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地下开采引起的地表移动变形分析

2017-03-13侯晓兵张艺霞

科教导刊 2017年1期
关键词:介质变形函数

侯晓兵 张艺霞

摘 要 山东省莱芜市小官庄铁矿由于长期的地下开采,地下已经形成一定范围的采空区,引起了地表的下沉和变形,对地上一定范围内的构筑物及人的安全造成了影响。为了有效地减少和防止灾害的发生,准确地预测出地下开采引起的地表沉降值和水平变形值,采用了双曲正切函数和随机介质理论进行了计算分析,并与实测沉降数据进行了对比,确定了适用于该地层的正确参数,为今后开采过程中及开采完成后,对地表的影响范围、沉降及水平变形的预测提供了可靠的保证。

关键词 地下开挖 双曲正切函数法 随机介质理论 地表移动变形

Abstract Duo to the long term underground mining, the underground of Xiaoguanzhuang Iron Mine in Laiwu City, Shandong Province has formed a certain range of goaf, which caused the surface subsidence and deformation and posed a threat to the surface building and people in a large area. In order to reduce and prevent any case of disaster with accurate data, the hyperbolic tangent function model and the stochastic medium theory are adopted to make statistical analysis of surface subsidence value and the level deformation value. Compared with the field data, the correct parameters can be settled which provides a guarantee for the prediction of influence on range of subsidence and deformation during the process or in the aftermath of mining.

Keywords underground mining; hyperbolic tangent function; stochastic medium theory; ground movement and deformation

0 引言

近几十年来,随着勘探技术的不断发展与进步,在全国范围内地下开采工程越来越多,其开采的技术与方法也越来成熟。但是,对于地下开采工程而言,无论采用什么样的方法进行采矿,开采完成后势必会形成一定范围内的采空区。同时,不管采用什么样的加固处理方法,采空区上覆岩体及地表都要发生移动和变形。因此,为了研究地表的移动变形,国内外学者做了大量的实验和研究工作,创造出了许多能够解决实际工程问题的有价值的成果。

在实际工程中,用于分析地下开挖引起地表移动变形的方法有很多,如弹、塑性连续介质法、随机介质理论法—概率积分法、统计类比法(影响函数法、剖面函数法和典型曲线法)、损伤力学法等。这些方法已成功地用于分析不同类型矿山开采地表移动分析。栾元重,贾维花应用弹塑性力学理论及有限元力学变形理论研究了后冲积层下开采地表移动的机理;①彭建兵,孙萍等根据随机介质理论,对中国西部黄土地区的暗穴进行了模型概化,分析了其对地表造成的不均匀沉降及影响范围;②刘宝琛, 张家生介绍预计近地表地下工程开挖引起地表移动及变形的随机介质方法,详细探讨了二维与三维地表沉降的随机介质方法,并对照一些工程实例,给出了计算机计算结果与实测值的比较。③

为了对软岩地层条件下地表移动和变形进行研究分析,本文采用了剖面函数法中双曲函数法和随机介质理论进行验证和比较,确定出适合此类矿区的比较准确的参数,为矿层的开采提供了基础保障。

1 理论计算模型

1.1 双曲正切函数模型

地表沉降计算表达式为

2 工程实例分析

2.1 工程背景简介

山东省莱芜市小官庄铁矿地质条件比较特殊,地表以下400m厚的地层都属于软岩,该矿于1985年投产。由于采用无底柱分段崩落法进行开采,所以造成了大范围的地表移动变形。根据地表移动观测结果看,地表最大下沉值已超过10m。

该矿正处于第二期开采过程中,后续还有第三期开采工程。随着开采的延续,地表的下沉和移动也会不停地增加。④因此,为了保证安全生产,确定出地表的移动变形的最大值及范围是尤为重要的。

2.2 理论预计分析

小官庄铁矿东区开采深度为518m,矿层厚度为40m,开采长度约为260m。地表南北观测线上布有多个观测点。利用上述理论计算模型对其进行具体计算分析,根据实测资料统计分析,初步确定出地层相关的参数见表1。

由图1中可以看出,双曲函数法和概率积分法计算出的各点的沉降值十分相近,所形成的理论曲线基本相同,且与实测资料值相吻合。

根据上述分析可以确定:初步确定出的地层的相关参数是可以用于该矿山的。为了判断地表移动是否会导致地面发生宏观开裂,现对地表水平变形进行预计分析,部分理论预计结果见表2。

由于地表水平拉伸变形达到6‰~12‰以上时,地表岩体将发生宏观开裂破坏。⑤根据表2可以看出,两种方法在东区的最大水平变形分别为16.4‰和15.6‰,所以地表将会发生宏观開裂破坏。所以, 随着开采进度的发展,在地表的影响范围内必须采取有效的防范措施,以便指导安全生产。

3 结论及建议

(1)双曲函数法和概率积分法这两种理论模型可以用来分析小官庄铁矿开采引起的地表移动变形。

(2)根据计算出的结果以及做出的预测分析,建议增加地表移动观测站观测频率,随时掌握地表移动变形情况,并制定出有效的应急防范预案,保证生产的安全进行。

注释

① 栾元重,贾维花.厚冲积层下开采地表移动分析.矿山压力与顶板管理,2001(3):64-65.

② 彭建兵,孙萍等.随机介质理论确定黄土暗穴引起的地表变形.长安大学学报,2005.7.25(4):48-51.

③ 刘宝琛,张家生.近地表开挖引起的地表沉降的随机介质方法.岩土力学与工程学报,2015.4(5) :289-296.

④ 白义如,谷志孟,白世伟,程潮.铁矿东区地下开采引起地表沉降和岩层移动探讨.岩石力学与工程学报, 2002.21(3):340-342.

⑤ 刘宝琛,廖国华.煤矿地表移动的基本规律[M].北京:中国工业出版社,1965.

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