毕业论文：采空场覆岩变形特性研究

相似模拟试验考虑的因素不够全面，例如弹模抗拉强度泊松比摩擦角等都没有考虑。

未仔细考虑养护与开挖时间相似，结果也可能存在定误差。

相似模拟试验中测量时采用无接触的全站仪与摄影仪，不仅可以准确的测量更多点的水平移动与垂直移动，还减少了开挖等人为因素对千分表的震动与触动，并提高其测量精度。

而且模型中没有布置应变花，不能将覆岩内部的应力应变分布与数值计算结果进行比较。

建议以后相似模拟试验中采用微型的应力测试手段测试应力。

武汉大学硕士学位论文第五章覆岩变形的规律及其控制通过对木架山矿区倾斜采矿场覆岩变形的数值模拟与相似模拟研究，结合前人的研究成果，我们可以得出些覆岩变形与地表沉降的般性规律。

此外，对于类似于木架山采空场处理后的覆岩情况，虽然达到了预期目的，但是因为覆岩跨度较大，余下的部分大矿柱可能难以维持覆岩的稳定，因此需要对此类情况下的覆岩控制进行方案研究。

覆岩变形规律覆岩变形规律具体来说主要有两个方面覆岩破坏模式与地表沉降模式。

覆岩破坏模式目前研究的最多的主要是不同组合形式的层状覆岩的变形破坏问题。

如果层状组合的覆岩中有层或几层较为坚硬的厚岩层在整个上覆岩体的变形与破坏中起全部或局部的控制作用，这种坚硬的岩层即称为关键层，前者可称为岩层运动的关键层，后者可称为亚关键层。

具体来说，关键层有如下特征几何特征相对其它相同岩层厚度较厚岩性特性相对其它岩层较为坚硬，即弹性模量较大，强度较高变形特征在关键层下沉变形时，其上覆全部或局部岩层的下沉量与它是同步协调的④破断特征关键层的破断将导致全部或局部上覆岩层的破断，引起较大范围内的岩层移动。

因此木架山的主关键层应当为最下层白云岩。

计算与试验均表明受采动影响，上覆岩层运动过程可分为三个阶段变形阶段当开挖空间很小时，其周围岩体在附加应力作用下会产生较大的应力集中，并产生微小的变形，随着工作面的推进，顶板岩层跨度增加，上覆岩体在重力作用下产生相对初始期较大的变形和移动，但是这种变形和移动的程度是非常有限的。

这个过程相对于木架山矿层覆岩的跨度，在这个跨度内，数值计算和相似模拟均反映出覆岩是稳定的。

弯曲阶段采场覆岩中的关键层未破断失稳前，覆岩般以单层或多层形式产生弹性武汉大学硕士学位论文地基结构挠曲下沉变形，此时，主关键层与亚关键层之间亚关键层与亚关键层之间变形的不协调将形成岩层移动中的离层和各种裂隙分布。

从力学机制上讲，离层就是岩层接触面上的粘结力与岩体自重及作用在层面间的剪切力相比是很小量的结果。

这个过程相对于跨度，此时覆岩内部离层逐步发育扩展，直接顶板开裂，因为主关键层发生了绕曲变形，引起了整个覆岩的弯曲下沉。

两种方法显示的地表沉降程度和形式都很相近。

垮落阶段随着跨度增加时，下位岩层的挠曲度迅速加大，其中的拉应力超过极限抗拉强度，在岩层板的边界处及下边缘层面处将产生不同程度的断裂现象，随着跨度的进步增加，直接顶，甚至是整个覆岩在瞬间由变形断裂迅速转为垮落，充填入采空区中。

这个过程相对于跨度。

因为有限元本身的局限性，只是根据抗拉强度来判断破坏，覆岩折断跨落的过程无法模拟出来，因此得到的覆岩变形量值也就没有了意义，而相似模拟在这方面就体现出了它的优势。

覆岩的初始小量变形和最后的断裂跨落是非常明显的外在形态变化，至于在覆岩变形的第二阶段是否有离层产生，及其相关的些问题很多人都对此进行了广泛研究。

例如我国学者王金庄的托板理论肯定了离层的存在及其制约因素，而德国学者克拉茨在他的著作采动损害及其防护中也对离层有过介绍，年俄国的ВЛСамарин发表了采动岩体中离层空间的形成文，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。

我国学者钱鸣高经过长期的实践观测和研究分析，提出了裂隙带岩层可能形成的岩体结构模型如图。

图砌体梁结构模型图表示回采工作面前后岩体形态，其中为垮落带为裂缝带为弯曲下沉带为煤壁支承区为离层区，为重新压实区。

鉴于它似砌体样排列而组成的结构，因而称之为砌体梁。

他们采用离散单元法模拟出来的关键层破断前后的离层分布情况如图所示武汉大学硕士学位论文图主关键层破断前后的离层分布情况根据本文第三章的计算结果，当跨度达到的时候，层理在跨度中部的拉应力达到层理的极限抗拉强度见图，所以这里可能会有裂隙离层产生。

