【內(nèi)容摘要】地下煤層采出后采空區(qū)頂板在重力場及其上覆巖、土體的作用下會沿著層理面法線方向移動。隨著工作面推進(jìn)，頂板巖層端部開裂，在巖層中部開裂還很少的情況下頂板巖層整體切斷垮落。本文根據(jù)不同時間所測得的各類地表變形的現(xiàn)狀特征，分別做出每個觀測對象對應(yīng)觀測時間井下開采與地表變形現(xiàn)狀的二維坐標(biāo)關(guān)系圖。
　　【關(guān)鍵詞】煤礦開采，地表變形，測量
　　1煤礦地下開采引起地表變形的作用機(jī)理
　　當(dāng)?shù)叵旅旱V的煤層開采后，在采空區(qū)上方及其周圍的巖層移動將產(chǎn)生地表的移動與變形，或者產(chǎn)生塌陷區(qū)，當(dāng)該變形作用于建筑物的基礎(chǔ)時，將導(dǎo)致建筑物受到附加應(yīng)力的作用，從而使地面建筑物產(chǎn)生變形與破壞。這種變形和破壞的原因主要有：
　　第一，由水平變形引起的破壞。水平變形表現(xiàn)為地表的拉伸和壓縮。由于建筑物抵抗拉伸的能力遠(yuǎn)小于抵抗壓縮的能力，拉伸的破壞作用最大，在較小的地表拉伸下就可能使建筑物產(chǎn)生裂縫。一般在門窗洞口的薄弱部位最易產(chǎn)生裂縫，磚砌體的結(jié)合縫亦易被拉開。地表壓縮變形對建筑物的破壞主要是使門窗洞口擠成菱形，磚砌體墻產(chǎn)生水平裂縫，縱墻或圍墻產(chǎn)生褶曲或屋頂鼓起。建筑物的破壞程度與其結(jié)構(gòu)、材料、形狀和施工質(zhì)量等有關(guān)，其中建筑物的剛度和平面尺寸是主要因素。地下開采引起的地表水平變形主要包括拉伸和壓縮變形，地表的變形對建筑物的基礎(chǔ)會產(chǎn)生水平附加力。如下圖1.1所示。
　　
　　圖1.1井下開采時地表移動變形過程
　　第二，當(dāng)?shù)乇懋a(chǎn)生豎向變形時，對基礎(chǔ)會產(chǎn)生不均勻支反力，從而產(chǎn)生附加彎矩和剪力，產(chǎn)生的附加作用力對建筑物會產(chǎn)生影響。一般情況下，處于地表移動穩(wěn)定后均勻下沉區(qū)的建筑物，在開采過程中，還將受到地表動態(tài)變形的影響，即建筑物先受地表拉伸(正曲率)變形影響，隨著工作面的推進(jìn)，建筑物受地表壓縮(負(fù)曲率)變形影響，當(dāng)工作面推離建筑物的距離大于一定值(一般可取0.6倍開采深度)時，建筑物又恢復(fù)原狀。
　　第三，移動角及移動范圍。地表變形理論中，最重要的角值參數(shù)為移動角。在巖土工程中，移動角是指：在移動盆地主斷面上臨界變形值的點(diǎn)和采空區(qū)邊界的連線與水平線之間在采空區(qū)外側(cè)的夾角。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析可得出，隨著開采煤層數(shù)目和開采中段的不同，巖層的性質(zhì)是不同的，移動角也是不同的。當(dāng)?shù)V區(qū)上部有松散層存在時，應(yīng)有松散層移動角。因此，單單從礦體最深部起劃出移動角是不科學(xué)的。針對不同的開采現(xiàn)狀，應(yīng)有不同的移動角。在數(shù)值模擬過程前，先采用經(jīng)驗(yàn)公式和工程類比法，確定巖層的移動角。
　　2地下開采引起煤礦地表變形數(shù)值分析
　　2.1FLAC的基本原理
　　FLAC（快速拉格朗日有限差分法程序）是目前世界上較先進(jìn)、較流行的一種數(shù)值模擬方法，該程序的基本原理和算法與離散元相似，但它應(yīng)用了節(jié)點(diǎn)位移連續(xù)的條件，可以對連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行大變形分析，特別適合研究大變形問題。FLAC程序可以模擬多種模型的材料，可以模擬地應(yīng)力的生成、邊坡或地下硐室開挖、混凝土襯碹、錨桿或錨索設(shè)置、地下滲流等。該方法的基本原理如下。
　　對于函數(shù)f，由高斯定理有：
　　（3）
　　式中：V——拉格朗日單元的體積；
　　B——拉格朗日單元的邊界；
　　nt——V的單位法線矢量。
　　定義梯度的平均值：
　　（4）
　　表示的平均值。
　　對于一個具有N條邊的多邊形，可以將上式寫成N條邊求和的形式，即：
　　（5）
　　式中：——多邊形第i條邊的邊長；
　　ni——的單位外法線矢量；
　　fi——f在上的平均值。
　　最終通過變換可以得出節(jié)點(diǎn)位移：
　　（6）
　　按照迭代求解，便可求出各個時步所對應(yīng)的各單元的應(yīng)力以及各節(jié)點(diǎn)的變形。
