地表变形破坏（精选九篇）
地表变形破坏 篇1
1 矿区概况
黔阳煤矿井田范围内的煤层为单斜构造,煤层平均倾角37°,与地表倾向相反,为逆坡开采。5#煤层距4#煤层6~8 m,4#煤层距2#煤层22 m,2#煤层距长兴灰岩26.2 m,长兴灰岩厚约40 m,之上为三叠系下统飞仙关组,厚度约480 m,其上为三叠系下统永宁镇组石灰岩,厚度不详。矿井设计开采2#、4#、5#、6#煤层,根据矿区煤层赋存条件、出露情况,4个煤层采用联合开拓,由上至下逐区段布置回采工作面进行回采。采煤方法为走向长壁后退式开采,全部垮落法控制顶板。本次模拟研究只考虑了开采2#、4#、5#煤层的11201、11200、11401、11501、11203、11403、11503等2个区段的7个工作面。
2 数值模型建立
2.1 模型材料参数
由于黔阳煤矿未进行相关煤岩物理力学参数测试,因此模拟的煤岩物理力学参数选择的是相同地层其他矿井的参数[8,9],见表1。
表1 岩石物理力学参数
2.2 模型建立
根据黔阳煤矿具体地质采矿条件,确定模型长度为1 000 m,根据地形等高线确定模型最大高度为767 m;模型底部边界固定,左右边界水平方向固定。数值计算模型见图1。
图1 数值计算模型
2.3 模型开采顺序
数值模拟开采顺序:模型建立后,进行初始力计算平衡→11201工作面开采→11200工作面开采→11401工作面开采→11501工作面开采→11203工作面开采→11403工作面开采→11503工作面开采→得出上覆岩层及地表的最终变形破坏情况。
3 模拟结果及分析
3.1 不同工作面开采后地表下沉及水平位移
通过对模型地表布置监测线,得出随工作面开采地表水平移动和下沉曲线,见图2。
图2 地表变形曲线
3.1.1 对地表水平移动曲线的分析
从图2可以看出,地表水平移动曲线大致可以分为2组[10,11,12]:
第1组是第1区段的11201、11200(2#煤层)、11401(4#煤层)、11501(5#煤层)工作面开采后的3条地表水平移动曲线,其变化形态基本一致且相距极近。在第1区段开采过程中,随着开采煤层的数目和总的开采厚度的增大,地表水平移动量有微小的增加,在11200(含11201)、11401、11501工作面开采后的地表最大水平移动量分别为380、420、500 mm,发生位置基本相同,在横坐标525~725 m所对应的地表这一段,说明第1区段各煤层的开采对地表水平移动的影响相差不大。
第2组是第2区段的11203(2#煤层)、11403(4#煤层)、11503(5#煤层)工作面开采后的3条地表水平移动曲线,其变化形态基本一致但位移量相差较大,11403(4#煤层)、11503(5#煤层)的曲线基本上完全重合,最大水平位移2 000 mm,而11203(2#煤层)的曲线与之相差较大,最大水平位移只有1 000 mm。
3.1.2 对地表垂直下沉曲线的分析
从图2可以看出,地表垂直下沉曲线也大致可以分为2组:
第1组是第1区段的11201(2#煤层)、11401(4#煤层)、11501(5#煤层)工作面开采后的3条地表垂直下沉曲线,其变化形态基本一致,分布不对称,呈西缓东陡形态,最大下沉值分别为500、600、800 mm,且最大下沉值所对应的地表位置基本相同,在横坐标775 m处,即位于第1区段的采空区中部,这与顺向坡(煤层倾向与地表倾向相同)的地表下沉曲线不同。在顺向坡的条件下地表最大下沉点在采空区下边界,即机巷所对应的地表处,目前下沉曲线为尖底状,说明尚未达到充分采动。在第1区段开采过程中,随着开采煤层的数目和总的开采厚度的增大,地表垂直下沉量随之增加,但增加的幅度并不大,说明第1区段各煤层的开采对地表下沉的影响相差也不太大。
第2组是第2区段的11203(2#煤层)、11403(4#煤层)、11503(5#煤层)工作面开采后的3条地表下沉曲线,其变化形态基本一致并与第1组曲线相同,形态分布也是不对称的呈西缓东陡形态,最大下沉量的位置也与第1组曲线相同,曲线形态也呈尖底状,说明仍未达到充分采动,主要是地表横坡较陡(平均40°)、煤层倾角较大(平均37°)且为逆向坡,向下开采过程中埋深急剧增大的原因所造成,但3条曲线的下沉量相差较大,11403(4#煤层)、11503(5#煤层)的曲线基本上完全重合,最大下沉量为2 100 mm和2 150 mm,而11203(2#煤层)的曲线与之相差较大,最大下沉量只有1 200 mm。
3.1.3 地表下沉与水平移动的综合比较分析
对2组水平移动曲线进行比较,可以看出,曲线形态大致相同,不同的是:(1)第1组曲线多了一个最大水平移动曲线段;(2)第2组水平移动最大值明显大于第1组;(3)第1区段2#煤层11201工作面开采后在坡体下部地表就形成了双峰水平移动曲线,使得在2#煤层露头线往上50 m坡面范围内产生拉应力,这部分坡面可能产生张裂隙,而第2区段各工作面的开采不会再形成双峰曲线,也就是说该部分的地表裂隙不会再发展,而且有可能减小或闭合。
对2组下沉曲线进行比较,可以看出,曲线形态、各曲线的最大下沉点位置、曲线形态分段均相同,而且地表下沉主要影响范围也相同,均在横坐标350~900 m内,不同的是第2组曲线下沉量明显大于第1组。
3.2 不同工作面开采后覆岩与地表的变形破坏
不同工作面开采后覆岩与地表的变形破坏情况见图3~9。
图3 11201工作面开采后覆岩与地表的变形破坏
图4 11200工作面开采后覆岩与地表的变形破坏
图5 11401工作面开采后覆岩与地表的变形破坏
图6 11501工作面开采后覆岩与地表的变形破坏
图7 11203工作面开采后覆岩与地表的变形破坏
图8 11403工作面开采后覆岩与地表的变形破坏
图9 11503工作面开采后覆岩与地表的变形破坏
在以上各图中,深灰色部分表示因开采造成的裂隙区域,同样可以将开采造成的覆岩和地表破坏分为2组:
第1组是图3~6,为第1区段11201(2#煤层)、11200(2#煤层)、11401(4#煤层)、11501(5#煤层)工作面开采后覆岩及地表的变形破坏图。从这些图中可以看出,覆岩及地表的变形破坏有如下特点:首采层的首采工作面11201、11200(2#煤层)开采后覆岩及地表就产生了明显的变形破坏,表现在坡脚处产生了明显的采动裂隙;在一级斜坡的中上部分布3组采动裂隙,深度在20 m以内;在一级坡顶平台上形成了深度小于10 m的浅部裂隙,在二级斜坡和三级斜坡上形成了1组贯通性裂隙,这些裂隙临空外倾;在石灰岩陡崖的坡肩向内20 m、向下40 m的范围内形成了1个三角形的采动裂隙范围;开采后采空区上方的垮落带、断裂带并未贯穿到地表;第1区段的其他工作面11401(4#煤层)、11501(5#煤层)的开采在地表形成的裂隙分布情况没有大的变化,只是一级坡顶平台凹陷处的裂隙在往深部发展,且随着开采煤层数目及累计采高的增加,采空区的垮落带和断裂带范围在扩大,并向地表浅部发展,但第1区段各工作面的开采造成的垮落带和断裂带都未发展到地表。
第2组是图7~9,为第2区段11203(2#煤层)、11403(4#煤层)、11503(5#煤层)工作面开采后覆岩及地表的变形破坏图。从这些图中可以看出,覆岩及地表的变形破坏有如下特点:在第2区段的首采工作面11203(2#煤层)开采后,除存在第1区段的地表及覆岩的变形破坏情况外,还增加了一些新的情况,一是采空区的裂隙贯穿到了一级坡顶平台靠坡肩的位置,地表水可以通过这一裂缝带进入到井下采空区,在雨季可能造成水患,二是在一级坡顶平台的其他地表裂隙进一步向下发展;第2区段的其他工作面11403(4#煤层)、11503(5#煤层)的开采对覆岩和地表的变形破坏情况变化不大。
4 结语
对黔阳煤矿第1区段、第2区段各煤层工作面开采情况进行对比分析,可以看出每个区段首采煤层首采工作面(11201、11203)的开采对覆岩及地表的变形破坏影响最大,远大于同一区段内下部4#煤层、5#煤层工作面的开采影响。因此,仅从开采的角度出发,应当将同一区段的各煤层工作面开采完后,对已开采状况进行评估和未开采区域进行预测后,才能确定是否向下延伸开采新的区段。
参考文献
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采空区地表移动变形的时间影响参数 篇2
采空区地表移动变形的时间影响参数
多层采空区多次复杂开采造成的累积沉降不能简单地用单一采空区地表移动变形模型作参照.对采空区的研究,时间影响参数是工程稳定性重点研究和考虑的问题.通过变形观测数据,得到一系列的时间影响参数C的数据点.C是随时间动态变化的,是相应的`诸多条件综合影响的结果,拟合得到现时段的时间影响参数经验式.这对采空区今后的残余沉降的预测具有重要的实际意义.
