山區(qū)地下開采地表移動相似模擬實驗研究

劉 騰 王金安 高治國 王 利

(北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京 100083)

山區(qū)地下開采地表移動相似模擬實驗研究

劉 騰 王金安 高治國 王 利

(北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京 100083)

以甘肅省海石灣礦區(qū)為研究對象，通過相似模擬材料實驗建立二維地質(zhì)模型，對山區(qū)地下開采時邊坡的移動變形特征進行研究，結(jié)果表明：邊坡體表面上部點的位移量小于下部點的位移量；山區(qū)地表點的位移向量受坡體傾斜和采空區(qū)下沉的共同作用，為兩者的向量合成；山區(qū)地表的滑移主要發(fā)生在地表土層，下部的巖層幾乎只受采空區(qū)下沉的影響；山區(qū)地表點的移動軌跡，在順坡表現(xiàn)為“S”型，在逆坡時表現(xiàn)為反“S”型；坡面點的最終位移取決于兩者的影響系數(shù)，在順坡時，當傾斜影響因素大于采空區(qū)下沉影響因素時，最終位移會向傾斜方向偏移；反之，則向采空區(qū)方向偏移；在逆坡時，最終位移受兩者疊加影響始終向傾斜方向偏移。說明利用相似模擬材料實驗研究山區(qū)地表的移動規(guī)律是一種有效的手段。

山區(qū) 地下開采 相似模擬實驗 邊坡移動變形

我國煤礦資源豐富，但大多數(shù)煤礦都位于山區(qū)，地形復雜[1]。針對山區(qū)地下開采地表的移動變形特征，缺乏科學可靠的巖移數(shù)據(jù)指導地下工作面部署和地面建筑物保護[2-5]。為了掌握山區(qū)地表的移動規(guī)律，保證煤層開采不造成地表建筑物、高壓路線等設施的損壞，需對地下煤層開采引起的地表影響范圍和影響程度進行研究和分析[6]。確定合理的開采參數(shù)和地面建筑保護的措施，最大限度地實現(xiàn)經(jīng)濟合理、技術可行、安全可靠的開采[7-9]。相似模擬材料實驗是國內(nèi)學者和技術專家比較認可的研究方法，此次用于研究地表移動規(guī)律，不僅具有重要的理論價值，而且具有推廣應用價值[10]。

1 模型與計算參數(shù)

本相似材料模擬實驗模型選用4.2 m×0.25 m×2 m的模型支架。根據(jù)需要選取幾何相似常數(shù)為400，容重相似常數(shù)為1.6，根據(jù)相似理論確定應力及強度相似常數(shù)為640[11]。

(1)原巖力學性質(zhì)。根據(jù)原型力學參數(shù)確定模型力學參數(shù)見表1。

表1 原巖基本力學參數(shù)Table 1 Basic rock mechanical parameters

(2)模擬巖石的力學性質(zhì)。模擬巖層力學參數(shù),如表2所示。

表2 模擬巖層力學參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of simulated rock

2 模型的建立

在建立的二維相似材料地質(zhì)模型上布置監(jiān)測點，監(jiān)測點位置如圖1所示，研究在地下開采時，邊坡表面的位移特征以及規(guī)律，主要針對布置在地表的監(jiān)測點進行研究分析。模型標識左右兩端各預留50 cm，中間標識從右到左為0～320 cm，即模擬有效長度為1 280 m。

圖1 二維地質(zhì)模型監(jiān)測線分布圖Fig.1 Monitoring line profile of 2D geological model

由于模型的模擬高度有限以及根據(jù)現(xiàn)場采空區(qū)狀態(tài)，首先對模型的右端進行開挖，形成塌陷采空區(qū)，作為實驗的初始狀態(tài)(因模型頂端斜坡頂為80 cm左右標識處，現(xiàn)將模型開挖至2倍距離165 cm標識處)，坡底標識為240 cm處，如圖2所示。

圖2 實驗模型初始狀態(tài)Fig.2 The initial state of experimental model

3 地表移動特征

將傾向與工作面推進方向一致的地表坡面稱為順坡，傾向與工作面推進方向相反的地表坡面稱為逆坡。以坡底為分界，分別對順坡開挖以及逆坡開挖進行研究分析：為了方便研究，對坡體表面監(jiān)測點進行編號，從左至右依次為：1,2,3，…，51。坡底位置為24號監(jiān)測點。

3.1 順坡開挖

開挖分為2個階段：第1階段，從165 cm開挖至200 cm(以5 cm為單元進行開挖)；第2階段，從200 cm開挖至240 cm(以5 cm為單元進行開挖)。順坡開挖的位移矢量圖見圖3、圖4，開挖至240 cm時的二維地質(zhì)模型見圖5。

圖3、圖4表明，在順坡開挖過程中，當工作面的推進位置沒有通過某測點時，測點隨采場延伸，坡面點位移向量指向邊坡自由面且位移量增加；當工作面通過某測點時，坡面點位移向量受到采空區(qū)下沉作用的反影響，點的移動向量向采空區(qū)方向(坡體傾斜反方向)偏移，水平位移受到抵消，垂直位移量產(chǎn)生疊加，當移動趨于穩(wěn)定時，位移向量仍指向地表傾斜方向，并沒有回到原坡面點位置的正下方(采空區(qū)的下沉影響因素小于坡體傾斜影響因素)。

