采空场覆岩变形特性研究硕士毕业论文

分类号密级UDC编号1 0 4 8 6武 汉 大 学硕 士 学 位 论 文采空场覆岩变形特性研究研究生姓名： 指导教师姓名、职称： 学科、专业名称：岩土工程研究方向：岩土体稳定 The Behavior Study of Overburden deformation in Abandoned StopeBy 郑 重 声 明本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，本人愿意承担由此产生的法律后果和法律责任，特此郑重声明 学位论文作者（签名）：年 月 日3武 汉 大 学 硕 士 学 位 论 文摘 要随着人们对矿产资源的需求越来越大，采空区规模及开采深度也不断加大，由此引起的覆岩及地表变形问题也越来越严重,由此严重影响着人们的生产生活，并带来巨大的经济损失。因此对地下开挖引起的覆岩变形破坏过程与机理、地表变形规律等问题进行研究具有很强的现实意义。覆岩变形与地表沉降具有非均匀、非连续与大位移的特点，是一个高度复杂的非线性问题。前人在这方面已经做了大量的工作，分别采用现场监测、理论分析、室内试验及计算机模拟等手段，对覆岩与地表变形的预测、裂隙和离层的分布以及由此带来的采动损害的防护与控制等问题进行了广泛的研究，得出了许多有益的经验与结论。本论文结合横向课题“湖北荆襄化工集团大峪口矿段木架山采空场处理研究”，对覆岩变形进行了一系列研究。主要内容及其结论如下：1)对覆岩变形及地表沉降引发的灾害问题进行了全面而系统的调研分析，综述了目前主要的覆岩变形与地表沉降的分析手段与研究进展，特别回顾了相似模拟的研究现状及其优缺点，为论文的研究提供了基础。确定了采用有限元数值模拟与相似材料模拟作为研究木架山采空区覆岩变形特性研究手段的方案。2)进行了现场地质条件勘查，开展了室内单轴压缩、劈裂与三轴剪切岩石力学参数试验，结合现场经验与前人研究成果，提出了数值模拟与相似模拟研究所需要的岩体力学参数。3)采用有限元ANSYS软件分析了覆岩与地表的移动、变形与破坏的规律与顶板的极限跨度，尝试了离层得模拟。研究发现，随着矿柱的崩落，覆岩跨度不断增加，引起的地表移动范围也不断增大，地表垂直沉降范围大致为跨度的1.51.7倍，垂直沉降曲线始终关于最大沉降点对称；水平移动的范围大于垂直沉降的范围，最大水平移动量大约为最大沉降量的40，且水平移动不对称。另外，当覆岩发生整体下沉时离层主要存在于跨度两端，离层由层理剪切破坏引起。4)采用正交试验确定相似模拟试验中的材料配比，用云母粉模拟广泛存在于岩层中的层理，模拟了覆岩从变形到开裂、跨落的全过程，描述了离层的产生过程与存在范围，分析了地表沉降规律，得出了较为可靠的覆岩极限跨度：110m。并对试验中存在的测量误差，材料参数误差进行了分析。5) 通过对木架山矿区覆岩变形规律的研究，我们发现，不论是地表沉降，还是覆岩内部的变形破坏，数值模拟与相似模拟结果基本是一致的，并对层理的破坏模式与机理进行了深入研究。在全面了解主要的沉降预防与治理措施的基础上，对类似工程的覆岩变形提出了可行的控制方案。关键词：覆岩变形；数值模拟；相似模拟；层理；离层；沉降控制ABSTRACTThe mining deep and the scale of abandoned stope is continuously augmenting as the demand for mineral resources increase more and more for satisfying the need of human development, which lead to the deformation of overburden and subsidence of earth surface are more and more serious. It put sorely impact on the peoples life and production action, at the same time it cause heavy economic losses. Wherefore, it is of practicability that study the rule and mechanism of overburden deformation and earth surface subsidence caused by underground mining.The characteristics of overburden deformation and surface subsidence is non-uniform、discontinuity and large displacement, so this is a exceeding complicated non-linear problem. Our predecessors have adopted some methods, for example, monitoring in-situ、theory analysis、laboratory test and computer simulation etc, to forecast the of overburden deformation and subsidence of earth surface, to study the distributing of cranny and layer separation and to discuss the defend and control scheme