采空?qǐng)龈矌r變形特性研究碩士畢業(yè)論文

分類號(hào)密級(jí)UDC編號(hào)1 0 4 8 6武 漢 大 學(xué)碩 士 學(xué) 位 論 文采空?qǐng)龈矌r變形特性研究研究生姓名： 指導(dǎo)教師姓名、職稱： 學(xué)科、專業(yè)名稱：巖土工程研究方向：巖土體穩(wěn)定 The Behavior Study of Overburden deformation in Abandoned StopeBy 鄭 重 聲 明本人的學(xué)位論文是在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立撰寫(xiě)并完成的，學(xué)位論文沒(méi)有剽竊、抄襲、造假等違反學(xué)術(shù)道德、學(xué)術(shù)規(guī)范和侵權(quán)行為，本人愿意承擔(dān)由此產(chǎn)生的法律后果和法律責(zé)任，特此鄭重聲明 學(xué)位論文作者（簽名）：年 月 日3武 漢 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文摘 要隨著人們對(duì)礦產(chǎn)資源的需求越來(lái)越大，采空區(qū)規(guī)模及開(kāi)采深度也不斷加大，由此引起的覆巖及地表變形問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重,由此嚴(yán)重影響著人們的生產(chǎn)生活，并帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此對(duì)地下開(kāi)挖引起的覆巖變形破壞過(guò)程與機(jī)理、地表變形規(guī)律等問(wèn)題進(jìn)行研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。覆巖變形與地表沉降具有非均勻、非連續(xù)與大位移的特點(diǎn)，是一個(gè)高度復(fù)雜的非線性問(wèn)題。前人在這方面已經(jīng)做了大量的工作，分別采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)及計(jì)算機(jī)模擬等手段，對(duì)覆巖與地表變形的預(yù)測(cè)、裂隙和離層的分布以及由此帶來(lái)的采動(dòng)損害的防護(hù)與控制等問(wèn)題進(jìn)行了廣泛的研究，得出了許多有益的經(jīng)驗(yàn)與結(jié)論。本論文結(jié)合橫向課題“湖北荊襄化工集團(tuán)大峪口礦段木架山采空?qǐng)鎏幚硌芯俊?，?duì)覆巖變形進(jìn)行了一系列研究。主要內(nèi)容及其結(jié)論如下：1)對(duì)覆巖變形及地表沉降引發(fā)的災(zāi)害問(wèn)題進(jìn)行了全面而系統(tǒng)的調(diào)研分析，綜述了目前主要的覆巖變形與地表沉降的分析手段與研究進(jìn)展，特別回顧了相似模擬的研究現(xiàn)狀及其優(yōu)缺點(diǎn)，為論文的研究提供了基礎(chǔ)。確定了采用有限元數(shù)值模擬與相似材料模擬作為研究木架山采空區(qū)覆巖變形特性研究手段的方案。2)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件勘查，開(kāi)展了室內(nèi)單軸壓縮、劈裂與三軸剪切巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)與前人研究成果，提出了數(shù)值模擬與相似模擬研究所需要的巖體力學(xué)參數(shù)。3)采用有限元ANSYS軟件分析了覆巖與地表的移動(dòng)、變形與破壞的規(guī)律與頂板的極限跨度，嘗試了離層得模擬。研究發(fā)現(xiàn)，隨著礦柱的崩落，覆巖跨度不斷增加，引起的地表移動(dòng)范圍也不斷增大，地表垂直沉降范圍大致為跨度的1.51.7倍，垂直沉降曲線始終關(guān)于最大沉降點(diǎn)對(duì)稱；水平移動(dòng)的范圍大于垂直沉降的范圍，最大水平移動(dòng)量大約為最大沉降量的40，且水平移動(dòng)不對(duì)稱。另外，當(dāng)覆巖發(fā)生整體下沉?xí)r離層主要存在于跨度兩端，離層由層理剪切破壞引起。4)采用正交試驗(yàn)確定相似模擬試驗(yàn)中的材料配比，用云母粉模擬廣泛存在于巖層中的層理，模擬了覆巖從變形到開(kāi)裂、跨落的全過(guò)程，描述了離層的產(chǎn)生過(guò)程與存在范圍，分析了地表沉降規(guī)律，得出了較為可靠的覆巖極限跨度：110m。并對(duì)試驗(yàn)中存在的測(cè)量誤差，材料參數(shù)誤差進(jìn)行了分析。5) 通過(guò)對(duì)木架山礦區(qū)覆巖變形規(guī)律的研究，我們發(fā)現(xiàn)，不論是地表沉降，還是覆巖內(nèi)部的變形破壞，數(shù)值模擬與相似模擬結(jié)果基本是一致的，并對(duì)層理的破壞模式與機(jī)理進(jìn)行了深入研究。在全面了解主要的沉降預(yù)防與治理措施的基礎(chǔ)上，對(duì)類似工程的覆巖變形提出了可行的控制方案。關(guān)鍵詞：覆巖變形；數(shù)值模擬；相似模擬；層理；離層；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 緒 論1.1問(wèn)題的提出隨著西部大開(kāi)發(fā)的推進(jìn)以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，一大批大規(guī)模、超埋深的地下工程已經(jīng)開(kāi)始動(dòng)工，包括采礦、交通、建筑以及各種水利與國(guó)防隧洞，有的業(yè)已投入使用。地下工程在開(kāi)挖以前，圍巖處于一定的平衡狀態(tài)，工程開(kāi)挖使得圍巖應(yīng)力重新分布。因?yàn)樯细矌r層強(qiáng)度太低、施工工藝選擇不當(dāng)及過(guò)渡開(kāi)采等原因，地下開(kāi)挖常常引起嚴(yán)重的覆巖變形與地表沉降。這些問(wèn)題帶來(lái)的危害可以分為以下三類：1.破壞地表生態(tài)環(huán)境 地下開(kāi)挖常引起地表塌陷和凹陷地表積水。據(jù)國(guó)土資源部調(diào)查，至2003年全國(guó)24個(gè)?。ㄊ小⒆灾螀^(qū)）的300多個(gè)市縣共發(fā)生過(guò)巖溶塌陷2831處，面積332km2，而人為因素是誘發(fā)巖溶塌陷的主要原因。另外，我國(guó)97%的煤炭生產(chǎn)為地下開(kāi)采，約2100萬(wàn)畝土地已遭受到采礦沉降的影響，幾乎每采出百萬(wàn)噸煤，就會(huì)造成四畝地的塌陷。此外，深部礦井長(zhǎng)期排水也引起礦區(qū)整體地表下沉，地表凹陷又引起雨水集積，若地表有較厚的不透水層，大量耕地或居住區(qū)會(huì)經(jīng)常遭受洪澇災(zāi)害。另外，因?yàn)閷?dǎo)水裂隙帶發(fā)育，特別是裂隙帶發(fā)育到地表時(shí)，雨水和地下水會(huì)通過(guò)塌陷口與裂隙巖層排入采區(qū)，這些都會(huì)嚴(yán)重改變礦區(qū)的補(bǔ)給、徑流和排泄條件，造成人們生活用水困難和作物減產(chǎn)。2.影響地下空間地使用 上覆巖層的大規(guī)模下沉?xí)鸬叵驴臻g的不可恢復(fù)的嚴(yán)重變形與覆巖裂隙擴(kuò)展，且雨水通過(guò)裂隙滲入地下，會(huì)溶蝕巖層、腐蝕設(shè)備。嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起整個(gè)上覆巖層的跨落形成沖擊地壓，甚至附近大型水體的涌入等突發(fā)事件，造成嚴(yán)重的井下人員傷亡和地下設(shè)施的毀壞，以及因?yàn)榈V藏資源不能開(kāi)采或開(kāi)采代價(jià)太高、誤工誤時(shí)等帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。例如1961年10月大同礦務(wù)局挖金灣礦青羊?yàn)车V井，空?qǐng)鲆淮涡园l(fā)生冒頂約16.3萬(wàn)m2，地面塌陷12.8萬(wàn)m2，沉降深度達(dá)0.51.0m，18人死亡。冒頂產(chǎn)生的強(qiáng)烈暴風(fēng)吹翻了井下載重1t的裝滿煤的礦車，密封11處，摧跨巷道支架90m，礦井的通風(fēng)、運(yùn)輸系統(tǒng)均遭破壞，全井被迫停產(chǎn)。3.導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物受損 地下開(kāi)挖導(dǎo)致的應(yīng)力重分布會(huì)對(duì)地表和地下已有的結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生附加應(yīng)力，當(dāng)結(jié)構(gòu)物受到不均勻的附加應(yīng)力且超過(guò)其抵抗強(qiáng)度時(shí)，將引起結(jié)構(gòu)物的擠壓、拉裂、剪切，甚至扭曲破壞。例如房屋開(kāi)裂、路面錯(cuò)臺(tái)、管線破裂等，帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失，例如使得房屋需要搬遷和交通運(yùn)輸被迫中斷等。人為因素的地面沉降最早于1898年在日本新瀉發(fā)現(xiàn)，隨后各種沉降相繼在世界各地被發(fā)現(xiàn)。聯(lián)合國(guó)教科文組織（UNESCO）于1964年認(rèn)識(shí)到地面沉降的嚴(yán)重性，因此，與國(guó)際水文科學(xué)協(xié)會(huì)已分別于1969，1976，1984，1991和1996年在日本東京、美國(guó)阿納海姆、意大利威尼斯、美國(guó)休斯敦和荷蘭的海牙共召開(kāi)了5屆國(guó)際地面沉降會(huì)議，對(duì)各種因素：包括抽取液態(tài)資源，挖掘固態(tài)礦物等引起的地表沉降問(wèn)題進(jìn)行了研討。G.L.Bertoldi認(rèn)為：“地面沉降是由于地下支撐物的移動(dòng)導(dǎo)致的地面標(biāo)高損失”。這些地下支撐物有些是人們無(wú)法對(duì)其產(chǎn)生影響的，稱為自然地質(zhì)因素，如地層結(jié)構(gòu)、巖體性質(zhì)、地應(yīng)力、地下水、礦藏傾角與埋深等；另一類為開(kāi)挖技術(shù)因素；包括開(kāi)挖深度、拱頂跨度與截面形狀、施工方案與進(jìn)度、支護(hù)與排水措施等。具體來(lái)說(shuō)，有以下一些因素：1)覆巖巖性及地質(zhì)構(gòu)造覆巖的強(qiáng)度參數(shù)及變形系數(shù)，覆巖為均質(zhì)各向同性還是各向同性，是在山區(qū)還是平原，是在高構(gòu)造地應(yīng)力區(qū)還是單純的自重應(yīng)力區(qū)，是否處于高地應(yīng)力區(qū)，地應(yīng)力主方向與地下空間的走向，有無(wú)大的斷層、裂隙穿過(guò)。巖性及其地質(zhì)構(gòu)造的不一樣直接導(dǎo)致覆巖變形方式與程度的不一樣。2)空間結(jié)構(gòu)形式 洞室的跨度、截面形式、埋藏深度與傾角、相鄰隧洞的疊加效應(yīng)等對(duì)覆巖變形都有重要影響。一般的經(jīng)驗(yàn)公式、理論公式都只考慮了這一層因素。3)地下水很多交通隧道、水工隧洞以及地下深部開(kāi)采都處在地下水位線以下，開(kāi)挖使地層持續(xù)失水、固結(jié)，引起地層、地表出現(xiàn)超前、超大范圍的變形及沉降。這也是沿海地區(qū)地鐵開(kāi)挖時(shí)地表沉降量大于拱頂沉降量的主要原因。4)施工方法采礦、交通、水工方面的地下工程等常因本身的結(jié)構(gòu)形式及其所處的地質(zhì)環(huán)境等的不同，常采用完全不同的開(kāi)挖方式。通過(guò)改變應(yīng)力釋放的順序有時(shí)可以很好地減緩圍巖變形的程度。例如臺(tái)階法、全斷面開(kāi)挖法、側(cè)壁導(dǎo)坑法和新奧法等。5)開(kāi)挖進(jìn)尺與進(jìn)度開(kāi)挖進(jìn)尺的大小實(shí)質(zhì)上是工作面無(wú)支護(hù)空間的大小，其值不僅影響著地表沉降及拱頂下沉，而且也影響著開(kāi)挖面的穩(wěn)定性。巖（土）體具有蠕變效應(yīng)，時(shí)間越長(zhǎng)，覆巖的變形總量也越大，施工速度越快，隧道開(kāi)挖面暴露的時(shí)間就越短，產(chǎn)生的沉降量也就會(huì)越小。6)支護(hù)與充填維護(hù)圍巖穩(wěn)定的方式有很多，大致可以分為支護(hù)與充填兩種，支護(hù)的方式有錨桿與錨索、桁架、鋼筋混凝土襯砌、留設(shè)礦柱等。而充填法主要應(yīng)用在采礦行業(yè)，有采空區(qū)尾砂充填與裂隙離層充填。選擇不同的支護(hù)（充填）方式、時(shí)間和地點(diǎn)對(duì)維護(hù)圍巖穩(wěn)定會(huì)有明顯不同的效果。因?yàn)樯鲜鲞@些非常復(fù)雜的因素，覆巖變形與地表沉降是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，表現(xiàn)出變形的非均勻、非連續(xù)與大位移的特點(diǎn)，是一個(gè)高度非線性的問(wèn)題。前人在這方面已做了大量的工作，分別采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)與計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬等手段，對(duì)巖層與地表移動(dòng)的規(guī)律、采動(dòng)裂隙和離層的分布、巖層與地表移動(dòng)變形的預(yù)測(cè)以及由此帶來(lái)的采動(dòng)損害的防護(hù)與控制等問(wèn)題進(jìn)行了廣泛的研究，等得到了許多有益的經(jīng)驗(yàn)與結(jié)論。特別地，我國(guó)因開(kāi)挖和巖溶引起的地表塌陷年平均直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到4.39億元，而采礦引起的塌陷就占到總塌陷面積的77，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件與水文條件，尤其是建筑物下、鐵路下與水體下（簡(jiǎn)稱“三下”）的礦藏資源采出問(wèn)題尤為突出。因此就地下空間與資源的可持續(xù)利用和環(huán)境治理而言，有必要對(duì)采礦引起的地表沉降問(wèn)題進(jìn)行更深一步的理論與技術(shù)研究。