圖3 開挖至200 cm時順坡的位移矢量圖Fig.3 The slope displacement vector diagram when excavated to 200 cm

圖4 開挖至240 cm時順坡的位移矢量圖Fig.4 The slope displacement vector diagram when excavated to 240 cm

圖5 開挖至240 cm時的二維地質(zhì)模型圖Fig.5 2D geological model figure when excavated to 240 cm

下面選取開挖至240 cm時2個代表性的監(jiān)測點26號點以及32號點繪出移動軌跡圖(單位m，以工作面實際量綱計)，見圖6。

圖6 開挖至240 cm時的點26、32的移動軌跡圖Fig.6 Movement trajectory of points 26, 32 when excavated to 240 cm◆—26號點移動軌跡；■—32號點移動軌跡

由圖6可以得出，順坡表面點受開挖擾動沿坡體傾斜方向移動，后受采空區(qū)下沉以及坡體傾斜的共同作用下移動軌跡大致呈“S”型。

3.2 逆坡開挖

開挖分為2個階段：第1階段，從240 cm開挖至280 cm(以5 cm為單元進行開挖)；第2階段，從280 cm開挖至320 cm(以5 cm為單元進行開挖)。逆坡開挖的位移矢量圖見圖7、圖8，開挖至320 cm時的二維地質(zhì)模型見圖9。

圖7 開挖至280 cm時逆坡的位移矢量圖Fig.7 Displacement vector diagram of inverse slope when excavated to 280 cm

圖8 開挖至320 cm時逆坡的位移矢量圖Fig.8 Displacement vector diagram of inverse slope when excavated to 320 cm

圖9 開挖至320 cm時逆坡的二維地質(zhì)模型圖Fig.9 2D geological model figure of inverse slope when excavated to 380 cm

圖7、圖8表明，在逆坡開采時，當工作面的推進位置沒有通過某坡面點時，測點隨采場延伸，坡面點位移向量指向邊坡自由面且位移量增加；當工作面通過某點時，坡面點位移向量受到采空區(qū)下沉作用的正影響，坡面點的移動向量指向采空區(qū)方向(坡體傾斜方向)偏移，水平位移量、垂直位移量同時產(chǎn)生疊加。當移動趨于穩(wěn)定時，位移向量更偏向坡體傾斜方向。

下面選取開挖至320 cm時2個代表性的監(jiān)測點22號點以及18號點繪出移動軌跡圖(單位m，以工作面實際量綱計)，見圖10。

圖10 開挖至320 cm時的18、22號點的移動軌跡圖Fig.10 Movement trajectory of points 18, 22 when excavated to 320 cm◆—18號點移動軌跡；■—22號點移動軌跡

由圖10可以得出，順坡表面點受開挖擾動沿坡體傾斜方向移動，后受采空區(qū)下沉以及坡體傾斜的疊加影響下移動軌跡大致呈“反S”型。

4 綜合水平位移分析

坡面各測點水平位移綜合分析：以坡底為0點，以現(xiàn)場工作面量綱(m)為單位得出圖11所示曲線(后為正，前為負)。

圖11 開挖過程中坡面點水平位移圖Fig.11 Horizontal displacement diagram of slope surface in excavation process◆—工作面推進至坡底后方-160 m;▲—工作面推進至坡底；●—工作面推進至坡底前方160 m;■—工作面推進至坡底前方320 m

由圖11可知，水平位移最大為0.842 m，位于逆坡下部，一般位移在0.4～0.9 m之間，說明逆坡表面點受向量疊加，位移最為明顯，并且整個坡面都受到不同程度的開采擾動影響。以坡底為分界線，逆坡各測點位移整體大于順坡各測點位移，逆坡受到位移疊加，順坡受到位移抵消。無論正反坡，邊坡下部位移量大于邊坡上部，正坡最大可以達到0.64 m、反坡最大可以達到0.842 m。除坡體表面，下部巖層的水平位移明顯減小，基本呈垂直下沉，受下沉向量的影響有輕微的向采空區(qū)方向的偏移量。

5 結(jié) 論

(1)山區(qū)地表點的位移向量受坡體傾斜和采空區(qū)下沉的共同作用，為兩者的向量合成。

(2)邊坡體表面上部點的位移量小于下部點的位移量。

(3)山區(qū)地表的滑移主要發(fā)生在地表土層，下部的巖層幾乎只受采空區(qū)下沉的影響。

(4)山區(qū)地表點的移動軌跡，在順坡表現(xiàn)為“S”型，在逆坡時表現(xiàn)為反“S”型。

(5)坡面點的最終位移取決于兩者的影響系數(shù)。在順坡時，當傾斜影響因素大于采空區(qū)下沉影響因素時，最終位移會向傾斜方向偏移；反之，則向采空區(qū)方向偏移。在逆坡時，最終位移受兩者疊加影響始終向傾斜方向偏移。

(6)利用相似模擬材料實驗研究山區(qū)地表的移動規(guī)律是一種有效的手段。

[1] 何國清，楊 倫，凌賡娣，等．礦山開采沉陷學[M]．徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1991． He Guoqing,Yang Lun,Ling Gengdi,et al.Mining Subsidence Theory[M].Xuzhou:China University of Mining & Technology Press,1991.