of overburden deformation, many instructive experience and conclusions have been got.The paper carried through a series of study about overburden transmutation based on the project” Study of Abandoned Stope Disposal of Dayukou Ore of Mujiashan of Jingxiang Chemical Engineering Company of HuBei ”. The main content and conclusion of this paper are following:1)Comprehensive and systemic investigation and analyses on disasters caused by overburden deformation and earth surface subsidence were carried out. Recent main analyses methods and study development are summarized, especially, the development situation of similarity simulation and its merits and shortcomings were reviewed, which provide a foundation for this thesis. So, the scheme that adopt FEM numerical simulation and similarity simulation to study deformation behavior of abandoned stope overburden was confirmed.2)Laboratory uniaxial compression tests、split tests and confined shear tests were conducted to obtain the rock mechanical parameter. Combine the practice experience and acquired production, the rock -mass mechanical parameters necessary for numerical simulation and similarity simulation were established.3)The deformation and breakage rule of overburden and earth surface、the limit span of roof are analysed by FEM ANSYS software, an attempt is made to simulate the layer separation in overburden in FEM numerical modeling. It has been found from this research that the range of surface movement increases moderately with the collapse of jambs and the increase of the roof span. The subsidence area ranges from 1.5 times to 1.7 times of the roof span and the subsidence curves are symmetrical to the vertical line through the point with maximum subsidence. The horizontal movement, however, is not symmetrical and its impacting area is larger than the range of subsidence, with its maximum value equal to 40% of the maximum subsidence. In addition, the layer Separation exist in the end of span of overburden if the subsidence happen in whole overburden，which is resulted from the shear failure of the bedding plane.4)Orthogonal experiments was adopted to determine material proportion of similarity simulation, the stratification widely in stratum was modeled by mica powder. The whole process from deformation to crack and collapse of overburden failure was modeled and the emerge course and the existence domain