黄土山区地形对开采沉陷预计的影响研究.pdf

doi10. 11799/ce201510025 收稿日期2015 －04 －26 基金项目科技部第六批中国 － 南非合作项目 2012DFG71060 ;国家自然科学基金 41272388 ;陕西省教育专项基金 12JK0800 作者简介汤伏全 1966 － ，男，陕西西安人，工学博士，教授，现在主要从事矿山测绘方面的教学和科研工作， E － mail m18729046018163. com。 引用格式汤伏全，贺国伟． 黄土山区地形对开采沉陷预计的影响研究 ［ J］ ． 煤炭工程，2015，47 10 77 －79． 黄土山区地形对开采沉陷预计的 影响研究 汤伏全，贺国伟 西安科技大大学 测绘学院，陕西 西安710054 摘要为了研究山区地形对开采沉陷预计的影响，根据黄土山区地形的特殊性，将山坡条 件下的单元体积变形分解为正常平地下的体积变形和塑性滑移引起的体积变形增量，然后运用相 关预计模型将山坡滑移附加影响与常规开采沉陷结果进行叠加，作为山区地形下的开采沉陷预计 结果。通过研究分析，对黄土山区地形的斜坡滑移影响进行了深入的理论探讨。并以铜川矿区 Y905 工作面为实例进行了验证，理论分析结论与实际测量资料相符，证实了在考虑山坡滑移对 地表沉陷变形的影响后，以叠加的方式进行预计，更适用于西部黄土山区的开采沉陷预计。 关键词山区;山坡滑移;煤矿开采;黄土;开采沉陷 中图分类号TD325文献标识码A 文章编号1671 －0959 2015 10- 0077- 03 Influence of Loess Mountainous Terrain on Estimation of Mining Subsidence TANG Fu － quan，HE Guo － wei Institute of Surveying and Mapping Science and Engineering，Xian University of Technology，Xian 710054，China AbstractTo study the influence of mountainous terrain on the estimation of mining subsidence，according to the particularity of loess mountainous terrain，the unit volume deation of slope under the condition was decomposed into normal underground volume deation and the volume deation increment induced by plastic slip，and then with the relevant expected additional models，the influnece of the hillside slippage was superimposed on the result of conventional mining subsidence，to obtain the mining subsidence estimation results of mountainous terrain．Through research and analysis，the impact of loess slope slip in mountainous terrain was theoretically discussed in － depth．The results was verified inTongchuan Mine Y905 working face，which matched with the actual measurement data． The study confirms that， the superimposed estimation results are applicable for the mining subsidence estimation of western loess mountainous area， considering the hillside slippage． Keywordsmountainous terrain;hillside slippage;coal mining;loess;mining subsidence 黄土山区地形地貌复杂，本身属于地质灾害区多发 区 ［1 ］。在开采沉陷预计领域，黄土山区的开采沉陷预计是 较为复杂的 ［2 ］。