正確地認(rèn)識(shí)和掌握各地質(zhì)因素與開(kāi)采因素的影響，對(duì)沉降規(guī)律及其機(jī)理進(jìn)行研究；合理、有效地預(yù)測(cè)沉降范圍與沉降量，評(píng)估沉降對(duì)地表環(huán)境與地下設(shè)施的影響，并提出合理的沉降控制措施等。1.2覆巖變形研究手段與現(xiàn)狀開(kāi)采沉降學(xué)是礦山開(kāi)采學(xué)科的核心內(nèi)容之一，最早來(lái)自英文Mining Subsidence，它是一門(mén)研究地下有用礦物開(kāi)采引起巖層和地表移動(dòng)的學(xué)科。開(kāi)采沉降是一個(gè)極其復(fù)雜的災(zāi)害力學(xué)問(wèn)題，表現(xiàn)為巖體結(jié)構(gòu)的模糊隨機(jī)性、采動(dòng)應(yīng)力變化的復(fù)雜性、采動(dòng)巖體變形和破壞的非線性、開(kāi)采損害的嚴(yán)重性等等。所涉及的學(xué)科范圍非常廣泛，大致可以分為測(cè)量、地質(zhì)、力學(xué)、數(shù)學(xué)、采礦、建筑、環(huán)境與信息等。目前的研究手段主要有五種：現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、經(jīng)驗(yàn)公式、理論解析、相似模擬與數(shù)值計(jì)算等，以研究覆巖變形規(guī)律，并對(duì)沉降作出預(yù)測(cè)。下面分別對(duì)這五種方法進(jìn)行介紹：1.現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè) 傳統(tǒng)的地表沉降觀測(cè)是在地表布置觀測(cè)站，觀測(cè)站測(cè)點(diǎn)之間的水平距離及高程通常都采用鋼尺量邊及水準(zhǔn)測(cè)量的常規(guī)方法，比較精密的有精密水準(zhǔn)儀S0.5、全站儀、DEmin2型防爆光電測(cè)距儀等。這些方法為研究地表移動(dòng)規(guī)律提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但存在著效率低，受地形限制嚴(yán)重，不能對(duì)覆巖內(nèi)部的變形破壞進(jìn)行觀測(cè)等缺點(diǎn)。另外，還采用GPS、地質(zhì)雷達(dá)、淺層地震與電磁波、聲波透視等技術(shù)對(duì)地表沉降量及塌陷地進(jìn)行預(yù)測(cè)與預(yù)報(bào)，但是這些設(shè)備比較昂貴。1986年美國(guó)在加州建了38個(gè)GPS監(jiān)測(cè)站，采用最嚴(yán)格的測(cè)量程序，其大地標(biāo)高的精度可達(dá)到毫米級(jí)。目前上海和珠江三角洲地區(qū)也在采用GPS定位系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行地表沉降監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)有望以后應(yīng)用于采礦行業(yè)。2.經(jīng)驗(yàn)公式 在積累大量沉降觀測(cè)資料及其地質(zhì)與開(kāi)采技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，常可以總結(jié)出簡(jiǎn)單易用、實(shí)用性較強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)公式。目前應(yīng)用較廣且有代表性的方法主要有剖面函數(shù)法與隨機(jī)介質(zhì)理論1)剖面函數(shù)法剖面函數(shù)法根據(jù)地表下沉盆地剖面形狀來(lái)選擇描述下沉盆地剖面的相應(yīng)函數(shù)，作為計(jì)算地表移動(dòng)和變形的公式。剖面函數(shù)形式以曲線擬合或最優(yōu)化方法確定，并常表示為與地質(zhì)采礦條件數(shù)據(jù)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式。剖面函數(shù)形式有很多，如前蘇聯(lián)、波蘭等國(guó)都有各自適用的剖面函數(shù)計(jì)算方法。有代表性的主要是負(fù)指數(shù)函數(shù)法。它適用于近似矩形工作面開(kāi)采時(shí)的地表移動(dòng)和變形的預(yù)計(jì)，其公式如下： 式中地表移動(dòng)盆地主斷面上任意點(diǎn)的下沉值，mm；地表最大下沉值，mm；L下沉盆地的半長(zhǎng)，m；地表下沉盆地主斷面上任意點(diǎn)到最大下沉點(diǎn)的距離，；待定系數(shù),可根據(jù)礦區(qū)的實(shí)測(cè)資料求得此外還有諸如縱向下沉預(yù)測(cè)公式： 及橫向沉降公式（Peck公式）：其中：為測(cè)點(diǎn)距開(kāi)挖面距離，為沉降量，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（，）（，2，3），用高斯牛頓（簡(jiǎn)記GN）迭代法，求出參數(shù)，的最小二乘估計(jì)值；為離隧道軸線距離，為隧道中心處最大沉降量，為沉降槽寬度系數(shù)，采用經(jīng)驗(yàn)公式：，為覆土厚度，為計(jì)算半徑，對(duì)于非圓形結(jié)構(gòu)，其等效半徑為：，其中為非圓形結(jié)構(gòu)的面積。2)概率積分法60年代我國(guó)學(xué)者劉寶琛引入波蘭學(xué)者J.Litwiniszyn提出的開(kāi)采沉降隨機(jī)介質(zhì)理論，并加以改進(jìn)和完善，提出了地表移動(dòng)預(yù)計(jì)的概率積分法。因其簡(jiǎn)單實(shí)用，目前仍被采礦界廣泛應(yīng)用，但是該公式?jīng)]有考慮巖體的內(nèi)在特性，且在不充分和極不充分開(kāi)采時(shí)偏差較大。李永樹(shù)等人也根據(jù)概率積分法的基本原理，基于褶曲構(gòu)造地層、任意形狀空間開(kāi)挖條件下地表點(diǎn)在任意方向的移動(dòng)與變形值預(yù)計(jì)方法，推導(dǎo)出了不規(guī)則形狀地下空間開(kāi)挖條件下地表移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)公式。3.理論解析 經(jīng)驗(yàn)公式一般沒(méi)有考慮地質(zhì)構(gòu)造與巖性等影響因素，沒(méi)有從力學(xué)的角度出發(fā)分析問(wèn)題，所以不能準(zhǔn)確地描述地表下沉的機(jī)理，也無(wú)法表征其變形與下沉的過(guò)程。巖體既然是一種介質(zhì)，它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律應(yīng)符合某一種力學(xué)模型，在這方面的研究，特別是近幾十年來(lái)，獲得了較大的進(jìn)展。1958年首次提出了采空區(qū)上方巖層移動(dòng)的形式跨落帶、斷裂帶和彎曲帶，即所謂三代理論，并提出了蘇聯(lián)通用的地表移動(dòng)變形計(jì)算方法典型曲線法；60年代初，英國(guó)學(xué)者Berry和Wales用彈性理論探討了均質(zhì)巖層的平面及三維條件下的位移表達(dá)式；我國(guó)學(xué)者劉寶琛于1983年采用粘彈性平面模型推出了覆巖與地表的位移表達(dá)式；而李增琪（19831985）將覆巖看成層梁、板的彎曲，采用傅立葉變換數(shù)學(xué)方法導(dǎo)出了巖層的移動(dòng)表達(dá)式；吳立新、王金莊（1994）探討了厚硬巖層在覆巖運(yùn)動(dòng)中的作用，并著重研究了條帶開(kāi)采條件下覆巖與地表的沉陷規(guī)律；麻鳳海以復(fù)合介質(zhì)力學(xué)模型推導(dǎo)了覆巖及地表的下沉公式；鄧喀中等也根據(jù)復(fù)合巖梁理論，推出了開(kāi)采沉陷中層面滑移函數(shù)和層面滑移判斷式，獲得了層面滑移規(guī)律。