【內(nèi)容摘要】地下煤層采出后采空區(qū)頂板在重力場(chǎng)及其上覆巖、土體的作用下會(huì)沿著層理面法線方向移動(dòng)。隨著工作面推進(jìn)，頂板巖層端部開裂，在巖層中部開裂還很少的情況下頂板巖層整體切斷垮落。本文根據(jù)不同時(shí)間所測(cè)得的各類地表變形的現(xiàn)狀特征，分別做出每個(gè)觀測(cè)對(duì)象對(duì)應(yīng)觀測(cè)時(shí)間井下開采與地表變形現(xiàn)狀的二維坐標(biāo)關(guān)系圖。
　　【關(guān)鍵詞】煤礦開采，地表變形，測(cè)量
　　1煤礦地下開采引起地表變形的作用機(jī)理
　　當(dāng)?shù)叵旅旱V的煤層開采后，在采空區(qū)上方及其周圍的巖層移動(dòng)將產(chǎn)生地表的移動(dòng)與變形，或者產(chǎn)生塌陷區(qū)，當(dāng)該變形作用于建筑物的基礎(chǔ)時(shí)，將導(dǎo)致建筑物受到附加應(yīng)力的作用，從而使地面建筑物產(chǎn)生變形與破壞。這種變形和破壞的原因主要有：
　　第一，由水平變形引起的破壞。水平變形表現(xiàn)為地表的拉伸和壓縮。由于建筑物抵抗拉伸的能力遠(yuǎn)小于抵抗壓縮的能力，拉伸的破壞作用最大，在較小的地表拉伸下就可能使建筑物產(chǎn)生裂縫。一般在門窗洞口的薄弱部位最易產(chǎn)生裂縫，磚砌體的結(jié)合縫亦易被拉開。地表壓縮變形對(duì)建筑物的破壞主要是使門窗洞口擠成菱形，磚砌體墻產(chǎn)生水平裂縫，縱墻或圍墻產(chǎn)生褶曲或屋頂鼓起。建筑物的破壞程度與其結(jié)構(gòu)、材料、形狀和施工質(zhì)量等有關(guān)，其中建筑物的剛度和平面尺寸是主要因素。地下開采引起的地表水平變形主要包括拉伸和壓縮變形，地表的變形對(duì)建筑物的基礎(chǔ)會(huì)產(chǎn)生水平附加力。如下圖1.1所示。
　　
　　圖1.1井下開采時(shí)地表移動(dòng)變形過程
　　第二，當(dāng)?shù)乇懋a(chǎn)生豎向變形時(shí)，對(duì)基礎(chǔ)會(huì)產(chǎn)生不均勻支反力，從而產(chǎn)生附加彎矩和剪力，產(chǎn)生的附加作用力對(duì)建筑物會(huì)產(chǎn)生影響。一般情況下，處于地表移動(dòng)穩(wěn)定后均勻下沉區(qū)的建筑物，在開采過程中，還將受到地表動(dòng)態(tài)變形的影響，即建筑物先受地表拉伸(正曲率)變形影響，隨著工作面的推進(jìn)，建筑物受地表壓縮(負(fù)曲率)變形影響，當(dāng)工作面推離建筑物的距離大于一定值(一般可取0.6倍開采深度)時(shí)，建筑物又恢復(fù)原狀。
　　第三，移動(dòng)角及移動(dòng)范圍。地表變形理論中，最重要的角值參數(shù)為移動(dòng)角。在巖土工程中，移動(dòng)角是指：在移動(dòng)盆地主斷面上臨界變形值的點(diǎn)和采空區(qū)邊界的連線與水平線之間在采空區(qū)外側(cè)的夾角。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析可得出，隨著開采煤層數(shù)目和開采中段的不同，巖層的性質(zhì)是不同的，移動(dòng)角也是不同的。當(dāng)?shù)V區(qū)上部有松散層存在時(shí)，應(yīng)有松散層移動(dòng)角。因此，單單從礦體最深部起劃出移動(dòng)角是不科學(xué)的。針對(duì)不同的開采現(xiàn)狀，應(yīng)有不同的移動(dòng)角。在數(shù)值模擬過程前，先采用經(jīng)驗(yàn)公式和工程類比法，確定巖層的移動(dòng)角。
