矿山地表沉降机理的初步分析与研究.pdf

2 0 0 2年 8月 第 3 l卷第 4期 有 色 矿 山 No nf e r r ou s M i ne s A u g． ， 2 00 2 Vo1 ． 3l No． 4 矿 山地 表沉 降机理 的初 步分析 与研 究 姜 晨 光 ，沈 爱 武2 ，王 世 周3 ，于 绍峰4 ，吕 国栋 1 ． 莱 阳农 学 院，山东 莱 阳 2 6 5 2 0 0； 2 ．莱 阳市环 境 保护 局 ，山东 莱 阳 2 6 5 2 0 0 ；3 ． 莱 阳 市 园林管 理 处 ，山东 莱 阳 2 6 5 2 0 0 ； 4 ． 即 墨市 城 市综 合开 发 公 司，山东 即 墨 2 6 6 2 0 0 ；5 ． 莱 西 市建 筑 工程 质 量监 督 处 ，山东 莱西 2 6 6 6 0 0 [ 关键 词 】矿 区 ；地表 沉 陷 ；估 算 公式 ；影响 因 子 [ 摘要 】根 据 多个 矿 区的 实际 地 面 沉陷 观测 资 料 ， 总 结 出 了新 的 地表 沉 陷量 估 算 公式 ， 指 出 了地 表 沉 陷 量与 采空 区平 均 净高 、 采空 区平 均 长宽 比、 留设 矿柱 布 局 、 采 空 区平 面 积 、 采 空 区 平 均 距 地 高 度 、 覆 岩 平均 弹性 模量 、 采 空 区形状 因 子 、 平 均切 岩 角 、 采 心距 间 的关 系 。 [ 中图分类号 】TD 3 2 2 ． 4 [ 文献标识码 】A [ 文章编号】1 0 0 2 8 9 5 1 2 0 0 2 0 4 ． 0 0 0 8 0 3 Pr e l i m i na r y a na l y s i s a nd r e s e a r c h o n t he m e c ha ni s m o f t he m i ni ng a r e a g r ou nd s i nki ng J I ANG Ch e n g u a n g 。 ，S HEN Ai wu ，W ANG S h i z h o u ，YU S h a o f e n g ， LU Ou o d o n g 1 ． L a i y a n g Ag r i c u l t u r a l C o l l e g e ，L a i y a n g 2 6 5 2 0 0 ，C h i n a； 2． En v i r o n me n t a l P r o t e c t i o n Bu r e a u o f L a i y a n g Ci t y，La i y a n g 2 6 5 2 0 0，Ch i n a；3． Ga r d e n s Ma n a g e me n t Of f i c e of La i y a n g Ci t y，La i y a n g 2 6 5 2 0 0，Ch i n a； 4． Ur b a n Un i f i e d De v e l o p me n t Co ．of J i mo Ci t y，J i mo 2 6 6 2 0 0 ，Ch i n a；5． Ar c h i t e c t u r a l En g i n e e r i n g Qu a l i t y S u p e r v i s i o n O f f i c e of L a i x i C i t y ，L a i x i 2 6 6 6 0 0 ，C h i n a Ke y wo r ds m i ni ng a r e a；gr oun d s i n ki ng；c a l c u l a t i on f or m u l a；i nf l u e nc e f a c t or s Ab s t r ac t Ac c or d i ng t o t he pr a c t i c a l o bs e r va t i o n da t a o f gr o un d s i nki n g i n man y m i n i ng ar e a s ，t h e a ut h or ob t a i ns a ne w gr ou nd s i nki ng c a l c ul a t i o n f or m u l a．