h es m a l l e rt h es i z eo ft h ec o l u m n sa n dt h eb i g g e r t h ec u r v a t u r e ，w h i c hc a nc a u s et h eb u il d i n g st od i s t o r t ，t h em o r e d i s a d v a n t a g 培o u st ot h eb u i i d i n g s 。b u ti ft h es i z eo ft h ec o l u m n si s n o tl a r g ee n o u g h w h i c hw i l lc a u s em o r ed a m a g et h a nn o ts e t t i n gt h e c o a lc o l u m n s ；w i t ht h es i z eo ft h es e c u r ec o l u m n sc o n t i n u i n gt oe n l a r g e ， t h ec u r v a t u r ea ls od e c r e a s e s ( 7 ) h ei n f l u e n c eo ft h ef i l l i n go ft h em i n i n gs u b s i d e n c e ：t h e f i l l i n go ft h ec o a ll a y e r sa f t e rb e i n gm i n e di nt i m e 胃i l lh a v ea n o b v i o u se f f e c to nd i m i n i s h i n gt h es u r f a c es i n k i n ga n dt h el e v e l d i s t o r t i o n a f t e rt h em i n i n gs u b s i d e n c ei sf i l i e di n 。t h er a n g eo f t h es i n k i n gb a s i nd o e s n tc h a n g ee v i d e n t l y ，a n dt h es h a p eo ft h eb a s i n b e c o m e sm o r es m o o t h + 5 o nt h eb a s i so ft h ea b o v er e s e a r c ha b o u tt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s 。 t h i st h e s i sg i v e ss o m ep r e l i m i n a r yi m p r o v i n gm e a s u r e s ：1 a d o p t i n gt h e m e t h o do ff i l l i n gm i n i n gs u b s i d e n c e ：2 e l i m i n a t i n gt h ei n f l u e n c eo f t h ev e r g eo ft h em i n e ：3 。e x c a v a t i o ni nh a r m o n y k e yw o r d s ：m i n i n gs u b s i d e n c e ；g r o u n ds u r f a c es i n k i n g ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ：i n f l u e n c i n gf a c t o r 。 i v 独创一隧声明 本太郑黧声明：所量交毂学毽论文，是本人在露嬲豹指导下，独立进行 磷究所取褥瓣成采。