　　2地下開采引起煤礦地表變形數(shù)值分析
　　2.1FLAC的基本原理
　　FLAC（快速拉格朗日有限差分法程序）是目前世界上較先進(jìn)、較流行的一種數(shù)值模擬方法，該程序的基本原理和算法與離散元相似，但它應(yīng)用了節(jié)點(diǎn)位移連續(xù)的條件，可以對(duì)連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行大變形分析，特別適合研究大變形問題。FLAC程序可以模擬多種模型的材料，可以模擬地應(yīng)力的生成、邊坡或地下硐室開挖、混凝土襯碹、錨桿或錨索設(shè)置、地下滲流等。該方法的基本原理如下。
　　對(duì)于函數(shù)f，由高斯定理有：
　　（3）
　　式中：V——拉格朗日單元的體積；
　　B——拉格朗日單元的邊界；
　　nt——V的單位法線矢量。
　　定義梯度的平均值：
　　（4）
　　表示的平均值。
　　對(duì)于一個(gè)具有N條邊的多邊形，可以將上式寫成N條邊求和的形式，即：
　　（5）
　　式中：——多邊形第i條邊的邊長(zhǎng)；
　　ni——的單位外法線矢量；
　　fi——f在上的平均值。
　　最終通過變換可以得出節(jié)點(diǎn)位移：
　　（6）
　　按照迭代求解，便可求出各個(gè)時(shí)步所對(duì)應(yīng)的各單元的應(yīng)力以及各節(jié)點(diǎn)的變形。
　　2.2采用動(dòng)態(tài)測(cè)量方法的假設(shè)
　　在礦山工程中，采礦本身是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)過程，其中包含許多不確定因素的影響，又由于數(shù)值模擬的定量結(jié)果一般僅作評(píng)價(jià)的應(yīng)用。因此在模擬的過程中，不刻意尋求力學(xué)模型和本構(gòu)關(guān)系的精密，即不要求所建立的力學(xué)模型過于復(fù)雜，只要能反映出巖體的基本力學(xué)特性及礦山開采的基本過程。在數(shù)值模擬過程中，為了使計(jì)算結(jié)果比較接近實(shí)際情況，對(duì)巖體介質(zhì)性質(zhì)、計(jì)算模型、礦山地質(zhì)條件、受力條件、采礦工藝及采礦方法等都作了必要的假設(shè)。
　　（1）對(duì)礦巖性質(zhì)的假設(shè)
　　假設(shè)礦巖為各向同性、均質(zhì)且符合摩爾—庫(kù)侖彈塑性模型的介質(zhì)。
　　（2）對(duì)計(jì)算模型的假設(shè)
　　對(duì)地下工程開挖來說，地下礦山開采是一個(gè)空間問題，應(yīng)采用三維空間計(jì)算模型更為合理。但一般來說，在同等條件下，二維數(shù)值模擬結(jié)果與三維數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果比較接近。因此，計(jì)算模型簡(jiǎn)化為二維平面模型。
　　（3）煤層結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化
　　為模擬方便，對(duì)巷道工程、每一煤層的開挖步數(shù)等不予考慮，模擬時(shí)簡(jiǎn)化為實(shí)體。
　　3煤礦開采引發(fā)地表變形的動(dòng)態(tài)測(cè)量方法及計(jì)算
