采场覆岩移动流变模型及开采沉陷预计研究.pdf

太原理 「 大学硕十研究生学位论文Y 6 2 0 1 3 9 采场覆岩移动流变模型及开采沉陷预计研究 摘要 在开采沉陷预计理论研究中，由于采场覆岩整个结构系统 具有极其复杂性和不确定性的特点，人们往往根据已沉陷区域 的特征来推知未沉陷区域，带有很大的盲目 性。而且，主要以 静态预计为主。流变力学理论和计算机技术的发展，为从理论 方面了解覆岩移动的和地表沉陷的动态变化规律提供了前提。 本文围绕对采场覆岩特别是上位岩层在开采过程中变形特 性的研究，从流变学的角度总结出了岩层特别是地表的下沉随 时间的变化规律，提出了覆岩运动分阶段的粘弹性理论模型， 并应用于开采沉陷实际预计。通过相似材料模型试验，分析了 采场上位岩层移动过程中的下沉量、水平位移、下沉速度以及 最大下沉值点位置等变化规律，进一步验证了覆岩运动流变模 型和分阶段特性，即非充分采动前的加速下沉阶段和充分采动 后的压密衰减阶段。同时，把井下开采过程对覆岩的变形特性 的影响进行了分析。 对覆岩的流变特性的研究离不开对其应力变化规律的分析 和总结。本文通过力学分析的方法，借助塑性力学中运用较为 太原理 I 一 人学硕十研究生学位论文 成熟的滑移线场理论，建立了覆岩下沉的力学模型，对开采影 响区的范围进行了预测，运用塑性薄板理论，对基本顶初次垮 落步距即地表开始移动的起动距进行了计算推导，为科学合理 地计算采动影响范围提供了前提条件。此外，论文通过有限元 数值模拟分析了开采过程中采场区域垂直和水平应力的分布变 化规律，验证了应力变化随时间具有阶段跳跃性以及空间分布 的区域性特点。为进一步深入研究影响覆岩流变的其他问题如 裂纹扩展、结构面的受力滑移等问题奠定了基础。 文中给出了相应的流变模型参数计算方法。根据实测数据 结果进行反分析，求出开采区域的模型参数，并对未知测点进 行了预测，模型较好地反映了地表的动态下沉规律。 作为覆岩流变理论的应用，文中提出地表下沉推迟时间的 概念，该时间既可以作为地表下沉阶段分界点，又可作为地表 受采动影响剧烈程度的分级指标，为流变理论在岩层力学中的 运用探索了一条新途径。 关键词 开采沉陷，动态预计，流变模型，滑移线场理论，地 表推迟时间 太原理 1 一 人学硕十研究生学位论文 S T UDY O N T HE RHE O L OGI C AL MODE L OF OVE R BUR DE N S T R A T A I N T HE MI NI NG F I E L D A ND MI NI NG S UBS I DE NC E P R E DI C T I O N A B S T R A C T I n t h e c u r r e n t t h e o ry o f m i n i n g s u b s i d e n c e p r e d i c t i o n , t h e b a s i c m e t h o d i s t o p r e d i c t t h e u n - s u b s i d e n c e a r e a b y e x p e r i e n c e f r o m a r e a w h e r e t h e s u b s i d e n c e h a s o c c u r r e d , w hi s v e ry b l i n d n e s s theich t h e w a y , t h ep r e d i c t i o n i s m a i n l y m a d e s t a t i c a l l y . T h e t h e o l o g i c a l t h e o ry a n d c o m p u t e r t e c h n o l o g y theBy d e v e l o p m e n t o f t h e p r o v i d e a s o u n d b a s e t o u n d e r s t a n d t h e m o v e m e n t l a w f o r m i n i n g o v e r b u r d e n s t r a t a a n d s ue s u b s i d e n c e T h e t h e s i s