煤礦開采引發(fā)地表變形的動態(tài)測量方法探析

摘要：當(dāng)?shù)叵碌拿簩釉陂_采出來之后，其采空區(qū)的頂板在地心重力的作用下會與頂板上方的覆巖及土體向?qū)永砻娣ň€方面緩慢移動，當(dāng)?shù)叵鹿ぷ髅娌粩嗤七M(jìn)之后，采空區(qū)的頂板巖層端部會逐漸出現(xiàn)開裂的情況，其在巖層中部開裂區(qū)域較小的條件下，會出現(xiàn)頂板巖層整體垮落的情況，該文基于實(shí)際，就煤礦開采引發(fā)的地表變形動態(tài)測量的方法做出探究，望給有關(guān)人士參考。

關(guān)鍵詞：煤礦開采 測量 地表變形 坐標(biāo)

中圖分類號：P2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）01（a）-0-01

1 地下煤礦開采引起地表變形的原因及作用機(jī)理

1.1 由水平面變形而引起的破壞

地表的收縮和拉伸就是指水平變形。由于拉伸的力量太大，并且超過了建筑物自身抵押拉伸里的范圍，那么拉伸的破壞性最大，就算在較小的地表拉伸一下都可能導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生裂縫。一般最容易在門窗或是洞口的部位產(chǎn)生裂縫，那里是建筑物最薄弱的地方。用磚砌起的建筑物最容易產(chǎn)生水平裂縫，縱向圍墻和橫向圍墻會將門洞擠成菱形，或是導(dǎo)致屋頂鼓起。建筑物破壞的程度往往與它本身的建筑結(jié)構(gòu)、材料、形狀和質(zhì)量有著重要關(guān)系。其中最主要的原因來自于建筑物的平面尺寸和剛度。地表的變形將會對建筑物的基礎(chǔ)產(chǎn)生水平附加力。

1.2 當(dāng)?shù)乇黹_始豎向變形的時候，會對建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻的支反力，由此產(chǎn)生附加剪力和附加彎矩，所產(chǎn)生的附加作用力會對建筑物產(chǎn)生直接的影響

通常情況下，在地表移動以后在穩(wěn)定下沉的建筑物，在進(jìn)行開采的過程中，還將繼續(xù)受到地表動態(tài)變形的影響，因?yàn)槔炝Φ木壒剩?dāng)工作面離開建筑物的時間距離超過一定值的時候，建筑物又可恢復(fù)原狀。

1.3 移動角度和范圍

在地表變形的理論中，移動角是最重要的角參數(shù)值。移動角在巖土工程施工中是指在移動盆地主要斷裂面上臨界變形值的采空區(qū)和點(diǎn)之間的連線與水平線之間的夾角。通過數(shù)據(jù)模擬的結(jié)果得出，由于開采煤層的數(shù)目和開采的中斷不同，巖層的性質(zhì)也不一樣，當(dāng)然移動角也就不一樣了。如果礦區(qū)上面存在松散的巖層時，也會有松散層移動角。在數(shù)值模擬以前，應(yīng)先采用精確的公式去驗(yàn)算和比較，確定巖層移動角的數(shù)值。

2 地下煤礦開采引起的地表變形的數(shù)值分析

目前世界上最先進(jìn)的數(shù)值模擬法是FLAC原理，它的基本原理與離散元相似，但FLAC原理所應(yīng)用的節(jié)點(diǎn)位置移動連續(xù)的條件，能夠?qū)B續(xù)的介質(zhì)進(jìn)行大變形分析，非常適合模擬地應(yīng)力的生成、邊坡及錨索設(shè)置等等。

假設(shè)采用動態(tài)的測量方法：在礦山工程中，采礦本身就是一個非常復(fù)雜的力學(xué)過程。它包含著很多的不確定因素，這些因素都對其產(chǎn)生著影響。由于數(shù)值模擬的結(jié)果通常都僅僅是作為評價應(yīng)用。所以在模擬的過程中，不要刻意的去尋求力學(xué)模型與原本結(jié)構(gòu)的關(guān)系精密程度，其建立的力學(xué)模型不要太過復(fù)雜，只要能夠具體的反映巖石體的最基本力學(xué)特征和開采的基本過程就可以了。

