矿山采空区诱发的地表变形建模与可视化研究

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1、矿山采空区诱发的地表变形建模与可视化研究第一章绪论1.1研究背景及意义从二十世纪中叶起，随着工业化步伐的加快，能源的需求量越来越大。为适应这种情况，矿业工程也在迅猛发展，矿产资源被大量开采，从而产生很多空区。随着矿产资源的大规模开发，地表出现塌陷及裂缝破坏，对环境造成很大的破坏，比如由于地下开采，使地表沉陷造成大面积农田损毁、森林植被遭破坏、水土流失严重、荒漠化程度加深。同时，随着我国经济的飞速发展和城市化步伐的加快，城市生活区及工厂用地在不断扩大，大量土地被作为城市建设用地来使用，使土地显得更加紧缺，矿山采空区上部也经常被开

2、发利用。而采空区地表的变形规律问题是一类特殊的岩土工程问题，影响因素较多，比较复杂。当地下有用的矿产资源(如铁矿、铅锌矿)被采出后，采空区围岩原有的应力平衡状态遭破坏，应力重分布从而达到新的平衡，在此过程中空区上覆岩层先产生移动与变形，随后逐渐向地表延伸并引起地表移动、变形和非连续破坏，采矿工程学上把这种现象称为开采沉陷(iningSubsidence)。开采沉陷使矿区原有的地形、岩层构造发生改变，破坏了矿区生态环境，影响了路基、桥梁及房屋等构筑物的稳定性，同时也在一定程度上制约了矿区的可持续发展[5]-[10]。所以处于安全

3、考虑，在工程建设中一般要尽量避开采空区。但矿区采空区往往比较密集，很多时候，采空区上方地表的工程建设无法避免，所以为了更好的使用采空区地表的土地资源，需要对地表移动变形问题进行大量研究。在过去的几十年中，通过对中西部煤矿产资源的开采，国民经济获得极大的发展，但与此同时矿产资源的开采，导致采空区的产生，空区上覆岩层的移动波及地表，使地表出现了裂隙、甚至造成房屋出现破坏严重，无法居住，严重影响人们的生活。随着我国发展重心向西部转移，许多桥梁及铁路等工程需要要建立在采空区附近或者上方，由于工程实践及理论研究较少，受空区地表变形的影响

4、，房屋桥梁等建筑无法很好的使用。针对此类问题，国内外在煤矿系统方面的研究比较多。从20世纪50年代开始，主要产煤国家比如波兰、英国、前苏联和中国等对建筑物、水体、铁路下采煤工艺展开了详细的研究，同时对采空区地表建筑的保护与灾害的防治做了大量分析，获得较多的经验。近年来，随着我国公路建设的快速发展，许多公路建设遇到了矿山采空区地表变形破坏问题，并针对地表移动变形问题进行了一定的研究分析。..1.2开采沉陷理论的发展及研究现状在现场测量中，人们设想将岩体的移动变形以几何的形式表达出来。最早的研究中，人们试图确定地下开采对地表的影响

5、范围。比如1858年，比利时人Gonot建立的法线理论[1]；1876年，德国人Jicinsky推出的二等分线理论及后来的自然斜面理论[2]。这些研究影响深远，比如开采影响角的研究，直到现今任然作为安全准则，为矿山安全生产提供依据。随着采动影响程度研究的进一步发展，地表沉降和变形规律的研究越来越重要。1871年，Duont,在地表沉降与矿体开采厚度及矿体倾角有关的思想基础上,最早引出了地表下沉的计算公式[3]。1923年，Schitz认为地表沉降与开采充分程度紧密相连,并在计算中引入了下沉系数[4]。除对地表沉降进行研究外，人

6、们也开始关注地表水平变形方面的研究[5]。1928年，Keinhost提出了地表水平移动与地表下沉的假设关系。1947年，阿维尔辛提出了地表水平移动与地表倾斜成比例的著名假设[6]。.第二章采空区地表沉陷基本规律及实例分析2.1采空区沉陷基本规律采矿过程破坏了原有的应力分布，应力重分布，通过本身重力和上覆岩层的重力影响，顶板岩层弯曲向下移[36]。当内部应力超过岩层强度时，顶板部分区域出现断裂离层，并冒落成拱形。随着开采的继续，岩层活动向地表延伸，岩层持续破坏，直到达到新的平衡[37]。这个过程中岩层的移动有以下多种形式[38

7、]：(1)弯曲：岩层移动的主要形式，当矿石被采出地表后，顶板覆岩向空区弯曲，方向与顶板切线方向垂直。(2)垮落由于矿体被开采，在自重作用下，岩层产生拉伸变形，当移动变形过大时，部分岩石就会分离垮落充填被采出的矿石的空间。(3)片帮矿体采出后，采空区上覆岩层压力转移到周边围岩上，周围岩体部分因压力过大被挤向采空区，从而导致片帮现象的发生。(4)岩石的下滑：矿石开挖后，岩石就会分离垮落到被采出的矿石的空间。当矿体和地表很近时，岩层倾角大，则可能产生抽冒的情况。(5)上覆岩层的裂隙：是指只有断裂和岩层的分离现象发生，岩石没有落下。(

8、6)岩石沿层面滑移：由于重力和岩石层理面倾斜交叉。岩石沿层理方向运动。该情况一般发生在倾斜岩层。倾斜的角度越明显，则岩石沿层节理面的滑移越明显。由于岩层的滑移现象发发生，位于采空区上山方向的部分岩层受拉，而下山则被压缩。(7)隆起：矿石开采出地表后，矿石对下面岩层向下的压力消