等等。在覆巖內(nèi)部變形上，1990年俄國(guó)的.發(fā)表了采動(dòng)巖體中離層空間的形成一文，重點(diǎn)研究了離層帶形成問(wèn)題，描述了離層帶出現(xiàn)的位置、影響因素等。郭惟嘉以地表移動(dòng)數(shù)據(jù)反演，用動(dòng)態(tài)數(shù)值計(jì)算模型研究了覆巖離層規(guī)律，給出了確定離層的理想高度，計(jì)算了最大離層隨時(shí)間變化的曲線。應(yīng)當(dāng)指出，所有的力學(xué)模型均是經(jīng)過(guò)了許多的簡(jiǎn)化后得出的理想模型，各有其側(cè)重點(diǎn)，雖然在一定條件下解決了許多實(shí)際問(wèn)題，但就其理論模型而言，實(shí)屬仁者見(jiàn)仁，智者見(jiàn)智。目前，一般認(rèn)為覆巖移動(dòng)屬板（梁）法向彎曲下沉。4.相似模擬 相似模擬是在相似三定理的指導(dǎo)下通過(guò)建立與原型相似的物理模型，觀測(cè)研究原型特性的一種試驗(yàn)研究手段。它具有周期短、經(jīng)濟(jì)、能選擇主要的影響因素進(jìn)行模擬等優(yōu)點(diǎn)，因而能夠真實(shí)地揭示很多巖土工程的內(nèi)在規(guī)律。從方法上講相似模擬試驗(yàn)方法主要有三種：相似材料模擬、離心模擬和光彈模擬。采用相似模擬試驗(yàn)方法觀測(cè)礦藏開(kāi)采過(guò)程中巖層與地表的移動(dòng)特征，進(jìn)行地表移動(dòng)的預(yù)報(bào)工作，能夠運(yùn)用于各種復(fù)雜地質(zhì)采礦條件下，如斷層構(gòu)造、褶皺構(gòu)造、含水地層等地質(zhì)條件。我國(guó)的劉天泉院士采用相似模擬試驗(yàn)方法對(duì)開(kāi)采引起的覆巖移動(dòng)破壞與“三帶”高度給出了適合于我國(guó)各礦區(qū)的計(jì)算方法與公式。Atkinson 和 Potts，Cording 等通過(guò)常規(guī)小比尺隧洞的物理模型試驗(yàn)表明，地基初始靜壓力系數(shù)不僅影響隧洞周圍土體的塑性變形形態(tài)，而且還影響到位移總量。當(dāng) =1.0時(shí)，即使隧道內(nèi)支護(hù)壓力小得多，而地表沉陷卻比K0=0.5 時(shí)的小得多。這種差別是因?yàn)橥馏w發(fā)揮拱效應(yīng)有助于減少因隧洞支護(hù)壓力降低產(chǎn)生的沉降。Wu，Chiou，Lee 和 Chen用離心模型試驗(yàn)研究了粘土地基中一條單行隧道和兩條并行隧道情況下周圍土的位移和塌陷的機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明：隧道的穩(wěn)定性隨著埋深的增加而增加，兩條隧道距離越近則其相互影響越大，并行隧道不如單行隧道穩(wěn)定，并行隧道的地面沉降槽曲線可以由兩條隧道各自沉降槽的正態(tài)曲線疊加得到10。5.數(shù)值計(jì)算 力學(xué)領(lǐng)域最早的數(shù)值模擬技術(shù)是剛架位移法，它是20 世紀(jì)30年代發(fā)展起來(lái)的，是有限元法的雛形，20世紀(jì)50年代有限元法作為處理固體力學(xué)問(wèn)題的一種方法出現(xiàn)。1960年Clough首先用了“有限單元法”這個(gè)名稱。我國(guó)有限（單）元法的研究始于20世紀(jì)60年代。當(dāng)時(shí)，馮康教授等在分析劉家峽水壩的應(yīng)力場(chǎng)時(shí)把傳統(tǒng)的差分法和能量原理結(jié)合起來(lái)，提出了一種以變分原理為基礎(chǔ)的三角形剖分近似法，為偏微分方程求得了數(shù)值解，且在嚴(yán)密的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)行了其收斂性和穩(wěn)定性證明及誤差估計(jì)。這個(gè)方法也就是現(xiàn)在人們所熟知的有限元法，或稱為有限單元法(FEM)。1970年Kratsch提出用有限元法來(lái)計(jì)算地表移動(dòng)及其變形。有限元法是目前最廣泛使用的一種數(shù)值方法，可以用來(lái)求解彈性、彈塑性、粘彈塑性、粘塑性等問(wèn)題，是地下工程巖體應(yīng)力應(yīng)變分析最常用的方法。其優(yōu)點(diǎn)是部分地考慮了地下結(jié)構(gòu)巖體的非均質(zhì)和不連續(xù)性，可以給出巖體的應(yīng)力、變形大小和分布,并可近似地依據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律去分析地下結(jié)構(gòu)的變形破壞機(jī)制。但有限元在本質(zhì)上是一種連續(xù)介質(zhì)的數(shù)值分析方法,為了模擬巖體中存在的斷層、節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面，考慮其非連續(xù)性，可按結(jié)構(gòu)面的特征采用不同的處理方法。有限元法的應(yīng)用是否真正有效，主要取決于2個(gè)條件：一是對(duì)地質(zhì)變化的準(zhǔn)確了解，如巖體深部巖性變化的界限、斷層的延展情況、節(jié)理裂隙的實(shí)際分布規(guī)律等。二是對(duì)介質(zhì)物性的深入了解，即巖體的各個(gè)組成部分在復(fù)雜應(yīng)力及其變化的作用下的變形特性、強(qiáng)度特性及破壞規(guī)律等。除了有限元法以外，還有許多其它的數(shù)值模擬技術(shù)也在巖土力學(xué)界得到了應(yīng)用和發(fā)展。下面簡(jiǎn)單幾種應(yīng)用比較廣泛的數(shù)值計(jì)算方法。1）邊界元法（BEM）它是20世紀(jì)70年代興起的一種數(shù)值方法，以Brehbia為其代表，它只適用于對(duì)邊界要求較高而對(duì)邊界包圍的實(shí)體無(wú)過(guò)多要求的情況，如層狀巖體的開(kāi)挖問(wèn)題（倪鈞，1997）。所以與有限元相比具有計(jì)算時(shí)間短、計(jì)算范圍大等特點(diǎn)，但它對(duì)奇異邊界較難處理。2）離散元法（DEM）一般被認(rèn)為是Cundall于1971年提出來(lái)的，其基本思想是巖塊之間的相互作用，同時(shí)受表征位移力的物理方程和反映力加速度(速度、位移)的運(yùn)動(dòng)方程的支配，通過(guò)迭代求解顯示巖體的動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程。它的一個(gè)突出功能是在反映巖塊之間接觸面的滑移、分離與傾翻等大位移的同時(shí)，又能計(jì)算巖塊內(nèi)部的變形與應(yīng)力分布。國(guó)內(nèi)王永嘉等人用此方法進(jìn)行了巖層的移動(dòng)研究。存在的主要問(wèn)題是阻尼系數(shù)的選取和迭代計(jì)算的收斂性。