　　2.2采用動態(tài)測量方法的假設(shè)
　　在礦山工程中，采礦本身是一個復(fù)雜的力學(xué)過程，其中包含許多不確定因素的影響，又由于數(shù)值模擬的定量結(jié)果一般僅作評價的應(yīng)用。因此在模擬的過程中，不刻意尋求力學(xué)模型和本構(gòu)關(guān)系的精密，即不要求所建立的力學(xué)模型過于復(fù)雜，只要能反映出巖體的基本力學(xué)特性及礦山開采的基本過程。在數(shù)值模擬過程中，為了使計算結(jié)果比較接近實(shí)際情況，對巖體介質(zhì)性質(zhì)、計算模型、礦山地質(zhì)條件、受力條件、采礦工藝及采礦方法等都作了必要的假設(shè)。
　　（1）對礦巖性質(zhì)的假設(shè)
　　假設(shè)礦巖為各向同性、均質(zhì)且符合摩爾—庫侖彈塑性模型的介質(zhì)。
　　（2）對計算模型的假設(shè)
　　對地下工程開挖來說，地下礦山開采是一個空間問題，應(yīng)采用三維空間計算模型更為合理。但一般來說，在同等條件下，二維數(shù)值模擬結(jié)果與三維數(shù)值模擬的計算結(jié)果比較接近。因此，計算模型簡化為二維平面模型。
　　（3）煤層結(jié)構(gòu)的簡化
　　為模擬方便，對巷道工程、每一煤層的開挖步數(shù)等不予考慮，模擬時簡化為實(shí)體。
　　3煤礦開采引發(fā)地表變形的動態(tài)測量方法及計算
　　在對煤礦的每次觀測結(jié)束后，對觀測成果進(jìn)行檢查，使其滿足《煤礦測量規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定，然后進(jìn)行各種改正數(shù)的計算和平差計算，確保觀測成果的正確性。而后就可以計算觀測線各點(diǎn)間的移動和變形量，觀測站各測點(diǎn)和各測點(diǎn)間的移動變形計算主要包括：各測點(diǎn)的下沉和水平移動，相鄰兩測點(diǎn)間的傾斜和水平變形，相鄰兩線段的曲率變形，觀測點(diǎn)的下沉速度等。測點(diǎn)某時刻的下沉，由該時刻觀測到測點(diǎn)高程與采前首次觀測的測點(diǎn)高程之差計算得；測點(diǎn)某時刻的水平移動，由該時刻觀測到的測點(diǎn)坐標(biāo)與采前首次觀測到的測點(diǎn)坐標(biāo)變化經(jīng)矢量分析分解后獲得；相鄰兩測點(diǎn)的傾斜和水平變形，分別由該相鄰兩測點(diǎn)的下沉之差和水平移動之差與兩測點(diǎn)間的水平距離之比獲得，在計算兩測點(diǎn)間的水平變形時，要考慮到測點(diǎn)的水平移動方向問題；相鄰兩線段的曲率變形，由該相鄰兩線段的傾斜之差與兩線段的平均水平距離之比獲得；測點(diǎn)的下沉速度，由測點(diǎn)前、后兩次觀測的下沉值與兩次觀測的間隔天數(shù)之比獲得。
　　3.1地表下沉動態(tài)曲線的建立
　　下沉動態(tài)曲線通常是按采動程度，用下沉動態(tài)分布系數(shù)表示的。當(dāng)用公式表示時，對于沿走向主斷面，可寫成：
　　（7）
　　式中Wm為廣最大下沉值；S(x)為下沉動態(tài)分布系數(shù)。
　　3.2傾斜和曲率動態(tài)曲線的建立
　　(1)傾斜動態(tài)曲線
　　傾斜動態(tài)曲線，可用傾斜動態(tài)分布系數(shù)表示。從該礦觀測站成果整理得知，兩點(diǎn)間地表的傾斜為：
　　（8）
　　當(dāng)下沉曲線用動態(tài)曲線表示時，對于沿走向主斷面，則為：
　　（9）
　　(2)曲率動態(tài)曲線為（10）
　　3.3水平移動和水平變形動態(tài)曲線的建立
　　(l)水平移動動態(tài)曲線
　　由理論研究和實(shí)測資料分析可知，水平煤層充分采動條件下，沿主斷面的水
　　平移動曲線與傾斜曲線成正比例關(guān)系，即
　　（11）
　　式中B為水平移動系數(shù)。
　　很顯然，。因此，它可以根據(jù)實(shí)測資料求取，并取其平均值作為一個礦或一個礦區(qū)的B值，如對于煤礦區(qū)來說，B＝10－12。通常在水平煤層充分采動條件下，最大水平移動值，最大傾斜值：
　　（12）
　　式中為傾斜動態(tài)分布系數(shù)中的最大值。于是有水平移動動態(tài)曲線：
　　（13）
　　參考文獻(xiàn)
　　[1]朱建軍，賀躍光，曾卓喬.變形測量的理論與方法[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2004
　　[2]段敬民，錢永久.采空區(qū)抗變形住宅建筑體系及其加固技術(shù)[J].煤炭工程，2008(8)：44-46.