采煤和地下水疏降共同作用下的地表沉陷研究.pdf

增刊 2 0 0 1 年9 月 矿山测量 M I N ES U R V E y I N G S u p S e p ．2 0 0 1 采煤和地下水疏降共同作用下的地表沉陷研究 陈允芳成枢 山东科技大学 摘要开采固体矿轴或地下水，均套导致岩土体疏水．谊文从疏水岩土傩固结理论入手．应用随机介质理 论，对疏水引起的地表沉降与变彤进行了初步探讨．培出了硫水沉降预计的计算套式．并在柬蝶引起的沉陷计 算基础上．实现了这两种不同成因沉降的叠加，从而解决了采煤及疏降水共同作用下引起的地表沉降预计p - ] 题． 关奠词地袁沉降岩土固蛄有效应力原理 在长期的理论研究和生产实践中，国内外有关学者就地下开采所产生的岩层移动与地表沉陷的问 题，进行了深入研究．逐步形成了一套比较完善的理论方法体系，但大多数情况下仍不能满足客观实际 的需要。以往的研究仅局限在固体矿物开采对地表沉陷的影响，而一些开采沉陷现象用常规的开采沉陷 理论已解释不清如地表F 沉系数偏大，甚至犬于1 ；地面沉降范围扩大；活跃期剧烈且集中；地表移 动稳定期长；袁土层较厚的矿区井筒在基岩以上部分容易被破坏等等。由于忽视了沉降过程中土体产生 的水土耦合作用．国内外对这些现象产生的机理．尚未能进行深入的研究和取得合理的解释，这就需要 进行采煤和地_ F 水疏降共同作用下的地表沉陷研究。 l 疏水岩土体固结及地表沉降 1 ．1 疏承岩土固结机理 含水岩土体是一种由固相岩土颗粒及液相孔隙水组成的两相介质。根据太沙基的有效应力原理．岩 土体内的总应力，可认为是由有效应力和孔隙水压力两部分组成．它们分别由固体岩土颗粒和孔隙水分 担。当岩七体内的水被疏干后．士中的孔隙水压力降低，即原来由孔隙水所分担的应力将减小．而岩士． 中的周体颗粒所承受的应力将增大，即有效应力增加，导致岩土体本身的压密、固结变形。疏水范围之 内的岩土层释水压密后，其周围原有的应力平衡状态被破坏，引起上部岩土体沉降，此不均匀沉降发展 到地表会导致地面变形，形成一个与固体矿物开采沉陷中的地表移动盆地 相类似的沉陷区域。 1 ．2 疏水岩土移动及变形计算 、 假设岩土颗粒及孔隙水均不可压缩．且疏水固结主要是由于有效应力增加而导致的岩土体内孔隙的 减小．如图1 所示的二维情况．在原始水位线 与岩土疏水影响边界曲线口 “f 之间的疏水部分中， 任何单元岩土体均产生只沿垂直方向的微小压缩出．它使得上覆岩土体向下移动．并在地表形成微小 单元下沉盆地‰“ 『2 】。根据随机介质理论．单元下沉为 垆志州一号挚， 将坐标系转换到三维情况下．则单元B f ．f 的压密固结引起地表任意点A x y 的下沉H ‰ t y 为 ‰ t ， ；士“p h 垃旦；止盟】 1 7 [ r D ，‘仰 上述影响的叠加综台，在地表形成下沉‰ ， w , d x , y I II ‰ “ 喇 2 4 由文献【2 】知．报据太沙基一维固结理论．某深度口处的单元在有效应力增量的作用下产生的微元 压缩出 一 ． 。d a 导I g i 』萼二笔三兰竺L 弋a n 即出“呐d 吁 3 ⋯0“7 n ’V f ’” ，J I - ， 式中，，o 、Y 、y 。分别为地F 水位面口 以上岩士、以下饱和岩士及孔隙水的容重3 为岩．fhkN／me o _ 十的韧始孔隙比。 增刊陈尢芳等采煤辛口地下水虢降共同作用下的地表沉陷研究2 0 0 i 年9 月 将 1 、 3 代入 2 得 ％t t n 2l 炉字钟h m 2 声垒立；i 翥型H 榭蜊- 由此引起的地表任意点任意方向的水平移动u 。“H p 和水平变形～ ‘片9 吣邶， 品％产，～““ 盟器业 式中，，押 为_ 水平上的开采主要影响范围．B - - - - 0 ．2 ～0 ．4 为水平移动系数。 癸形 W o b y 、、 圈2 罘煤与琉障水对地荦晕沉陷的作用示嚣田 2 采煤引起的岩层与地表移动的概率积分法计算 由文献【3 】知，二维情况下单元开采引起任意点A 点的下沉伊矗 ， ％ 砷 “p 【_ 盟 ；芷】 三维情况下，设煤层是水平的，煤层坐标系f 、0 l 、f 和地面坐标系x 、0 、Y 的水平投影重合， 则单元B f ，f 的开采引起地表任意点A x ．y 的下沉％ t ， ％“y { “p h 生鱼≥业盟】 煤层的顶板下沉量为％唧一a ．开采范围O ．C D E 记为n ，则接个开采引起A 点的下沉 w d x , y w of f - “p 卜霄生芷掣兰二芷M 埘 努‘ r ． 任意点A X ．y 沿P 方向的水平移动和水平变形分别为 u 。