3）塊體系統(tǒng)不連續(xù)變形分析法（DDA）由我國(guó)學(xué)者石根華與Goodman于1989年提出的DDA是基于巖體介質(zhì)非連續(xù)性而發(fā)展起來(lái)的一種新的數(shù)值分析方法。DDA模型建立了一套完整的塊體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，較好地模擬了具有非連續(xù)面的巖體的運(yùn)動(dòng)與變形特性，并解決了大量工程實(shí)際問(wèn)題（Shi Genhua and Goodman，1985）。但是DDA模型將巖體完全離散化，這與實(shí)際巖體的情況不十分相符。4）FLAC (Fast Lagrangion Analysis Of Continuum)FLAC首先由Cundall在80年代提出并將其程序化實(shí)用化。FLAC基本原理類同于離散單元法，但它卻能象有限元那樣適用于多種材料模式與邊界條件的非規(guī)則區(qū)域的連續(xù)問(wèn)題的求解。在求解過(guò)程中FLAC又采用了離散元的動(dòng)態(tài)松弛法，不需求解大型聯(lián)立方程組，便于在微機(jī)上實(shí)現(xiàn)。另一方面，同以往的差分分析相比，F(xiàn)LAC在以下幾方面作了較大的改進(jìn)和發(fā)展：它不但能處理一般的大變形問(wèn)題而且能模擬巖體沿某一弱面產(chǎn)生滑動(dòng)變形，F(xiàn)LAC還針對(duì)不同材料特性使用相應(yīng)的本構(gòu)方程來(lái)比較真實(shí)地反映實(shí)際材料的動(dòng)態(tài)行為數(shù)值分析方法。該方法與有限元法相比，能更好地考慮巖土體的不連續(xù)和大變形特性，求解速度較快。5）反分析法（BAM） 巖石力學(xué)中反分析的基本思想最先由Kavangh （1973），Gioda 和 Maier （1980）等人提出，此后日本學(xué)者櫻井春輔（1983）完成了關(guān)于巖體彈性模量及初始地應(yīng)力的線彈性有限元位移反分析（李世輝等，1999），它需要大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如變形監(jiān)測(cè)值等。6）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是80年代后期迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興科學(xué)。它可以模擬人腦的某些智能行為，因而具有較強(qiáng)的自學(xué)習(xí)、自組織、自適應(yīng)和非線性動(dòng)態(tài)處理能力。在處理問(wèn)題時(shí)，不用假設(shè)數(shù)據(jù)服從什么分布，變量之間符合什么規(guī)律與關(guān)系，而是通過(guò)學(xué)習(xí)與記憶找出輸入與輸出變量之間的非線性映射關(guān)系。目前應(yīng)用較多的是BP（Back propagation algorithm）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要輸入大量有代表性的實(shí)例，且存在著各輸入因素間的相互影響難以考慮以及部分影響因素的量化缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)依據(jù)等不足。從上述主要的五種預(yù)測(cè)研究方法可以看出，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)雖然具有真實(shí)、可靠度大的優(yōu)點(diǎn)，但是周期較長(zhǎng)、工作量大、成本高，嚴(yán)格受現(xiàn)場(chǎng)條件限制、在現(xiàn)場(chǎng)變換方案困難和難以抓住主要因素進(jìn)行機(jī)理分析。而經(jīng)驗(yàn)公式與理論分析雖簡(jiǎn)單易用，但因很多復(fù)雜的地質(zhì)因素被概化或者忽略，對(duì)復(fù)雜條件下的工程問(wèn)題常誤差較大，且不能模擬覆巖的動(dòng)態(tài)變形過(guò)程。相似模擬恰恰可以彌補(bǔ)上述缺陷。此外，模型試驗(yàn)可以真實(shí)地預(yù)演尚未開(kāi)工的工程特性，掌握根本不能直接進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的工程的各種性能，還可以通過(guò)改變相似比而有效地研究自然界一些變化過(guò)程極為緩慢或者稍縱即逝的現(xiàn)象，例如緩慢的地表下沉與突然的地表塌陷。數(shù)值模擬較相似模擬快捷、改變方案和有關(guān)參數(shù)較相似模擬方便、靈活，而且對(duì)彈粘塑性、非連續(xù)和大變形等問(wèn)題，數(shù)值計(jì)算已經(jīng)可以得到一些較為理想的結(jié)果，使得數(shù)值模擬的發(fā)展非常迅速。但是，對(duì)于復(fù)雜條件下的三維工程地質(zhì)問(wèn)題、動(dòng)力學(xué)問(wèn)題以及流固耦合等問(wèn)題，數(shù)值模擬還很不成熟。相似模擬避開(kāi)了數(shù)學(xué)和力學(xué)上的困難，可以比較全面真實(shí)地模擬復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，發(fā)現(xiàn)一些新的力學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律，為驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型或建立新的數(shù)值模擬理論提供依據(jù)。1.3相似模擬技術(shù)的研究現(xiàn)狀相似模擬是一種重要的科學(xué)研究手段。它通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)按照相似原理制作與原型相似的模型，根據(jù)研究目的不同，可以人為控制模擬實(shí)體的諸要素，略去次要因素，保留和突出主要因素，以探討單項(xiàng)因素的影響作用和規(guī)律。通過(guò)借助各種測(cè)試儀器觀測(cè)模型的應(yīng)力、應(yīng)變及其分布規(guī)律，位移大小與破壞形態(tài)等，來(lái)推斷原型中可能發(fā)生的力學(xué)現(xiàn)象與變形規(guī)律，從而解決礦山、水利、建筑、交通等領(lǐng)域中各種實(shí)際問(wèn)題。該方法具有真實(shí)、直觀、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便、快速等優(yōu)點(diǎn)。從方法上講相似模擬試驗(yàn)方法主要有三種：相似材料模擬、離心模擬和光彈模擬。模擬離心模擬是將模型置于高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)上，在幾十甚至上百倍重力加速度作用下，模型內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生與原型同樣大小的應(yīng)力，所以，常用它來(lái)研究以自重為主要荷載的巖土結(jié)構(gòu)物性狀；而光彈模擬是借用各向同性透明材料在受力時(shí)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象來(lái)模擬巖土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性狀。