作 者： 作者单位： 刊 名：中国地质灾害与防治学报 英文刊名：THE CHINESE JOURNAL OF GEOLOGICAL HAZARD AND CONTROL 年，卷(期)：2009 20(3) 分类号：P642.26 关键词：采空区 地表移动变形 残余沉降预测 时间影响参数 gob mobile surface deformation residual effects of subsidence prediction time parameter地表变形破坏 篇3
关键词：煤矿开采 测量 地表变形 坐标
中图分类号：P2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）01（a）-0-01
1 地下煤矿开采引起地表变形的原因及作用机理
1.1 由水平面变形而引起的破坏
地表的收缩和拉伸就是指水平变形。由于拉伸的力量太大，并且超过了建筑物自身抵押拉伸里的范围，那么拉伸的破坏性最大，就算在较小的地表拉伸一下都可能导致建筑物产生裂缝。一般最容易在门窗或是洞口的部位产生裂缝，那里是建筑物最薄弱的地方。用砖砌起的建筑物最容易产生水平裂缝，纵向围墙和横向围墙会将门洞挤成菱形，或是导致屋顶鼓起。建筑物破坏的程度往往与它本身的建筑结构、材料、形状和质量有着重要关系。其中最主要的原因来自于建筑物的平面尺寸和刚度。地表的变形将会对建筑物的基础产生水平附加力。
1.2 当地表开始竖向变形的时候，会对建筑物基础产生不均匀的支反力，由此产生附加剪力和附加弯矩，所产生的附加作用力会对建筑物产生直接的影响
通常情况下，在地表移动以后在稳定下沉的建筑物，在进行开采的过程中，还将继续受到地表动态变形的影响，因为拉伸力的缘故，当工作面离开建筑物的时间距离超过一定值的时候，建筑物又可恢复原状。
1.3 移动角度和范围
在地表变形的理论中，移动角是最重要的角参数值。移动角在岩土工程施工中是指在移动盆地主要断裂面上临界变形值的采空区和点之间的连线与水平线之间的夹角。通过数据模拟的结果得出，由于开采煤层的数目和开采的中断不同，岩层的性质也不一样，当然移动角也就不一样了。如果矿区上面存在松散的岩层时，也会有松散层移动角。在数值模拟以前，应先采用精确的公式去验算和比较，确定岩层移动角的数值。
2 地下煤矿开采引起的地表变形的数值分析
目前世界上最先进的数值模拟法是FLAC原理，它的基本原理与离散元相似，但FLAC原理所应用的节点位置移动连续的条件，能够对连续的介质进行大变形分析，非常适合模拟地应力的生成、边坡及锚索设置等等。
假设采用动态的测量方法：在矿山工程中，采矿本身就是一个非常复杂的力学过程。它包含着很多的不确定因素，这些因素都对其产生着影响。由于数值模拟的结果通常都仅仅是作为评价应用。所以在模拟的过程中，不要刻意的去寻求力学模型与原本结构的关系精密程度，其建立的力学模型不要太过复杂，只要能够具体的反映岩石体的最基本力学特征和开采的基本过程就可以了。
（1）对矿岩性质的假设：假设矿岩为各个均质和同性的库伦弹塑模型。
（2）对计算模型进行假设：对地下矿产开采是一个空间的问题，应该运用三维空间的计算模式。但通常情况，在同样的情况下，二维数值的模拟结果与三维模拟的结果很相近，所以，计算简化模型时常采用二维平面模型。
（3）简化煤层的结构：为了模拟起来更方便，对巷道工程的每一煤层的开挖步数等部会考虑。
3 煤矿开采后所引发的地表变形动态测量方法
为了满足《煤矿测量规程》里的相关规定，在每次对煤矿的观察测量结束后，应对其观测结果进行反复的检查，然后进行计算，以保证观测结果的正确性。做完上述工作就可以开始计算各线与点之间移动的变形量，主要包括：各测量点的水平移动与下沉位置，相邻两侧点之间的倾斜的水平变形和相邻两线的曲率变形，以及观测点的下沉速度等等。要观测点某一时刻的下沉，应该该时刻所观测到的测高点与首次所观测到的测高点相算得出高程之差。测试某一时刻的水平移动，则应该由该时刻所观测到的测点坐标和首次观测到的测点坐标的变化量相分析和分解之后就能得到相关数据。
要获得水平距离的比例，得在计算两测点的水平变形時刻，考虑到测点所移动的方向，相邻两测点之间的曲率变形，再有其相邻两线段的倾斜之差与两线段的水平距离相比较。测点的下沉速度，由前后两次观测的数据相比较获得。沿着主断面方向往上移动和变形的正负号人为规定是：指向上山的与走向方向的水平移动、倾向上山方向的和走向方向倾斜的并上凸的曲率、拉伸就变形为正号。其余的变形或移动均为负号。下沉动态的曲线一般情况是依靠采动程度，运用下沉动态的分布系数所表示的。如果用公式来表示时，对沿走向主断面的表示可以写成：
或者是
4 建立倾斜和动态曲线
由于我国是一个矿产资源较为丰富的国家，所以，经过多年的开采经验，对煤矿地表移动规律的研究以及取得了很大的进步，并且建立了概率计分法、负指数函数法等以典型曲线为基础的地表变形计算方法体系。而积分格网法、威布尔分布法、皮尔森函数法等计算法也都适用于我国的实际开采情况。以下是两个常用的建立倾斜曲率动态曲线的公式：
（1）倾斜的动态曲线，可以用倾斜的动态分布系数所表示，应该从该矿观测站整理的成功得知，两点间地表倾斜为：
（2）当下沉的曲线用动态曲线表示的时候，沿走向主断面的时候，应该为：
5 结语
地表变形的原因主要来自于井下的开采情况，覆盖岩的特征对其也有一定的影响，因此在选择流变参数的时候应该具体的体现地下的开采状况已经岩层的构成特点等因素，促使进一步增强流变参数的可靠性和真实性。所以，动态测量方法在研究地下开采应力场和位移场的时候具有较大的优势。
参考文献
[1]叶积龙，许存胜，任万英，等.煤矿开采引发地表变形的动态测量方法探析[J].煤炭技术，2011，30（10）：259-261.