图可以看出覆岩跨度两端与上部覆岩共同形成了个压力拱。

当跨度进步增加到的时候，离层范围扩展到了层理的第四层，并主要位于跨度两端。

当跨度达到的时候，直接顶板跨落，离层扩展到了层理的第二层，且几乎完全位于跨度两端，覆岩从上到下明显的可以划分为弯曲下沉带裂隙带和跨落带。

此外，由图明显可知覆岩发生了整体下沉，从两边往中间可以依次划分为支撑区裂隙区和重新压实区，覆岩整体形成了个岩粱，与图的裂隙带岩层结构变形极其相似。

因此，对于层状覆岩来说，覆岩破坏首先是直接顶受拉，当跨度增加的时候，关键层以下覆岩与关键层之间关键层与亚关键层之间产生离层，形成裂隙带，上部覆岩形成压力拱达到定的平衡。

跨度进步增加时，裂隙带整体下沉形成岩粱，直接顶开始跨落，形成跨落带，余下裂隙带中部被压实，裂隙离层转移到跨度两端。

如果关键层此时也发生了明显的沉降，跨度增加后覆岩将会整体跨落。

如果关键层很稳定，裂隙带跨落后，关键层将作为拱顶继续下次的周期跨落。

这是个拱粱拱的交替变化过程。

数值计算和相似材料模拟实验的结果均表明，在采场推进过程中，采场覆岩中会形成个裂隙拱。

该裂隙拱的拱迹线为裂隙带中各传递岩梁的端部断裂线和裂隙带与缓沉带的分界线。

垮落带和裂隙带中己发生明显运动的岩层位于裂隙拱内，而垮落带和裂隙带中尚未发生明显运动的部分岩层及缓沉带岩层位于裂隙拱外。

要确定岩层板的边界，则应首先确定平衡拱的形态。

关于这个问题，学者们的观点不尽相同，但概括起来不外乎三种形态是半园形的，并且拱高为即采空区长度的半二是半椭园形，如美国彭曾有过此方面的论述在实际应用中为计算简化，也有用岩层断裂角来圈定的，视地层岩性软硬度确定此角度为度。

本文第四章试验的结果图，采用的是跨落角和移动角。

地表沉降模式众所周知，地下开挖，覆岩移动，波及到地表后就影响着地表岩层移动曲线的形式，它是受扰动岩体变形移动与破坏过程在地表的最终体现。

对地表沉降形态地描武汉大学硕士学位论文述，第章里面已经有了详细地介绍。

在矿山行业应用最为广泛得当数概率积分法。

岩层移动达到地表后，将在地表形成比地下采空区尺寸大得多的下沉盆地，如图所示。

图地表移动模式图根据本文所得的计算与试验数据，地表垂直沉降范围大致为跨度的倍，水平移动范围大于垂直沉降范围。

具体的变形范围会随着地表形态的变化而有所不同。

覆岩变形的预防与治理因为覆岩变形与地表沉降具有巨大的危害性，必须严格控制其产生，以防为主，防治结合。

尽管木架山采空场在处理过程中没有发生大的变形和跨塌事故，但是作为采空场处理这么个般性课题，我们需要对覆岩变形控制进行更深入地研究。

控制与防护由地下采矿引起的地表塌陷灾害的技术途径主要有地下开采技术措施地层控制措施和地面防护措施。

从整个施工过程来看有以下几种方法完备的静动态地质资料开挖前要做好区域工程地质水文地质条件的测绘加强长期的动态观测工作，了解治水工程和补给边界地面水与地下水之间的水力联系，以实现对矿井涌水量矿区塌陷等问题的定性预测。

合理的施工与支护手段改爆破施工为机械化掘进，减少对围岩的震动。

改大量抽排地下水为设置地下帏幕以及铺设防水材料，避免岩土体持续失水固结和大型水体涌入。

当地表已经有定沉降时要在地表开挖导流沟，防止雨水软化覆岩，渗入地下空间。

加快施工进度，减少未支护围岩的暴露时间，选择合理的支护措施与支护时间。

在矿山领域里面还有部分开采，包括条带开采限厚开采和房柱式开采等等。

大范围高精度的变形动态监测目前矿区的沉降监测主要还是区域性的地面标高水准测量，效率低工作量大。

但是随着科学技术的不断发展，越来越多的高端设备和仪器被用来监测地表的变形，包括等。

分类号密级编号武汉大学硕士学位论文采空场覆岩变形特性研究二四年十月研究生姓名李阳指导教师姓名职称周创兵教授学科专业名称岩土工程研究方向岩土体稳定郑重声明本人的学位论文是在导师指导下撰写并完成的，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，对覆岩变形进行了系列研究。

主要内容及其结论如下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。

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。

采用有限元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