雙折射的方向與該點(diǎn)兩個(gè)主應(yīng)力方向一致，傳播速度與應(yīng)力大小成比例。因此用光彈模擬研究彈性問(wèn)題和超動(dòng)力學(xué)問(wèn)題時(shí)特別方便。用離心機(jī)做模型試驗(yàn)最初是由法國(guó)人E.Phillips于1869年提出來(lái)的；1870年，W.Froude由船模試驗(yàn)提出了Froude準(zhǔn)則，這標(biāo)志著人類已開(kāi)始科學(xué)地進(jìn)行相似模型試驗(yàn)。1932年，蘇聯(lián)的包克羅夫斯基在莫斯科水力設(shè)計(jì)院首次用離心機(jī)研究土工建筑物的穩(wěn)定，并因此發(fā)展了土工離心機(jī)模型試驗(yàn)。但直到上世紀(jì)60年代以后，美、蘇、英、法、日等國(guó)才相繼大力發(fā)展離心模擬技術(shù)。相似材料模擬試驗(yàn)是在20世紀(jì)30年代由前蘇聯(lián)的庫(kù)茲涅佐夫首先應(yīng)用到采礦領(lǐng)域，1937年在前蘇聯(lián)全蘇礦山測(cè)量科學(xué)研究院首次采用相似模擬技術(shù)研究了巖層與地表移動(dòng)問(wèn)題。該技術(shù)隨后在德國(guó)、澳大利亞、日本、美國(guó)等國(guó)得到推廣應(yīng)用。并被廣泛應(yīng)用到交通、水利、采礦、建筑等領(lǐng)域中，例如模擬地質(zhì)構(gòu)造、反演初始地應(yīng)力場(chǎng)，研究邊坡、洞室、壩基穩(wěn)定性，探討爆破、錨固、滲流機(jī)理，尋求地基處理、抗震設(shè)計(jì)及大壩穩(wěn)定的方案等。相似材料模擬最初主要以平面應(yīng)力模型試驗(yàn)為主，其目標(biāo)主要是宏觀或定性的研究礦山和巖土領(lǐng)域的問(wèn)題。進(jìn)入70年代中后期及80年代以后，國(guó)內(nèi)外相繼出現(xiàn)了平面應(yīng)變相似模擬試驗(yàn)架、立體模擬試驗(yàn)架和平板模擬試驗(yàn)架等多種形式的相似模擬試驗(yàn)裝置。例如，在靜力學(xué)試驗(yàn)方面有CM500平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)臺(tái)和公路隧道結(jié)構(gòu)與圍巖綜合試驗(yàn)系統(tǒng)；在模擬滲流問(wèn)題時(shí)有簡(jiǎn)單的砂槽，也有復(fù)雜的大型三維固流耦合模擬試驗(yàn)臺(tái)；在離心模擬方面，莫斯科建筑工程學(xué)院于1961年就建成了加速度達(dá)1100g的土工離心機(jī)，而水利水電科學(xué)研究院研制的LXJ-450gt土工離心模擬試驗(yàn)儀是目前國(guó)內(nèi)最大的一臺(tái)離心模擬試驗(yàn)儀。按照相似律，相似模型首先需要滿足材料相似。材料相似集中體現(xiàn)在兩個(gè)方面：材料的選擇及其配比。要使得材料所有參數(shù)都滿足相似比，不僅不可能，而且沒(méi)有必要，關(guān)鍵是抓住主要問(wèn)題進(jìn)行模擬。一般只需要滿足單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)摩擦角、滲透性等相似即可。巖層的模擬有石膏、水泥和石英砂等，結(jié)構(gòu)面用云母粉、薄膜、潤(rùn)滑劑來(lái)模擬。光彈模擬因?yàn)椴牧闲枰|(zhì)各向同性、有足夠的透明度和光學(xué)蠕變量小等特點(diǎn)，所以在不考慮自重時(shí)一般采用環(huán)氧樹(shù)脂，考慮自重時(shí)采用明膠甘油或瓊脂甘油合成的軟膠。相似材料配比試驗(yàn)方法有傳統(tǒng)的全因素試驗(yàn)、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和后期發(fā)展的均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)、混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)等。例如采用基于統(tǒng)計(jì)概率原理的正交試驗(yàn)法確定相似材料的配比，具有縮短試驗(yàn)周期、減少材料消耗、降低試驗(yàn)成本，且配制的相似材料性能更穩(wěn)定性，各性能參數(shù)的誤差較小，離散性較低等優(yōu)點(diǎn)。目前靜力學(xué)相似材料的選擇上已經(jīng)很成熟了，但是在動(dòng)力學(xué)研究中，比如巖爆要求的高彈模脆性材料目前還在進(jìn)一步的研究之中。模型試驗(yàn)由于邊界條件、材料相似、測(cè)量方法等還存在一些問(wèn)題，盡管對(duì)巖土工程中許多問(wèn)題起到了應(yīng)有的啟發(fā)和輔助作用，但誤差較大。平面模型雖然有制作簡(jiǎn)單，測(cè)量方便的優(yōu)點(diǎn)，但是它只能模擬延展性較大的工程，而且平面應(yīng)力模型剛度折減了，與實(shí)際情況還是有一定差別。平面應(yīng)變模型雖然更接近實(shí)際，但是模型只是在側(cè)限條件下被動(dòng)的受力，而非真正的三維應(yīng)力狀態(tài)。三維模型盡管真實(shí)度高，但制作、開(kāi)挖與測(cè)量都較困難。對(duì)于深埋地下工程，常常采用氣瓤、杠桿、千斤頂?shù)仁┘泳己奢d，模擬一定深度范圍內(nèi)的巖體自重，這對(duì)于巖層中包含關(guān)鍵層或處于向斜、背斜地區(qū)的工程則不太適合。另外，而模擬的范圍越大，模型的尺寸比越小，一些小型的地質(zhì)構(gòu)造將會(huì)被忽略或概化。比例尺太小還會(huì)引起尺寸效應(yīng)和測(cè)量精度不高甚至?xí)谏w現(xiàn)象的本質(zhì)。但模型越大造價(jià)越高，實(shí)際效果卻難題提高。按照相似理論，相似材料的許多參數(shù)都比原型要小很多，有的甚至被忽略不計(jì)，例如粘結(jié)力，常常會(huì)是失之毫厘，謬以千里。另外，在實(shí)際情況下，巖層的一些參數(shù)會(huì)隨應(yīng)力或化學(xué)作用而變化，例如軟弱夾層在地下水的長(zhǎng)期影響下值會(huì)逐漸降低，通常的相似模擬沒(méi)有考慮這一演化過(guò)程。所以在模擬斷裂、流變和強(qiáng)度破壞等材料非線性特性時(shí)，除了滿足主要的材料參數(shù)相似，還要盡可能滿足其它強(qiáng)度指標(biāo)和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系相似。此外材料的級(jí)配、粘結(jié)材料的選擇、養(yǎng)護(hù)時(shí)間和溫度的控制等都會(huì)對(duì)結(jié)果造成相當(dāng)?shù)挠绊懀瑖?guó)內(nèi)的崔希民在這方面進(jìn)行了深入的研究。模型觀測(cè)的主要內(nèi)容有應(yīng)力、位移、應(yīng)變、速度和破壞形態(tài)。應(yīng)力測(cè)量有壓力盒、振動(dòng)式傳感器等；位移測(cè)量有百分表、全站儀、燈光透鏡、激光散斑、攝影等，但是多數(shù)只適合測(cè)量模型表面的位移情況。