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第 期矿山测量№ 3 .3 年 月20039 MINE SURVEYING Sept.2003 25 煤层等矿层（体）开采过程中，覆岩的变形和破坏对 地下工程、地表建筑物和地质环境具有很大的影响，因而 覆岩的变形破坏规律、机理和控制一直是矿业开发中的一 个关键研究问题。以往在研究覆岩变形破坏过程中，由于 受地质条件查明程度和相似材料模拟、数值模拟方法本身 的局限，大多采用简化地质模型（精度较低的地质模型） ， 而对小断层和岩石相变等对采动覆岩破坏的影响考虑较 少，这在一定程度上影响了覆岩采动破坏问题的研究精 度。目前，煤矿采区三维地震勘探和矿井生产中能够查明 小断层和岩石相变等更加精细的地质情况，为基于精细地 质模型的覆岩采动破坏问题的研究提供了条件 [1]。因此，从 地学信息系统所构建的三维地质模型入手，讨论小断层和 岩石相变等对覆岩破坏的影响具有一定的理论意义和现实 意义。 本文以开滦范各庄矿开采地质条件为背景，通过对含 小断层和岩石相变的高精度地质模型与不含小断层和岩石 相变的低精度地质模型的数值模拟和比较，分析基于精细 地质模型进行采动覆岩破坏研究的作用。 数值模拟模型与数值模拟软件1 1.1 数值模拟模型 以开滦范各庄矿开采地质条件为背景，建立了两个不 同精度的地质模型。其中，模型一为不含断层和岩石相变 的低精度模型；模型二为含断层和岩石相变的高精度模 型。 模型一沿工作面走向方向长；沿垂直方向上至300 m 煤层顶板以上，下至 煤层底板；高。模型共784 m7100 m 计层，其中煤层厚，赋存深度。各岩层按具有124 m84 m 相似力学性质的各向异性非线性空间体对待，模拟所采用 的力学参数如附表所示。模型单元划分尺寸为水平方向2 ，垂直方向，共划分为个单元。采用长壁式开m1 m15000 采，开切眼位置在左侧边界以右处，模拟开采步距100 m ，分步开采，共开采，跨落法顶板管理。具体6 m18108 m 的数值模拟模型如图 （ ）所示。1a 模型二模型二（图 （ ） ）与模型一（图 （ ） ）大1b1a 体相同，主要区别是在模型二中加入了由三维地震勘探所 确定的小断层F24，并在模型左侧 ～处将 煤层之40140 m7 上泥岩、砂质泥岩顶板（附表中的 、两层）按砂岩层910 处理（表示了岩石相变） 。断层按弱单元处理，其弹模和抗 压强度分别为和，岩石相变部分的弹模和500 MPa3 MPa 抗压强度分别为和。7000 MPa60 MPa 附表数值模拟模型一各岩层部分力学参数 不同精度地质模型覆岩采动 破坏过程的比较分析 侯恩科 1，吴立新 2，刘宏军 3 （西安科技大学地质与环境工程系，陕西 西安；中国矿业大学北京校区，北京；1. 710054 2. 100083 开滦范各庄矿，河北 唐山）3. 063000 摘 要在建立两种不同精度地质模型的基础上，利用岩石破裂过程分析系统 （ RFPA2D）进行了采动覆岩破坏过程的数值 模拟和比较分析。认为基于精细地质模型的采动覆岩破坏过程数值模拟能够更加真实地虚拟研究围岩的应力、应变规律。 关 键 词地质模型；覆岩破坏；数值模拟；地学信息系统 中图分类号P628 文献标识码 文章编号.3A1001-358X200303-0025-04 序 号 岩性 弹性模量 （） MPa 抗压强度 （） MPa 自重 10 N/mm -5 3 厚度 m 1 下二叠统唐家庄组 细砂岩 6000502.658 2 下二叠统唐家庄组 中砂岩 8000602.6210 3 下二叠统唐家庄组 粉砂岩 10000602.608 4 下二叠统大苗庄组 煤及其顶板泥岩 5 2000362.508 5 大苗庄组号煤层 5 底板粉砂岩 8000502.598 6 大苗庄组砂泥岩夹 煤 4000452.5510 7大苗庄组中砂岩8000302.6512 8大苗庄组细砂岩6000252.6510 9 大苗庄组泥岩 4000102.608 10 大苗庄组号煤层 7 顶板砂质泥岩 200052.602 11 大苗庄组号煤层 71000331.404 12 大苗庄组号煤层 7 底板细砂岩 100001002.6512 第 期矿山测量年月3 20039 26 1.2数值模拟软件 数值模拟采用东北大学岩石破裂与失稳研究中心开发 的岩石破裂过程分析系统RFPA2D。该软件基于有限元基本 理论，充分考虑了岩石破裂过程中伴随的非线性、非均匀 性等特点，即在计算过程中将岩石材料的非均质性参数引 入到了计算单元中，从而能够很好地模拟岩层的非线性本 构 。 该 系 统 将 节 理、裂隙看成是和 岩石一样，也是岩 体的一部分，区别 仅仅是力学性质上 的不同，从而能用 连续介质力学方法 处理非连续性问题 [2] 。能够模拟采动岩 体的动态发展过程 （实现分步开挖模 拟） 、煤层承压底板 突水是该系统在采 矿工程应用中的突 出 特 点 。 除 此 而 外，该系统还可以 模拟单轴实验、三 轴 实 验 、 矿 柱 破 坏、断裂力学、复 合 材 料 破 坏 等 问 题。 2 数 值 模 拟 结 果 比较分析 2.1 煤层顶板破断 过程比较分析 模型一 （ ）随着采场工作面的推进，上覆岩层悬露，在重力1 作用下弯曲。