[2]张勇.动态测量方法在煤矿开采引发地表变形的应用探析[J].科技信息，2011（26）：287.
地表变形破坏 篇4
1 地表与岩层移动概述
1.1 相关的基本概念
1) 弯曲。弯曲是岩层移动的主要形式。顶地下煤层采出后, 上覆各个分层, 由接顶板开始沿层理面的法线方向, 向采区方向弯曲、垮落, 直到地表。然而在整个弯曲范围内, 岩层虽出现微小裂缝, 但是其依然保持其连续性和层状结构。2) 岩层的跨落。采区煤层被采出后, 直接顶板因弯曲而导致拉伸变形的产生。当其拉伸强度大于岩石允许抗拉强度, 直接顶板及其上部岩层便与整体分开, 破碎并无规律地填充到采空区。由于岩层填充采空区, 导致岩层原来的层状结构发生改变, 这是顶板移动中一种最剧烈的形式, 它只发生在采空区直接顶板岩层中。受上覆岩层性质影响, 其下沉量随直接顶下沉岩块的体积变化成反比出现。3) 煤的挤出。煤层采出后, 顶板悬空, 压力转移到侧帮上, 增加煤壁承受巨大压力, 形成增压区, 侧帮在荷载加大的情况下, 岩体破碎并挤向采空区, 这种现象称为片帮。增压区使采空区边界以外的上覆岩层和地表随直接顶的变化而有相应的变化。
1.2 地表移动盆地主断面
通常将地表移动盆地内通过最大下沉点所作的沿煤层走向或倾向的垂直断面称为地表移动盆地主断面。
1.3 最大下沉角
在倾斜主断面上, 由采空区的中点和地表移动盆地的最大下沉点 (在地表水平上的投影点) 的连续与水平线之间在煤层下山方向一侧的夹角。
2 观测站设计目的
研究地表与岩层移动法主要有以下三种方式:实地观测法、理论模拟法和相似材料模型法。大多采用实地观测法, 本文所述的岩移方法也为实地观测法, 即在受开采影响的地表范围内, 设置专门的地表移动观测站, 通过观测获得大量第一手资料, 通过非对实测资料分析, 验证原有各参数的真实性有效性。进而更好的指导矿山生产。
本观测站由于矿区与农村关系不好, 不能布设垂直的观测线, 我们只能采取沿路布设近似垂直倾向和走向的岩移观测站。设计参数的选取依据《煤矿测量规程细则》、《地面建筑物保护煤柱规程》进行。
地质科测量队于2008年8月沿荆各庄矿西侧公路及荆各庄水渠布设两条常规观测线, 其中沿荆马公路每30m布设一个观测点, 共计19个, 该观测线为A线;编号为A1~A18 (原矿西门控制点也作为观测点) ;沿荆各庄水渠布设11个观测点, 该观测线为B线。
3 地表岩移观测站的日常观测
测量队在2008年9月2日对0091观测站进行了首次观测, 取得了各测站的初始标高。0091岩移观测站从2008年9月开始观测到2010年5月初观测结束, 历时1年零八个月, 共进行水准观测29次。荆马公路修路使0091岩移观测站A线的所有测点均被破坏, A线与09年10月停止测量。
A、B线:高程在初始期、活跃期按1次/两周进行观测, 衰退期按1次/月进行观测。
4 技术资料的整理分析
4.1 最大下沉角、最大下沉速度
根据观测资料分析, 0091工作面观测站的最大下沉点为B10号点, 依据下沉速度绘制了其下沉速度图如图所示。
由图可见, 由于0091工作面的开采, 在地表产生的影响也随时间有明显的起伏, 出现一次最大峰值, 但因从用条带式开采, 其下沉对地面的影响相对较小。最大下沉点位于 (B10号点) 处, 其最大下沉速度为36.8mm/d。根据规程关于缓倾斜煤层月下沉超过50 mm (即1.7mm/d) 为活跃期的规定, 0091观测站中B10点波动期为124d。
实测资料表明, 最大下沉角既与煤层倾角有关, 有与覆岩的岩性系数有关, 已知煤层的倾角为7度, 最大下沉角为84度。
4.2 下沉速度系数
0091综采工作面倾斜方向的实际长度为111m, 回采速度为3.85m/d, 最终求的实际下沉速度系数K=1.27。
4.3 上山移动角
通过对实测数据分析, 地表下沉10mm点至0091综采工作面的距离为260m, 依据开滦矿区基岩移动角使用70度, 求的上山移动角σ=39.5°。
5 总结
通过对荆各庄矿0091工作面地表移动规律和覆岩破坏规律的观测和研究, 取得了更适合本矿井综采放顶煤条件下地表移动规律和覆岩破坏规律。因本矿区地理位置因素只能求取上山移动角参数, 然而该参数的求取为我矿该煤层的开采提供了更为准确的角值参数。为今后指导“三下”采煤工作打下了良好基础, 也为其它类似条件矿区提供了典型经验, 具有重要的意义。
摘要：在地下煤炭资源被采出后, 开采区域周闱的岩体的原始应力平衡状态受到破坏, 应力重新分布, 达到新的平衡。在此过程中, 使岩层和地表产生连续的移动、变形和非连续的破坏, 通过对已获得的数据进行综合分析, 找出各种因素对移动过程的影响规律。本文通过对开滦集团荆各庄矿0091综采工作面岩移观测站数据的分析, 求得上山移动角, 进而运用到解决开采沉陷问题中去。
村庄下采煤地表移动变形规律研究 篇5
由于唐口煤业有限公司地处城乡结合部,人口稠密,自然村落较多。村庄压煤严重,为了解决地面村庄、河流、电网等的保护问题,处理好地下采煤与地面保护的矛盾,实现高效和文明生产。在430采区地表进行了地表及建筑物的移动变形观测。通过对430采区地表及建筑物移动变形观测站的观测及数据分析,进一步验证前期获得的开采影响的地表移动变形值,分析研究该具体地质采矿技术条件下的地表移动变形规律。
2 公司概况
公司区内地形平坦,地面标高+35~+38m,为鲁西南冲积平原北部边缘部分,地势东北部略高,东南部略低。
430采区设计开采煤层为3上煤,工作面内3上沉积较稳定,通过钻孔资料及工作面巷道揭露分析,430采区范围内煤层厚度在1.5~4.2m之间,平均3.1m。其中工作面南部煤层厚度较厚,中北部,煤层厚度较薄。
3 地表移动观测站布设
本次地表及建筑物移动观测站设立于唐口煤矿430采区的正上方。测区内地表基本平坦,地面标高在37m左右。
为了充分反映地表移动与变形规律,沿煤层倾向在430采区上方沿道路布设了一条观测线。工作测点的外端至控制点的距离不少于50~100m,并且保证控制点位于开采范围之外。本观测站观测线设置了30个工作测点,3个控制点。工作面观测线布置如图1所示。
4 地表形变观测工作
4.1 地表形变观测的基本内容
地表形变观测工作分为:观测站连接测量,全面观测,单独进行水准测量,地表破坏的测定和编录。地表形变观测的基本内容是:在采动过程中,定期地、重复地测定观测线上各测点在不同时期内空间位置变化。
4.2 连接测量
在观测点未受采动影响前,为了确定观测站与开采工作面之间的相互位置关系,首先需要测定各控制点的坐标。本次控制测量采用卫星定位技术进行。使用灵锐S82双频GPS卫星接收机观测。高程连接测量按照四等水准测量要求进行施测。
4.3 全面观测
为了准确地确定工作测点在地表移动开始前的空间位置,在连测之后,地表开始移动之前,进行了全面观测。全面观测的内容包括:测定各测点的平面位置和高程,记录地表原有的破坏状况,并作出素描。
4.4 日常观测工作