除文审邑经注鞠零| 阁懿内容癸，零论文不惫禽任俺英毪 个人或集体融经发表或撰箱过的科研成果，也不包含为获得虫国地箧局工翟 也堂婴塞压绒其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究作 如重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式撂明共表示谢懑。本人完 金意谖赘本疹筏麴法霉费经由本夫承掇。 论文作嚣签名：翻：窆垒攘字日期云强垡墨五广 学健论文版投使用授权攀 本人完众了解虫国丝麓屋里程左鲎避塞压有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留或向国家有关部门戡机构送交论文的复印件和暇予版，允 诲论文被查鬻羁凿阕；本人授投圭垦丝塞屋王蕉盎璧惩塞蕴霹墩将本学位论 文的全部或部分内容绽入祷关数据库遴行检索，可淤采用彩露、缩窜或其健 复制手段保存论文和汇编举学位论文，允许被查阅和借阅。 ( 保密的潆位论文在解潜后适用本授权书) 论文作者签名：圣笪：乏赵 签字日期：逆! ：丢r 一一 鼯师签名：塑 然字日期：曼翌墨竺 第一掌缝论 第一章绪论 1 。1 研究曩的、意义“ 1 地下空区是指人类瀚工程活动( 如开采遥下深部矿床、修建魄下工程等) 和外动力地质作用( 如地下水的溶蚀等) 而形成的地下空间。地下空区的存在 将直接影响到地表的稳斑性。地下空麟在一定的条件下会引起地面变形、塌 落和大厦秘的地表下沉笛灾害，并导数缝表建筑物麴变形破坏，往往给国家 鞫入民懿叟愈财产造成嚣大翡损失。2 0 整纪8 0 年代戬来，随着我莺矿产资 源的大量开采，矿区的塌陷问题引起了人们的关注。2 0 世纪9 0 年代以来， 随着地铁等地下工程的大规模建设，城市地铁及地下人防工程的地表稳定性 问题的研究受到学术界釉工程界的商度重视，开展了一些以地下洞室围岩稳 定牲彝遗表交形褒溅秀生涎臻究王孛霉。这些工佟瓣预测建下漏蜜鹣稳定瞧煮 重要的意义，但对于地下大空问韵变形问题研究的不够深入。戳此，地下空 区的地表稳定性研究是当前岩土工程研究的重要课题之一。 地下窝区的类型复杂，包括岩溶地下空区。地下采空区，隧道及其它地 下工程形娥夔缝下空区簿，本文重点凝究逮下采空嚣对缝表稳定往懿影响。 采交送是指地下矿产被采蠢后鹜下的空洞区，按矿产旋开采的时阔，可 分为老采医、现采区和术来采区。采窳区地表可能产生连续性或非连续性交 形，其危害主要表现在以下几个方面：采空区的失穗冒落，使地淡剧烈变形， 产生陷坑、螽除等；采奎区嬗表沉陷，产生连续或 连续变形，由此带来一 系藏舔境豢主工程淘题，舞平_ 这积承、遂路裂缝、房屋餐漂、耩遣减少、表 田减产等，给矿区工程建设留下很大隐患。我国若干个煤矿存柱地下采空区 引起的地袭旋形问题。黑龙江省的四大煤城( 七台河、鸡西、鹤岗和双鸭山) 形成了近5 0 0 平方公里的塌陷面积，纛接受影响的群众达3 0 多万人。2 0 0 3 年9 秀8 强天& 毽缀发表文耄称“潆辘臻黧治理工捧亥l 不容缓，嚣虽努须走秘学 道路”。播悉，黑龙江省将投资开展煤矿地表塌陷酌治理工作。 研究地下采空区对地表稳定性的影响，利用采窳区地表形态变化预测的 结果可以定麓地分析受开采影响范围内的岩层及地寝移动在时间上和空间 上戆趣律。壤碜豹预测开采雩l 莛戆建表沉睡垮对撂鼯“三下”( 建筑魄下、 水体下、铰潞下) 开采实践其有重要 譬厢。准确的颥测结果是十分必要的， 对于偏大的预计结果，将导致花费不必要的保护费用，造成浪赞；而过于偏 小的预计结聚，将可能爵致保护措施不够，使保护对象受到破坏，甚至造成 巨大故生鑫黠产损失。躐| 鞋：，研究、挝融评价和预测遣下采空隧零l 起遗表变 形豹方法，为遣下采空送鹣合理开挖斓治理提供科学依据有着黧簧静意义。 1 2 国内外研究现状 1 。2 1 概述锄m 啷。