The r e l a t i on s hi p o f t he gr o und s i nki n g va l ue w i t h t h e m e a n he i ght o f s t o pe ， t he m e a n r a t i o o f l e ngt h t o w i d t h of s t o pe ，t he l a y ou t of pr ot e c t e d o r e pi l l a r ， t he l e ve l a r e a of s t o pe ， t he m e a n h e i gh t f r o m s t o pe t op t o gr o und， t he me a n e l a s t i c m o du l us o f c o v e r e d r oc k s t r a t um ， t h e s h a pe f a c t or o f s t o pe ， t he m e a n an gl e of s t o p e c ut t i ng r o c k s t r a t u m a nd l e ve l di s t a nc e f r o m t he s t op e c e nt r e ha v e be e n e xp ou nd e d． 1 引 言 矿 区地 表 沉 陷是 主要 的 人工地 质灾 害之 一 ， 为 了减 少矿 区地 表沉陷量 、 减缓地表 沉陷速 度， 矿 山工 程技术 人员及矿 业科 研工 作 者 作 出了很 大 的努 力， 采取 了很多有效 的工 程技 术 措施 ， 取得 了很 大 的成 [ 收 稿 日期 】2 0 0 1 1 1 2 9 [ 修订 日期 】2 0 0 2 0 3 2 0 [ 作者 简介 】姜 晨 光 1 9 6 4一 ， 男， 湖 南 岳 阳 人， 曾荣 获 第 4届 山东 省 青 年 科 技 奖 1 9 6 6年 、 首 届烟 台 市 青 年 科 技 奖 1 9 9 5年 、 山 东 省 建 筑 业 科 技 进 步 2等 奖 首 位 、 1 9 9 9 年 。 效 。在矿 区地表沉 陷量的预测方 面采取 了很 多方法 数理 统计方法 、 模糊 数学方法 、 有限单元 法 、 边 界元 法 等等 ， 但 至今仍然未 能建立一种 准确率较高 的矿 区地 表沉 陷量 预测 模 型， 从而 使矿 区地表 沉 陷量 预 测仍陷于一种观 测 式 的预 测状 态， 无 法从 理论 上 根 据 采 区的综 合状 态做 出地 表沉陷量 的科学预测 。 笔 者在 多年从 书矿 区地 表变 形监 测 的实 践 中， 积 累了一些 实际 监 测 资料 ， 根 据 实测 与收 集到 的 近 l 0个 矿 山的地 表变 形相关 技术 资料， 对 矿 区地 表 沉 陷与矿 区主要工 作参数 间的关 系进行 了多年 的潜 心 研 究， 通过 对数据 的计 算机模拟 与试算， 初步搞清 楚 了导致 矿 区地表 沉 陷 的主要 工 程要 素 及地 质要 素， 并建立 了 一个 准 确度 较 高 的 矿 区地 表 沉 陷估 箅 模 维普资讯 第 4期 姜 晨光等 矿山地表沉 降机理的初 步分析与研 究 9 型， 本 文介绍如下 。 2 不同形 状采空 区受 压模 型实验 与分析 为 了分 析受压状态 下不 同形状采 空 区的承 压能 力， 笔 者及课题组 利用 灰 口铸铁作 了四种 外形 相 同 边 长为 2 0 c m 的等大 立方体 、 内腔各 异 分 别 为圆 球状 、 圆柱状 、 圆拱 状 、 立 方体状 、 内腔三 向最 大几 何尺寸 相同 即长 、 宽 、 高 的最 大尺 寸均 为 2 R， 且 R 1 2 c I T I 的试块 见 图 1至图 4 各 6块进 行 抗 压试 验 。