　　在對(duì)煤礦的每次觀測(cè)結(jié)束后，對(duì)觀測(cè)成果進(jìn)行檢查，使其滿足《煤礦測(cè)量規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定，然后進(jìn)行各種改正數(shù)的計(jì)算和平差計(jì)算，確保觀測(cè)成果的正確性。而后就可以計(jì)算觀測(cè)線各點(diǎn)間的移動(dòng)和變形量，觀測(cè)站各測(cè)點(diǎn)和各測(cè)點(diǎn)間的移動(dòng)變形計(jì)算主要包括：各測(cè)點(diǎn)的下沉和水平移動(dòng)，相鄰兩測(cè)點(diǎn)間的傾斜和水平變形，相鄰兩線段的曲率變形，觀測(cè)點(diǎn)的下沉速度等。測(cè)點(diǎn)某時(shí)刻的下沉，由該時(shí)刻觀測(cè)到測(cè)點(diǎn)高程與采前首次觀測(cè)的測(cè)點(diǎn)高程之差計(jì)算得；測(cè)點(diǎn)某時(shí)刻的水平移動(dòng)，由該時(shí)刻觀測(cè)到的測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)與采前首次觀測(cè)到的測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)變化經(jīng)矢量分析分解后獲得；相鄰兩測(cè)點(diǎn)的傾斜和水平變形，分別由該相鄰兩測(cè)點(diǎn)的下沉之差和水平移動(dòng)之差與兩測(cè)點(diǎn)間的水平距離之比獲得，在計(jì)算兩測(cè)點(diǎn)間的水平變形時(shí)，要考慮到測(cè)點(diǎn)的水平移動(dòng)方向問題；相鄰兩線段的曲率變形，由該相鄰兩線段的傾斜之差與兩線段的平均水平距離之比獲得；測(cè)點(diǎn)的下沉速度，由測(cè)點(diǎn)前、后兩次觀測(cè)的下沉值與兩次觀測(cè)的間隔天數(shù)之比獲得。
　　3.1地表下沉動(dòng)態(tài)曲線的建立
　　下沉動(dòng)態(tài)曲線通常是按采動(dòng)程度，用下沉動(dòng)態(tài)分布系數(shù)表示的。當(dāng)用公式表示時(shí)，對(duì)于沿走向主斷面，可寫成：
　　（7）
　　式中Wm為廣最大下沉值；S(x)為下沉動(dòng)態(tài)分布系數(shù)。
　　3.2傾斜和曲率動(dòng)態(tài)曲線的建立
　　(1)傾斜動(dòng)態(tài)曲線
　　傾斜動(dòng)態(tài)曲線，可用傾斜動(dòng)態(tài)分布系數(shù)表示。從該礦觀測(cè)站成果整理得知，兩點(diǎn)間地表的傾斜為：
　　（8）
　　當(dāng)下沉曲線用動(dòng)態(tài)曲線表示時(shí)，對(duì)于沿走向主斷面，則為：
　　（9）
　　(2)曲率動(dòng)態(tài)曲線為（10）
　　3.3水平移動(dòng)和水平變形動(dòng)態(tài)曲線的建立
　　(l)水平移動(dòng)動(dòng)態(tài)曲線
　　由理論研究和實(shí)測(cè)資料分析可知，水平煤層充分采動(dòng)條件下，沿主斷面的水
　　平移動(dòng)曲線與傾斜曲線成正比例關(guān)系，即
　　（11）
　　式中B為水平移動(dòng)系數(shù)。
　　很顯然，。因此，它可以根據(jù)實(shí)測(cè)資料求取，并取其平均值作為一個(gè)礦或一個(gè)礦區(qū)的B值，如對(duì)于煤礦區(qū)來說，B＝10－12。通常在水平煤層充分采動(dòng)條件下，最大水平移動(dòng)值，最大傾斜值：
　　（12）
　　式中為傾斜動(dòng)態(tài)分布系數(shù)中的最大值。于是有水平移動(dòng)動(dòng)態(tài)曲線：
　　（13）
　　參考文獻(xiàn)
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