在模型內(nèi)部測(cè)量上，目前比較常用的有非電量電測(cè)法，將電阻應(yīng)變片埋入模型內(nèi)將應(yīng)變等非電量轉(zhuǎn)化為電量進(jìn)行測(cè)量，配合計(jì)算機(jī)，能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)巡測(cè)自動(dòng)記錄，例如日本的UCAM-70A型多參數(shù)巡回測(cè)試儀。但是現(xiàn)用的非電量電測(cè)法的電阻應(yīng)變片等受溫度、濕度的影響較大，而且每一個(gè)應(yīng)變片有輸入和輸出兩根腳線，特別是當(dāng)模型內(nèi)部測(cè)量點(diǎn)很多時(shí)，埋入模型內(nèi)部的眾多導(dǎo)線對(duì)巖層移動(dòng)往往會(huì)造成很嚴(yán)重的影響，且傳感器的材料性能(尤其是材料的剛性)同相似材料之間存在著很大的差別，埋入的傳感器直接影響模型內(nèi)部的應(yīng)力分布及其變化規(guī)律，而現(xiàn)有的各測(cè)量?jī)x器因?yàn)榱砍毯腿藶橐蛩匾矔?huì)產(chǎn)生誤差。因此以后要盡量選用微型或無(wú)接觸、高耐久性及可靠性的傳感器。例如采用基于光纖傳感器工作原理的光波導(dǎo)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量技術(shù)和無(wú)接觸的激光位移計(jì)現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始被應(yīng)用到模型試驗(yàn)中，它們具有靈敏度高，對(duì)模型擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。1.4本文的研究?jī)?nèi)容本論文選題是結(jié)合橫向課題“湖北荊襄化工集團(tuán)大峪口礦段木架山采空?qǐng)鎏幚硌芯俊钡膬?nèi)容進(jìn)行的。因?yàn)槟炯苌叫枰耆?、徹底地處理?jiān)硬頂板下緩傾斜特大型的采空?qǐng)觯敯鍥_擊地壓隱患，并堵塞非法開(kāi)采通道的要求，李俊平等提出了采用礦柱崩落法處理木架山采空?qǐng)龅募夹g(shù)方案。但是礦柱崩落后，覆巖跨度增加，這會(huì)不會(huì)嚴(yán)重影響覆巖的穩(wěn)定，覆巖跨度達(dá)到多少時(shí)既能讓直接頂板跨落下來(lái)，滿足堵塞非法開(kāi)采通道的要求，又不會(huì)導(dǎo)致沖擊地壓，影響后續(xù)礦藏的開(kāi)采，開(kāi)采過(guò)程中的覆巖變形與離層發(fā)展規(guī)律如何，反映到地表的變形形式與程度如何都是本文所要解決的問(wèn)題。本文主要內(nèi)容包括： 1)對(duì)覆巖變形及地表沉降引發(fā)的災(zāi)害問(wèn)題進(jìn)行了全面而系統(tǒng)的調(diào)研分析，綜述了目前主要的覆巖變形與地表沉降的分析手段與研究進(jìn)展，特別回顧了相似模擬的研究現(xiàn)狀及其優(yōu)缺點(diǎn)，為論文的研究提供基礎(chǔ)，確定了采用數(shù)值模擬與相似模擬作為研究木架山采空區(qū)覆巖變形特性研究手段的方案。2)在掌握礦山具體情況的基礎(chǔ)上，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、采樣，開(kāi)展巖體力學(xué)性質(zhì)室內(nèi)試驗(yàn)，并結(jié)合實(shí)際情況，參考同行經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了參數(shù)研究，為后續(xù)研究工作準(zhǔn)備條件。3)采用有限元數(shù)值計(jì)算，而不是傳統(tǒng)的概率積分法和離散單元法，分析了覆巖與地表的一般移動(dòng)、變形、破壞規(guī)律與頂板的極限跨度，采用殺死薄層單元的方法模擬了離層地產(chǎn)生，對(duì)離層的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究。4)采用正交試驗(yàn)確定相似模擬試驗(yàn)中的材料配比，用云母粉模擬廣泛存在于巖層中的層理，模擬了覆巖從變形到開(kāi)裂、跨落的全過(guò)程，描述了離層的產(chǎn)生過(guò)程與范圍，分析了地表沉降規(guī)律，得出了較為可靠的覆巖極限跨度。并對(duì)試驗(yàn)中存在的一些誤差的影響因素進(jìn)行了分析。5)通過(guò)與錢(qián)鳴高等人的研究成果進(jìn)行比較，結(jié)合木架山礦區(qū)覆巖變形規(guī)律，對(duì)層狀覆巖的變形過(guò)程、破壞模式進(jìn)行了研究。在全面了解目前主要的沉降預(yù)防與治理措施的基礎(chǔ)上，結(jié)合木架山的實(shí)際情況，提出了一般性的、建設(shè)性的沉降控制意見(jiàn)。第二章 巖體力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究 木架山采空?qǐng)龅奶幚矸桨赋醵榈V柱崩落法，崩倒部分礦柱，讓直接頂板跨落下來(lái)，堵塞非法開(kāi)采巷道，消除頂板沖擊地壓隱患，并研究覆巖的變形規(guī)律與地表沉降規(guī)律。因此必須首先開(kāi)展工程地質(zhì)調(diào)查研究，然后開(kāi)展巖石物理、力學(xué)試驗(yàn)研究。因?yàn)閷?shí)際工程地質(zhì)條件是制定有代表性的巖石性質(zhì)試驗(yàn)方案的依據(jù)，也是制定合理的空?qǐng)鎏幚砼c地壓控制方案的前提條件。由巖石的物理、力學(xué)性質(zhì)轉(zhuǎn)化而得到的巖體性質(zhì)是掌握覆巖變形規(guī)律和覆巖變形控制研究不可或缺的參數(shù)。2.1工程地質(zhì)概況木架山礦區(qū)主要有兩條平行產(chǎn)出的礦體Ph1與Ph 3，礦層平均傾角為21 o23o ，兩礦層間距為50 m。，其中Ph 1礦層在滴水崖背斜以東，最大賦存標(biāo)高為286 m，最低控制標(biāo)高為-186 m。在背斜西翼礦層出路標(biāo)高為296m，最低控制標(biāo)高為-171 m。控制礦層的總寬度達(dá)2300m左右。Ph 1礦層厚度為23 m，平均2.2 m。礦石以泥質(zhì)條帶狀磷塊巖為主，局部含致密狀磷塊巖。Ph3礦層在Ph 1礦層之上，為層狀礦層，厚度大，品位低，很穩(wěn)定，礦層厚度和品位變化有一定規(guī)律可循。目前，Ph3礦層已經(jīng)用露天開(kāi)采方式結(jié)束了開(kāi)采，留下的底板即為Ph1礦層的頂板。礦層Ph1的直接頂板為下含磷白云巖(Zb1-1d)，淺灰、灰色致密厚層狀，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，厚度380 m，一般1535 m，平均25m。間接頂板為第二磷礦層(Zb1-2a)，一般不可采，厚度015 m，一般26 m。間接頂板之上為下含磷白云質(zhì)泥灰?guī)r(Zb1-2b)，細(xì)層里發(fā)育，微粒結(jié)構(gòu)，厚度737 m，一般1522 m。上述頂板的三個(gè)層位中，直接頂板下含磷白云巖巖性致密堅(jiān)硬，下部含有不規(guī)則的燧石團(tuán)塊及致密磷塊巖團(tuán)塊或礦條，礦層與頂板為過(guò)渡接觸，局部地段在下含磷白云巖直接頂板下面賦含有Ph1的表外礦，厚度不超過(guò)03m。