地下水对老采区地表残余移动变形的影响

朱广轶,马亚丽,徐征慧,梁振宇,赵　锋

(1.沈阳大学建筑工程学院,辽宁沈阳　110044;

2.辽宁省环境岩土工程重点实验室,辽宁沈阳　110044;3.中化岩土工程股份有限公司,北京　102600)



地下水对老采区地表残余移动变形的影响

朱广轶1,2,马亚丽1,徐征慧1,梁振宇1,赵锋3

(1.沈阳大学建筑工程学院,辽宁沈阳110044;

2.辽宁省环境岩土工程重点实验室,辽宁沈阳110044;3.中化岩土工程股份有限公司,北京102600)

摘要:通过对老采空区在地下水影响下覆岩移动变化规律的分析,探究了地下水位下降引起地表残余移动变形机理,发现地下水对覆岩顶板、巷道底板及采空区两侧岩体强度均有显著影响.应用概率积分法构造出地下水影响下各残余移动变形影响函数,并将这种残余地表移动变形分为两个阶段.给出了第一阶段残余下沉表达式,以及第二阶段残余下沉、残余水平移动、残余倾斜变形、残余曲率变形、残余水平变形的各种表达式;以矿区实测数据为例,结合FLAC3D分析了采煤沉陷区地下水引起地表残余移动变形的特征;根据建立的残余移动变形预测模型,应用VB编写残余变形预测程序,绘制了各种地表残余移动变形曲线,将软件绘图结果与矿区实际观测数据及FLAC3D模拟情况对比验证,结果表明,各影响函数及其软件ZMS8.0能较好地预测地表残余移动变形.

关键词:地下水; 残余移动变形; 影响函数; 数值模拟

我国煤炭资源丰富,开采历史悠久.煤炭开采后导致大量老采空区的上覆岩层产生移动变形,岩体强度降低.我国现行规程[1]规定,地表移动从下沉10mm开始,到连续6个月下沉不超过30mm时地表稳定.而事实上,诸多观测资料显示,此时地表并没有完全稳定,老采空区在地下水位下降、地震以及地面建筑物等外力影响下地表会继续产生变形,此变形被称为地表残余移动变形.在引起地表残余移动变形的众多因素中,地下水位下降尤为重要.国内外对于地下水位下降引起地表残余移动变形的观测数据较少,规程中尚没有残余移动变形的机理、概念和公式及方法.因此,从地下水位下降引起残余移动变形机理入手,构造其影响函数、创建其计算方法具有十分重要的意义.

1　地下水影响残余移动变形机理

地下煤层被采出后,在岩体内部形成采空区,其周围原有的应力平衡状态受到破坏,引起应力重新分布,直至达到新的平衡,这是一个十分复杂的物理、力学变化过程,也是岩层产生移动和破坏的过程,这一过程和现象称为岩层移动.当地下煤层被采出后,采空区直接顶板岩层在自重应力及其上覆岩层的作用下产生向下的移动和弯曲.当其内部拉应力超过岩层的抗拉强度极限时,直接顶板先断裂、破碎,再相继冒落,而老顶岩层则以梁或悬臂梁弯曲的形式沿层理面法线方向移动、弯曲,进而产生断裂、离层.当开采范围足够大时,岩层移动发展到地表,在地表形成一个比采空区大得多的下沉盆地,如图1.

图1　采空区上覆岩层移动示意图

老采空区内存在多种形式的空隙、离层、暗空场.水对岩石抗压强度有显著的影响[2-3].水浸入老采区及其岩石内部裂隙,改变了岩石的物理状态,削弱了颗粒间的联系,使岩石内聚力降低,破坏了矿物颗粒间的粘结力,造成岩石软化,强度降低.当降水减少、干旱季节或人为的过量开采造成地下水位下降时,岩石中的渗透水在流动过程中将岩石中的可溶物质带走,岩石中的小颗粒也将流失,使岩石的强度大为降低.该过程中,老采区内又重新出现了空间、裂隙、离层,造成应力不平衡,覆岩产生蠕变,结构失稳发生脱落、塌陷;巷道浸水后,其强度降低产生片帮、底鼓;采空区内岩体也失去原有应力平衡状态.在多种破坏形式下,离层闭合、地下暗空场和裂隙被充填压实,导致地表发生残余移动变形,威胁人民生命财产安全.

2有限开采条件下地表残余移动变形影响函数

地表残余移动变形[4-6]分为两阶段:第一阶段,连续6个月下沉不超过30mm之后,各移动变形增量逐渐趋于零的过程;第二阶段,在地下水位下降、地震或地表建筑等外来力影响下,老采空区及覆岩活化,地表继续产生的移动变形,该阶段移动变形相对较大,对采空区附近的居民影响不可忽视.现根据已有岩移参数,设煤层沿倾斜方向已达到充分采动,沿走向方向没有达到充分采动,创建地表残余移动变形第一、二阶段影响函数.

2.1残余移动变形第一阶段影响函数

煤层采出后,在采空区周围岩层中发生了较为复杂的移动和变形.将移动稳定后的岩层按其破坏程度,大致分为三个不同的开采影响带,即冒落带、断裂带、弯曲带.有限开采条件下,开采工作结束且连续6个月地表下沉不超过30mm后,认为地表初始稳定,形成了新的应力平衡,此为地表残余移动变形第一阶段[4].得到第一阶段地表残余移动变形影响函数如下:

式中:φ(x,t)为朱广轶坐标-时间函数的形态影响函数[7];t为第二阶段残余移动变形刚要出现那一时刻,可由地下水位下降等因素发生及以后的水准巡视测量确定;tt为工作面开始开采到停采的时间;n为工作面长度按照开采时间tt平均划分为n个小单元;v为平均开采速度.