受山区地形影响，常规的开采沉陷预计理 论在山区地形并不适用，预计结果与实测结果往往有着较 大的悬殊 ［3 ］。本文着重对山区地形下斜坡滑移的影响进行 了分析研究，将斜坡滑移对地表移动变形预计的影响进行 了系统的分析。并将结论运用到铜川矿区 Y905 工作面进行 分析，对结论的正确性进行了验证。 1黄土山区采动斜坡滑移预计模型 1. 1地表滑移附加水平移动与下沉预计 实际资料和模拟研究表明，在黄土山区斜坡条件下地 表产生的塑性滑移变形［4 ］，使土体单元的体积变形与相同 平地条件不同，其增量特征与开采竖直变形和斜坡倾角及 坡体组合形态有关［5， 6 ］。为了利用已有平地条件的预计模 型，将斜坡条件下的单元体积变形分解成正常平地下的体 77 第47卷第10期 煤炭工程 COAL ENGINEEＲING Vol. 47，No. 10 积变形和塑性滑移引起的体积变形增量，据此构建地表斜 坡采动滑移变形预计模型。 设地表单元的位置坐标为 x，地表主断面上竖直变形、 水平变形和体积变形在地表横向发育半径分别为 εz λ z 、 εz λ x 、εh λ h ，定义相对位置坐标 k1和 k2，参照黄土矿 区开采沉陷预计模型［7 ］，地表单元水平变形可写成如下形 式 εx λ x k1εz λ z k2εz λ x εh λ h 1 式 1 中，第三项为塑性滑移体积变形增量 εh λ h ， 而d ε h λ h dx 的分布特征与土体单元的竖直变形 εz λ z 分 布相同，根据其数学关系表示成积分形式 εh λ h kh∫εz λ z dx kh∫ w e λ z z dx － kh［ 2πB3 x /r3t］ exp － π x /r2t 2 根据单元水平滑移增量 Pe y － t 及 Pe x － s 与上式的 数学关系 P e y － t x ε h λ h ，可得 ΔP e y － t∫khεh λ h dy kh B1 rt exp［－ π y － t 2 /r2t］ ΔP e x － s∫khεh λ h dx kh B3 rt exp［－ π x － s 2 /r2t } ］ 3 令上式中 Ｒ x，θ khB3，Ｒ y，θ khB1，并联系黄 土覆盖区地表下沉表达式 W0 y ，W0 x 。则整个基岩面 主断面上不均匀下沉 W t 及 W s 引起的地表斜坡滑移水 平移动 ΔU0 y 及 ΔU0 x 可写为 Ｒ 与相应地表下沉的乘积 形式。 地表斜坡滑移与开采沉陷量及 Ｒ 有关。山坡滑移量随 地表倾角增大而变大，也与土层的塑性特征有关。因此 Ｒ 定义为倾角的正切与地表滑移特性参数的乘积。用 p1，p3 为地表滑移特性参数，θ 为主断面上地表倾角，正向坡时为 正，反向坡时取负值。则 ΔU 0 y p 1tanθW 0 y ΔU 0 x p 3tanθW 0 x} 4 由于地表斜坡滑移水平移动将会引起地表点的附加下 沉 ΔW0 y 及 ΔW0 x ，按下式计算 ΔW 0 y p 1tan 2 θW 0 y ΔW 0 x p 3tan 2 θW 0 x} 5 1. 2滑移预计参数的确定方法 上述预计模型涉及的参数主要包括滑移特性参数 p1、p2 和地表倾角 θ，其余参数与平地条件相同。倾角 θ 属于几何 参数，由主断面上地表剖面线的斜率确定，滑移特性参数 p1，p3根据最大下沉点的水平移动量确定。设地表最大开 采沉陷量为 Wm，若在该处存在水平位移，则可视为是斜坡 滑移量 ΔU。则滑移特性参数p ΔU/ tanθWm 。 地表滑移特性参数 p1，p3也可根据实测下沉和水平移 动值来确定。例如，设走向主断面上任意点的下沉实测值 W x ，实测水平移动量为 U x ，地面坡度为 θ x ，则参 数 p x U0 x－ U0 x / tanθ x W x ，根据实 测数据按最小二乘原理确定地表滑移特性参数。 2山坡滑移影响下地表移动预计实例 Y905 工作面位于铜川矿区鸭口矿东北方向约 3km。该 处地貌梁峁纵横，沟谷深切，南高北低，东西端各向中间 倾斜，顺工作倾斜方向地表坡度略缓，地表平均坡度为 15，最大坡度为 28。属于典型的黄土山区地形。其地貌 及观测站布设如图 1 所示。 图 1 Y905 观测站平面图 以铜川矿区鸭口矿 Y905 工作面走向主断面为例，在计 算平地条件下地表沉陷变形值的基础上，利用计算机编程 计算地表山坡滑移变形量，并分析地表开采沉陷与滑移变 形的叠加效应。 2. 1平地条件下地表沉陷与变形预计 按照黄土覆盖区地表沉陷预计模型，Y905 工作面开采 基岩面属于充分下沉状态式，绘出走向主断面上的下沉曲 线和水平移动曲线，如图 2 和图 3 所示。 