p r o p o s e v i s c o - e l a s t i c m o d e l i n d i f f e r e n t p h a s e s t h e o r e t i c a l l y , g i v e s o u t t h e l a w o f o v e r b u r d e n r o c k s t r a t a m o v e m e n t s u r f a c e s u b s i d e n c e d e p e n d i n g o n t i m ei n t h e v i e w o f r h e o l o g y . p e r f o r m i n g t h e s i m i l a r m a t e r i a l s i m u l a t i n g e x p e r i m e n t , t h e andBy t h e s i s m a k e s a n a l y s i s o n s e r i a l v a r i a t i o n s o f t h e v a l u e o f s u b s i d e n c e , ofto h o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n t , s u b s i d e n c e v e l o c i t y , a n d t h e p o s it i o n ma x i mu m s u b s i d e n c e i n t h e c o u r s e o f mo v e m e n t f o r r o c k s t r a t a , I I I 太原理 } 人 学硕十研究生学位论文 f u r t h e r v e r i f y t h e r h e o lo g i c a l m o d e l a n d t h e c h a r a c t e r o f p h a s e - d i v i d i n g , i . e . a c c e l e r a t e s u b s i d e n c e p h a s e o f u n d e r - d e v e l o p e d m i n i n g a n d d e t e r i o r a t e c o m p a c t i n g p h a s e o f d e v e l o p e d m i n i n g . O n t h e o t h e r h a n d , g i v e s d e t a i l e d d e s c r i p t i o n o n t h e i n fl u e n c e o f m i n i n g t o t h e d e f o r ma t i o n c h a r a c t e r o f o v e r b u r d e n s t r a t a T h e t h e s i s h a s b u i l t u p a m e c h a n i c a l m o d e l o f r o c k s t r a t a s u b s i d e n c e b a s e d o n t h e t h e o ry o f s l i p l i n e f i e l d w h i c h i s m o r e r e a s o n a b l e t o p r e d i c t t h e r a n g e o f m i n i n g i n fl u e n c e z o n e . B y u s i n g t h e p l a s t i c t h in s l a b t h e o r y , t h e f i r s t c a v in g s p a c e i .e . t h e s t a r t i n g d i s t a n c e o f s u r f a c e m o v e m e n t i s c a l c u l a t e d o u t w h i c h p r o v