山区地下开采地表移动相似模拟实验研究

刘 腾 王金安 高治国 王 利

(北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

山区地下开采地表移动相似模拟实验研究

刘 腾 王金安 高治国 王 利

(北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

以甘肃省海石湾矿区为研究对象，通过相似模拟材料实验建立二维地质模型，对山区地下开采时边坡的移动变形特征进行研究，结果表明：边坡体表面上部点的位移量小于下部点的位移量；山区地表点的位移向量受坡体倾斜和采空区下沉的共同作用，为两者的向量合成；山区地表的滑移主要发生在地表土层，下部的岩层几乎只受采空区下沉的影响；山区地表点的移动轨迹，在顺坡表现为“S”型，在逆坡时表现为反“S”型；坡面点的最终位移取决于两者的影响系数，在顺坡时，当倾斜影响因素大于采空区下沉影响因素时，最终位移会向倾斜方向偏移；反之，则向采空区方向偏移；在逆坡时，最终位移受两者叠加影响始终向倾斜方向偏移。说明利用相似模拟材料实验研究山区地表的移动规律是一种有效的手段。

山区 地下开采 相似模拟实验 边坡移动变形

我国煤矿资源丰富，但大多数煤矿都位于山区，地形复杂[1]。针对山区地下开采地表的移动变形特征，缺乏科学可靠的岩移数据指导地下工作面部署和地面建筑物保护[2-5]。为了掌握山区地表的移动规律，保证煤层开采不造成地表建筑物、高压路线等设施的损坏，需对地下煤层开采引起的地表影响范围和影响程度进行研究和分析[6]。确定合理的开采参数和地面建筑保护的措施，最大限度地实现经济合理、技术可行、安全可靠的开采[7-9]。相似模拟材料实验是国内学者和技术专家比较认可的研究方法，此次用于研究地表移动规律，不仅具有重要的理论价值，而且具有推广应用价值[10]。

1 模型与计算参数

本相似材料模拟实验模型选用4.2 m×0.25 m×2 m的模型支架。根据需要选取几何相似常数为400，容重相似常数为1.6，根据相似理论确定应力及强度相似常数为640[11]。

(1)原岩力学性质。根据原型力学参数确定模型力学参数见表1。

表1 原岩基本力学参数Table 1 Basic rock mechanical parameters

(2)模拟岩石的力学性质。模拟岩层力学参数,如表2所示。

表2 模拟岩层力学参数Table 2 Mechanical parameters of simulated rock

2 模型的建立

在建立的二维相似材料地质模型上布置监测点，监测点位置如图1所示，研究在地下开采时，边坡表面的位移特征以及规律，主要针对布置在地表的监测点进行研究分析。模型标识左右两端各预留50 cm，中间标识从右到左为0～320 cm，即模拟有效长度为1 280 m。

图1 二维地质模型监测线分布图Fig.1 Monitoring line profile of 2D geological model

由于模型的模拟高度有限以及根据现场采空区状态，首先对模型的右端进行开挖，形成塌陷采空区，作为实验的初始状态(因模型顶端斜坡顶为80 cm左右标识处，现将模型开挖至2倍距离165 cm标识处)，坡底标识为240 cm处，如图2所示。

图2 实验模型初始状态Fig.2 The initial state of experimental model

3 地表移动特征

将倾向与工作面推进方向一致的地表坡面称为顺坡，倾向与工作面推进方向相反的地表坡面称为逆坡。以坡底为分界，分别对顺坡开挖以及逆坡开挖进行研究分析：为了方便研究，对坡体表面监测点进行编号，从左至右依次为：1,2,3，…，51。坡底位置为24号监测点。

3.1 顺坡开挖

开挖分为2个阶段：第1阶段，从165 cm开挖至200 cm(以5 cm为单元进行开挖)；第2阶段，从200 cm开挖至240 cm(以5 cm为单元进行开挖)。顺坡开挖的位移矢量图见图3、图4，开挖至240 cm时的二维地质模型见图5。

图3、图4表明，在顺坡开挖过程中，当工作面的推进位置没有通过某测点时，测点随采场延伸，坡面点位移向量指向边坡自由面且位移量增加；当工作面通过某测点时，坡面点位移向量受到采空区下沉作用的反影响，点的移动向量向采空区方向(坡体倾斜反方向)偏移，水平位移受到抵消，垂直位移量产生叠加，当移动趋于稳定时，位移向量仍指向地表倾斜方向，并没有回到原坡面点位置的正下方(采空区的下沉影响因素小于坡体倾斜影响因素)。

图3 开挖至200 cm时顺坡的位移矢量图Fig.3 The slope displacement vector diagram when excavated to 200 cm

图4 开挖至240 cm时顺坡的位移矢量图Fig.4 The slope displacement vector diagram when excavated to 240 cm

图5 开挖至240 cm时的二维地质模型图Fig.5 2D geological model figure when excavated to 240 cm

下面选取开挖至240 cm时2个代表性的监测点26号点以及32号点绘出移动轨迹图(单位m，以工作面实际量纲计)，见图6。

图6 开挖至240 cm时的点26、32的移动轨迹图Fig.6 Movement trajectory of points 26, 32 when excavated to 240 cm◆—26号点移动轨迹；■—32号点移动轨迹