1 1 有关采空区问题的研究，国内外主要是在煤炭、冶金、军事和交通等部 门进行，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“三下”采煤技术进行了详绍研究；同时，对采空区地表构筑物保护 和防治技术也进行了大量试验研究，积累了宝贵的经验。针对开采沉陷及“三 下”采煤技术，国内外均进行了大量研究，形成了矿山开采沉陷学等学科。 早在1 8 3 8 年比利时工程师哥诺特经过对列日城下开采沉陷的调查提出 了开采沉陷的第一个理论“垂线理论”，随后g o n o t 又以实测资料为基础提 出来出“法线理论”，认为采空区上下边界开采影响范围可用相应的层面法 线确定。后来，又有德国的依琴斯凯( j i c i n s k y ，1 8 7 6 ) 提出的“二等分线理 论”。耳西哈( 1 8 8 2 ) 提出了“自然斜面理论”，与移动角的概念很相似，并 给出了从完整岩石到厚含水冲积层的六类岩层的自然斜面角，法国的裴约尔 ( 1 8 8 5 年) 提出了“拱形理论”等。 1 9 2 3 - 1 9 4 0 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 ) 等人相继研究了开采影响的作用面积及分带，提出了连续影响分布的 影响函数，为影响函数法奠定了基础。 1 9 4 7 年前苏联学者阿维尔申出版了煤矿地下开采岩层移动专著，利 用塑性理论对开采沉陷进行了细致的理论分析，并结合经验方法建立了地表 下沉盆地剖面方程，该方程为指数函数形式，提出了水平移动与地面倾斜成 正比的著名观点 1 9 5 4 年波兰学者李特维尼申提出了开采沉陷的随机介质理论。该理论把 岩层移动过程视为一个随机过程，推证下沉服从柯尔莫哥罗夫方程，把开采 沉陷理论的研究提高到了一个新的阶段。 现有的开采沉陷理论研究方法基本上可以分成两个大的类别。一类是唯 象学研究方法。它是从地表移动观测入手，将地表描述与地质采矿因素联系 起来，在大量的地表观测的基础上，用统计学方法来描述岩层与地表移动变 形。如概率积分法、典型曲线法、剖面函数法等。由于以地表移动为研究对 象，计算中的参数没有明确的物理意义，所以不能很好的解释岩层地表移动 的力学本质。 另一类是力学研究方法。利用力学原理和方法( 材料力学方法，结构力 学方法，弹塑性方法，粘弹性方法等) ，假定岩体为连续介质，将岩体简化 为等效力学模型，以连续介质力学理论研究岩体的力学行为。因能考虑岩体 的固有属性，能够反映岩体的破坏状态，应用较为广泛，研究人员提出了多 种用于此类研究的力学模型。由于这些模型中的参数物理、力学意义明确， 概念清晰。因而可以从力学本质上对岩层与地表的移动作出解释。但是，由 于实际的开采过程中地质条件复杂( 如岩石节理、裂隙、断层和其它的地质 不连续面的存在) ，工程影响因素也较多，目前还没有一种能够对各种条件 都普遍适用的计算岩层移动性态的完善力学模型。 霜一举罐论 掌i i i i i i i 嗣眷黼黼i i 薯赫蕾宣i i i i i i 磷i 皇高黼葺i i i i i 葺薯 1 2 2 瞧敷学研究方法”1 开采沉陷是一个十分复杂的力学时空过程，它属于灰色系统，有许多不 确定因素。獗采沉陷预计涉及到具体的逸质采矿条传，由于岩锩楚一秘+ 分 复杂豹分麓，获纯力学角度砑究砉瑟岛缝表移动还存在缀多困鼹。霹蘸常髫 助于统计学来描述和分析岩层与地表移动测量工作者开展了大嫩的地表沉 陷的实测与统计工作，掌握了煤层开采后地表沉陷的分布形态特征，提出了 多种地表沉陷预测方法皴剖面函数法，典型曲线法，影响函数法，概率积 分法等。 ( 1 ) 割面函数法“： 根据地液下沉盆地制面形状来选择描述下沉盆地剖面的相暾函数，作为 计算地表移渤和变形的公式。剖面函数形式以曲线拟合或最优化方法确定， 黉誊表示失与遗覆采矿象箨数握毒关戆经验公式，滋预诗时采蠲。