i d e t h e c o n d i t i o n o f d e t e r m i n i n g t h e r a n g e o f m i n i n g i n fl u e n c i n g z o n e . B e s i d e s , t h e r e g u l a t i o n o f v a r i a t i o n f o r v e rt i c a l a n d h o r i z o n t a l s t r e s s d i s t r i b u t i o n i n t h e m i n i n g f i e l d i s p r o v i d e d b y t h e f i n i t e e l e m e n t n u m e r i c a l a n a l y s i s t o f u r t h e r v e r i f y t h e n a t u r e o f s t a g e - a d v a n c i n g s o l i d c o n d i t i o n t i m e a n d a r e a - d i v i d i n g i n s p a c e , w h i c h l a i d a f u r t h e r r e s e a r c h o n t h e o t h e r a s p e c t o f f i s s u r e mfor e x p a n d i n g a n d r o c k b l o c k s l i d i n g a l o n g t h e p l a n e e t c . a f f e c t i n g t h e r h e o l o g i c a l c h a r a c t e r o f r o c k s t r a t a . I n t h e t h e s i s , t h e c a l c u l a t i n g m e t h o d o f m o d e l p a r a m e t e r s i s g i v e n , a n d t h e p a r a m e t e r s a r e d e r i v e d b y r e v e r s e a n a l y s i s o n t h e I V 太原理 1 . 大学硕十研究生学位论文 a c t u a l m e a s u r e m e n t . T h e p r e d i c t i o n m o d e l r e fl e c t s t h e s u r f a c e s u b s i d e n c e l a w w e l l b y u s i n g t h e d e r i v e d m o d e l . Me a n w h i l e , t h e a u t h o r p u t f o r w a r d t h e c o n c e p t o f s u r f a c e r e t a r d a t i o n t i m e w h i c h c a n b e t a k e n a s b o t h d e g r a d a t i o n i n d e x o f m i n i n g i n fl u e n c e a n d s e p a r a t i n g p o i n t t o s u b s i d e n c e s t a g e s . K E Y WO R D S m i n i n g s u b s i d e n c e , d y na m i cp r e d i c t i o n , t h e o ry o f s l i d i n g 1 t nef i e l d , r h e o l o g y m o d e l , s u r f a c e r e t a r d a t i o n t i m e V 太原理 1 _ 人学硕十研究生学位论文 第一章绪论 岩层移动与开采沉陷作为采矿学科的基础之一，参与研究的学者与研 究成果众多。