由图6可以得出，顺坡表面点受开挖扰动沿坡体倾斜方向移动，后受采空区下沉以及坡体倾斜的共同作用下移动轨迹大致呈“S”型。

3.2 逆坡开挖

开挖分为2个阶段：第1阶段，从240 cm开挖至280 cm(以5 cm为单元进行开挖)；第2阶段，从280 cm开挖至320 cm(以5 cm为单元进行开挖)。逆坡开挖的位移矢量图见图7、图8，开挖至320 cm时的二维地质模型见图9。

图7 开挖至280 cm时逆坡的位移矢量图Fig.7 Displacement vector diagram of inverse slope when excavated to 280 cm

图8 开挖至320 cm时逆坡的位移矢量图Fig.8 Displacement vector diagram of inverse slope when excavated to 320 cm

图9 开挖至320 cm时逆坡的二维地质模型图Fig.9 2D geological model figure of inverse slope when excavated to 380 cm

图7、图8表明，在逆坡开采时，当工作面的推进位置没有通过某坡面点时，测点随采场延伸，坡面点位移向量指向边坡自由面且位移量增加；当工作面通过某点时，坡面点位移向量受到采空区下沉作用的正影响，坡面点的移动向量指向采空区方向(坡体倾斜方向)偏移，水平位移量、垂直位移量同时产生叠加。当移动趋于稳定时，位移向量更偏向坡体倾斜方向。

下面选取开挖至320 cm时2个代表性的监测点22号点以及18号点绘出移动轨迹图(单位m，以工作面实际量纲计)，见图10。

图10 开挖至320 cm时的18、22号点的移动轨迹图Fig.10 Movement trajectory of points 18, 22 when excavated to 320 cm◆—18号点移动轨迹；■—22号点移动轨迹

由图10可以得出，顺坡表面点受开挖扰动沿坡体倾斜方向移动，后受采空区下沉以及坡体倾斜的叠加影响下移动轨迹大致呈“反S”型。

4 综合水平位移分析

坡面各测点水平位移综合分析：以坡底为0点，以现场工作面量纲(m)为单位得出图11所示曲线(后为正，前为负)。

图11 开挖过程中坡面点水平位移图Fig.11 Horizontal displacement diagram of slope surface in excavation process◆—工作面推进至坡底后方-160 m;▲—工作面推进至坡底；●—工作面推进至坡底前方160 m;■—工作面推进至坡底前方320 m

由图11可知，水平位移最大为0.842 m，位于逆坡下部，一般位移在0.4～0.9 m之间，说明逆坡表面点受向量叠加，位移最为明显，并且整个坡面都受到不同程度的开采扰动影响。以坡底为分界线，逆坡各测点位移整体大于顺坡各测点位移，逆坡受到位移叠加，顺坡受到位移抵消。无论正反坡，边坡下部位移量大于边坡上部，正坡最大可以达到0.64 m、反坡最大可以达到0.842 m。除坡体表面，下部岩层的水平位移明显减小，基本呈垂直下沉，受下沉向量的影响有轻微的向采空区方向的偏移量。

5 结 论

(1)山区地表点的位移向量受坡体倾斜和采空区下沉的共同作用，为两者的向量合成。

(2)边坡体表面上部点的位移量小于下部点的位移量。

(3)山区地表的滑移主要发生在地表土层，下部的岩层几乎只受采空区下沉的影响。

(4)山区地表点的移动轨迹，在顺坡表现为“S”型，在逆坡时表现为反“S”型。

(5)坡面点的最终位移取决于两者的影响系数。在顺坡时，当倾斜影响因素大于采空区下沉影响因素时，最终位移会向倾斜方向偏移；反之，则向采空区方向偏移。在逆坡时，最终位移受两者叠加影响始终向倾斜方向偏移。

(6)利用相似模拟材料实验研究山区地表的移动规律是一种有效的手段。

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(责任编辑 石海林)

Similarity Simulation Research of Slope Deformation During Underground Mining in Mountainous Area

Liu Teng Wang Jin'an Gao Zhiguo Wang Li

(SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

Taking Haishiwan mining area in Gansu province as the research object,2D geological model is set up through the similar material simulation experiment.The slope deformation characteristics during underground mining in mountainous area are studied.The results showed that the displacement at the upper part of slope is less than that at the lower part; The surface displacement vector in mountainous area is under interaction of slope inclination and goaf subsidence,which values at composite vectors of slope inclination and goaf subsidence.The sliding of mountain surface mainly occurs in the topsoil,and the lower strata are only influenced by the goaf subsidence.The surface movement track in mountainous area presents as “S” type in bedding slope,and reverse “S” type in adverse slope.The final displacement of slope surface depends on the influence coefficient of the two kinds of slope.In bedding slope,when the inclination factor is greater than that of the goaf subsidence,the final displacement will migrate towards the inclination,otherwise towards the goaf.In adverse slope,the final displacement is influenced by both combination and always migrates towards the inclination.It is an effective means to study the movement of mountainous surface by adopting similar material simulation experiment.

Mountainous areas，Underground mining，Similar simulation experiment，Slope deformation

2014-05-10

刘 腾(1989—)，男，硕士研究生。通信作者 王金安(1958—)，男，教授，博士生导师。

TD325

A

1001-1250(2014)-10-161-05