of layer separation is described, at the same time, the regularity of earth surface subsidence is analysed, it is concluded that relatively reliable span limit of overburden is 110m, Furthermore, the measure error and the material parameter error was discussed in paper.5) It is found that not only the earth surface subsidence but also the inner overburden deformation, the conclusion of numerical simulation and similarity simulation are basically uniform, the pattern and mechanism of overburden deformation were studied. In addition, a feasible control scheme of overburden deformation was brought forward for analogous project based on the actual situation and primary control scheme have been employed.Key Word: Overburden Transmutation, Numerical Simulation, Similarity Simulation, Bedding Plane, Layer Separation, Subsidence Control第一章 绪 论1.1问题的提出随着西部大开发的推进以及国民经济的持续发展，一大批大规模、超埋深的地下工程已经开始动工，包括采矿、交通、建筑以及各种水利与国防隧洞，有的业已投入使用。地下工程在开挖以前，围岩处于一定的平衡状态，工程开挖使得围岩应力重新分布。因为上覆岩层强度太低、施工工艺选择不当及过渡开采等原因，地下开挖常常引起严重的覆岩变形与地表沉降。这些问题带来的危害可以分为以下三类：1.破坏地表生态环境 地下开挖常引起地表塌陷和凹陷地表积水。据国土资源部调查，至2003年全国24个省（市、自治区）的300多个市县共发生过岩溶塌陷2831处，面积332km2，而人为因素是诱发岩溶塌陷的主要原因。另外，我国97%的煤炭生产为地下开采，约2100万亩土地已遭受到采矿沉降的影响，几乎每采出百万吨煤，就会造成四亩地的塌陷。此外，深部矿井长期排水也引起矿区整体地表下沉，地表凹陷又引起雨水集积，若地表有较厚的不透水层，大量耕地或居住区会经常遭受洪涝灾害。另外，因为导水裂隙带发育，特别是裂隙带发育到地表时，雨水和地下水会通过塌陷口与裂隙岩层排入采区，这些都会严重改变矿区的补给、径流和排泄条件，造成人们生活用水困难和作物减产。2.影响地下空间地使用 上覆岩层的大规模下沉会引起地下空间的不可恢复的严重变形与覆岩裂隙扩展，且雨水通过裂隙渗入地下，会溶蚀岩层、腐蚀设备。严重时会引起整个上覆岩层的跨落形成冲击地压，甚至附近大型水体的涌入等突发事件，造成严重的井下人员伤亡和地下设施的毁坏，以及因为矿藏资源不能开采或开采代价太高、误工误时等带来巨大的经济损失。例如1961年10月大同矿务局挖金湾矿青羊湾矿井，空场一次性发生冒顶约16.3万m2，地面塌陷12.8万m2，沉降深度达0.51.0m，18人死亡。冒顶产生的强烈暴风吹翻了井下载重1t的装满煤的矿车，密封11处，摧跨巷道支架90m，矿井的通风、运输系统均遭破坏，全井被迫停产。3.导致结构物受损 地下开挖导致的应力重分布会对地表和地下已有的结构物产生附加应力，当结构物受到不均匀的附加应力且超过其抵抗强度时，将引起结构物的挤压、拉裂、剪切，甚至扭曲破坏。例如房屋开裂、路面错台、管线破裂等，带来严重的安全隐患和经济损失，例如使得房屋需要搬迁和交通运输被迫中断等。人为因素的地面沉降最早于1898年在日本新泻发现，随后各种沉降相继在世界各地被发现。联合国教科文组织（UNESCO）于1964年认识到地面沉降的严重性，因此，与国际水文科学协会已分别于1969，1976，1984，1991和1996年在日本东京、美国阿纳海姆、意大利威尼斯、美国休斯敦和荷兰的海牙共召开了5届国际地面沉降会议，对各种因素：包括抽取液态资源，挖掘固态矿物等引起的地表沉降问题进行了研讨。G.L.Bertoldi认为：“地面沉降是由于地下支撑物的移动导致的地面标高损失”。这些地下支撑物有些是人们无法对其产生影响的，称为自然地质因素，如地层结构、岩体性质、地应力、地下水、矿藏倾角与埋深等；另一类为开挖技术因素；包括开挖深度、拱顶跨度与截面形状、施工方案与进度、支护与排水措施等。具体来说，有以下一些因素：1)覆岩岩性及地质构造覆岩的强度参数及变形系数，覆岩为均质各向同性还是各向同性，是在山区还是平原，是在高构造地应力区还是单纯的自重应力区，是否处于高地应力区，地应力主方向与地下空间的走向，有无大的断层、裂隙穿过。岩性及其地质构造的不一样直接导致覆岩变形方式与程度的不一样。2)空间结构形式 洞室的跨度、截面形式、埋藏深度与倾角、相邻隧洞的叠加效应等对覆岩变形都有重要影响。一般的经验公式、理论公式都只考虑了这一层因素。