多年来，采矿工作者与矿山测量工作者分别从不同的角度以 不同的方法对岩层移动与地表沉陷规律进行了研究。采矿工作者从回采工 作面顶板支护与管理出发，基本掌握了对回采工作面生产与支护影响较大 的 F 部岩层的移动规律。针对下部岩层移动特征提出了多种假说与理论， 其中具有代表性的有压力拱假说，悬臂梁假说， 预成裂隙假说，铰接岩块 假说，砌体梁假说和传递岩梁假说等。以钱鸣高院士为首的科研群体提出 的砌体梁理论’二 为 采场矿压显现的科学预报与控制提供了 理论基础，形成 了矿山压力与控制的完备理论体系， 提出了“ 横三区” ， “ 竖三区” 的理论， 加深了对整个上覆直至地表岩层的整体运动规律的认识。 另一方面，测量工作者广泛开展了地表沉陷的实测与统计工作，掌握 了缓斜，倾斜，急斜煤层开采后地表沉陷的分布形态特征，提出了多种地 表沉陷预测方法，如典型曲线法，影响函数法，概率积分法。其中以概率 积分法应用最为普遍， 但该方法的预测结果在有些条件下往往与实测结果 相差甚远。针对概率积分法预计结果与实际的差异，许多学者都试图从岩 层内部的移动机理来修正地表下沉的预计 一 方法。如何国清教授 提出了地 表下沉预计的威布尔分布法，郝庆吐 ; 在地表沉陷预计中提出了采动岩体 空隙扩散模型，邓喀中一 ’ 在地表沉陷预计中考虑了岩层移动层间错动的影 t 太原理 1 大学硕十研究生学位论文 响，隋旺华[N 研究了 厚表土层土体变形对地表沉陷的影响， 所有这些都丰 富和完善了地表沉陷预计方法。 然而完全根据岩层移动规律直接预计地表 下沉的方法目前还未提出。 1 . 1 矿压理论的形成与发展 人类采矿活动有着悠久的历史。早期的采矿工作中， 人们只能从现象 上来认识矿山压力及显现，岩体工程技术只凭生产实践经验，没有和力学 相联系。 十九世纪末到二十世纪3 0 年代，矿山压力及理论研究进入成型阶段， 这个阶段的特点是用一些简单的力学原理如结构力学和材料力学的分析 方法来解释实践中出现的矿压现象。如众所周知的普罗多吉雅可诺夫的自 然平衡拱理论，德国学者以上覆岩层结构为基础，提出的悬梁假说等。自 然平衡拱假说应用了结构力学中的压力曲线理论，极限跨度理论采用了材 料力学中梁和板的计算公式等。这些假说存在许多不足之处，只能在局限 的条件下应用。 在开采沉陷研究方面，这个阶段，初步开展了岩层与地表移动的理论 研究与观测工作。 为了 进一步掌握矿山岩体变形随时h 1 、 空间变化的规律， 在地面及井下进行了精确的岩移观测 二十 一 世纪泣十年代至五 卜 年代，矿山压力研究进入了以连续介质力学 为基础的研究阶段。主要用弹性理论研究矿山岩石力学问题，以后又研究 了岩体非均质性和各向异性对理想弹性体和岩体层理性的影响，此外， 应 太原理 } 人学硕十研究生学位论文 用了连续介质力学方法研究岩层移动问题。 塑性力学也开始引入岩石力学 研究中，如金尼克 芬涅尔 F e n n e r , 1 9 8 3 和施米特 S c h m i d t , 1 9 2 5 提出了巷道围岩弹性和弹塑性应力分布。塞拉塔 S e r a t a 用流变模型进 行了隧道围岩的粘弹性分析。 - . - f 、 世纪五十年代至今国内外包括采矿在内的岩石工程无论在数量 还是规模上大大增加，遇到的工程地质条件更加复杂，实践的需要推动了 理论的更进一步发展，要求采用更为复杂和多种多样的力学模型反映岩石 工程实际状况。目前，岩石力学发展的主要特色是把力学、物理学、系统 工程、 现代数理学以及现代信息技术的最新成果引入岩石力学，计算机的 广泛应用又为流变学、断裂力学、连续介质力学、数值方法、人工智能等 现代理论在岩石力学及工程的应用提供了可能。 关于采场覆岩的运动特性的研究方面主要取得以下一些进展气 ” 第一， 除了继续应用连续介质力学研究与矿山压力有关的问题外， 发 展了考虑岩石真实特性的岩体结构力学理论。例如， 把岩体看作是由各种 节理裂隙切割的弱面体，重视岩体结构面对工程稳定性的影q pj 和控制作 用，把岩石看作裂纹体进行断裂力学研究，把岩体变形看作随时间发展的 岩石流变学研究。 第二，在地表岩层移动研究方面，在进行大量现场观测掌握岩层移动 现代概念的基础上，建立了较为完善的地表移动和变形计算的预测方法， J 「 展了一 系列采动引起上覆岩层移动机理及规律的研究。 