所谓日常观测工作,指的是在首次和末次全面观测之间按地表下沉量和下沉速度的变化适当增加的水准测量工作。首先,为判定地表是否开始移动,在回采工作面推进一定距离(相当于0.2~0.5)后,在可能首先发生移动的区域内,选择了部分测点,在较短的时间间隔内进行了两次水准测量,以便及时发现测点下沉的趋势,确定地表开始移动的时间。开采过程中,重复进行了多次水准测量,重复测量的时间间隔视地表下沉的速度而定,采用每隔0.5~3个月观测一次。
5 观测数据的计算
观测站各观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(或相邻三点)的曲率变形,观测点的下沉速度等。公式如下:
5.1 下沉量的计算
式中:Wni-n点的下沉值;Hn0,Hni-分别为首次和第i次观测时n点的高程。
5.2 相邻两点间倾斜值的计算
式中:ln~n+1-n号点至n+1号点的水平距离;Wn+1、Wn-分别表示n+1号点和n号点的下沉量。
5.3 曲率值的计算
式中:In+1~n,In~n-1-分别表示表示n+1号点至n号点和n号点至n-1号点的倾斜;In+1~n,In~n-1-分别表示n+1号点至n号点和n号点至n-1号点的水平距离。
5.4 n号点的水平移动
式中:Un-n号点的水平移动;Lnm,Ln0-分别表示m次观测时和首次观测时n号点至观测线控制点间的水平距离,用点间距累加求得。
5.5 n号点至n+1号点间的水平变形
式中:(ln+1~1)0,(ln+1~1)m-分别表示n+1号点至n号点在首次观测时和m次观测时的水平距离。
6 n号点的下沉速度
式中:(Wn)m,(Wn)m-1-分别表示m-1次和m次观测时n点的下沉值;T-两次观测时的间隔天数。
6 村下开采地表形变规律的分析
6.1 地表移动规律分析
430采区首次观测地表最大下沉为32mm,随着工作面的继续回采,地表下沉量逐渐增大,形成下沉盆地。回采结束后观测到的地表最大下沉值375mm。两个月后再次观测,观测到的地表最大下沉值411mm。进一步证明了430采区地表形变机理研究得出的地表点的下沉在回采结束4个月内已基本停止的结论。为进一步研究地表移动形变的规律,每隔三个月进行一次观测,共观测了三次,最后一次观测到的地表最大下沉值421mm。以上数据说明,在唐口煤矿虽然地表点的下沉在回采结束4个月内已基本停止,并且依据《煤矿测量规程》规定,可确定回采结束半年后地表已稳沉。但由于周边工作面采动的影响造成的表土层失水现象,仍然会导致地表缓慢下沉。
6.2 概率积分法计算参数的验证
为了进一步验证430采区地表形变机理研究得出的概率积分法计算参数的正确性,以本观测站测得的地表移动变形观测结果作为已知条件,采用概率积分法为计算模型所编制的计算机程序,对实测资料进行了下沉、倾斜、水平移动及水平变形曲线的拟合。
由430采区地表形变机理研究得出的概率积分法计算参数为:
下沉系数:q=0.79;
水平移动系数:倾向b=0.36,走向b=0.4;
主要影响正切值:tgβ=2.1;
开采影响传播系数:0.6;
拐点平移距:走向开切眼0.07H,倾向0.09H1。
依据上述参数,对430采区开采引起的地表下沉、倾斜、水平移动及水平变形进行了预计。图6-1根据实际观测值求出的各变形值曲线与根据拟合的等值线求出的各变形值曲线的对比图。图中实线为根据实际观测值求出的变形值曲线,虚线为根据拟合的等值线求出的变形值曲线。
由图可看出,依据430采区地表形变机理研究得出的概率积分法计算参数拟合的各变形曲线与实测的各变形曲线非常接近。从而验证了430采区地表形变机理研究得出的概率积分法计算参数是正确的。
7 结论
通过对430采区地表移动变形观测站的设置、实测资料的采集、数据的处理和分析,获得许多有益的结论,达到了观测站设置的预期目标。归纳起来,主要有以下几点:
7.1 验证了适用于该地质采矿技术条件下充分采动时的概率积分法计算参数为:
下沉系数:q=0.79;
水平移动系数:倾向b=0.36,走向b=0.4;
主要影响正切值:tgβ=2.1;
开采影响传播系数:0.6;
拐点平移距:走向开切眼0.07H,倾向0.09H1。
7.2通过对开采引起的地表移动变形观测数据的分析与处理可知。在430采区所处位置的地质条件下,最大下沉仅为421mm,对地面建筑物的影响均可控制在一级破坏范围内。
7.3 430采区开采影响,地表移动变形未有突变现象,地表未产生塌陷坑。
摘要：为了研究地下开采引起的地表移动与变形规律,本文通过对唐口煤矿430回采工作面地表移动变形的观测及分析,获得了开采影响的地表移动变形值,分析研究了该具体地质采矿技术条件下的地表移动变形规律。为矿井下一步开采提供可靠的实测数据,指导矿井生产。
关键词：变形规律,地表移动观测站,概率积分法
参考文献
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威布尔分布计算充填采矿地表变形 篇6
近年来,随着社会对环境问题的关注,关于控制大规模地下开采(开挖)引起地表沉陷方面的研究越来越受到重视,同时也出现了不少新问题[1]。随着开采范围逐渐增大,提高矿石回采率和保护生态环境的需要,充填采矿法的应用比重将会有所增加[2]。注重改进和应用充填采矿法可有效地避免遭受地表变形的威胁,使矿山生产进入稳定、持续、安全发展的道路[3]。
充填采矿法对地表沉陷的控制效果主要取决于充填材料及充填的质量,并且可把上盘、下盘和端部错动角分别提高,有效控制地表移动范围,但仍然不能完全避免地表的移动,因此准确计算地表沉陷控制效果仍具有重要意义[4,5]。
1 地表移动变形的主要计算方法
研究人员经过不懈的努力,利用多种研究手段和方法,对开采沉陷机理及其岩体与地表移动规律进行了深入研究,开拓了多种互相补充的理论,形成了各具特色的岩体与地表移动预测理论和方法[6]。
从国内外的研究来看,地表及岩体移动的预测方法可分为唯象法、力学方法、数值方法和物理模拟法4 类。其中唯象法主要包括:经验图表法、典型曲线法、剖面函数法、影响函数法。力学方法主要包括:组合梁理论、托板理论、岩梁理论以及层状介质方法。数值方法主要包括:有限单元法、边界单元法、离散单元法、FLAC法等等。物理模拟法主要包括:相似材料模型、电模型[7]。
唯象法是目前地表及岩体移动普遍采用的预测方法,它能够较好地拟合地表的移动变形,适合于本地区的地表移动预测,而且应用非常方便。其中剖面函数法在分析地表沉陷计算中有很多优点,因此很多国家在这方面做了很多工作,并且研究出类型繁多的、适合于自己国家的剖面函数形式。在地表沉陷剖面函数法分析中,威布尔(Weibull)分布法计算精度较高,威布尔密度函数因其涉及参数较多,函数曲线能很好地拟合地表变形情况,因而计算精度较高[8]。但目前有些书中并没有给出准确的威布尔分布法的计算公式,或者没有参数选择的详细说明。
2 威布尔分布法计算实例