3)地下水很多交通隧道、水工隧洞以及地下深部开采都处在地下水位线以下，开挖使地层持续失水、固结，引起地层、地表出现超前、超大范围的变形及沉降。这也是沿海地区地铁开挖时地表沉降量大于拱顶沉降量的主要原因。4)施工方法采矿、交通、水工方面的地下工程等常因本身的结构形式及其所处的地质环境等的不同，常采用完全不同的开挖方式。通过改变应力释放的顺序有时可以很好地减缓围岩变形的程度。例如台阶法、全断面开挖法、侧壁导坑法和新奥法等。5)开挖进尺与进度开挖进尺的大小实质上是工作面无支护空间的大小，其值不仅影响着地表沉降及拱顶下沉，而且也影响着开挖面的稳定性。岩（土）体具有蠕变效应，时间越长，覆岩的变形总量也越大，施工速度越快，隧道开挖面暴露的时间就越短，产生的沉降量也就会越小。6)支护与充填维护围岩稳定的方式有很多，大致可以分为支护与充填两种，支护的方式有锚杆与锚索、桁架、钢筋混凝土衬砌、留设矿柱等。而充填法主要应用在采矿行业，有采空区尾砂充填与裂隙离层充填。选择不同的支护（充填）方式、时间和地点对维护围岩稳定会有明显不同的效果。因为上述这些非常复杂的因素，覆岩变形与地表沉降是一个相当复杂的过程，表现出变形的非均匀、非连续与大位移的特点，是一个高度非线性的问题。前人在这方面已做了大量的工作，分别采用现场监测、理论分析、室内试验与计算机数值模拟等手段，对岩层与地表移动的规律、采动裂隙和离层的分布、岩层与地表移动变形的预测以及由此带来的采动损害的防护与控制等问题进行了广泛的研究，等得到了许多有益的经验与结论。特别地，我国因开挖和岩溶引起的地表塌陷年平均直接经济损失达到4.39亿元，而采矿引起的塌陷就占到总塌陷面积的77，对复杂地质条件与水文条件，尤其是建筑物下、铁路下与水体下（简称“三下”）的矿藏资源采出问题尤为突出。因此就地下空间与资源的可持续利用和环境治理而言，有必要对采矿引起的地表沉降问题进行更深一步的理论与技术研究。正确地认识和掌握各地质因素与开采因素的影响，对沉降规律及其机理进行研究；合理、有效地预测沉降范围与沉降量，评估沉降对地表环境与地下设施的影响，并提出合理的沉降控制措施等。1.2覆岩变形研究手段与现状开采沉降学是矿山开采学科的核心内容之一，最早来自英文Mining Subsidence，它是一门研究地下有用矿物开采引起岩层和地表移动的学科。开采沉降是一个极其复杂的灾害力学问题，表现为岩体结构的模糊随机性、采动应力变化的复杂性、采动岩体变形和破坏的非线性、开采损害的严重性等等。所涉及的学科范围非常广泛，大致可以分为测量、地质、力学、数学、采矿、建筑、环境与信息等。目前的研究手段主要有五种：现场监测、经验公式、理论解析、相似模拟与数值计算等，以研究覆岩变形规律，并对沉降作出预测。下面分别对这五种方法进行介绍：1.现场监测 传统的地表沉降观测是在地表布置观测站，观测站测点之间的水平距离及高程通常都采用钢尺量边及水准测量的常规方法，比较精密的有精密水准仪S0.5、全站仪、DEmin2型防爆光电测距仪等。这些方法为研究地表移动规律提供了可靠的基础数据，但存在着效率低，受地形限制严重，不能对覆岩内部的变形破坏进行观测等缺点。另外，还采用GPS、地质雷达、浅层地震与电磁波、声波透视等技术对地表沉降量及塌陷地进行预测与预报，但是这些设备比较昂贵。1986年美国在加州建了38个GPS监测站，采用最严格的测量程序，其大地标高的精度可达到毫米级。目前上海和珠江三角洲地区也在采用GPS定位系统来进行地表沉降监测。该系统有望以后应用于采矿行业。2.经验公式 在积累大量沉降观测资料及其地质与开采技术参数的基础上，常可以总结出简单易用、实用性较强的经验公式。目前应用较广且有代表性的方法主要有剖面函数法与随机介质理论1)剖面函数法剖面函数法根据地表下沉盆地剖面形状来选择描述下沉盆地剖面的相应函数，作为计算地表移动和变形的公式。剖面函数形式以曲线拟合或最优化方法确定，并常表示为与地质采矿条件数据有关的经验公式。剖面函数形式有很多，如前苏联、波兰等国都有各自适用的剖面函数计算方法。有代表性的主要是负指数函数法。它适用于近似矩形工作面开采时的地表移动和变形的预计，其公式如下： 式中地表移动盆地主断面上任意点的下沉值，mm；地表最大下沉值，mm；L下沉盆地的半长，m；地表下沉盆地主断面上任意点到最大下沉点的距离，；待定系数,可根据矿区的实测资料求得此外还有诸如纵向下沉预测公式： 及横向沉降公式（Peck公式）：其中：为测点距开挖面距离，为沉降量，根据实测数据（，）（，2，3），用高斯牛顿（简记GN）迭代法，求出参数，的最小二乘估计值；为离隧道轴线距离，为隧道中心处最大沉降量，为沉降槽宽度系数，采用经验公式：，为覆土厚度，为计算半径，对于非圆形结构，其等效半径为：，其中为非圆形结构的面积。2)概率积分法60年代我国学者刘宝琛引入波兰学者J.Litwiniszyn提出的开采沉降随机介质理论，并加以改进和完善，提出了地表移动预计的概率积分法。因其简单实用，目前仍被采矿界广泛应用，但是该公式没有考虑岩体的内在特性，且在不充分和极不充分开采时偏差较大。李永树等人也根据概率积分法的基本原理，基于褶曲构造地层、任意形状空间开挖条件下地表点在任意方向的移动与变形值预计方法，推导出了不规则形状地下空间开挖条件下地表移动与变形预计公式。3.理论解析 经验公式一般没有考虑地质构造与岩性等影响因素，没有从力学的角度出发分析问题，所以不能准确地描述地表下沉的机理，也无法表征其变形与下沉的过程。岩体既然是一种介质，它的运动规律应符合某一种力学模型，在这方面的研究，特别是近几十年来，获得了较大的进展。