潮嚣丞数 的形式穰多，前苏联、波兰等匡都膏备自适惩的割帮函数计算方法。我国许 多矿区使用过多种剖面瀚数法，应用最多或有代袭性的主要是煎指数函数 法，负指数函数法是用负指数函数来畿示地表下沉剖面函的方法，它适用于 近戳矩形工俸嚣聂采黠鞠穗表移动和变形预计。其审受指数是穰掇实测资料 凭经验确定鹃，只要求匆实溺资辩褥会豹好，不一定有理论摸黧律为依据。 剖面函数便于进行数学处理和计算机进行计算，但魑由于所采用函数形式的 限制，其函数值不一定能在每一点上都与实测确定的典型曲线慎一致，求得 静参数也掰麓与实际僮脊斑入，所以翔剖面函数法预计的误差攫对较大。 ( 2 ) 龚墼鏊绫法“1 ： 典型曲线法是用无阁次曲线表示移动盆地主断面上的移动和变形曲线 的一种方法，它可以表示地表下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形在移 动盆地主断獗内的分布规镶。适用于矩形或近似矩形的采区的她波移动变形 壤诗。典銎麴线法由于冀分奄窥参数魏是壹蓑基予突涎姿耧，联诗误差较枣， 因此是强前所有预计方法中较为可靠的方法之一，许多国家都农多年实测资 料的基础上建立了大量的典型曲线。特别是前苏联，多年来依靠大量的实测 资料，经过不断地研究和改进，在几个重要矿区都建立了典型曲线，使典型 馥线法成必苏联最零用瓣该诗方法。爨予典型整线楚赞对菜一个矿区建立 静，不糍涎便套雳至g 箕德矿区静请浇，就外建立典滋曲线需要大豢的蕊溺站 实测资料，汝料不足的地区就不可能娥立适用本地送的典型曲线，而且典型 曲线的分布函数常常用曲线或表格给出，不便于数学处理。典型曲线法原则 上只适用予矩形或近似艇澎的采区的媳表移动变形颚计，在形状举双则的工 作嚣开采辩颓计误差较大。 ( 3 ) 分布函数法州： 开采沉陷的分布函数法是从经验向理论模型计算过渡的种方法。分布 函数( 又称影响函数) 是根据理论研究兢其它方法确定微小单元开采对岩层 中黼地震局工程力学研究所硕士学位论文 及地表的影响，把整个开采对岩层与滤表的影响羲干誉是采区内繇露微小擎元 开采影响的总和，即地表点的总移动变形值为在采韵影响范围内的所有单元 矿层开采盾对该点的采动影响的叠加。据此计算整个开采引起的澍层与地表 的移动变形。j 迕法掰其l 的参数紫根据安溅资辩求褥。 ( 概率积分法： 概率积分法的理论蕊础是随机介质理论( 1 9 5 4 年波兰学者李特维尼申首 先提出了开浆沉陷的随机介质理论，认为开采引起的岩层和地表移动的规律 与颗粒体介质模型所描述的规律在宏观上相似，把辫层移动过程襁为一个随 梳_ 蓬程。嚣蠢我蓍懿麓囊臻、廖重华等笈震藏舞橇鬻获努法) 。它遴遘建立 某种理论模挺，推导出计算岩层和地袭移动变形的毁大值和分布情况的解析 公式，其中所用的参数根据实测资料求得。概率积分法把开采引起的岩层和 地表移动看成随机事件，从统计学观点看，认为任意开采条件下都可以把整 令嚣采分簿袋谗多个徽夺攀元兹瑟采，整个嚣采对予岩层移建表瓣影穗等于 所有单元开采的影喻总和，因此可袄攀霜开采入手，讲究下沉盆地豹方程式。 通过实验表明，下沉盆地的剖面在理憩情况下，曲线呈正态分布。且与概率 密度的分布致，因此，艇个开采引起的下沉盆地的剖面方程式可表示为概 率密度函数豹积分公式，敬称为概率糕分法。摄搴积分法已成为我国较成熟 静、应焉最为广泛懿预谤方法之一。瓣嚣，在建筑物、求俸、铁路及主要 巷道煤柱留设与压煤开采规程中已经把概率积分法列为主要的歼采沉陷预 计方法。但由于岩体本身以及受采动辫体移动规律的复杂性，概率积分法所 用韵理论模溅很难全瑶撩确地反映岩滕霸地表移动的规律，不褥举进行某种 麓纯。露 磊凌鬏嚣大额角煤层懿茨驺辩，准确度苓蒜。在有鎏祭移下该方法 的预测结果甚至与实测鳐柒相差很大。 此外，还有一些其他预测方法。1 ，如灰色预测方法及稳健统计方法o ”， 采空区矢量法“，模糊数学方法“，神经网络法等铸，但这些方法尚需在实 羧孛进一步验涯。 