根据对唐山地区的多个地表观测站的观测资料统计,绘制地表下沉曲线及倾斜变形曲线,其曲线接近正态分布函数或偏态分布函数[9,10]。实际上在力学方法计算地表下沉变形分析中,许多连续介质力学方法在经过简化后,其单元开采下沉预测函数与正态分布函数类似,其实质与概率积分法相同,都是通过正态或偏态分布函数拟合下沉曲线。对于充填采矿地表下沉比较平稳,下沉曲线较平滑,适合用剖面函数法进行计算分析[11]。其关键是函数选取及参数确定。通过河北省唐山市某铁矿的地表下沉计算实例,总结了用威布尔分布函数计算地表下沉的参数确定和计算方法。
该矿区地形平坦,地表为农田,地表标高42m,主要开采范围在-170m标高以上。矿区内大部分为第四系覆盖。矿体岩性为磁铁石英岩,较坚硬,稳定性较好。矿体顶、底板直接围岩为黑云变粒岩,较为坚硬,稳定性较好。风化带、构造破碎带处岩石破碎,稳定性差。总体来讲矿区工程地质条件属中等型。矿体规模较大,倾角上缓下陡、北缓南陡,一般为25°-40°。矿区范围内地表有数条供电高压线路(35KV)通过,走向与矿体走向大致平行,高压线担负着附近工业区的供电任务,必须保证其安全。为了保护地表供电线路,矿山采用尾砂胶结充填采矿法,控制地表下沉。为此,必须计算充填开采后对地表供电线路的影响,以便及时采取有效措施。
供电线路横线路方向的允许偏差较小,因此根据矿体走向和供电线路之间的位置关系,沿倾向方向的倾斜变形对地表的供电线路影响较为严重,须计算沿倾向主断面上的地表下沉及倾斜变形值。
根据矿体的厚度、倾角及埋藏情况,建立如图1所示坐标系。以地表为横轴x轴;以开采下边界对应的地表点为坐标原点;纵坐标为下沉量W(x),以及倾斜变形i(x)。
下沉盆地基本参数确定:
(1)地表下沉盆地边界角
根据矿体的赋存条件、采用的采矿方法,参照《采矿设计手册》中矿床开采卷中类似的遂昌金矿、寿王坟铜矿、大吉山钨矿、石咀子铜矿等矿山开采实践,开采边界范围为:下山方向边界角β=60°;上山方向边界角γ=65°;走向边界角:δ=70°。根据唐山开滦矿务局实测的第四系表土层移动角资料,第四系沉积层移动角为45°。
(2)最大下沉角
根据唐山地区的矿山地表岩石移动资料,按照经验公式进行近似计算:
θ=90°-(0.6-0.7)α
其中,α—矿体倾角,取37°。α前系数取0.65。
计算后得:θ=66°
(3)充分采动角
充分采动角包括:下山方向充分采动角ψ1,上山方向充分采动角ψ2,以及走向方向充分采动角ψ3。
根据经验值近似选取计算:
ψ1=ψ3-0.5α,ψ2=ψ3+0.5α
ψ3取60°,则:ψ1=41.5°,ψ2=78.5°。
3 威布尔分布法计算及参数确定
3.1 地表下沉计算
结合威布尔分布函数,经过整理后得出地表下沉量W(x)计算公式为:
威布尔分布法中的具体参数含义及确定方法:
(1)中间参数z
undefined,其中,xm为最大下沉点坐标,由最大下沉角及开采深度确定;并且,式中当z≤0时,取S(z)=S′(z)=S″(z)=0;
(2)上山方向下沉半盆地长L2
由采动角、下沉盆地上山边界角、及开采深度确定。
(3)地表最大下沉值Wm
式中,m—矿体开采厚度;
q —下沉系数,根据顶板管理方式确定。按照《开采沉陷控制工程》[8]充填采矿法选取q=0.06;
α—矿体倾角;
n1、n2 —充分采动系数。
(4)倾向形状系数px
L1—下山方向下沉半盆地长,图1中的L1,由采动角、下沉盆地下山边界角、及开采深度确定。
各参数确定后的具体数值见表1。
3.2 地表倾斜变形的威布尔分布法计算
坐标系相同,对地表下沉函数求导后,整理得出地表倾斜变形i(x)计算公式:
各参数的意义和计算方法同上。
进一步求导,还可以计算地表移动引起的弯曲变形的曲率。
4 计算及结果分析
威布尔密度函数计算工作量较大,对于地表变形的威布尔分布法公式显然用MATLAB计算比较方便。用MATLAB编程分别计算地表下沉及倾斜变形,将计算结果绘图,得下沉曲线图2和倾斜变形曲线图3。
由计算结果可知,地表最大下沉点在x方向坐标为19.6m。地表倾斜变形最大值发生在矿体开采下边界对应的地表附近,倾斜变形最大值为0.57%。
5 结语
地下开采对地表高压线塔的影响主要是地表倾斜变形对其的影响,按照剖面函数法沉陷计算,采用充填采矿法,地表最大倾斜变形为0.57%。根据《架空送电线路运行规程》规定,线杆横线路方向的最大偏斜为1.0%的最大允许限差。上述的计算最大倾斜变形相对于高压线路是横线路方向的,其值小于1.0%,供电线路能够处于安全状态运行。
按照充填采矿法施工,通过计算可以看出地表下沉及倾斜变形均得到很好的控制。经过地下近3年的开采,目前地表还未达到充分采动状态。通过地表观测资料绘制曲线,下沉曲线形状基本与威布尔分布函数曲线吻合。目前地表未发现大的变形,地表变形均未超过计算值,地表供电线路安全运行。通过矿山的计算实例,可以得出下面结论。
(1)将地表变形用威布尔分布函数进行描述,能够获得较好的拟合效果。并且对函数可方便地用MATLAB编程处理,得到相应的二维或三维图形,计算方便,计算结果能够直观显示。
(2)用威布尔分布法计算地表变形,涉及到的参数较多,具有足够精度,能够满足工程上的需要,并且进一步对函数计算二阶导数,还可以方便地计算地表的弯曲变形。
摘要：为了准确分析采矿引起的地表沉陷变形对地表高压供电线路的影响,采用威布尔(Weibull)分布法计算地表下沉与偏斜值的大小。威布尔分布法计算充填采矿地表变形能够将地表变形的多个参数用于计算,并且函数便于用MATLAB编程处理。通过冀东一个铁矿的计算实例说明,采用充填采矿法控制地表变形后高压供电线路能够安全运行,该计算方法能够满足工程计算需要。
关键词：威布尔分布,开采沉陷,倾斜变形,充填采矿
参考文献
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地表变形破坏 篇7
厚冲积层薄基岩的条件下采煤, 在有效的控制地表变形前提下, 最大限度地采出煤炭是大多矿区面临的主要问题。厚冲积层薄基岩下采煤的关键问题是控制岩层及地表沉陷, 目前主要使用条带开采法来控制岩层及地表的移动[1～3], 其中地表移动变形参数的确定对工作面的布置尤为重要, 通过地表移动观测站的观测确定地表移动变形参数, 在开采之前对地表影响范围和可能产生的移动和变形进行计算, 对工作面布置方案进行优化, 来提高开采效率, 并把地表变形控制在有效范围内[4]。
1 地质条件与工作面概况
1.1 地质条件
岱庄煤矿主采煤层为3上煤, 平均厚度为2.76 m, 倾角5°～6°;第四系厚185～315.53 m, 平均厚度245.67 m, 主要由粘土、砂质粘土、粘土质砂、砂及砂砾层组成;基岩厚90～195 m, 平均154.7 m。厚冲积层和薄基岩是本矿赋存的特点, 所以其村庄下压煤开采技术难度较大;而岱庄煤矿村庄下压煤占总储量的80%, 村庄下采煤是本矿的重大难题。
1.2 工作面布置与推进情况