太原理 1 一 人学硕十研究生学位论文 第三，随着计算机科学的进步， 数值方法如有限元， 边界元及混合模 型成为岩石力学分析计算的主要手段。 此外，信息技术、系统科学也应用与岩体结构的研究领域，2 0世纪 8 0 年代末出现的不确定性理论，目前已被越来越多的人认可和接受。 1 . 2 采场，岩结构特征及力学形式 1 . 2 . 1 采场覆岩结 构的 研究 进展c6 上覆岩层的结构问题以及该结构以什么样的形式存在， 一直是采矿学 科研究的一个重要课题。在研究这个问题的过程中，曾提出各种结构假说 及理论模型，推动了人们对采场覆岩运动规律的认识，这些假说有必要简 要作一总结 a 压力拱假说 普罗多吉雅克诺夫 M . M . A P O T O A B A K O H O B 利用结构力学中的压力 曲线理论， 提出自然平衡拱假说。即在回采工作面空间上方由于岩层自然 平衡的结果而形成一个压力拱，该拱随工作面的推进不断前移，随采掘空 间的变化而不断变化拱的跨度和高度。 b 悬梁和悬板假说 德国学者舒里兹认为采空区上方的岩层很象板和梁的结构，于 1 9 6 7 年提出了悬梁假说。顶板岩层是一种组合悬梁，当悬梁悬伸长度较长时， 将发生周期性的折断。该假说比较适合层状岩层断裂时的实际情况。 c 预承裂隙假说 4 太原理 「 大学硕十研究生学位论文 比利时学者阿 拉巴 斯吸取其它矿压假说的一些概念，引入假“ 塑性 梁”理论，提出预出裂隙假说。由于回采的影响，上覆岩层的连续性被破 坏， 从而形成非连续体。在回采工作面周围形成应力降低区，应力增高 区和采动影响区，随工作面推进而前移。上覆岩层中由于存在各种裂隙， 可将其视为假塑性体， 这种被各种裂隙破坏了的假塑性体处于一是彼此被 挤紧的状态，形成了预应力梁。预应力梁在自重及上覆岩层的作用下，将 发生明显的假塑性弯曲，原来被挤紧的裂隙有可能张开，被裂隙分割开的 岩块之间产生相对滑移，致使顶板发生下沉，垮落以至离层。 d 铰接岩块假说 此假说由苏联学者库兹涅佐夫提出。假说正确地阐述了工作面上覆岩 层的分带情况，将工作面岩层上到下分为不规则垮落带，规则冒落带和裂 隙带。并初步涉及岩层内部的力学关系及可能现成的结构1 ‘ 。 e 砌体梁理论 中国矿业大学的钱鸣高院士、 李鸿昌教授在岩层移动观察和分析的基 础上， 提出了采场上覆岩层 “ 砌体梁” 结构模型t ，〕 。该理论认为， 采场上 覆岩层中由于各岩层的特性不一，因而仅有其中的一层或几层对采场上覆 岩层的运动起决定作用，前者称为主关键层，后者称为亚关键层。该理论 不仅司 ‘ 以指导采场顶板控制问题，也被用于采场底板突水以及开采沉陷控 制 伙 f 块体理论 太原理 大学硕十研究生学位论文 由我国旅美学者石根华和美国加洲大学伯克利分校的古德曼 t R . E . G o o d m a n 教授先提出， 也称为石氏理论。块体理论依据拓扑学和集 合论的有关原理， 建立在由构造地质学推导出的几何和力的平衡方程上， 适用于节理发育的块状岩体。康立勋博士通过引入块体理论对大同综采易 冒直接顶下位岩层破坏失稳机理进行了深入分析， 深化了对综采工作面端 面冒漏机理及有效控制的认识。 9 采场薄板矿压理论[7 随着对采场矿山压力的深入研究， 为了进一步探索老顶来压预测预报 机理，二十世纪八十年代中后期，钱鸣高、朱德仁以及贾喜荣教授把老顶 岩层视为四周受各种支撑条件作用的板， 对该 种结构及其稳定性进行了研 究，建立了采场薄板矿压理论。 采场薄板矿压理论是把跨落前的顶板岩层视为薄板，设法借助弹性力 学中的薄板理论， 并结合煤矿开采中的工程实际建立力学模型进行定量分 析，使其尽可能达到工程应用的程度。 1 . 2 . 2采场覆岩移动研究的综合评价及有待解决的问 题 从以上所述采场覆岩结构假说及理论， 都是从矿压显现入手推断其可 能形成的结构，都有各自的针对性和适应范围，如悬梁式板理论主要适用 于层状、稳定的下位顶板类型，而铰接岩块、砌体梁理论适用于块状、中 等稳定的顶板类型， 压力拱假说和预成裂隙假说针对散体和破碎的顶板类 t o 。矿压理论主要针对工作面上方的直接顶的破断形式而展开研究，对基 太原理 _ 大学硕十研究生学位论文 本顶上覆岩层很少关注。 而对上覆岩层的研究有利于展开 对采场矿压、 采 场突水、岩层移动及地表沉陷规律的定量系统描述。 