厚沖積層礦區(qū)土體沉陷響應研究的新方法

姬文斌

摘 要：本文基于充分利用實測數(shù)據(jù)的基礎上，提出了將工作面上方的基巖和沖積層土體看成雙重介質，開采沉陷在基巖和土體傳遞過程分開研究的思路和方法，從深層次研究厚沖積層礦區(qū)的地表沉陷機理，為全面解釋厚沖積層礦區(qū)的沉陷的特殊性提供依據(jù)。

關鍵詞：厚沖積層礦區(qū);土體沉陷;新方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.059

0 引言

厚沖積層礦區(qū)的開挖沉降是不同巖體共同作用產生的，以不同巖體為介質進行研究試是可以的[1];但是，現(xiàn)階段研究方法比價單一，并且都有自己的缺點，因此本文的研究方法是有必要進行研究的。

1 新方法的實施步驟具體方法

1.1 具體過程

過程一：對厚沖積層礦區(qū)的地質等因素進行確定，主要有礦區(qū)開采方法，頂板管理方法，開采深度，煤層傾角等[1-4]?？梢灾蜗嗨菩缘V區(qū)的研究。在其地表上面建立移動觀測站，觀測獲取需要的開采沉陷數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)作為研究礦區(qū)的定界條件;

過程二：依據(jù)研究的礦區(qū)的地質因素，選擇與所研究的礦區(qū)有鮮明對比的礦區(qū)進行研究，即薄沖層礦區(qū)。

過程三：在對比礦區(qū)地面上建立移動觀測站，實時觀測薄沖積層礦區(qū)的地表開采沉陷數(shù)據(jù)，將其作為厚沖積層礦區(qū)基巖面的下沉值（即沖積層土體的下邊界條件）[5];

過程四：依據(jù)研究礦區(qū)土體的上、下邊界條件，可以分析計算所研究礦區(qū)（厚沖積層礦區(qū)）的土體沉陷響應機理，其研究數(shù)據(jù)可以用來建立預測模型[6]。

1.2 基巖相似性判定方法

過程一：鉆孔柱狀的數(shù)字化及特征值提?。?/p>

設鉆孔柱狀中巖層共有m層，將鉆孔柱狀中煤層作為原點，將巖層向上分為n段，甸層巖層之間的距離設為（i=1，2，…，m），運用P系數(shù)法計算每一段的特征值是：

（1）

公式1中，為第1段巖層中含有第j（j=1，2，…m）層巖層的法線厚度，=;為第j層巖層對應的巖性評價系數(shù)，可參照表1來對進行設定[7]。

過程二：測量樣本和標準樣本各段巖層之間的隸屬度：

設標準標本的各段巖性的特征值為;設有r個待觀測樣本，待觀測標本的各段巖性的特征值為（k=1，2，…，r）則對應的各段巖性的隸屬度：

（i=1，2，…，n）（2）

過程三：測量樣本和標準樣本基巖總相似度評定：

標準標本和待測量樣本之間總的相似度為：

（k=1，2，…，r）? ?? （3）

0<<1，C值越大相似度越高，其中C=1的相似度最高，C=0相似度最低。

2 A市礦區(qū)實例應用

2.1 A市礦區(qū)及工作面概況

A市礦區(qū)A礦位于A市礦區(qū)東區(qū)，是厚沖積層礦區(qū)，A礦A工作面開采煤層深度是3.5m。煤層傾角是16°。頂板采用自然脫落法。開采中推進速度為33m。工作面實際長度為600m，傾斜長度為180m。開采深度約500m，沖沖積層厚度為300m，基巖厚度約160m。

2.2 基巖相似性判斷

以A市某礦區(qū)A工作面的地質等條件為基礎數(shù)據(jù)，提供5個薄沖積層礦區(qū)工作面作為待測量樣本（即r=5）。將各礦區(qū)工作面的地層柱狀圖按照等間距劃分成50段（即n=50）。依據(jù)公式（1）（2）（3）依次將各鉆孔柱狀進行數(shù)字化，求出隸屬度，求出總相似度，總結出，與標準樣本（A市礦區(qū)東區(qū)A礦）總相似度最高的是A市礦區(qū)西區(qū)的A礦，有0.82的相似度。從地層的角度來看，A、B礦都包括于A市礦區(qū)，所以A、B礦基巖相似度很高;可以將A市礦區(qū)西區(qū)的B礦B2工作面的地表沉陷數(shù)據(jù)作為A礦A工作面基巖面的沉陷數(shù)據(jù)[10];B礦B2工作面和A礦A工作面的工作面長度不同，很好的利用B礦B2工作面的實測數(shù)據(jù)，用概率積分法解算出參數(shù)，計算出B礦B2工作面地表開采沉陷參數(shù)，計算出的實際參數(shù)如表2所示，將B礦B2工作面的實際測量參數(shù)當作厚沖積層礦區(qū)A礦A工作面的基巖面沉陷參數(shù);運用概率積分法求出A礦A工作面基巖面下沉值，將其作為厚沖積層礦區(qū)的下邊界條件。

綜上分析可知，通過B礦的地表實測參數(shù)可以計算出A礦A工作面的基巖的下沉值，通過觀測可以得到A礦A工作面的地表觀測站數(shù)據(jù)。即A礦厚沖積層土體的上下邊界下沉值，依據(jù)上面的數(shù)據(jù)進行下面的分析計算。

2.3 分析計算與討論

2.3.1 計算

厚沖積層礦區(qū)的上邊界條件為A市東礦區(qū)A礦A工作面的地表實際測量的下沉數(shù)據(jù)。

厚沖積層礦區(qū)的下邊界條件為，依據(jù)A市西礦區(qū)B礦B2工作面的實際測量參數(shù)，采用概率積分法預計模型，計算出A市東礦區(qū)A礦A工作面基巖面的下沉值。

運用A市西礦區(qū)B礦B2工作面的實測參數(shù)（見表2）進行計算，一直計算到地表，得出的值作為A市東礦區(qū)A礦A工作面基巖面下沉傳遞到地表時的下沉值。

2.3.2 分析與討論

（1）將土體附加變形的情況排除在外，基巖面的下沉會導致向土體傳遞，引起地表的沉;基巖面由于下沉區(qū)域是一定的，因此其向土體傳遞時下沉值會減小[11]。但是，實際測量的地表下沉值卻是增大的。由以上分析可知：基巖面下沉在向沖積層土體傳遞過程中，不僅土體下沉，而且會導致土體內部結構發(fā)生變化，進而產生了附加應力;由于附加應力作用，引起附加下沉。通過兩者的差值分析得出，A市礦區(qū)A礦A工作面的最大附加下沉值是780mm。所以，在開采沉陷過程中不考慮土體的作用，計算基巖面到地表的下沉值，實際上是土體和基巖面一起下沉。

（2）由于厚沖積層土體的存在，其作用在巖體上面會有很大的載荷，開采過程中向采空區(qū)傳遞，由于采空區(qū)受到?jīng)_積層荷載的影響，導致巖土體產生協(xié)同作用而下沉[12]。綜上所述，A礦A工作面的最大附加下沉值，其中包括了土體的附加下沉和巖土體的協(xié)同作用下沉。

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