1310区域共进行了4个条带面的开采, 分别为1304、1306、1308和1310条带工作面, 其开采顺序为1310→1308→1304→1306;采用采宽50 m、留宽50 m左右、面积采出率约50%布置形式进行开采, 平均开采深度约430 m, 平均开采厚度约2.5 m。
1320条带工作面开采宽度50～78 m (两头宽中间窄) , 推进长度约1 400 m, 历时5个月, 平均推进度为8.6 m/d, 平均开采深度350 m, 平均开采厚度2.5 m。
2301长壁工作面开采宽度为150 m, 推进长度约650 m, 历时5个月, 平均推进度为4.71 m/d, 平均开采深度440 m, 平均开采厚度2.9 m。
2地表观测站布置
为寻求安全、合理、有效解决村庄下压煤问题, 为今后村庄下采煤提供依据, 分别在1310和1320条带面和2301长壁工作面上方设置了地表移动观测站, 并在开采期间进行了较为系统的地面沉降观测, 取得了较为完整的地表移动变形资料, 测站基本情况如表1所示。
3 观测结果及分析
3.1 下沉速度与影响时间
3.1.1 1310条带工作面观测站
根据观测资料分析, 1310条带工作面观测站的最大下沉点为30号点, 依据下沉速度绘制了其下沉速度图如图1所示。
由图1可见, 由于1310区域是多个条带面相继开采, 在地表产生的影响也随时间有明显的起伏, 出现多次峰值, 以1308面开采时最高, 1306面开采时次之。因为是条带开采, 对地面的影响相对较小, 最大下沉点 (30号点) 的最大下沉速度仅为6.4 mm/d。根据规程关于缓倾斜煤层月下沉超过50 mm (即1.7 mm/d) 为活跃期的规定, 1308面对本点的活跃期40 d。
3.1.2 1320条带工作面观测站
1320工作面观测站的最大下沉点为a4号点, 依据下沉速度绘制了其下沉速度图如图2所示。
从图2可见, 最大下沉点 (a4号点) 的最大下沉速度达到33.0 mm/d, 显示开采对地表的影响比起1310条带工作面观测站的影响要剧烈得多, 并出现了较长的活跃期, 为50 d。究其原因是该处冲积层厚基岩薄与条带工作面设计较宽所致。开采对地表a4点的影响持续时间为150 d左右, 后续的下沉是邻近工作面的采动影响。
3.1.3 2301长壁工作面观测站
2301工作面观测站的最大下沉点为41号点, 依据下沉速度绘制了其下沉速度图如图3所示。
从图3可见, 2301工作面观测站最大下沉点 (41号点) 最大下沉速度为22.0 mm/d, 开采对地表41号点的影响的活跃期为120 d, 但总持续时间不能确定。
3.2 移动角量分析
3.2.1 边界角
边界角是在充分采动条件下, 地表下沉为10mm的点与开采边界的连线和水平线的夹角, 按不同断面, 边界角可划分为走向边界角 (δ0) 、下山边界角 (β0) 和上山边界角 (γ0) 。由于多数观测线为非主剖面观测线, 且为非充分采动, 因此, 边界角也只能依据相对位置确定。
1310条带工作面观测站下山方向下沉10 mm的位置距工作面边界的距离318 m, 依据工作面开采深度 (下山435 m, 走向390 m) 计算其下山边界角β0=53.8°, 走向边界角δ0=58.4°。
1320条带工作面观测站下沉10 mm的位置距工作面边界的距离为291 m, 依据工作面开采深度 (350 m) 计算其走向边界角δ0=50.3°。
2301长壁工作面观测站只有走向可观测到下沉10 mm的点, 走向方向下沉10 mm的位置距工作面边界的距离为410 m, 依据工作面走向平均开采深度 (440 m) 计算其走向边界角δ0=47°。
分析结果表明, 边界角变化较大, 主要受开采程度及开采工艺的影响, 条带开采边界角相对较大, 全陷开采边界角相对较小。
3.2.2 移动角
移动角是在充分或接近充分采动条件下, 在移动盆地的主断面上, 地表最外的临界变形点和采空区边界点连线与水平线在煤壁一侧的夹角, 按不同断面, 移动角可划分为走向移动角 (δ) 、下山移动角 (β) 和上山移动角 (γ) 。我国采用的一组临界变形值是:倾斜i=3mm/m, 水平变形k=2mm/m, 曲率ε=0.2 mm/m2。
1310条带工作面观测站为条带开采, 对地表影响较小, 各变形量值均未达到Ⅰ级影响变形临界值, 无法确定移动角值。
1320条带工作面观测站Ⅰ级影响变形临界值最外边界距工作面边界的距离为110 m, 依据工作面开采深度 (345 m) 计算其走向移动角δ=72.3°。
2301工作面观测站Ⅰ级影响变形临界值最外边界距工作面边界的距离分别为50 m和85 m, 依据工作面开采深度 (上山425 m, 走向410 m) 计算其上山移动角γ=78.7°, 走向移动角δ=83°。
分析结果表明, 2301工作面观测站结果受观测线影响较大, 本井田走向移动角为73°左右。
3.2.3 最大下沉速度角
最大下沉速度角为充分采动条件下最大下沉点最大下沉速度发生时与开采工作面位置的连线和水平线的夹角。
1310条带工作面观测站最大下沉点在最大下沉速度时工作面已推进470 m, 距30号点123 m, 计算最大下沉速度角为φ=74.2°。
1320工作面观测站最大下沉点在最大下沉速度时工作面已推进285 m, 距a4号点82 m, 计算最大下沉速度角φ=76.2°。
2301工作面观测站最大下沉点在最大下沉速度时工作面已推进382 m, 距41号点126 m, 计算最大下沉速度角φ=74.4°。
4 主要结论
(1) 在厚冲积层和薄基岩的特定条件下, 地表移动具有移动盆地边界角相对较小、下沉速度快、移动期相对较短的特点。
(2) 确定了矿区的地表移动期350 d, 活跃期120 d, 条带开采时移动期和活跃期相对缩短;在移动盆地的角量参数方面, 取得了本井田的角值, 边界角为44.3°～58.4° (条带开采边界角相对较大, 长壁面开采边界角相对较小) , 移动角为73°, 最大下沉速度角为74.4°。
摘要：结合岱庄煤矿具体地质条件, 在建立地表移动观测站的基础上, 进行了较为系统的地面沉降观测, 更好地掌握本矿的地表移动变形规律, 得到了较为完整的地表移动变形资料, 并研究了厚冲积层及薄基岩条件下的地表移动盆地时间与空间形态特征, 取得了系列技术与实践成果, 为该矿井延长服务年限提供技术保障, 也为类似矿井“三下”开采提供了宝贵的经验。
关键词：厚冲积层,条带开采,地表移动,移动角量
参考文献
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凌志达矿综采地表移动变形规律分析 篇8
1 工程地质条件
凌志达矿位于山西省长治市长子县色头镇, 井田面积11.035 km2, 主采15#煤层。15211工作面煤层平均厚度4.2 m, 煤层平均倾角3°, 工业储量81.6万t, 回采煤量78万t。采用走向长壁后退式、一次采全高、综合机械化采煤方法, 全部垮落法控制顶板。工作面最高标高为+863 m, 最低为+848 m, 盖山厚度227~272 m, 平均厚249.5 m。15#煤层基本顶为K2灰岩, 平均厚6.87 m, 中厚层状, 致密坚硬;直接顶为泥岩, 厚1.25 m, 黑色、质地较密;伪顶为炭质泥岩, 厚0.05~0.20 m。底板为泥岩及黄铁矿泥岩, 平均厚12.88 m。