頂板節(jié)理、裂隙和溶洞不甚發(fā)育，穩(wěn)固性一般較好，僅在礦段北部裂隙及小溶孔發(fā)育，穩(wěn)固性較差。礦層Ph1的直接底板為隔水性良好的頁(yè)巖，本層變化大，在北部有時(shí)全為硅化白云巖所替代。全層厚度為0.2830 m，一般為1015 m。目前W140W148之間采空?qǐng)鲅貎A斜的長(zhǎng)度較大，達(dá)380多米。該段局部已采至地表露頭并與地面聯(lián)通。在該段采空?qǐng)鲋袣埩粲?00多個(gè)較大的礦柱和兩個(gè)特別大的低品位礦柱(W143附近)，該段頂板完整穩(wěn)固。由于上層礦Ph3已用露天方式結(jié)束開(kāi)采，在地表形成了下凹地形。下層礦Ph1一直被當(dāng)?shù)囟嗉壹w單位和個(gè)人非法無(wú)規(guī)則地濫采亂挖，目前已經(jīng)形成了走向長(zhǎng)1200m，斜長(zhǎng)140380m，平均斜長(zhǎng)350m，總面積約37.5萬(wàn)m2的采空區(qū)。為了保護(hù)礦產(chǎn)資源，必須崩塌Ph1上部斜長(zhǎng)不小于80m的采空區(qū)。但是為了確保不影響后續(xù)地下開(kāi)采Ph3礦體及Ph1礦體，必須嚴(yán)格控制覆巖變形，避免頂板沖擊地壓災(zāi)難，為此需要對(duì)覆巖及地表變形規(guī)律進(jìn)行研究。2.2力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究2.2.1試樣的采集與制備根據(jù)木架山采空?qǐng)龅墓こ痰刭|(zhì)調(diào)查情況，結(jié)合本文主要目的，在地表和采空?qǐng)鰞?nèi)隨機(jī)采集若干巖石試樣，開(kāi)展室內(nèi)劈裂、單軸壓縮和三軸剪切試驗(yàn)。樣品統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2.1。表2.1 采樣統(tǒng)計(jì)巖石名稱塊數(shù)備 注頂板白云巖4層理都較發(fā)育。頁(yè)巖層理在不大的外力沖擊下較容易脫層。含磷白云巖5磷礦8底板頁(yè)巖8根據(jù)水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程(DLJ20481, SLJ281)(電力工業(yè)部和水利部，1982)的要求，巖石抗拉試驗(yàn)采用間接的劈裂法，試樣規(guī)格為50mm25mm，抗壓及三軸剪切試驗(yàn)采用50mm100mm試樣，試樣的加工采用從大塊巖樣上鉆取巖芯，然后鋸切研磨，制成所需規(guī)格和精度要求的試樣。2.2.2力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究1)單軸壓縮試驗(yàn)單軸壓縮試驗(yàn)是通過(guò)測(cè)定單軸壓力作用下試件所承受的最大荷載，來(lái)計(jì)算巖石單軸抗壓強(qiáng)度的。本次試驗(yàn)依據(jù)SL264-2001，利用1346型電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)繪制全應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程曲線，求得巖石彈性模量、泊松比。圖2.1給出了頂板白云巖試樣單軸壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，從曲線上可以看出，巖石在壓力作用下，全應(yīng)力應(yīng)變曲線上大多是非線性的，因此彈模不是常數(shù)。目前國(guó)內(nèi)確定彈模普遍采用的是以曲線上線彈性段的切線彈模作為巖石的彈模（長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，2000），本試驗(yàn)就是采用這種方法。泊松比是線彈性段上橫向變形應(yīng)變與縱向變形應(yīng)變之比。圖2.1 白云巖單軸壓縮全應(yīng)力應(yīng)變曲線圖通過(guò)對(duì)試驗(yàn)得出的彈模均值與抗壓強(qiáng)度均值分析可知，彈模與抗壓強(qiáng)度具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即強(qiáng)度高者其彈模大。試件受壓后主要呈拉、拉剪和剪切等類型破壞，高強(qiáng)度的試件呈粉碎性破壞，并伴有巨響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.2。2)劈裂試驗(yàn)?zāi)壳皣?guó)內(nèi)外巖土工程界中測(cè)定巖石抗拉強(qiáng)度的最基本和應(yīng)用最廣泛的試驗(yàn)方法是劈裂法(又稱巴西試驗(yàn))。我國(guó)各部門(mén)的巖石試驗(yàn)規(guī)范幾乎都列有該法。劈裂試驗(yàn)是在圓柱體(亦稱圓盤(pán))試樣的直徑方向上對(duì)徑施加線性荷載，使試樣沿直徑破壞，測(cè)定出試樣徑向受壓劈裂破壞的荷載。根據(jù)彈性理論，圓盤(pán)受壓力P對(duì)徑壓縮時(shí)，其中心線平面各點(diǎn)120，r1=r2=d，應(yīng)力狀態(tài)為(取壓應(yīng)力為正)： (2-1)式中 d，t 分別為巖石圓盤(pán)試樣直徑和厚度；P巖石圓盤(pán)試樣所受的對(duì)徑壓力；1，2分別為該點(diǎn)同上下端點(diǎn)連線與y軸的夾角；r1 ，r2 分別為該點(diǎn)與上下端點(diǎn)間的距離。在圓盤(pán)中心處，r1=r2=d/2，所以： (2-2)試驗(yàn)時(shí)對(duì)試樣徑向均勻加載，直至試樣破壞，并記錄最大荷載值，從而得出抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.2。由式(2-1)和(2-2)可以看出，沿圓盤(pán)中心各點(diǎn)的拉應(yīng)力相等，而壓應(yīng)力為變化值，在上下端產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，圓盤(pán)中心處壓應(yīng)力為拉應(yīng)力的3倍。由于巖石抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度低得多，故采用劈裂試驗(yàn)測(cè)定巖石抗拉強(qiáng)度值t且 (2-3)3)三軸剪切試驗(yàn)除了抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度以外，主要的力學(xué)參數(shù)還有C、，這兩個(gè)數(shù)值是通過(guò)三軸剪切試驗(yàn)測(cè)得的。試驗(yàn)在長(zhǎng)江500型三軸剪切儀上進(jìn)行。施加的側(cè)向壓力s3分為4個(gè)等級(jí)，從0MPa開(kāi)始，逐級(jí)增加2MPa，最大側(cè)壓為8MPa。分別測(cè)定試件在該級(jí)側(cè)壓下軸向所承受的最大荷載，從而計(jì)算出該試件在該圍壓下的軸向應(yīng)力s1。下面的圖2.2和圖2.3分別給出了底板頁(yè)巖和含磷白云巖三軸剪切全應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。圖2.2頁(yè)巖三軸剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線圖 圖2.3含磷白云巖巖三軸