采场覆岩结构的研究存在以下几方面的不足 ①顶板岩层的形成经历了漫长年代的地质作用岩层内部存在不n程 度的裂隙、节理及结构面，有许多微观细观和宏观的缺陷，在力学属性上 和均一材料的纯弹性体和纯塑性体有着本质的不同， 采用单一连续介质的 力学模型，不能反映其本质规律。 ②忽略了开挖的概念和施工因素的动态影响。 传统连续介质理论单纯 采用固体力学或结构力学外边界加载方式， 没有考虑采掘作业空间的连续 推进对顶板造成的多次反复作用，即只考虑工作面岩层对采掘空间的影 响，未考虑其反作用。 ③由于矿山压力及其显现给地下开采工作造成的危害程度很大， 所以 早期的矿压理论着重点从宏观力学角度考虑上方岩层的连续破断规律，很 少考虑岩层中未破坏或未产生剧烈变形的部分，而这部分岩层能够形成岩 体内的大结构，这种大结构能够承担上覆岩土体的重量， 对回采工作空间 其保护作用，对采后地表沉陷起决定作用。 ④没有过多涉及岩土体的流变性研究， 没有考虑时间效应对岩层力学 和运动特性的影响 ， . 3 问题的提出 在煤田开采条件 卜 ， 地表移动过程可以从6 个月持续到5 年之久， 而在 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 钾岩矿床开采的情况下， 移动过程延续的时间更久， 甚至达到1 0 0 年或1 0 0 年以 上〔8 ] ，所以， 研究开采沉陷问 题，不仅要考虑岩移稳定时的状态，还 要考虑岩层和地表随时间的动态移动发展过程。 采场上覆岩土体是复杂的多相混合物，从破坏变形过程来看，其内部 结构物在自重应力场和构造应力场作用下，经历了一系列的物理力学运 动，其中，有结构面不可复原的塑性滑移，有岩石材料弯曲、断裂的滞后 变形，还有小结构体失稳后的非定向转动等等。经过多次重复采动，受更 多节理和结构面割裂的岩体从宏观属性上来看与粘弹性和塑性介质相似， 随着时间的不同，其变形的发展，不仅与作用力的大小有关，而且，与载 荷改变的速度有关，甚至还与力的作用方向及其持续时间长短有关，考虑 采场覆岩的 运动和力学特性， 不考虑其流变特性是不全面和不准确的〔8 ] 另一方面，如果我们把采场覆岩的运动状态和上述对流变微观分析作 一类比，可以看出， 采场覆岩本身无论在结构上还是在运动形式上反映出 明显的流变性质， 岩体的受力条件包括长期受力和三轴应力状态使其流变 性质更为突出。 在矿山和地下工程中所表现出的力学现象如地压、变形、 破坏几乎都 与时间有关系。 严格地说，以往应用弹性力学或弹塑性力学求得的应力和 变形都是瞬时发生的，是量测不到且无法阻止的，人们所量测到的和用支 护加以阻挡的都是流变产生的应力和变形[A ] ， 所以分析岩层的运动不应离 开流变学特性的分析。 太原理工大学硕士研究生学位论文 预计开采期间 及结束后地表的移动变形有着重要的 实践意义。 为了 对 沉陷区内的被损建 筑物进行彻底维修， 需确定地表移动过程完全终止的时 间开采区内铁路、桥梁或河道的整治，需对不同时间的地表下沉量进行 较为准确的预计。 此外， 科学的开采沉陷动态分析， 还可以 推断采动损害， 及时采取有效措施，杜绝事故发生。 对于开采沉陷的静态预计，国内外学者已经做了大量深入细致的研 究，提出了许多实用有效的理论和方法，如连续和随机介质理论，概率积 分法、典型曲线法和剖面函数法等，但在动态预计方面， 仍然没有很好的 理论加以解决。 通过从采场覆岩运动力学和变形机制上探求覆岩的流变特性， 可以有 效地对开采沉陷进行动态预计，评价覆岩离层及破坏状况， 确定采动损害 及防护措施，为流变学在开采沉陷及岩层控制中探索一条新途径。 1 . 4 论文的研究内容及主要工作 第一，提出采场具有覆岩流变性的概念，并分析其产生的原因及主要 影响因素。 第二，建立采场覆岩的物理模型，求解流变方程， 应用模型进行开采 沉陷预计。 第三，利用相似材料模拟试验，检验并分析模型的正确性。 第四，利用数值模拟进行分析计算，对照理论研究结果，进一步对覆 岩的流变力学特性进行研究和分析对比。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章采场，岩的变形特征 2 . 1 岩层移动理论研究简评 国内外对岩层移动的研究由来己久，人们从不同的角度，按照不同的 标准，通过实际发生的开采沉陷，进行了岩层移动的影响范围、采动后上 覆岩层及地表变形移动规律的观测和研究，主要成果为 以波兰阿维尔申为代表， 将上覆岩层视为连续介质， 用连续介质的力 学方法来研究岩层移动规律，研究方法往往采用解析法和有限元数值模 拟。