煤矿开采引发地表变形动态测量方法探究

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1、煤矿开采引发地表变形动态测量方法探究【内容摘要】地下煤层采出后采空区顶板在重力场及其上覆岩、土体的作用下会沿着层理面法线方向移动。随着工作面推进，顶板岩层端部开裂，在岩层中部开裂还很少的情况下顶板岩层整体切断垮落。本文根据不同时间所测得的各类地表变形的现状特征，分别做出每个观测对象对应观测时间井下开采与地表变形现状的二维坐标关系图。【关键词】煤矿开采，地表变形，测量1煤矿地下开采引起地表变形的作用机理当地下煤矿的煤层开采后，在采空区上方及其周围的岩层移动将产生地表的移动与变形，或者产生塌陷区，当该变形作用于建筑物的基础时，将导致建筑物受到附加应力的作用，从而使地面建筑物产生变形

2、与破坏。这种变形和破坏的原因主要有：第一，由水平变形引起的破坏。水平变形表现为地表的拉伸和压缩。由于建筑物抵抗拉伸的能力远小于抵抗压缩的能力，拉伸的破坏作用最大，在较小的地表拉伸下就可能使建筑物产生裂缝。一般在门窗洞口的薄弱部位最易产生裂缝，砖砌体的结合缝亦易被拉开。地表压缩变形对建筑物的破坏主要是使门窗洞口挤成菱形，砖砌体墙产生水平裂缝，纵墙或围墙产生褶曲或屋顶鼓起。建筑物的破坏程度与其结构、材料、形状和施工质量等有关，其中建筑物的刚度和平面尺寸是主要因素。地下开采引起的地表水平变形主要包括拉伸和压缩变形，地表的变形对建筑物的基础会产生水平附加力。如下图1.1所示。图1.1井

3、下开采时地表移动变形过程第二，当地表产生竖向变形时，对基础会产生不均匀支反力，从而产生附加弯矩和剪力，产生的附加作用力对建筑物会产生影响。一般情况下，处于地表移动稳定后均匀下沉区的建筑物，在开采过程中，还将受到地表动态变形的影响,即建筑物先受地表拉伸（正曲率）变形影响，随着工作面的推进，建筑物受地表压缩（负曲率）变形影响，当工作面推离建筑物的距离大于一定值（一般可取0.6倍开采深度）时，建筑物又恢复原状。第三，移动角及移动范围。地表变形理论中，最重要的角值参数为移动角。在岩土工程中，移动角是指：在移动盆地主断面上临界变形值的点和采空区边界的连线与水平线之间在采空区外侧的夹角。根

4、据数值模拟结果分析可得出，随着开采煤层数目和开采中段的不同，岩层的性质是不同的，移动角也是不同的。当矿区上部有松散层存在时，应有松散层移动角。因此，单单从矿体最深部起划出移动角是不科学的。针对不同的开采现状，应有不同的移动角。在数值模拟过程前，先采用经验公式和工程类比法，确定岩层的移动角。2地下开采引起煤矿地表变形数值分析2.1FLAC的基本原理FLAC(快速拉格朗日有限差分法程序)是目前世界上较先进、较流行的一种数值模拟方法，该程序的基本原理和算法与离散元相似，但它应用了节点位移连续的条件，可以对连续介质进行大变形分析，特别适合研究大变形问题。FLAC程序可以模拟多种模型的材

5、料，可以模拟地应力的生成、边坡或地下碉室开挖、混凝土衬雀、锚杆或锚索设置、地下渗流等。该方法的基本原理如下。对于函数f,由高斯定理有:(3)式中：V拉格朗日单元的体积；B——拉格朗日单元的边界；nt——V的单位法线矢量。定义梯度的平均值：(4)表示的平均值。对于一个具有N条边的多边形，可以将上式写成N条边求和的形式，即：(5)式中：一一多边形第i条边的边长；ni的单位外法线矢量；fi——f在上的平均值。最终通过变换可以得出节点位移：(6)按照迭代求解，便可求出各个时步所对应的各单元的应力以及各节点的变形。2.2采用动态测量方法的假设在矿山工程中，采矿本身是一个复杂的力学过程，其

6、中包含许多不确定因素的影响，又由于数值模拟的定量结果一般仅作评价的应用。因此在模拟的过程中，不刻意寻求力学模型和本构关系的精密，即不要求所建立的力学模型过于复杂，只要能反映出岩体的基本力学特性及矿山开采的基本过程。在数值模拟过程中，为了使计算结果比较接近实际情况,对岩体介质性质、计算模型、矿山地质条件、受力条件、采矿工艺及采矿方法等都作了必要的假设。(1)对矿岩性质的假设假设矿岩为各向同性、均质且符合摩尔一库仑弹塑性模型的介质。(2)对计算模型的假设对地下工程开挖来说，地下矿山开采是一个空间问题，应采用三维空间计算模型更为合理。但一般来说，在同等条件下，二维数值模拟结果与三维数

7、值模拟的计算结果比较接近。因此，计算模型简化为二维平面模型。(1)煤层结构的简化为模拟方便，对巷道工程、每一煤层的开挖步数等不予考虑，模拟时简化为实体。3煤矿开采引发地表变形的动态测量方法及计算在对煤矿的每次观测结束后，对观测成果进行检查，使其满足《煤矿测量规程》的有关规定，然后进行各种改正数的计算和平差计算，确保观测成果的正确性。而后就可以计算观测线各点间的移动和变形量，观测站各测点和各测点间的移动变形计算主要包括：各测点的下沉和水平移动，相邻两测点间的倾斜和水平变形，相邻两线段的曲率变形