1958年首次提出了采空区上方岩层移动的形式跨落带、断裂带和弯曲带，即所谓三代理论，并提出了苏联通用的地表移动变形计算方法典型曲线法；60年代初，英国学者Berry和Wales用弹性理论探讨了均质岩层的平面及三维条件下的位移表达式；我国学者刘宝琛于1983年采用粘弹性平面模型推出了覆岩与地表的位移表达式；而李增琪（19831985）将覆岩看成层梁、板的弯曲，采用傅立叶变换数学方法导出了岩层的移动表达式；吴立新、王金庄（1994）探讨了厚硬岩层在覆岩运动中的作用，并着重研究了条带开采条件下覆岩与地表的沉陷规律；麻凤海以复合介质力学模型推导了覆岩及地表的下沉公式；邓喀中等也根据复合岩梁理论，推出了开采沉陷中层面滑移函数和层面滑移判断式，获得了层面滑移规律。等等。在覆岩内部变形上，1990年俄国的.发表了采动岩体中离层空间的形成一文，重点研究了离层带形成问题，描述了离层带出现的位置、影响因素等。郭惟嘉以地表移动数据反演，用动态数值计算模型研究了覆岩离层规律，给出了确定离层的理想高度，计算了最大离层随时间变化的曲线。应当指出，所有的力学模型均是经过了许多的简化后得出的理想模型，各有其侧重点，虽然在一定条件下解决了许多实际问题，但就其理论模型而言，实属仁者见仁，智者见智。目前，一般认为覆岩移动属板（梁）法向弯曲下沉。4.相似模拟 相似模拟是在相似三定理的指导下通过建立与原型相似的物理模型，观测研究原型特性的一种试验研究手段。它具有周期短、经济、能选择主要的影响因素进行模拟等优点，因而能够真实地揭示很多岩土工程的内在规律。从方法上讲相似模拟试验方法主要有三种：相似材料模拟、离心模拟和光弹模拟。采用相似模拟试验方法观测矿藏开采过程中岩层与地表的移动特征，进行地表移动的预报工作，能够运用于各种复杂地质采矿条件下，如断层构造、褶皱构造、含水地层等地质条件。我国的刘天泉院士采用相似模拟试验方法对开采引起的覆岩移动破坏与“三带”高度给出了适合于我国各矿区的计算方法与公式。Atkinson 和 Potts，Cording 等通过常规小比尺隧洞的物理模型试验表明，地基初始静压力系数不仅影响隧洞周围土体的塑性变形形态，而且还影响到位移总量。当 =1.0时，即使隧道内支护压力小得多，而地表沉陷却比K0=0.5 时的小得多。这种差别是因为土体发挥拱效应有助于减少因隧洞支护压力降低产生的沉降。Wu，Chiou，Lee 和 Chen用离心模型试验研究了粘土地基中一条单行隧道和两条并行隧道情况下周围土的位移和塌陷的机理。试验结果表明：隧道的稳定性随着埋深的增加而增加，两条隧道距离越近则其相互影响越大，并行隧道不如单行隧道稳定，并行隧道的地面沉降槽曲线可以由两条隧道各自沉降槽的正态曲线叠加得到10。5.数值计算 力学领域最早的数值模拟技术是刚架位移法，它是20 世纪30年代发展起来的，是有限元法的雏形，20世纪50年代有限元法作为处理固体力学问题的一种方法出现。1960年Clough首先用了“有限单元法”这个名称。我国有限（单）元法的研究始于20世纪60年代。当时，冯康教授等在分析刘家峡水坝的应力场时把传统的差分法和能量原理结合起来，提出了一种以变分原理为基础的三角形剖分近似法，为偏微分方程求得了数值解，且在严密的数学基础上进行了其收敛性和稳定性证明及误差估计。这个方法也就是现在人们所熟知的有限元法，或称为有限单元法(FEM)。1970年Kratsch提出用有限元法来计算地表移动及其变形。有限元法是目前最广泛使用的一种数值方法，可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题，是地下工程岩体应力应变分析最常用的方法。其优点是部分地考虑了地下结构岩体的非均质和不连续性，可以给出岩体的应力、变形大小和分布,并可近似地依据应力、应变规律去分析地下结构的变形破坏机制。但有限元在本质上是一种连续介质的数值分析方法,为了模拟岩体中存在的断层、节理、裂隙等结构面，考虑其非连续性，可按结构面的特征采用不同的处理方法。有限元法的应用是否真正有效，主要取决于2个条件：一是对地质变化的准确了解，如岩体深部岩性变化的界限、断层的延展情况、节理裂隙的实际分布规律等。二是对介质物性的深入了解，即岩体的各个组成部分在复杂应力及其变化的作用下的变形特性、强度特性及破坏规律等。除了有限元法以外，还有许多其它的数值模拟技术也在岩土力学界得到了应用和发展。下面简单几种应用比较广泛的数值计算方法。1）边界元法（BEM）它是20世纪70年代兴起的一种数值方法，以Brehbia为其代表，它只适用于对边界要求较高而对边界包围的实体无过多要求的情况，如层状岩体的开挖问题（倪钧，1997）。所以与有限元相比具有计算时间短、计算范围大等特点，但它对奇异边界较难处理。2）离散元法（DEM）一般被认为是Cundall于1971年提出来的，其基本思想是岩块之间的相互作用，同时受表征位移力的物理方程和反映力加速度(速度、位移)的运动方程的支配，通过迭代求解显示岩体的动态破坏过程。它的一个突出功能是在反映岩块之间接触面的滑移、分离与倾翻等大位移的同时，又能计算岩块内部的变形与应力分布。国内王永嘉等人用此方法进行了岩层的移动研究。存在的主要问题是阻尼系数的选取和迭代计算的收敛性。3）块体系统不连续变形分析法（DDA）由我国学者石根华与Goodman于1989年提出的DDA是基于岩体介质非连续性而发展起来的一种新的数值分析方法。DDA模型建立了一套完整的块体系统运动学理论，较好地模拟了具有非连续面的岩体的运动与变形特性，并解决了大量工程实际问题（Shi Genhua and Goodman，1985）。但是DDA模型将岩体完全离散化，这与实际岩体的情况不十分相符。4）FLAC (Fast Lagrangion Analysis Of Continuum)FLAC首先由Cundall在80年代提出并将其程序化实用化。