图 2山区地表下沉叠加曲线图 图 3山区地表水平移动叠加曲线图 87 研究探讨煤炭工程2015 年第 10 期 平地条件下的地表移动预计模型和曲线特征与前面一 致。水平移动和水平变形影响范围大于下沉范围。采空区 中央倾斜和曲率均为零，但水平变形不为零。由于该曲线 是假定平地条件下的预计曲线，它与滑移预计曲线相叠加 后，即为地表实际移动曲线。 2. 2地表滑移变形预计 根据 Y905 观测站地形图及地表走向主剖面简化后确定 不同位置坐标的地表倾角，结合黄土覆盖区开采沉陷预计 模型 见表 1 ，将预计点的位置坐标及其对应坡度角进行 计算，预计出地表滑移水平移动及附加下沉值。将平地条 件预计结果和山坡地表滑移变形预计结果进行叠加，获得 山区条件下地表下沉和水平移动的叠加曲线。 将平地条件下的预计结果与滑移变形预计结果进行叠 加并与实测下沉值进行了比对，经过大量对比分析之后， 该模型能够满足一般黄土山区的开采沉陷预计。部分点的 比对结果，见表 2。 表 1走向主剖面地表坡度角 位置坐标/mx≤ －40－200 20406080100120140160180200220240 坡角 θ/ 02020 201510550－5－10－15－15－15－150 表 2实测值与预计值 项目 位置坐标 x/m 2060100160 预计下沉值/mm－501－1103－1311 －1312 实测下沉值/mm－505－1098－1301 －1305 2. 3山坡滑移影响分析 根据实测资料，采空区中央上方地表最大下沉量 1305mm，其水平移动量为 325mm，不等于零。且最大水平 移动量 652mm，为最大下沉值的 0. 5 倍，而不是一般规律 的 0. 3 倍，水平位移量明显较大。结合图 2 和图 3，按照常 规模式的预计结果中，采空区上方位置的水平移动量几乎 为零，常规开采沉陷模型无法对实测资料进行解释。受山 坡滑移影响，该观测站走向剖面地表移动变形分布与常规 情况下有差异。沿走向地表坡角在 0 ～20范围内变化，在 其东翼 位于地表移动移动盆地中央 有一条深约 40m 的冲 沟，坡向和下沉盆地 开切眼一侧 倾向一致，沟坡向下坡 滑移产生的水平移动和开采引起的水平移动方向一致，使 地表水平移动量增大。在滑移影响下，地表下沉随地形起 伏发生明显变化。 地表变形最大值基本出现在地表坡角较大的采空区上 方，而一般浅表土层平原矿区地表变形集中在开采边界上 方，这反映了坡度变化对地表变形分布特征的显著影响， 开采引起的山坡侧向滑移是导致黄土沟壑区地表移动异常 的主要原因。实测资料表明，迎坡开釆时地表移动变形量 增大。 采空区中央上方将受到山坡滑移的附加影响，其水平 移动是两者的叠加结果，综合分析可以得出结论，考虑了 山区滑移影响后的叠加预计结果与实测数据更加相符。 滑移水平移动特征与地表斜坡倾角和坡向有关。当坡 向和开采水平移动方向一致时，使地表水平移动量增大， 反之则减小。在山谷附近 x 100m 山坡滑移量为零。而 采空区中央地表最大下沉点附近受到山坡滑移的附加影响， 存在较大的水平移动，其水平移动预计结果是由于两种移 动量叠加的结果。综合分析可以得出结论，考虑了山区滑 移影响后的叠加预计结果与实测数据更加相符，适用于西 部黄土山区开采沉陷预计。 3结论 1黄土山区地形对地表沉陷变形会产生附加作用，在 斜坡滑移作用下，地表的沉陷结果是平地条件下的沉陷变 形与山坡滑移附加作用两者的叠加。 2在黄土山区开采沉陷预计中，考虑山坡滑移附加作 用，将其与平地条件下的沉陷变形叠加后作为预计结果， 更适用于西部黄土山区的开采沉陷预计。经验证，叠加后 的结果与实际测量资料更加接近。 参考文献 ［ 1］郭讯，戴君武． 采煤沉陷与断层相互作用引起地表建筑破 坏特点分析 ［J］．辽宁工程技术大学学报 自然科学版 ， 2006，25 6 851 －854． ［ 2］梅松华，盛谦，李文秀．开采沉陷研究的新进展 ［J］． 岩石力学与工程学报，2004，23 1 4535 －4538． ［ 3］康建荣．山区采动裂缝对地表移动变形的影响分析 ［J］． 岩石力学与工程学报，2008，1 1 59 －64． ［ 4］邵生俊，陶虎，许萍． 黄土结构性力学特性研究与应用 的探讨 ［J］． 岩土力学，2010，32 2 42 －50． ［ 5］王永炎，林在贯．中国黄土的结构特征及物理力学性质 ［M］． 北京科学出版社，1990． ［ 6］杨进良，陈环． 土力学 ［M］．北京中国水利水电出版 社，2009． ［ 7］王国钦，肖树芳． 土结构本构模型研究现状综述 ［J］．工 程地质学报，2006，14 5 620 －626． 责任编辑郭继圣 97 2015 年第 10 期煤炭 工程研究探讨