李增琪[L 1 ] 以 弹性理论为基础， 将整个覆岩视为层 状介质模型， 分析了 岩层的变形和位移情况，使岩层移动的理论计算有了突破， 但该方法没有 对岩层破断后的力学行为进行研究，获得的结果可以在某些方面作为定性 的参考与解释，与岩移实际情况相差太远。 2 0 世纪5 0 年代， 波兰学者李特维尼申 M 等应用颗粒体力学来研究岩 层与地表移动问题， 认为开采引起的岩层和地表移动的规律与颗粒体介质 模型所描述的规律在宏观上相似。 建立了岩层或地表下沉预计的随机介质 理论法。后由我国学者刘宝深、廖国华等发展为概率积分法，该方法理论 结构严谨，方法科学可行，是目前我国较成熟且应用最广泛的岩层及地表 下沉预计方法之一。 目前，用于研究非连续介质体运动的方法多种多样，色彩纷呈。离散 太原理工大学硕士研究生学位论文 单元法是由 美国学者坎达尔在 1 9 7 1 年提出，可以 将岩体看作为独立的块 体，用运动学的方法研究块体运动过程中的应力和位移规律。 该法用于解 决被节理切割岩体的大位移、大变形问题。较好地模拟岩层的层状特征及 移动过程中的离层现象。 我国学者何国清、马伟民、王金庄〔 ‘ ’ 建立了 碎块 体理论地表沉陷的威布尔分布，李增其应用积分变换法推导出层状岩 层移动的解析解，谢和平的损伤非线性大变形有限元法 1 9 8 8 和何满潮 的非线性光滑有限元 法 1 9 8 9 试图从大变形角度研究覆岩的移动规律。 杨伦、于广明「LY ; 的岩层二次压缩理论， 将地表沉陷于岩层的物理力学性质 联系起来，杨硕建立了开采沉陷的力学模型 1 9 7 9 . 在采场覆岩和地表变形的时间问题上，波兰学者沙乌斯脱维其 A . S a l u s t o w l c z 和克诺泰 s t . k n o t h e 0 〕 利用土压密的基本假设进行了 研究. 给出了公式 O W c 阮一 w 川 〕 2 - 1 式中 W地表某点的下沉值; W‘ 地表某点当t - - -时最终下沉量; W t 地表某点在t 瞬间的下沉量; c 下沉时间系数，它取决于岩石性质及开采深度。 计算出微分方程的解 二 t ff k 11 一 e x p 一 c t ] 2 - 2 观测实际资 料与公式理论曲线对比表明， 理论曲线的起始部位和实测 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 结果不一致，总是偏小。 王 泳嘉教授[3 1 ] [3 2 ] 在6 0 年代曾 用流变力 学方 法研究了 地表 移动的时间 过程，他用流变力学的凯尔文流变模型研究了岩层和地表移动的时间因 素。后来，中南工业大学曾卓乔教授用流变力学方法解释了 下沉速度系数 c 的物理意义。麻风海应用离散元法研究了层移动的时空过程。中国矿业 大学的崔希民从实验的角度研究了采场覆岩的流变特性。但近几年来，这 方面的研究结果不多。 从上述分析可以看出，对采场覆岩和地表变形的研究上，大体可以上 可以 分为两 类 3 0 ][3 4 ] ， 经典唯象学方 法和 经典力学方 法。 经典 唯象学主要是 经验方法，其研究停留在对现象的微观描述上，从地表移动观测入手，将 地表描述与地质采矿因素联系起来，在大量的地表观测基础上，用统计方 法来描述岩层与地表移动变形，如概率积分法，典型曲 线法等。经典力学 方法是利用力学原理，通过假设，将岩体简化为等效力学模型，建立微分 方程，求解应力应变及位移等各种未知量。因能考虑岩体的固有属性，能 够反映岩体的破坏状态， 应用广泛。但研究复杂的岩体结构，由于避开岩 体的内部本构关系， 虽然减少了工作难度和时间， 由于岩体结构的复杂性， 实际应用效果差。 正确的研究方法应是二者的结合，即“ 黑箱”问题“ 灰箱” 化G W ， 通 过实际现场实测及室内外的岩石力学实验，求出工程岩体有代表性的特征 参数 或确定其范围 ，根据岩体的位移监测结果及分析，确定岩体变形 太原理工大学硕士研究生学位论文 特征的本构方程。 2 . 2 采场，岩运动的基本结构特征及规律 2 . 2 . 1采场扭岩运动的 基本结构特征 研究上覆岩层的运动规律，首先必须搞清覆岩的结构及地质力学特 性。