FLAC基本原理类同于离散单元法，但它却能象有限元那样适用于多种材料模式与边界条件的非规则区域的连续问题的求解。在求解过程中FLAC又采用了离散元的动态松弛法，不需求解大型联立方程组，便于在微机上实现。另一方面，同以往的差分分析相比，FLAC在以下几方面作了较大的改进和发展：它不但能处理一般的大变形问题而且能模拟岩体沿某一弱面产生滑动变形，FLAC还针对不同材料特性使用相应的本构方程来比较真实地反映实际材料的动态行为数值分析方法。该方法与有限元法相比，能更好地考虑岩土体的不连续和大变形特性，求解速度较快。5）反分析法（BAM） 岩石力学中反分析的基本思想最先由Kavangh （1973），Gioda 和 Maier （1980）等人提出，此后日本学者樱井春辅（1983）完成了关于岩体弹性模量及初始地应力的线弹性有限元位移反分析（李世辉等，1999），它需要大量的现场实测数据，如变形监测值等。6）神经网络（ANN）人工神经网络是80年代后期迅速发展起来的一门新兴科学。它可以模拟人脑的某些智能行为，因而具有较强的自学习、自组织、自适应和非线性动态处理能力。在处理问题时，不用假设数据服从什么分布，变量之间符合什么规律与关系，而是通过学习与记忆找出输入与输出变量之间的非线性映射关系。目前应用较多的是BP（Back propagation algorithm）神经网络。但是神经网络需要输入大量有代表性的实例，且存在着各输入因素间的相互影响难以考虑以及部分影响因素的量化缺乏严谨的科学依据等不足。从上述主要的五种预测研究方法可以看出，现场监测虽然具有真实、可靠度大的优点，但是周期较长、工作量大、成本高，严格受现场条件限制、在现场变换方案困难和难以抓住主要因素进行机理分析。而经验公式与理论分析虽简单易用，但因很多复杂的地质因素被概化或者忽略，对复杂条件下的工程问题常误差较大，且不能模拟覆岩的动态变形过程。相似模拟恰恰可以弥补上述缺陷。此外，模型试验可以真实地预演尚未开工的工程特性，掌握根本不能直接进行现场测试的工程的各种性能，还可以通过改变相似比而有效地研究自然界一些变化过程极为缓慢或者稍纵即逝的现象，例如缓慢的地表下沉与突然的地表塌陷。数值模拟较相似模拟快捷、改变方案和有关参数较相似模拟方便、灵活，而且对弹粘塑性、非连续和大变形等问题，数值计算已经可以得到一些较为理想的结果，使得数值模拟的发展非常迅速。但是，对于复杂条件下的三维工程地质问题、动力学问题以及流固耦合等问题，数值模拟还很不成熟。相似模拟避开了数学和力学上的困难，可以比较全面真实地模拟复杂的地质构造，发现一些新的力学现象和规律，为验证数学模型或建立新的数值模拟理论提供依据。1.3相似模拟技术的研究现状相似模拟是一种重要的科学研究手段。它通过在实验室内按照相似原理制作与原型相似的模型，根据研究目的不同，可以人为控制模拟实体的诸要素，略去次要因素，保留和突出主要因素，以探讨单项因素的影响作用和规律。通过借助各种测试仪器观测模型的应力、应变及其分布规律，位移大小与破坏形态等，来推断原型中可能发生的力学现象与变形规律，从而解决矿山、水利、建筑、交通等领域中各种实际问题。该方法具有真实、直观、经济、简便、快速等优点。从方法上讲相似模拟试验方法主要有三种：相似材料模拟、离心模拟和光弹模拟。模拟离心模拟是将模型置于高速旋转的离心机上，在几十甚至上百倍重力加速度作用下，模型内部会产生与原型同样大小的应力，所以，常用它来研究以自重为主要荷载的岩土结构物性状；而光弹模拟是借用各向同性透明材料在受力时产生双折射现象来模拟岩土结构的力学性状。双折射的方向与该点两个主应力方向一致，传播速度与应力大小成比例。因此用光弹模拟研究弹性问题和超动力学问题时特别方便。用离心机做模型试验最初是由法国人E.Phillips于1869年提出来的；1870年，W.Froude由船模试验提出了Froude准则，这标志着人类已开始科学地进行相似模型试验。1932年，苏联的包克罗夫斯基在莫斯科水力设计院首次用离心机研究土工建筑物的稳定，并因此发展了土工离心机模型试验。但直到上世纪60年代以后，美、苏、英、法、日等国才相继大力发展离心模拟技术。相似材料模拟试验是在20世纪30年代由前苏联的库兹涅佐夫首先应用到采矿领域，1937年在前苏联全苏矿山测量科学研究院首次采用相似模拟技术研究了岩层与地表移动问题。该技术随后在德国、澳大利亚、日本、美国等国得到推广应用。并被广泛应用到交通、水利、采矿、建筑等领域中，例如模拟地质构造、反演初始地应力场，研究边坡、洞室、坝基稳定性，探讨爆破、锚固、渗流机理，寻求地基处理、抗震设计及大坝稳定的方案等。相似材料模拟最初主要以平面应力模型试验为主，其目标主要是宏观或定性的研究矿山和岩土领域的问题。进入70年代中后期及80年代以后，国内外相继出现了平面应变相似模拟试验架、立体模拟试验架和平板模拟试验架等多种形式的相似模拟试验装置。例如，在静力学试验方面有CM500平面应变试验台和公路隧道结构与围岩综合试验系统；在模拟渗流问题时有简单的砂槽，也有复杂的大型三维固流耦合模拟试验台；在离心模拟方面，莫斯科建筑工程学院于1961年就建成了加速度达1100g的土工离心机，而水利水电科学研究院研制的LXJ-450gt土工离心模拟试验仪是目前国内最大的一台离心模拟试验仪。按照相似律，相似模型首先需要满足材料相似。材料相似集中体现在两个方面：材料的选择及其配比。要使得材料所有参数都满足相似比，不仅不可能，而且没有必要，关键是抓住主要问题进行模拟。一般只需要满足单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内摩擦角、渗透性等相似即可。