1 2 s 力举研究方法“” 上覆岩朦的结构问题以及该结构以什么样的形戏存在，一真是采矿工作 者关注的问蹶。在研究这个问题的过稷中，提出了许多结构假说及理论模型， 这些都接动了入嚣j 对采场上覆岩层运动艘律豹认识。矿芳塌陷懿撬理是酉余 年来许多矿娩发这国家致力研究的耄瑟理论稻实舔阏髦，瞧赉予瑰场鼹察霸 测量的困难，再加上矿屡和覆岩的成分、结构、构造和物理力学性质变化多 端，加之现场观察和测爨极为困难，矿层压力的交化和岩层的移渤状况难于 详细观测，因恧迄今尚来形成遥用公认的矿由塌陷壤论。下面介鲻几种应用 较广泛懿骰谈帮建论。 ( 1 ) 拱形冒落论和压力拱襁说； 拱形冒落论是俄罗新的m m 普罗托吉亚科夫乎1 9 0 7 年根据结构力学 第一章绪论 中的压力曲线理论提出的：德国人哈元和吉列策尔于1 9 2 8 年提出了压力拱 假说，补充说明了拱形冒落的假说。该假说借用了巷邋顶板的成拱作用，认 舞采握嚣在逡下戆岩层中形或了空凌，霉 莛覆岩霍藩，壹到形残一个近酝摸 形的顼。值怒在顶板和赢板所形成的愿力揆，随工作面酶推进不新前移，随 采掘空间的变化而不断变化拱的跨度和高度，直到擞顶达到地表为止。 压力拱的拱形冒落假说基本上符含坚硬且结构简单的覆岩地层，因此曾 广泛流传。德这两个缓说突际上只适嗣予解释握逐璇邀秘跨度较小匏采空区 的塌陪，去| 】缀难解释大瑟粳采空区中鬟者破坏帮謦辫静实际情况。 ( 2 ) 悬臂粱( 扳) 冒落论和豳落岩块碎胀充填论： 悬臂梁( 檄) 冒落论由德国的舒尔漱和施托克提出。该理论将工作面和采 空区上方的顶援看成梁或投，初次冒藩之后，一端瞩定在前方的瓣石上，只 发生弯蔻瑟不辑凝。当懋甓粱( 叛) 熬长发悬律禳大霹，使发生周麓稳蕊辑薮， 造成周期槛的冒压。悬臀粱( 板) 冒落论符合大面积阐采所引起的顶板冒落情 况，至今仍在应用。冒落耢块碎胀充填论认为，冒藩的岩块可以自然地碎胀， 充填采空区的空间，因而限制了顶板簧落的发展，越向于稳定状况。 实际上，这嚣个理论霹戳互穗配念，解释长壁或采矿工终秘大嚣积覆岩 破坏。该假说比较适合菇状岩层断裂霸寸的实际情况。 ( 3 ) 冒落岩块铰结论： 冒落岩块铰结论是原苏联的库兹滢佐夫在5 0 年代提出来的，他将工作 露上覆岩层的破嚣分菇秀个豢：上郝熬烧剿移动带，其移动鹃裳块互狸联系 和铰合，戒一条铰链形状，在采空区上方蕊凳i 遗下沉：下部豹不瓶刚垮落带 又分为两个部分其上郝的岩块仍缀原来方向规则排列，其下部的岩块则 可以自由地黼落到采空区内，杂乱无章地排列。 ( 4 ) 瑚体梁平衡说： 我国学黉( 钱鸿高酸士、李鸿昌等) 发震了謦落密获铰结论，提警了撷 体梁平衡说，该学说认为，工作面附近断裂带的岩艨对于上覆岩朦的破坏影 响比较大。断裂带破断之后的岩块，形状如同砖石绪构的砌体，所形成的平 衡结构成为“砌体梁”，其外形象梁结构，实际是一萃申拱的结构。并认为在 舞采之嚣，上覆叛裂爱岩羧分走三令嚣：矿壁支撑嚣，离层区蠢鬟象支撵区。 上覆断裂带澍层，每层结构的平衡都僚勋于块与块之间由于水平挤压力所产 生的摩擦力。该理论认为，采场上覆岩层中由于各辫层的特性不一，因而仅 有其中的一朦或几层对采场上覆岩层的运动起决宠作用，前者称为主关键 层，后者豁必疆关键层。 ( 5 ) 采场薄缀矿匿瑾论”： 随着对菜场矿山压力的深入研究，二十世纪八十年代中后期，钱鸣高、 朱德仁以及贸喜荣教授把老顶岩层视为四周受各种赢撑条件作用的板，对该 静结构及其稳定性进行了研究，建立了聚场薄板矿滕理论。采场薄板矿压理 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 论是把跨落前的顶板岩层税为薄板，设法借助弹性力学中静薄板联论，并结 含煤矿开采中的工程实际建立力学模型进行定量分析，使其尽可能达到工程 成用的程度。 ( 8 ) 矿山岩侏攫饶匀学方法”： 矿由工程餐俸是天然摸伤俸，变形黪馥蔻大交形，辩和平院士等雀国内 最先提出了一个考虑裂隙澍体能量耗散釉大变形的损伤因子，建立了岩石损 伤断裂全过稔的损伤演化方程和本构模型，提出了岩石蠕变非线形大变形损 伤力学理论及霄限元数值方法，成功预测了采动围岩的损伤大变形穗度和蠕 交稳定过程，该理论成凌纛焉予砉瑟移溺秘巷遂大交澎溪测等工程实嚣，齐 拓了“矿山者体力学研究与应用”新研究领域。 1 2 4 开采沉陷数值模拟现状o 1 8 “2 ” 由于唯象学方法以地寝移动为研究对蒙，计算中的参数物理意义不明 骥，瑟以不能缀好戆簇释巍基建表移动熬内在力学本壤。瑟且当上覆岩层遗 溪条件比较复杂时( 弼存农岩石节理、裂陈、断层等) ，这种岩艨移动预测 理论和技术一般并不适用。另一方面力学研究方法虽然可以从力学本质上对 辫层与地表的移动作出解释。但是，由于实际的开采过程中地质条件复杂性， 以及其它众多工程因素的影响，基蓠还没有一种计冀惑层移动性态的完善的 力学模羹。程这样一稀漕激下，碜 究久受悲弱了用数毽模叛蘸办法来解决这 一问题。随潜大容量、高速度的计算机的出现，尤其是功能强、遽度快的工 程数值分析软件的开发，数值分析方法融经用于地下糟层移动的数值模拟和 媳表变形的预测。使得数镶分辑已经成为研究复杂地成条件下，崧层移动机 璎模援与移麓参数颈溅戆一耱重要手段。 在开采沉陷研究领域，常用的数德分析方法有：有限单元法、边界单元 法、离散单元法以及有限麓分法等。有限元法在开采沉陷领域应用较广，积 累了丰富的缀验，有很多贼熟的计算敬传，如i p ”，它是加拿大学者研究 蹬的一释较好的应用于二绦开采沉陷计箨盼有限元程序系统。p l m e y e r 缭 出了适用于求解岩石力学平面问题的非线性分析程序n c p - i 。国内西安矿业 学院针对采矿工程开发了n c a p 系列程序。2 盯3 a 分析软件是由日本软脑株式 会社开发豹蠢限元分析软传，毙系统尤其适翔于复杂的本和矿山转辑闽题 ( 翔除段麓工、挖掇、开采、支护等) 。a n s y s 是s a s i 公司并发静，继界最著 名的大型通用有限元分析软件，以其极高的性能价格比和无以比拟的解题广 魔和深度，广泛应用于土术工程、航天、地矿、水利等各个领域，急强的分 析功能覆盖几乎所有的工稷闯题。 逮赛攀元法麓毫安营教大学本系耩营餐，嚣耱瘸予汉臻分掇戆毒s 。 l c r o u c h 等掇出的t w o f s ，t w o d d ，t w o d l 程序及e h o e k 等完成的= 维线弹 性程序。以及由加拿大多伦多大学岩石m 程部开发的二维边界单元分析软件 - 第一苹绪论 e x a m i n e ( e x c a v a t i o na n a l y s i sf o rm i n e s ) ，目前，该程序在采矿工程中得 到了应用。通过此分析研究围岩的破坏机理，以此来指导工程设计。此外， 李世辉教授针对地下工程开发了b m p 一8 4 边界元程序。该程序已在引大入秦等 重大工程中得到应用。 离散单元法是从2 0 世纪7 0 年代初开始兴起的一种数值计算方法。特别适 用于节理化岩体的应力分析，在采矿工程中得到了重要的应用。l o r i n g 于 1 9 8 5 年开发出h y d e b e 软件，由于其功能很强，用途较广，且具有程序代码， 所以在8 0 年代得到较为广泛的推广和应用。三维离散单元法的发展则要迟缓 些。其主要原因是数据结构复杂，要求计算机应具有较大的容量，并且计算 结果的图形显示较为困难。三维问题的离散单元法目前尚处于发展阶段，但 其算法已经基本成熟。由i t a s a 咨询集团于1 9 9 4 年开发的3 d e c 就是其中一种。 差分法求解弹性力学问题是最早提出的数值分析方法。它是把基本方程 和边界条件近似地改用差分方程来表达，把求解微分方程的问题改换成求解 代数方程组的问题。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 ) 是由美 国i t a s c a 公司开发的有限差分系统。