当工作面推进到时，在岩梁的中部发生12 m 开裂（ （图 （ ） ） ；当工作面推进到时，岩梁的端部2a18 m 亦发生开裂破坏（图 （ ） ） 。2b （ ）随着工作面的继续推进，老顶发生破坏。当工作2 面推进到时，老顶初次发生跨36 m 落，跨落高度达（图 （ ） ） 。10 m2c （ ）在老顶初次破断跨落之后，3 工作面推进到时，老顶及其上位72 m 顶板在破断之后再次跨落。即老顶及 其上位顶板出现第一次大面积的周期 性破断跨落，跨落高度（图 （20 m2 ） ） 。d （ ）当工作面继续向前推进时，直接顶随采随冒，老4 顶及其上位顶板进一步破坏。工作面推进到时，工102 m 作面中部偏右侧老顶及其上位顶板发生第二次周期性的破 断跨落，但这次跨落规模相对较小，未进一步向上扩展 （图 （ ） ） 。2e 模型二 （ ）当工作面推进到时，由于煤上覆硬岩层112 m7 的作用，直接顶和老顶均未发生明显的破坏（图 （ ） ） 。2f 当工作面推进到时，仍然受 煤上覆硬岩层的作用，18 m7 顶板未发生明显破坏。 第期3 侯恩科等不同精度地质模型覆岩采动破坏过程的比较分析年月 20039 27 （ ）当工作面推进到时， 煤顶板硬岩右侧的顶236 m7 板泥岩在接界处才开始发生破坏（图 （ ） ） ，顶板的破坏2g 比模型一相对延迟了。24 m （ ）当工作面推进到时，老顶初次大面积移动348 m 和破坏。首先，是硬岩右侧的直接顶和老顶泥岩破坏并发 生回转下沉，之后，靠近开切眼一侧的硬岩顶板出现离 层、悬臂和跨落，同时老顶之上的砂岩和工作面前方的断 层也发生破坏。这一阶段末，顶板跨落高度达余，顶10 m 板破坏高度达（图 （ ） ） 。30 m2h （ ）当工作面推进到到达断层位置时，由于受460 m 断层活动的影响，邻近断层工作面上方老顶及其上位顶板 发生离层跨落。即老顶及其上位顶板发生第一次周期性破 断（图 （ ） ） 。这比模型一老顶及其上位顶板的第一次周2i 期性跨落又提前了 ，其原因就是12 m 断层影响的结果。 （ ）当工作面5 推进到时，102 m 仅断层右侧邻断直 接顶和老顶发生了 小面积的局部破坏 跨 落 ， 而 远 离 断 层，仅直接顶发生 了破坏，老顶未发 生明显的破坏（图 （ ） ） 。2j 模型一和模型 二较好的反映了工 作面上覆岩层的破 坏、跨落过程和特 点。上覆岩层破断 过程的总趋势是由 下而上发展的，一 般 直 接 顶 随 采 随 冒，当工作面推进 到一定距离后，老 顶初次破断，之后 随着工作面的继续 推进，老顶出现周 期性的破断现象。 当覆岩中有硬岩层和断层存在时，受其影响，覆岩的破坏 过程和特点与无硬岩层和断层的情况具有较大差异。 2.2 煤层顶板来压比较分析 模型一 随着工作面的推进，直接顶和煤壁两端上部应力逐渐 集中。由应力分布可知，此处的应力集中为拉应力集中。 当工作面推进到时，煤层直接顶岩梁和煤壁两端上部12 m 拉应力集中明显，并造成左侧煤壁上部直接顶板破坏（图3 （ ） ） 。当工作面推进到时，应力进一步集中，并造成a18 m 直接顶板跨落和煤壁上方老顶的局部破坏（图 （ ） ） 。当3b 工作面推进到时，老顶初次来压，跨落带高度发展到36 m （图 （ ） ） 。当工作面推进到时，老顶第一次周10 m3c66 m 期性来压已初显端倪，并于工作面推进到时，老顶第72 m 一次大面积周期性来压 致使跨落带高度发展到来压,20 m, 步距（图 （ ） ） 。当工作面推进到时，老顶及36 m3d102 m 其上位顶板第二次周期性来压 跨落带范围向右进一步发展, （图 （ ） ） 。呈现出了以为步距的周期性跨落特点。3e36 m 模型二 当工作面由推进到时，应力集中由弱到12 m36 m 强，并在硬岩层的右端侧，应力集中超过泥岩顶板的抗拉 强度而致使顶板泥岩发生破坏（图 （ ） 、 （ ） ） 。当工作面3fg 推进到时，老顶初次来压（图 （ ） ） ，跨落带高度发48 m3h （下转第页）30 第 期矿山测量№ 3 .3 年 月20039 MINE SURVEYING Sept.2003 30 残余沉降变形为下沉，倾斜，水平变形272 mm5.0 mm/m ，曲率变形2.3 mm/m0.1710 -3 。/m 由于采空区为大面积长壁开采，今后地表不会产生剧 烈的沉降。因此，新建住宅楼只要采取能够抵抗预计的残 余变形的结构技术措施即可。年在此区域建成余栋199850 建筑物，实践证明地基稳定性评价正确、保护技术合理。 3.2 部分开采采空区地表建筑实例 某地拟在采空区上新建三栋六层住宅楼，该区域采空区 经物探和钻探方法查明采深～，采厚，煤22.639.4 m5 m 层倾角。采出率不足，开采年代不详。6.850 由于该区域采空区系小煤窑不规则开采，顶板大部分 未垮落，随着时间的推移受风化、加载或地震等影响会发 生塌陷破坏。因此，为确保住宅楼地基长期稳定性，建房 前必须对地下采空区进行处理。考虑处理后不可避免会存 在小范围的注浆不密实区，再加上新建住宅楼的荷载作 用，今后地表仍会发生少量的残余沉陷变形。因此，采空 区处理后地表新建住宅楼还必须采取简易抗变形结构措 施，这样可以确保住宅楼长期安全使用。 结论4 （ ）在采空区地表新建建筑，要结合具体情况， 评 价1 采空区的稳定性，并采取相应的处理技术措施，才能确保 建筑物的安全。 （ ）稳定的采空区不再因新加建筑荷载扰动而重 新 沉2 降时，采空区最小采深应该大于断裂带高度与建筑荷载影 响深度两者之和。 （ ）针对采空区具体情况，预计地表残余沉降变形。3 当残余变形比较均匀、平缓时，建筑物应采取抗变形结构 保护措施；当残余变形剧烈，对建筑危害大时，应采取地 下采空区处理技术措施，建筑物还应采取简易抗变形结构 保护措施，才能确保建筑物的安全。 参考文献 张俊英 采空区地基评价与处理技术矿山测量（ ） [1] . [J]. , 20012 48-49. 郭广礼 ，邓喀中等深部老采区残余沉降预计方法及其应 用[2] . 辽宁工程技术大学学报（自然科学版）（ ）[J]. , 2002,2111-3 国家煤炭工业局制定 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留[3] . 设与压煤开采规程北京 煤炭工业出版社[S]. , 2000.226-235. 华南工学院等 地基及基础 北京 中国建筑工业出版社[4] . . , 1981.63-80 （收稿日期）2003-06-25 作者简介张俊英，男，河北武安人，煤炭科学研究总1965- 院唐山分院研究员 中国矿业大学北京校区在读博士生。从事建, 筑物下采煤和开采沉陷损害与综合防治技术研究 完成十多项部, 级以上科研项目并项获省部级科技进步奖，发表论文余850 篇，曾获河北省青年科技奖，煤炭系统专业技术拔尖人才。 （上接第页）27 展至余 （图 （ ） ） 。工作面推进到时，老顶出10m3h60 m 现第一次周期性来压，来压步距为，跨落高度发展到12 m 余 （图 （ ） ） 。当工作面推进到时，断层邻近20m3i102 m 应力逐渐集中（图 （ ） ） ，并使邻近断层顶板局部破坏。3j 与模型一相比较，工作面左部的煤层顶板硬岩层推迟了顶 板的破坏跨落，且硬岩层以整体形式跨落，起到了关键层 [ 3]的作用。另外，断层软弱面的存在造成局部应力集中和破 坏，使老顶第一次周期性来压步距相对缩短，并控制了老 顶及其上位顶板的跨落形态。 模型一和模型二较好地反映了工作面上覆岩层的来压 特点。随着工作面的推进，覆岩中下部和煤壁上端发生应 力集中，当应力超过岩石的强度时便会导致岩石的破坏。 在老顶初次来压以后，随着工作面的推进，会进一步产生 周期性来压。这种应力集中和周期性来压因硬岩层和断层 的存在而引起较大的变化。 结论3 基于精细地质结构的采动影响数值模拟能够更加真实 地虚拟研究围岩的应力、应变和破坏规律，如考虑了小断 层和岩石相变的精细地质模型就能比较接近实际地模拟出 老顶来压步距、覆岩跨落形态和破坏过程的变化。 参考文献 [1] Wu Lixin and Hou Enke et al. A New For Mining Influence Based on Fine Geological Structures. In Xie Heping ，Edited Computer Applications in The Mining Industry Rotterdam Balkama, 2001, 731-734. 唐春安，傅宇方，林鹏，等 岩层移动过程的数值模拟新方[2] . 法阜新矿业学院学报，，（ ） ～[J]. 1997163193 195. 钱鸣高，缪协兴，许家林 岩层控制中的关键层理论 煤炭学[3] . . 报，（ ） [J]19963225-230. （收稿日期）2003-07-25 作者简介侯恩科（） ，男，陕西扶风人，教授，博士。1963- 年毕业于西安矿业学院煤田地质与勘探专业，获硕士学1987 位，年毕业于中国矿业大学大地测量与测量工程专业，获2003 博士学位。出版教材专著 部，发表论文余篇。现主要从事340 地质工程、地理信息系统及其应用方面的教学与研究工作。 ENGLISH ABSTRACTS OF MAIN ARTICLES IN THIS ISSUE Research on Some Theories and Technical Problems Regarding Mining- induced Subsidence--A brief introduction is made in the paper to main research- derived achievements with respects to mining-induced subsidence theories and techniques obtained by Beijing Campus of China University of Mining and Technology for so many years, which include mainly laws of surface movement in coal mines, surface movement laws of mining under condition of giant thick loose strata, overburden movement mechanics and computation of surface movement and deation in block cut mining, prediction s of surface