2 观测线布置情况
2.1 观测线位置的确定
15211工作面煤层走向长度670 m, 倾斜长度200 m, 煤层平均埋深H0为450 m。现场实测表明, 当采空区的长度和宽度达到 (1.2~1.4) H0时地表达到充分采动[1,2], 低于1.2H0时地表为非充分采动, 超过1.4H0时为超充分采动。经计算可得, 15211工作面沿走向为超充分采动, 沿倾向为非充分采动。
由于走向方向为超充分采动, 走向观测线必须位于走向主断面内, 走向主断面位置由采空区中心向下山方向偏移一段距离d, 即d=H0cotθ (H0为埋深, θ为最大下沉角) 。代入数据计算可得, 走向观测线向下山方向偏移18.9 m。倾向方向为非充分采动, 倾向观测线布置在采空区中心。
2.2 设计参数的选择
地表移动观测站设计时所用参数根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设及压煤开采规程》并结合长治矿区的山区地貌而确定, 选取下列参数值。
(1) 走向移动角, 上山移动角, 下山移动角。
(2) 移动角修正值Δδ=Δγ=Δβ=20°。
(3) 最大下沉角θ=90°-0.6α=88.2°。
(4) 走向充分采动角φ=61°。
2.3 布置观测线
根据工作面观测线的设计要求, 分别布置走向观测线与倾向观测线。走向观测线长度为1 600 m, 位于移动盆地主断面上;倾向观测线长度为900 m, 位于距切眼345 m处。观测线上设置的测点应等间距布置, 其具体间距大小应依据表1[3]中开采深度而确定。最终确定85个观测点及12个控制点, 测点均使用带钢筋的体型混凝土桩。测点设计见表2, 测点布置如图1所示。
3 地表沉陷实测结果分析
3.1 下沉曲线
从2013年6月27日—2014年2月28日, 对15211工作面地表沉陷进行了系统观测, 在采动期间累计观测13次, 通过对观测结果的计算和分析, 确定最后一次观测所得数据为地表最终稳定数据。实测下沉曲线如图2、图3所示。
由走向观测线下沉曲线可知, 走向方向非充分采动时, 地表下沉的范围逐步扩大, 下沉速度逐渐提升;8月15日观测数据显示, 在距切眼200 m处, 最大下沉值为2 m。到第5次观测时最大下沉值为2.83 m, 较之增大41.5%;当走向方向达到超充分采动条件时, 随着工作面的推进, 移动盆地范围进一步增大, 走向主断面出现平底部分, 平底部分出现范围为220~380 m, 最大下沉值达到3.51 m, 出现较大下沉值的原因主要是由煤层在一段时期内的大面积连续开采[4]造成的。
由倾向观测线下沉曲线可知, 随着移动盆地的范围逐渐增大, 倾向方向最大下沉值点随工作面回采方向逐步前移, 最大下沉值逐渐增大, 在12月29日观测时增大到3.51 m, 这也是最终稳定下沉值, 根据公式 (1) 得出下沉系数q=0.83。
式中, Wmax为走向地表最大下沉值;M为煤层平均厚度;α为煤层倾角。
由图2走向地表下沉曲线可知, 地表下沉超前影响距为238.5 m, 由于平均采深为450 m, 根据公式 (2) 得到超前影响角ω=62°。
式中, l为超前影响距;H0为采深。
另外, 可得到该矿的走向移动角为;上山方向移动角为γ0=68°;下山方向移动角为β0=67°;最大下沉角θ=87.6°, 煤层倾角3°, 由公式θ=90°-kα可知, 开采沉陷影响传播角系数k=0.8;主要影响角正切值tanβ=2.2。
3.2 水平移动曲线分析
由图4可知, 在走向水平移动曲线靠近开切眼两侧200 m左右范围内地表水平移动变形为正值, 而200 m范围外工作面推进方向上水平移动变形为负值。在曲线上出现了较为明显的零点平移现象, 这是因为走向方向为超充分采动, 移动盆地上方地表部分测点出现“C”型或“S”型的运动轨迹, 使得移动盆地中部受到采动影响形成的裂缝在最终形成闭合[5,6]。
倾向水平移动曲线 (图5) 上, 水平移动变形值在走向观测线两侧分别为正负2种不同性质, 且范围大小相当。地表走向方向上的最大水平移动值约2 310 mm, 倾向方向上的最大水平移动值约1 580mm。该值相比于其他地区水平移动值较大, 主要是由于该区域为山区地貌, 表土层极薄, 不利于缓解地表的移动变形, 在点A11—A13及点B10—B11间由于拉伸产生了数条宽度在200~400 mm的裂缝, 使山区地表沿坡体下坡方向水平移动值增大[7,8,9]。结合地表最大下沉值可得到地表水平移动系数b=0.66。
3.3 倾斜、曲率及水平变形曲线
由图2、图6、图7、图8可得到, 走向最大下沉值为3 510 mm, 最大倾斜值为39.1 mm/m;最大正曲率0.59 mm/m2, 最大负曲率-0.95 mm/m2;走向最大水平拉伸为24.5 mm/m, 最大水平压缩为-53.5mm/m。
由图3、图9、图10、图11可得到, 倾向最大下沉值为3 510 mm, 最大倾斜值为58.1 mm/m, 最大正曲率为0.82 mm/m2, 最大负曲率为-0.93 mm/m2, 倾向最大水平拉伸为17.5 mm/m, 最大水平压缩为-26.5 mm/m。
通过对地表倾斜、曲率及水平变形规律的分析, 可以得到走向移动角δ=65°, 上山移动角β=71°, 下山移动角λ=70°, 开采传播影响角87.6°。
3.4 概率积分法预计
由于15211工作面煤层沿走向方向已达到充分采动, 但沿倾斜方向未达到充分采动, 所以该工作面为倾向有限开采。使用移动盆地内任意点的移动和变形预计公式计算工作面走向和倾向的参数预计值, 预计公式如下:
式中, w0为走向和倾向均为充分采动时的最大下沉值;t1、t2分别为下山和上山方向的预计参数;t3、t4分别为走向左侧和右侧的预计参数;w0 (x) 为倾向充分采动时走向主断面移动和变形的预计公式;w0 (y) 为走向充分采动时倾向主断面移动和变形的预计公式。
利用预计公式得到的计算结果见表3。通过与地表移动站实测值比较, 两者接近, 可相互验证地表移动变形数据的准确性。此预计参数及采动影响范围可作为矿区内开采地表移动变形预计的参考。
4 结论
(1) 地表移动观测结果表明:受采动影响, 15211工作面地表下沉系数为0.83, 水平移动系数为0.66, 地表移动变形产生的裂缝对地面建筑和耕地产生较大影响。
(2) 获得了凌志达矿在该采矿条件下的地表移动变形的角量参数和概率积分预测参数, 成果可为矿区内土地复垦和建筑物保护提供可靠依据, 同时为该矿邻近工作面的开采提供经验。
参考文献
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地表变形破坏 篇9