每个试 件 由上下 两个 半块 拼接 构 成， 两 个半块 之 间加工 有 4个均 匀 分布 的 mm 的 气孔 见 图 1 至 图 4 ， 4种试 件的抗 压试 验结果 见表 1 。 J I F ’ L 口 ． a 。 图 1 球状 内腔灰 口 铸铁 图 2 圆 柱状 内 腔灰 口 铸 铁 F 1 ， ． ． 1 尺 I F 口 ． 图 3圆拱 状 内腔 图 4立方 体 状 内腔 灰 口铸 铁 灰 口铸 铁 表 1 不 同 内腔灰 口铸铁 的 抗压 强 度 GP a 序号立 方体状 内腔 圆拱状 内腔 圆柱状 内腔 圆球状 内腔 从表 1的试 验结 果 可见 ， 承 压 能力 最强 的 是 圆 球状 内腔试件 ， 最弱 的是 立方体状 内腔试件 ， 若令 圆 球状 内腔试 件 、 圆柱 状 内腔试 件、 圆拱 状 内腔 试 件 、 立方体状 内腔试 件各 自的平 均抗 压 强度分 别 为 、 、 2、 l，则各类 试 件 与立 方体 状 内腔试 件 的抗 压 比 笔者称 q 为采 空 区 形状 因子 q 4 、 q 3 、 q 2 、 q 1 分 别 为 q 4 a 4 ／ l 0 ． 0 6 5 2 q 3 a 3 ／ a l 0 ． 1 5 5 7 q 2 a a ／ a l 0 ． 3 5 7 0 q 1 l ／ l 1 由于岩 土结构关 系的极 端 复杂性 ， 用 本 模型 实验 求 得 的采 空区形状 因 子肯 定是 有 缺 陷 的， 但 目前 没有 更 好的办法来 模拟不 同形 状采空 区的承压 能力。 3矿 区地表沉陷的主要 影响因子 根据近 十 个矿 区的 地表 变 形 实测资 料， 笔 者及 课题组发 现 对 地 表 沉 陷有 显 著 影 响 的要 素 主要 有 参见 图 5 9项。 1 采 空 区平均开 采净高 h； 2 采 空 区在水平 面 内的 投 影 面 积 S； 3 采 空 区平 面 投 影 中心 0 到 沉 陷 点 i 连 线 方 向采 空 区 平 均 长 L 宽 W 比 K ， K L／W ； 4 采 空 区顶 面 到 地表 的 平 均 铅 直 距 离 H ； 图 5 地 表 沉陷 相 关 要素 示意 5 采 空 区顶面覆 岩的平均 弹性 模量 E； 6 采 空 区 形 状 因 子 q； 7 采 空区顶 面 与接 触 岩 层 面 的平均 夹 角 简 称平均切岩 角 ； 8 地 面沉 陷点 i 到 采空 区平面投 影 中心 。 的 水平距离 3 7 ； 9 保安 矿 柱的 分 布状 况 用分 割 支 撑 因子 P 代表， P为分割 单元数 的倒 数 ， 即 P1 ／ 。分 割 单元数 的计算 见图 6 。 图 6 矿 柱 分割 单 元数 1 5 9 8 1 5 9 2 4 0 2 3 1 3 2 2 7 3 6 2 1 9 6 3 8 2 3 7 2 9 3 0 2 1 2 1 1 2 2 2 2 2 2 2 3 6 9 3 8 3 6 8 0 5 2 2 9 0 9 1 6 8 4 3 4 2 3 3 2 3 ， 维普资讯 1 0 有色矿 山 2 0 0 2年 第 3 1卷 4 矿 区地表沉 陷量的估 算公式 笔者 及课题组利 用计算机将近 十个矿 区的地表 沉陷观测 资料进行 了 系统 分析 ， 初步 得 出了地表 沉 陷量与上 述 9大要 素 间 的数 字关 系， 即 矿 区地表 沉 陷量 d估算公 式 d1 ． 1 3 1 6 p S ／ K ／ 3 q e 。 i “ 一 ’ ／ HE 0． 0 0 0 3 7 1 式 1 中 ， d 为地 表沉 陷 量 单 位 为 m ． e为 自然 对 数的底 e 2 ． 7 1 8 2 8 1 8 2 8 ， 其余 符 号 的含 义 见本 文 3部分， 各符 号 的单 位分 别 为 P 无 量 纲 、 S m 、 h m 、 K 无 量 纲 。 