岩层的模拟有石膏、水泥和石英砂等，结构面用云母粉、薄膜、润滑剂来模拟。光弹模拟因为材料需要均质各向同性、有足够的透明度和光学蠕变量小等特点，所以在不考虑自重时一般采用环氧树脂，考虑自重时采用明胶甘油或琼脂甘油合成的软胶。相似材料配比试验方法有传统的全因素试验、正交试验设计和后期发展的均匀试验设计、混料试验设计等。例如采用基于统计概率原理的正交试验法确定相似材料的配比，具有缩短试验周期、减少材料消耗、降低试验成本，且配制的相似材料性能更稳定性，各性能参数的误差较小，离散性较低等优点。目前静力学相似材料的选择上已经很成熟了，但是在动力学研究中，比如岩爆要求的高弹模脆性材料目前还在进一步的研究之中。模型试验由于边界条件、材料相似、测量方法等还存在一些问题，尽管对岩土工程中许多问题起到了应有的启发和辅助作用，但误差较大。平面模型虽然有制作简单，测量方便的优点，但是它只能模拟延展性较大的工程，而且平面应力模型刚度折减了，与实际情况还是有一定差别。平面应变模型虽然更接近实际，但是模型只是在侧限条件下被动的受力，而非真正的三维应力状态。三维模型尽管真实度高，但制作、开挖与测量都较困难。对于深埋地下工程，常常采用气瓤、杠杆、千斤顶等施加均布荷载，模拟一定深度范围内的岩体自重，这对于岩层中包含关键层或处于向斜、背斜地区的工程则不太适合。另外，而模拟的范围越大，模型的尺寸比越小，一些小型的地质构造将会被忽略或概化。比例尺太小还会引起尺寸效应和测量精度不高甚至会掩盖现象的本质。但模型越大造价越高，实际效果却难题提高。按照相似理论，相似材料的许多参数都比原型要小很多，有的甚至被忽略不计，例如粘结力，常常会是失之毫厘，谬以千里。另外，在实际情况下，岩层的一些参数会随应力或化学作用而变化，例如软弱夹层在地下水的长期影响下值会逐渐降低，通常的相似模拟没有考虑这一演化过程。所以在模拟断裂、流变和强度破坏等材料非线性特性时，除了满足主要的材料参数相似，还要尽可能满足其它强度指标和应力应变关系相似。此外材料的级配、粘结材料的选择、养护时间和温度的控制等都会对结果造成相当的影响，国内的崔希民在这方面进行了深入的研究。模型观测的主要内容有应力、位移、应变、速度和破坏形态。应力测量有压力盒、振动式传感器等；位移测量有百分表、全站仪、灯光透镜、激光散斑、摄影等，但是多数只适合测量模型表面的位移情况。在模型内部测量上，目前比较常用的有非电量电测法，将电阻应变片埋入模型内将应变等非电量转化为电量进行测量，配合计算机，能实现多点巡测自动记录，例如日本的UCAM-70A型多参数巡回测试仪。但是现用的非电量电测法的电阻应变片等受温度、湿度的影响较大，而且每一个应变片有输入和输出两根脚线，特别是当模型内部测量点很多时，埋入模型内部的众多导线对岩层移动往往会造成很严重的影响，且传感器的材料性能(尤其是材料的刚性)同相似材料之间存在着很大的差别，埋入的传感器直接影响模型内部的应力分布及其变化规律，而现有的各测量仪器因为量程和人为因素也会产生误差。因此以后要尽量选用微型或无接触、高耐久性及可靠性的传感器。例如采用基于光纤传感器工作原理的光波导应力应变测量技术和无接触的激光位移计现在已经开始被应用到模型试验中，它们具有灵敏度高，对模型扰动小等优点。1.4本文的研究内容本论文选题是结合横向课题“湖北荆襄化工集团大峪口矿段木架山采空场处理研究”的内容进行的。因为木架山需要完全、彻底地处理坚硬顶板下缓倾斜特大型的采空场，消除顶板冲击地压隐患，并堵塞非法开采通道的要求，李俊平等提出了采用矿柱崩落法处理木架山采空场的技术方案。但是矿柱崩落后，覆岩跨度增加，这会不会严重影响覆岩的稳定，覆岩跨度达到多少时既能让直接顶板跨落下来，满足堵塞非法开采通道的要求，又不会导致冲击地压，影响后续矿藏的开采，开采过程中的覆岩变形与离层发展规律如何，反映到地表的变形形式与程度如何都是本文所要解决的问题。本文主要内容包括： 1)对覆岩变形及地表沉降引发的灾害问题进行了全面而系统的调研分析，综述了目前主要的覆岩变形与地表沉降的分析手段与研究进展，特别回顾了相似模拟的研究现状及其优缺点，为论文的研究提供基础，确定了采用数值模拟与相似模拟作为研究木架山采空区覆岩变形特性研究手段的方案。2)在掌握矿山具体情况的基础上，进行现场调查、采样，开展岩体力学性质室内试验，并结合实际情况，参考同行经验，进行了参数研究，为后续研究工作准备条件。3)采用有限元数值计算，而不是传统的概率积分法和离散单元法，分析了覆岩与地表的一般移动、变形、破坏规律与顶板的极限跨度，采用杀死薄层单元的方法模拟了离层地产生，对离层的产生机理进行了研究。4)采用正交试验确定相似模拟试验中的材料配比，用云母粉模拟广泛存在于岩层中的层理，模拟了覆岩从变形到开裂、跨落的全过程，描述了离层的产生过程与范围，分析了地表沉降规律，得出了较为可靠的覆岩极限跨度。并对试验中存在的一些误差的影响因素进行了分析。5)通过与钱鸣高等人的研究成果进行比较，结合木架山矿区覆岩变形规律，对层状覆岩的变形过程、破坏模式进行了研究。在全面了解目前主要的沉降预防与治理措施的基础上，结合木架山的实际情况，提出了一般性的、建设性的沉降控制意见。第二章 岩体力学性质试验研究 木架山采空场的处理方案初定为矿柱崩落法，崩倒部分矿柱，让直接顶板跨落下来，堵塞非法开采巷道，消除顶板冲击地压隐患，并研究覆岩的变形规律与地表沉降规律。因此必须首先开展工程地质调查研究，然后开展岩石物理、力学试验研究。因为实际工程地质条件是制定有代表性的岩石性质试验方案的依据，也是制定合理的空场处理与地压控制方案的前提条件。