（1）對礦巖性質(zhì)的假設(shè)：假設(shè)礦巖為各個均質(zhì)和同性的庫倫彈塑模型。

（2）對計(jì)算模型進(jìn)行假設(shè)：對地下礦產(chǎn)開采是一個空間的問題，應(yīng)該運(yùn)用三維空間的計(jì)算模式。但通常情況，在同樣的情況下，二維數(shù)值的模擬結(jié)果與三維模擬的結(jié)果很相近，所以，計(jì)算簡化模型時常采用二維平面模型。

（3）簡化煤層的結(jié)構(gòu)：為了模擬起來更方便，對巷道工程的每一煤層的開挖步數(shù)等部會考慮。

3 煤礦開采后所引發(fā)的地表變形動態(tài)測量方法

為了滿足《煤礦測量規(guī)程》里的相關(guān)規(guī)定，在每次對煤礦的觀察測量結(jié)束后，應(yīng)對其觀測結(jié)果進(jìn)行反復(fù)的檢查，然后進(jìn)行計(jì)算，以保證觀測結(jié)果的正確性。做完上述工作就可以開始計(jì)算各線與點(diǎn)之間移動的變形量，主要包括：各測量點(diǎn)的水平移動與下沉位置，相鄰兩側(cè)點(diǎn)之間的傾斜的水平變形和相鄰兩線的曲率變形，以及觀測點(diǎn)的下沉速度等等。要觀測點(diǎn)某一時刻的下沉，應(yīng)該該時刻所觀測到的測高點(diǎn)與首次所觀測到的測高點(diǎn)相算得出高程之差。測試某一時刻的水平移動，則應(yīng)該由該時刻所觀測到的測點(diǎn)坐標(biāo)和首次觀測到的測點(diǎn)坐標(biāo)的變化量相分析和分解之后就能得到相關(guān)數(shù)據(jù)。

要獲得水平距離的比例，得在計(jì)算兩測點(diǎn)的水平變形時刻，考慮到測點(diǎn)所移動的方向，相鄰兩測點(diǎn)之間的曲率變形，再有其相鄰兩線段的傾斜之差與兩線段的水平距離相比較。測點(diǎn)的下沉速度，由前后兩次觀測的數(shù)據(jù)相比較獲得。沿著主斷面方向往上移動和變形的正負(fù)號人為規(guī)定是：指向上山的與走向方向的水平移動、傾向上山方向的和走向方向傾斜的并上凸的曲率、拉伸就變形為正號。其余的變形或移動均為負(fù)號。下沉動態(tài)的曲線一般情況是依靠采動程度，運(yùn)用下沉動態(tài)的分布系數(shù)所表示的。如果用公式來表示時，對沿走向主斷面的表示可以寫成：

或者是

4 建立傾斜和動態(tài)曲線

由于我國是一個礦產(chǎn)資源較為豐富的國家，所以，經(jīng)過多年的開采經(jīng)驗(yàn)，對煤礦地表移動規(guī)律的研究以及取得了很大的進(jìn)步，并且建立了概率計(jì)分法、負(fù)指數(shù)函數(shù)法等以典型曲線為基礎(chǔ)的地表變形計(jì)算方法體系。而積分格網(wǎng)法、威布爾分布法、皮爾森函數(shù)法等計(jì)算法也都適用于我國的實(shí)際開采情況。以下是兩個常用的建立傾斜曲率動態(tài)曲線的公式：

（1）傾斜的動態(tài)曲線，可以用傾斜的動態(tài)分布系數(shù)所表示，應(yīng)該從該礦觀測站整理的成功得知，兩點(diǎn)間地表傾斜為：

（2）當(dāng)下沉的曲線用動態(tài)曲線表示的時候，沿走向主斷面的時候，應(yīng)該為：

5 結(jié)語

地表變形的原因主要來自于井下的開采情況，覆蓋巖的特征對其也有一定的影響，因此在選擇流變參數(shù)的時候應(yīng)該具體的體現(xiàn)地下的開采狀況已經(jīng)巖層的構(gòu)成特點(diǎn)等因素，促使進(jìn)一步增強(qiáng)流變參數(shù)的可靠性和真實(shí)性。所以，動態(tài)測量方法在研究地下開采應(yīng)力場和位移場的時候具有較大的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

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