但L、w单 位 必 须 相 同、 H m 、 E G P a 、 q 无 量纲 。球状 采 区 q0 ． 0 6 5 2 ， 柱状 采区 q0． 1 5 5 7 ， 拱状 采 区 q0 ． 3 5 7 0 ， 方 形 采 区 口1 、 。 、 k m 。 应用式 1 预 测 采 区地 表 沉 陷时 必须 注意 的 一 点是 ， 当 L／ 2 时 ， 若 K1 ， 见 图 7 。 1 昔日 一b ●一 ， b K 2軎 K l 鲁 2 百 I X 4 - X 2 K 4 軎l { K s 告 J D Ks a C X 31 图 7 K 值分 布 5 讨 论 近十 个矿区地表 实际沉 陷观 测结果与本文 的估 算 公式 1 的计 算结 果 的差值 可 判 断公 式的 估算 精 度， 公 式 1 的估 算平 均 相对 精 度 优 于 1 5 ％， 估 算相对误 差 绝大 多数 9 5 ％以上 小于 2 0 ％。 及 的计算方 法 是 实 测 沉 陷量 为 d ； ， 估 算 沉陷量 为 d ， 则绝对估 算偏差 △ d ， 估算 相 对误差 8 d l △ d i l ／ d ， 估算平 均相 对 精度 8 d ∑ ／ 。 通过 本文 的 以上论 述 看 出， 本 文给 出的估算 公 式较好 地 反 映 了地 表 沉 陷 量 与诸 采矿 要 素间 的 关 系， 具 有一定的科 学价值与 实用价值 ， 希望本文 能为 该领 域的科学研 究工作抛 砖引玉 。 [ 参考 文献 ] [ 1 ] 古 德 曼著 ． 王 鸿 儒 ， 王 宏 硕 译 ． 岩 石 力 学 原 理 及 其 应 用 [ M] ． 北 京 水 利 电力 出版 社 ， 1 9 9 0． [ 2 ] 夏 熙伦 ． 工程 岩 石 力 学 [ M] ． 武 汉 武 汉 工 业 大 学 出版 社 。 1 9 9 8 ． [ 3 ] 周 维 垣 ． 高 等 岩 石 力 学 [ M] ． 北 京 水 利 电力 出 版 社 ， 1 99 0． [ 4 ] 工 程地 质 手 册 编 写 组 ． 工 程 地 质 手 册 [ M] ． 北 京 中 国建 筑工 业 出 版社 ， 1 9 9 2． 淮北发现 特大型 高岭土矿 经过 多年 的矿井建设勘查 及对部分 矿段 的详查勘探探 明， 该矿高岭 土 资源 总 储量达 5 0 0 0余 万吨 ， 成 为 淮北矿 区又一特大 型高岭 土矿 床。 朱仙庄矿是 一座生产能力达 1 8 0万 t 的大型现 代化矿井 ， 资源储 量 2亿 t ， 可 采储 量 9 2 0 0万 t 。高岭 土 作为煤 炭的伴 生资源， 是 一种非金属原 料的矿产 品， 可广泛 应用于 造纸 、 橡胶 、 冶金 、 陶瓷及 化工等 1 0多个 行 业和领域 。2 0世纪 6 0年代初 对该煤 田进 行勘 探 时， 初步 探 明井 田 内储 藏有 大 量的 与煤 炭伴 生的 高岭 土 矿 床。为进一步探 明高岭土矿床 的资源储 量 、 赋 存特征 、 矿石工 业 品级 ， 该矿 地质工 作 者 多年来 进行 了大 量艰 苦细致的勘探工作 。8 4 9 、 8 4 1 1工作 面煤炭开采 完毕后 ， 该矿组 织力量对具 有代 表性 矿段进 行详 细勘查 。经 过详细 的矿井钻探 、 地质调查 、 资料整理及标本 分析 ， 该 矿 区高岭 土资源 总储 量达 5 0 0 0余 万 吨， 高 岭 土中高 岭石 含量大于 9 5 ％， 矿石 品级 为一级 品和特 级 品， 经处理后 的煅 烧产 品， 耐 火度达 1 7 7 0 ℃ 。 由于高岭土为伴 生资源， 在开采过 程中可 充分利 用煤矿现 有的通风 、 运输 、 排水 及提升 系统 ， 避免 了重复 投资 ， 可大大降低 开采成本 ， 同时高岭 土产 品在 国 内国际市场 上较 为紧俏 ， 因此具 有较 高 的开 采价值 和经 济 效 益 。 彭 飞 维普资讯