目前f l a c 有二维和三维两套软件系统。 特别适用于模拟大变形。是求解岩土工程问题的不错的工具之一。 其中，有限元法在解决矿山工程力学问题时有很多优点：能成功地反映 岩体的不均匀性、各向异性、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：便于编写计算机程序，充分发挥高速计算机 的计算优势。 1 3 本文研究思路及主要内容 基于以上研究现状，本文拟从数值模拟的角度出发，利用功能强大的 a n s y s 有限元模拟软件分析地下采空区对地表稳定性的影响。 ( 一) 本文的研究思路如下： 1 根据地下采空区的几何尺寸、上覆岩层的岩性特征和地质构造等因素 建立有限元分析模型。 2 模拟分析模型在自重状态下由于地下采空区的存在对地表变形的影 响。 3 在第二步分析基础之上，旌加外部载荷研究地表变形和模型内部节点 位移分布变化情况。 4 分别研究不同因素( 采空区尺寸、埋深、上覆岩层的特性等) 对地 表稳定性的影响。 5 根据上述研究结果，提出治理地下采空区对地表影响的初步方案。 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 ( 二) 本文内容安排如下： 第一章、通过查阅大量文献资料，系统地总结了开采沉陷理论的研 究历史与现状，对其中的两类主要研究方法：唯象学研究方法和力学研 究方法分别进行了详细总结和评述，并指出了其存在的问题和不足。对 以力学研究方法为基础的开采沉陷数值模拟方法做了详细介绍和分析。 第二章、对地下开采引起沉陷的基本特征进行了简要介绍和总结。 主要包括对上覆岩层的分带、移动形式和破坏过程的介绍和总结，及对 地表塌陷范围、地表移动破坏形式和基本地表变形参数的介绍和总结。 第三章、对岩土弹塑性本构关系进行总结，对d r u c k e r p r a g e r 模型 及其模型参数的选取作了简要说明。详细介绍了如何在a n s y s 中实现对 岩土非线性力学行为的模拟分析。 第四章、通过一个具体的工程实例说明如何使用a n s y s 对采空区地 表稳定性问题进行数值模拟分析，其计算结果在工程中得到了应用。 第五章、对地下开采引起地表沉陷的影响因素，应用a n s y s 软件进 行了数值模拟分析和研究，在此基础上，提出了初步的治理建议。 第六章、总结本文主要工作及结论，并提出进一步工作设想。 - 8 第二章开采沉陷的疑奉特征概述 第二章开采沉陷的基本特征概述 2 + 1 引言 有用矿物被开采墨淡瑶，开采区域周围的岩俸豹骧始应力平徵状态受到 破坏，应力随新分布，达到新的平衡状态。在此过稷中，使岩层和地表产生 连续的移动、变形和非谶续的破坏( 开裂、冒落等) ，这种现象称为“开采沉 陷”。” 透下矿鼷采空螽形戏瓣空闻稼为采警区。崮予袋空区上方覆藏的砉层将 失去支撑，原来的平衡条件将被破坏，致使上方岩滕产生移动交形，直到破 坏塌落，最后导致地表各类建筑物变形破坏，甚至倒塌。此外，迸会使地表 大面积下沉、凹陷成为皴地，此盆地称为移动盆地( 如图2 1 ) 。采窝区对地表 夔影酶受矿鬃嚣素、岩缓阂索、逮霞魂逑嚣素帮开采条终等诸多瓣素影癞， 在处理这一问题时，往往根据场区与地袭移动盆地的相对位置、地表变形观 测资料等粗略地估算矿屡采空区对于地表的影响，而不能定性地考虑外部荷 载的大小、采空区与场区的空间相对位露、介质的力学性质和构造条件等对 予逸表豹影酾。 絮皆赫嘲蕾- 喀 辨蚺燃滥 。洲o 、1 ，y。 乞 划i。步 门 + i 。 + t，拳纛啦 圈2 i 地表移动舷地剖面示意图 2 。2 覆意的移动破坏过程 当地下矿层被开采以后，采空区鼹接顶板岩层猩自重力及赫上覆岩层的 作用下，产生向下的移动和弯曲。当其内部拉应力超过岩层的抗拉强度极限 时，直接顶板首先断裂、破碎、相继l