随着社会的快速发展, 经济的快速发展, 环境污染成为当下人们最关心的问题之一, 国家为了节能减排, 大力提倡乘坐公共交通工具, 主要城市都大力发展轨道交通, 这些工程大多都位于城市密集的繁华区, 而这些基坑越挖越深, 越来越靠近大型的建筑, 桥梁, 河流等等, 加上城市地下管线密布, 特别是带有压力的管线, 加大了基坑支护的难度, 工程事故时时涌现, 究其原因主要是受力特征、地质水文条件的复杂性和不确定性, 土力学计算模型的计算假定与实际情况的出入等。所以研究深基坑变形规律对分析评价基坑稳定性和变形特征具有重要价值。目前, 随着数值计算方法的进步、计算机性能的迅速提高, FLAC3D和有限元建模在支护结构分析中得到了应用, 对于基坑稳定性研究, 毕肖普法、简布的普遍条分法和塑性极限分析等给其研究奠定了充分的理论基础。深基坑研究与支护是一门与许多因素相关的技术, 有许多理论与实际问题都有待进行一步解决和完善。
2 深基坑开挖过程中的变形原理和影响变形的因素
1) 深基坑开挖过程中的变形原理。
深基坑在开挖过程中会产生基坑自身的变形和基坑周围环境的变形, 主要包括地连墙的墙体 (测斜) 位移、基坑的基底回弹, 周围地表沉降、地连墙的墙顶竖向位移和水平位移等等, 实际上基坑开挖的过程就是基坑土体的卸载过程, 同时伴随着基坑的降水过程, 在基坑内外降水的过程中土体的硬度会变小、土体颗粒间的缝隙会变大导致周围地表的下沉, 在土体卸载的过程中, 当基坑内外的土体压力不相等的情况下, 地连墙会向基坑内侧偏移, 与此同时会导致地连墙的上浮和地连墙竖向位移的上升以及地连墙水平位移向基坑内的偏移, 同时与基坑的支护形式和结构有关。
2) 深基坑开挖过程中变形的主要影响因素及控制措施。
从上述的深基坑变形机理中可知, 影响深基坑变形有多个因素:a.支护形式与结构。根据具体的地质、水文、环境条件, 采取相应的支护形式与结构以达到更好的支护效果。b.地下水控制。地下水是影响基坑变形的主要因素之一, 因此, 要严格按照设计要求和地质勘探的结论采取合理的降水措施, 同时确保每一幅地连墙的接缝完好, 防止漏水。总之, 应根据具体的施工环境制定合理、可行、有效的地下水控制措施以控制基坑变形。
3 天津地铁6号线金钟街站主体结构开挖过程中的围护结构变形研究
3.1 监测方案设计
1) 监测目的。
地铁基坑往往设计在人口密集的居住区、繁华的商业区, 而且随着技术发展的日新月异, 深基坑离高层建筑、地面构筑物、建筑物、道路桥梁、河流、地下管线设施越来越近, 因此工程风险在逐渐的加大, 不容许有半点马虎, 稍有大意就会对基坑自身的安全造成危害, 会对基坑周围的建筑物、构筑物、道路桥梁、地下各种管线设施造成破坏, 后果是非常严重的, 所以采取有效的监测是十分重要的。按照国家相关部门及规范技术文件的要求, 需要对基坑工程实施安全监测。
2) 监测的内容。
监测内容见表1。
3.2 基坑监测数据的分析
1) 墙体深层水平位移变化规律见图1~图3。
根据图1~图3分析可知, 地连墙的墙体水平位移始终向基坑内偏移, 但是由于地连墙的自身的稳定性以及墙体外围的大量注浆和钢支撑的及时支撑的作用下, 对墙体的水平位移向基坑内的偏移起到了很好的限制效果, 在基坑开挖的整个过程中, 地连墙的最大偏移量与基坑的开挖深度和时间有着很大的关系, 在开挖到一定的深度没有及时支钢支撑的时候地连墙向基坑内的偏移速率比较大, 随着基坑的开挖逐渐加大和钢支撑的及时支撑地连墙的变形曲线图逐渐呈弓字形变化, 其最大的变形量逐渐向下位移, 地连墙中部的深层水平位移发展最快, 变形量最大, 当基坑开挖到底的时候, 基坑底部的地连墙的变化率也是非常小的, 此基坑由于基坑顶部采用混凝土支撑框架结构, 该框架结构与地连墙紧紧相连, 所以地连墙的顶端水平位移量也是很小的。由墙顶水平位移的变化曲线图可以看出, 墙顶水平位移变化非常的小而且数据比较稳定, 由墙体水平位移变化曲线图可以看出, 墙体的最大变形处不在地连墙的顶部也不在地连墙的底部, 而是大约在地连墙的1/2处, 同时由图可以看出每隔0.5 m处的墙体变形量。
由于墙体位移的测量使用电子传感器元件, 测量的时候受外界的影响比较小, 在理论上, 它与地连墙顶的水平位移的测量值是一致的, 所以能有效的与全站仪所测的墙顶位移进行相互的校核。
由钢支撑累计变化曲线图可知, 在开挖的初期, 钢支撑受力较小, 随着基坑的开挖加深, 当开挖到基坑深度的1/2处时, 墙体的变形最大, 钢支撑的受力最大。
2) 周边地表沉降和墙顶竖向位移变化规律见图4, 图5。
由图4, 图5分析可知, 基坑周边地面沉降在基坑开挖之前变化不大, 趋于稳定, 随着基坑的开挖, 土压力的卸载, 导致基坑内外土体失去平衡是地面下沉的原因之一, 其次是坑内在降水, 也是导致地面下沉的原因, 到基坑开挖结束, 底板浇筑28 d以后, 地面最大的累计沉降量为-25.27 mm;地连墙墙体竖向位移在基坑没有开挖之前的变化量很小, 随着基坑的降水和土体压力的卸载, 地连墙逐渐在上浮, 最大上升量达到18.31 mm。
4 监测结论
1) 在基坑开挖之前地面沉降比较稳定, 随着基坑开挖的加快和基坑内外的降水, 基坑内外土体压力的不平衡以及工程机械的碾压等外界影响, 地面沉降累计变化的速率比较大, 在基坑开挖后期, 地面沉降累计变化的速率逐渐趋于稳定。影响深基坑支护结构的变形速率因素有很多, 主要有工程地质条件和水文地质条件、基坑的大小、基坑围护结构的类型、周边环境的影响、支护结构的形式、施工技术工艺等等, 在施工期间应根据设计要求及工程技术规范严格执行, 采用形象直观, 图文并茂的现场监测, 及时和相关部门了解和反馈监测变量信息。
2) 桩身水平位移在一定程度上受到基坑两侧钢支撑的限制作用。所以在大型基坑开挖时, 一定要制定严密的施工方案, 挖土要配合支撑施工, 尽量减少时间效应, 在保证工程桩、内支撑和降水设备的前提下加快施工速度。在土方开挖时务必遵循开槽支撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖的原则。最后得到在混凝土支撑和钢支撑的作用下, 本基坑地连墙的最大变形处不在基坑的顶端也不在基坑的底端, 而是大约在基坑总深度的1/2处。
3) 随着基坑开挖深度的增加和钢支撑的增加, 围护桩的水平位移和钢支撑的轴力也随之增大, 地连墙深层水平位移以及钢支撑的内力都比较稳定, 证明钢支撑能够有效地对地连墙的倾斜起到支撑作用。
4) 对基坑变形进行同步监测是基坑支护实现信息化施工的关键, 也是基坑支护工程中不可忽视的一个重要环节。本文就监测取得的数据经整理后制成日报表和周报表, 对各监测项目的结果进行汇总, 绘制变化曲线图并结合工况对各监测项目的变化情况进行描述, 以便及时采取相应的措施, 确保施工和周围环境的安全。
参考文献
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