由岩石的物理、力学性质转化而得到的岩体性质是掌握覆岩变形规律和覆岩变形控制研究不可或缺的参数。2.1工程地质概况木架山矿区主要有两条平行产出的矿体Ph1与Ph 3，矿层平均倾角为21 o23o ，两矿层间距为50 m。，其中Ph 1矿层在滴水崖背斜以东，最大赋存标高为286 m，最低控制标高为-186 m。在背斜西翼矿层出路标高为296m，最低控制标高为-171 m。控制矿层的总宽度达2300m左右。Ph 1矿层厚度为23 m，平均2.2 m。矿石以泥质条带状磷块岩为主，局部含致密状磷块岩。Ph3矿层在Ph 1矿层之上，为层状矿层，厚度大，品位低，很稳定，矿层厚度和品位变化有一定规律可循。目前，Ph3矿层已经用露天开采方式结束了开采，留下的底板即为Ph1矿层的顶板。矿层Ph1的直接顶板为下含磷白云岩(Zb1-1d)，浅灰、灰色致密厚层状，细粒结构，厚度380 m，一般1535 m，平均25m。间接顶板为第二磷矿层(Zb1-2a)，一般不可采，厚度015 m，一般26 m。间接顶板之上为下含磷白云质泥灰岩(Zb1-2b)，细层里发育，微粒结构，厚度737 m，一般1522 m。上述顶板的三个层位中，直接顶板下含磷白云岩岩性致密坚硬，下部含有不规则的燧石团块及致密磷块岩团块或矿条，矿层与顶板为过渡接触，局部地段在下含磷白云岩直接顶板下面赋含有Ph1的表外矿，厚度不超过03m。顶板节理、裂隙和溶洞不甚发育，稳固性一般较好，仅在矿段北部裂隙及小溶孔发育，稳固性较差。矿层Ph1的直接底板为隔水性良好的页岩，本层变化大，在北部有时全为硅化白云岩所替代。全层厚度为0.2830 m，一般为1015 m。目前W140W148之间采空场沿倾斜的长度较大，达380多米。该段局部已采至地表露头并与地面联通。在该段采空场中残留有100多个较大的矿柱和两个特别大的低品位矿柱(W143附近)，该段顶板完整稳固。由于上层矿Ph3已用露天方式结束开采，在地表形成了下凹地形。下层矿Ph1一直被当地多家集体单位和个人非法无规则地滥采乱挖，目前已经形成了走向长1200m，斜长140380m，平均斜长350m，总面积约37.5万m2的采空区。为了保护矿产资源，必须崩塌Ph1上部斜长不小于80m的采空区。但是为了确保不影响后续地下开采Ph3矿体及Ph1矿体，必须严格控制覆岩变形，避免顶板冲击地压灾难，为此需要对覆岩及地表变形规律进行研究。2.2力学性质试验研究2.2.1试样的采集与制备根据木架山采空场的工程地质调查情况，结合本文主要目的，在地表和采空场内随机采集若干岩石试样，开展室内劈裂、单轴压缩和三轴剪切试验。样品统计见表2.1。表2.1 采样统计岩石名称块数备 注顶板白云岩4层理都较发育。页岩层理在不大的外力冲击下较容易脱层。含磷白云岩5磷矿8底板页岩8根据水利水电工程岩石试验规程(DLJ20481, SLJ281)(电力工业部和水利部，1982)的要求，岩石抗拉试验采用间接的劈裂法，试样规格为50mm25mm，抗压及三轴剪切试验采用50mm100mm试样，试样的加工采用从大块岩样上钻取岩芯，然后锯切研磨，制成所需规格和精度要求的试样。2.2.2力学性质试验研究1)单轴压缩试验单轴压缩试验是通过测定单轴压力作用下试件所承受的最大荷载，来计算岩石单轴抗压强度的。本次试验依据SL264-2001，利用1346型电液伺服材料试验机系统绘制全应力应变过程曲线，求得岩石弹性模量、泊松比。图2.1给出了顶板白云岩试样单轴压缩试验的应力应变曲线，从曲线上可以看出，岩石在压力作用下，全应力应变曲线上大多是非线性的，因此弹模不是常数。目前国内确定弹模普遍采用的是以曲线上线弹性段的切线弹模作为岩石的弹模（长江水利委员会长江科学院，2000），本试验就是采用这种方法。泊松比是线弹性段上横向变形应变与纵向变形应变之比。图2.1 白云岩单轴压缩全应力应变曲线图通过对试验得出的弹模均值与抗压强度均值分析可知，弹模与抗压强度具有良好的对应关系，即强度高者其弹模大。试件受压后主要呈拉、拉剪和剪切等类型破坏，高强度的试件呈粉碎性破坏，并伴有巨响。试验结果见表2.2。2)劈裂试验目前国内外岩土工程界中测定岩石抗拉强度的最基本和应用最广泛的试验方法是劈裂法(又称巴西试验)。我国各部门的岩石试验规范几乎都列有该法。劈裂试验是在圆柱体(亦称圆盘)试样的直径方向上对径施加线性荷载，使试样沿直径破坏，测定出试样径向受压劈裂破坏的荷载。根据弹性理论，圆盘受压力P对径压缩时，其中心线平面各点120，r1=r2=d，应力状态为(取压应力为正)： (2-1)式中 d，t 分别为岩石圆盘试样直径和厚度；P岩石圆盘试样所受的对径压力；1，2分别为该点同上下端点连线与y轴的夹角；r1 ，r2 分别为该点与上下端点间的距离。在圆盘中心处，r1=r2=d/2，所以： (2-2)试验时对试样径向均匀加载，直至试样破坏，并记录最大荷载值，从而得出抗拉强度。试验结果见表2.2。由式(2-1)和(2-2)可以看出，沿圆盘中心各点的拉应力相等，而压应力为变化值，在上下端产生局部应力集中，圆盘中心处压应力为拉应力的3倍。由于岩石抗拉强度比抗压强度低得多，故采用劈裂试验测定岩石抗拉强度值t且 (2-3)3)三轴剪切试验除了抗压强度和抗拉强度以外，主要的力学参数还有C、，这两个数值是通过三轴剪切试验测得的。试验在长江500型三轴剪切仪上进行。施加的侧向压力s3分为4个等级，从0MPa开始，逐级增加2MPa，最大侧压为8MPa。分别测定试件在该级侧压下轴向所承受的最大荷载，从而计算出该试件在该围压下的轴向应力s1。下面的图2.2和图2.3分别给出了底板页岩和含磷白云岩三轴剪切全应力应变曲线图。图2.2页岩三轴剪切应力应变曲线图 图2.3含磷白云岩岩三轴