随着地下开采工作的进行，上覆岩层内部的原始应力平衡状态受到破 坏，岩层内部的应力重新分布直至达到新的平衡。采场顶板的变形过程与 上覆岩层的变形过程是不同的。 采场顶板的变形经过岩层变形、 层面开裂、 弯曲、离层，达到极限跨距开始断裂，跨落，形成初次跨落及周期跨落过 程。而对于采场上覆岩层，在充分采动的情况下，表现出跨落，断裂，离 层，移动和变形等特征，形成“ 四带” ，即跨落带，断裂带，离层带和整 体弯曲带。在充分采动后，形成 “ 三带’， ，即跨落带、破裂离层带和弯曲 变形带，最终表现为地表大范围的下沉。地表下沉幅度主要取决于开采矿 物的厚度及上覆岩层的岩性及埋深。上覆岩层形成一个由静态到动态的沉 陷发展过程。 对整个上覆直至地表的整体运动描述主要表现在图2 - 1 所示的“ 横三 区”和 “ 竖三带” ，即沿工面推进方向上覆岩层分别为煤壁支承影响区， 离层区和重新压实区， 由 下往上岩层移动分为跨落裂缝带和整体弯曲 下沉 带。 ①冒落带 煤层上部的伪顶和直接顶，随采随冒，岩石破碎后，在其自重及外加 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 载荷作用下， 逐渐压实， 充满采空区。 该区的 岩层以 梁板结构的脆性断裂 为主。 顶板岩石在自 重作用下， 发生法向弯曲，当岩层内拉应力超过岩石 强度时，破碎成快、垮落而形成。根据冒落岩块的破坏和堆积状况，冒落 带可分为不规则冒落和规则冒落部分。在不规则冒落部分内。 岩层完全失 去了原有的层次，在规则冒落部分内，岩层基本上保持原有层次。 图2 - 1采场及岩整体运动特征分区图 A , B , C -煤壁支承影响区，离层区，重新压实区 工 ，I I , I I I -跨落带， 破裂离 层带，弯曲变形带 F i g . 2 - 1 m o v e m e n t c h a r a c t e r o f o v e r b u r d e n s t r a t a o f m i n i n g f i e l d A , B , C -l o a d - b e a r i n g i n fl u e n c e z o n e , d e l a m i n a t i o n z o n e , c o m p a c t z o n e I ，I I ， I I I -c a v i n g z o n e , b r e a k i n g z o n e , b e n d d e f o r m a t i o n z o n e 冒 落带的高 度取决 于 采出 煤层的厚度和岩 石的 碎 胀系数， 通常为 采出 煤层厚度的3 -5 倍。冒落带的高度可由下式求出 h - 一 三 n K一llc o s a 2 - 3 其中 [ n -采厚;K -碎胀系数;。 一煤层倾角。 碎胀系数K和岩性有关，一般为I . I - I .4 . ②断裂带 太原理工大学硕士研究生学位论文 冒 落带上部的基本顶岩层， 随着开采的进行， 岩层发生垂直于层面的 断开和顺层面的离层。 断裂后的岩块，由于排列整齐， 互相回 转挤压， 仍 保持原有的层状结构， 但岩层层面方向上己丧失了结构和力学性质的连续 性。 这部分岩层的力学机制主要是沿层面方向剪切破坏离层和沿层面法线 方向的张性滑移。变形主要是岩体结构回转弯曲变形及材料的流动变形， 岩层变形向上发展，弯曲曲 率逐渐变小，变形速度趋缓，同时层面方向的 变形范围逐渐扩大，岩层发生弯曲下沉和离层。 ③弯曲带 断裂带之上直到地表直至地表的岩土体， 在自重力的作用下，产生层 面法向弯曲变形。该带内岩土层移动变形呈连续性层状弯曲弹性变形。在 此带内的岩层将保持其整体性和层状结构，其移动过程连续而有规律，岩 层呈平缓弯曲。 以上划分的三个移动带，在水平煤层和缓倾斜煤层埋藏条件下开采时 表现的比较明显。 2 . 2 . 2采场.岩运动的时空特点 岩层移动和变形特征及应力分布情况 老顶垮落后，采空区上方的岩层都将移动。根据国内外对开采后覆岩 破坏特征的钻孔观测，提供了如图2 -2 所示的岩层移动及破坏图形。 根据岩层移动和变形特征及应力分布情况，在移动过程终止后的岩层 内可大体划分为三个移动特征区1 一充分采动区 〔 减压区 n 一最大 太原理工大学硕士研究生学位论文 弯曲区; I I I 一 岩石弯曲 区 支承压力区 t “ t o