[2] 黃珍珍．山區(qū)地表移動變形規(guī)律分析[J]．煤炭科技，2007(1)：26-29． Huang Zhenzhen.Rules of epidermal deformation in mountainous areas[J].Coal Science & Technology Magazine,2007(1)：26-29.

[3] 何萬龍．山區(qū)開采沉陷與采動損害[M]．北京：中國科學技術出版社，2003． He Wanlong.Mountain Mining Subsidence and Mining Damage[M].Beijing:China Science and Technology Press,2003.

[4] 蘇曉洲，梁 鵬，晏國政，等．采礦沉陷區(qū)“呻吟錄”[J]．瞭望，2010(39)：94-97． Su Xiaozhou,Liang Peng,Yan Guozheng,et al.Mining subsidence area record “groans”[J].Outlook，2010(39)：94-97.

[5] 吳 侃，葛家新，王鈴丁．開采沉陷預計一體化方法[M]．徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1998． Wu Kan,Ge Jiaxin,Wang Lingding.Mining Subsidence Expected to Integration Method[M].Xuzhou:China University of Mining & Technology Press,1998.

[6] 劉 智．厚松散層厚硬巖層開采地表移動變形規(guī)律研究[D]．西安：西安科技大學，2008． Liu Zhi.Research on Deformation Rule of Surface Movement Caused by Mining under the Conditions of Thick Alluvium and Hard Solid Rock[D].Xi'an:Xi'an University of Science and Technology,2008.

[7] 李 敏．地表移動參數(shù)規(guī)律研究[D]．淮南：安徽理工大學，2009. Li Min.Study on the Surface Movement Parameters Law[D].Huainan：Anhui University of Science and Technology,2009.

[8] 陳祥恩，李德海，勾攀峰．巨厚松散層下開采及地表移動[M]．徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2001． Chen Xiang'en,Li Dehai,Gou Panfeng.Mining and Surface Movement Under the Thick Loose Bed[M].Xuzhou:China University of Mining and Technology Press,2001.

[9] 陳玉福．煤炭開采地表移動變形預測及可視化研究[D]．北京：中國地質(zhì)大學，2010． Chen Yufu.Research on the Surface Movement Deformation Prediction and Visualization in Coal Mining[D].Beijing：China University of Geosciences,2010.

[10] 陳 勇．開灤礦區(qū)深部開采地表移動規(guī)律的研究[D]．焦作：河南理工大學，2010． Chen Yong.Research on the Laws of the Deep Mining Surface Movement of Kailuan Mining Area[D].Jiaozuo：Henan University of Science and Technology,2010.

[11] 趙海軍，馬鳳山，丁德民，等．急傾斜礦體開采巖體移動規(guī)律與變形機理[J]．中南大學學報：自然科學版，2009(5)：112-168． Zhao Haijun,Ma Fengshan,Ding Demin,et al.Law of ground movement and its deformation mechanism induced by mining steep deposit[J].Journal of Central South University：Science and Technology,2009(5)：112-168.

[12] 高明中．急傾斜煤層開采巖移基本規(guī)律的模型試驗[J]．巖石力學與工程學報，2004(3)：6-13． Gao Mingzhong.Similarity model test of strata movement with steep coal seam mining[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004(3):6-13.

(責任編輯 石海林)

Similarity Simulation Research of Slope Deformation During Underground Mining in Mountainous Area

Liu Teng Wang Jin'an Gao Zhiguo Wang Li

(SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

Taking Haishiwan mining area in Gansu province as the research object,2D geological model is set up through the similar material simulation experiment.The slope deformation characteristics during underground mining in mountainous area are studied.The results showed that the displacement at the upper part of slope is less than that at the lower part; The surface displacement vector in mountainous area is under interaction of slope inclination and goaf subsidence,which values at composite vectors of slope inclination and goaf subsidence.The sliding of mountain surface mainly occurs in the topsoil,and the lower strata are only influenced by the goaf subsidence.The surface movement track in mountainous area presents as “S” type in bedding slope,and reverse “S” type in adverse slope.The final displacement of slope surface depends on the influence coefficient of the two kinds of slope.In bedding slope,when the inclination factor is greater than that of the goaf subsidence,the final displacement will migrate towards the inclination,otherwise towards the goaf.In adverse slope,the final displacement is influenced by both combination and always migrates towards the inclination.It is an effective means to study the movement of mountainous surface by adopting similar material simulation experiment.

Mountainous areas，Underground mining，Similar simulation experiment，Slope deformation

2014-05-10

劉 騰(1989—)，男，碩士研究生。通信作者 王金安(1958—)，男，教授，博士生導師。

TD325

A

1001-1250(2014)-10-161-05