movement and deation in extremely-insufficient mining, study on mining- induced subsidence models based on varied dip angles, prediction s of surface movement in coal seam mining with a distribution shape of curved surface, mechanics of applying overburden delaminating grouting to alleviate surface subsidence and uation on its effect, and development and research on prediction in addition, higher education and talents training related to new type mine surveying are required to be strengthened conscientiously, so as to keep abreast of future development of mine surveying technique. Keywords Digital mine, ocean mining, mining in other celestial bodies, mine surveying Wu Lixin et al. Research on Architecture of Logistics Spatial Ination System Based on Middleware--The middleware technique provides us a kind of completely-new software engineering idea, while flexible bus model offers a type of software- integrated plug-and-play mode. The paper illustrates firstly the logistics spatial ination system and then gives a design pattern of architecture of logistics spatial ination system applying the flexible bus model on a basis of middleware technique. Cai Shaohua et al. Analysis of Affecting Factors and Mechanics of Infrared Radiation Coming from Loaded Rocks--In the paper, based on summery of past experiments, analysis and discussion are made on affecting factors i. e. Loading speed, loading mode and rock character and mechanics of infrared radiation happened during rocks are compressed, the conclusion reached is that1 AIRTaverage infrared radiation temperature rises quickly with increase of loading speed,but when the loading speed reaches between 2.7510-5/s and 1.6510-4/s, the infrared radiation of rocks within unit strain has not obvious regular variation; 2 the IRT rises when rocks are compressed and decreases when stretched; 3 due to differences of mineral composition, structure and constitution in rocks with different characters, infrared radiation in the loading process presents different variation laws; 4 the variation laws of infrared radiation are controlled by two kinds of heating effects, i.e. thermoelastic effect and friction heating effect, which play different roles in different loading stages. Liu Shanju n et al.