‘‘H P ；扣 ； } 堕，岛 ‘ 神 r 譬譬盟 其中，6 为水平移动系数。，为主要开采影响半径。 3 采煤和地下水疏降共同作用下的地表沉降 I 坩h y ％恤力 ％ 而力 { u k 力 u c 仉H 一 u - ““ 【t “y b 暑n 计 “““ 采煤和岩土体疏水均会导致地表沉降。可以假设这两个事件是相互独立的，因此地表最终移动及变 形应为两个原因所导致的两种后果的线性叠加．即对这两种不同因素造成的沉降进行叠加计算时，应 注意以下几个方面的问题 1 这里假设疏水沉降的地层的岩性特征为地下水位线以上是干性岩土．以下是均质各向同性的 饱和含水岩土体。 2 在 1 的基础上可认为，地面沉降中心与地下水位降落漏斗中心、采煤引起的下沉中心在水 平面上的投影是重台的，从而可使用统一的坐标系进行计算。 3 两类沉降公式的计算参数是不同的．疏水沉降公式中的，钾 为口水平上的开采主要影响范围， 增刊矿 山 测量2 0 0 1 年9 月 B 是取值约为0 ．2 ～0 ．4 的水平移动系数；而采煤引起的沉降计算中．6 为水平移动系数，，为主要开采 影响半径。 4 对课题的认识及其发展前景的探讨 关于地下水疏降引起的岩土沉降及变形，目前国内外研究较少，本文只是在开采沉陷理论的基础上 进行初步探讨．仅是理论上的初步分析。今后进一步展开讨论并推广应用时，还应注意以下几个问题 1 ．地下水的疏降引起了土体孔隙的变化，土体孔隙比的变化将改变土体的渗透系数，趴而影响了 土体的渗流和固结．引起了土体变形，进而导致了地面沉降。因而，计算土体变形引起的孔隙比的改变 量是疏降水沉降计算中的关键问题。 2 ．疏水沉降的过程可分为两部分，疏水引起的土层压密和上覆土层的弯曲移动变形。其中的土层 压密和地基的固结沉降是类似的；而地层弯曲变形和开采沉陷的地层变形类似。疏水沉降的变形计算也 相应地分为土层的压密计算和上覆土层的变形计算两个方面土力学中．对土层的压密有根详尽的研究， 如地基沉降的实用计算公式、粘土的同结理论等；上覆土层的变形计算可参考开采沉陷中的连续介质理 论、典型曲线、概率积分法等计算方法。 3 ．长期以来，疏水沉降的计算基本上仅限于土层的压密变形．．而忽略了上覆土层的变形。土层的 压密与地面沉降变形在地基沉降中基本是一致的．但在疏水沉降中是完全不同的两个概念，这是必须加 必注意的。例如，地面沉降中破坏巨大的水平变形主要是由上覆土层拉伸、挤压产生的，而不是压缩层 的水平变形。因此，对上覆土层的变形研究以后还需要加强。 4 ．在进行疏降水引起的沉降计算时．要借鉴土力学中地基应力与建筑物沉降计算的有关原理和方 法，但又要注意二者之间的区别。地基沉降主要是在地基自重应力和附加应力 即地面荷戴 作用下- 地层发生了复杂压缩变形产生的。其中主要的一部分是超静孔隙水压力消散引起的固结沉降．是通过改 变了地层中的总应力，使地基中产生了超静孔隙水压力；疏水沉降中是直接改变了孔隙水压力，保持总 应力基本不变。在计算方法上，地基沉降计算通常是应用一般总和法，将地基分成足静薄的土层来计算； 而疏降水沉降计算中考虑的仅是有效应力增量问题，疏水岩土体中的孔隙水压力转而由岩土颗粒承担， 从而改变了孔隙水压力而转变为有效应力，总应力基本保持不变。 5 ．疏水沉降计算的关键在于沉降预计．即求取其下沉函数形式。可以借鉴开采沉陷中的经验公式 法，以现场实测资料为基础．对实测资料进行分类整理、分析，寻求疏水条件下的经验公式及其参数与 岩土力学性质之间的关系，找出具体地质条件下的疏水沉降函数形式；也可以用模型和参数识别方法， 把疏水沉降后的整个岩土体作为一个系统来研究，根据输入，用各种系统模型来试探该系绕的响应 即 输出 ，然后比较模型的输出和已知输出，利用时间序列、有限元及最优化等知识进行适当处理，直至 得到与实测结果相符的最佳力学模型及参数。 参考文献 I ．饯家敢、艘宗泽．土工原理与计算 第二版 ．中国水利水电出版社，1 9 9 6 2 ．刘宝琛、阳军生、张象生．露天开挖及疏水引起的地面沉降及变形．煤炭学报，1 9 鹎．№I _ 2 4 ． 1 , 1 0 ．1 3 ．何圉清等．矿山开采沉硝学．徐州中国矿业大学出版社．1 9 9 1 4 ．成枢．岩层与地表移动散值分析新方法．徐州中国矿业大学出版社．1 9 9 7 6 7 采煤和地下水疏降共同作用下的地表沉陷研究采煤和地下水疏降共同作用下的地表沉陷研究 作者陈允芳， 成枢 作者单位山东科技大学 引用本文格式陈允芳.成枢 采煤和地下水疏降共同作用下的地表沉陷研究[会议论文] 2001