分析表明,第一阶段地表移动变形量很小,可忽略不计.现行规程规定“到连续6个月下沉不超过30mm时地表稳定”即基于此.然而,现行规程没有认识到第二阶段残余移动变形的存在.

2.2残余移动变形第二阶段影响函数

在有限开采条件下,当老采空区活化时,开采边界两端由于悬臂作用产生的拐点偏距内空洞都会引起残余变形.现将开采工作面分为边界(拐点偏距空洞)、中部分别活化计算,可得出走向主断面上有限开采条件下第二阶段各地表残余移动变形影响函数,如图2.D3为煤层走向开采长度,l=D3-S3-S4,S3,S4为工作面左、右两侧的拐点偏距,m为开采厚度,m1为等价采厚,r为主要影响半径,b为水平移动系数.

图2　有限开采条件开采长度划分

以A点为坐标原点得

整理式(3)得到:残余下沉值

残余倾斜变形

残余曲率变形

残余水平移动

残余水平变形

依据以上公式,采用Visual Basic编程可进行电算与绘图分析.

3　实例验证

把岩体简化为均质各向同性的拟连续弹性介质,其应力应变服从广义胡克定律.

式中:σij为总应力张量;δij为克罗内克尔符号; λ、μ为拉梅常数;εij为总应变; e为体积应变.

裂隙渗流服从裂隙流的达西定律,即

利用观测数据对已完成残余移动变形影响函数程序进行验证.王家沟村新安矿区位于河南省洛阳市新安县峪里乡,属低山丘陵区,地形起伏较缓,底层岩性为二叠系泥岩、砂质页岩、粉砂岩,采用长壁垮落法进行开采,采长600m,采宽300m,煤层平均厚度4m,采深120m,上覆岩层为硬岩层,据已观测资料得到此时的下沉系数q′为0.63.采空区受地下水位下降影响,产生新的残余移动变形.采用FLAC3D有限元软件获得残余下沉如图3所示.

图3　整体残余下沉侧视图

输入王家沟村的地表移动参数,根据2.2节的式(4)～式(8)进行计算,直接得到地表移动变形的二维图形及以下几个方面的成果:地表任意一点残余移动变形值,包括残余下沉、残余水平移动、残余倾斜变形、残余曲率变形、残余水平变形.图形输出结果如图4~图9所示.

图4　第一阶段地表残余下沉

图5　第二阶段地表残余下沉

图6　第二阶段残余水平移动

图7　第二阶段残余倾斜变形

(1) 第一阶段残余下沉值,最大下沉值0.007mm.以+Wc表示,如图4所示.

(2) 地表残余移动变形第一阶段下沉值最大时为0.007mm,相对于第二阶段变形这是一个很小的变形,故可以忽略不计.以下各影响函数变形(即残余下沉,残余水平移动,残余倾斜变形,残余曲率变形,残余水平变形)均为第二阶段.

(3) 地表最大残余下沉值725mm.以-Wc表示,如图5所示.

图8　第二阶段残余曲率变形

图9　第二阶段残余水平变形

(4) 残余水平移动,最大变形值355mm,如图6所示.

(5) 残余倾斜变形,最大值8.8mm/m,如图7所示.

(6) 残余曲率变形,最大曲率变形0.21mm/m2,最大负曲率变形-4.1mm/m2,如图8所示.

(7) 最大水平移动通过残余移动变形观测值与预测值对比发现,预测误差在范围10%内,见表1. 这表明创建的影响函数、程序能够准确预测

表1　地表残余变形最大值与预测值对比

老采空区地表残余移动变形,如图9所示.

4　结　　论

(1) 从地下水对岩石强度的影响机理分析,地下水对岩石强度影响明显.地下水位下降,在流动过程中,渗透水将岩石中的可溶性物质带走,岩石中的小颗粒也将流失,使岩石强度降低,应力不平衡,覆岩结构失稳;岩层发生蠕变,巷道底板浸水产生底鼓现象,采空区岩体失去原有应力平衡产生片帮.

(2) 应用概率积分法构造了地下水位下降影响地表残余移动变形函数;利用VB对构造的影响函数编辑为软件ZMS8.0,软件可正确输出残余下沉、残余水平移动、残余倾斜、残余曲率、残余水平变形曲线.

(3) 将地表残余移动变形影响函数预测结果与王家沟村实际观测数据以及FLAC3D模拟情况对比验证,结果表明,各影响函数及其软件能较好地预测地表残余移动变形.这对修改规程、开发利用煤矿沉陷区具有重要的科学意义和实用价值.

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【责任编辑:祝颖】

(ZhuGuangyi,ShenHongxia,WangLiguo.StudyofDynamicPredictionFunctionofSurfaceMovementandDeformation[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering, 2011,30(9):1889-1895.)

InfluenceofGroundwateronSurfaceResidualDeformationinGoaf

Zhu Guangyi1,2, Ma Yali1,XuZhenghui1,LiangZhenyu1,ZhaoFeng3

(1.ArchitecturalandCivilEngineeringCollege,ShenyangUniversity,Shenyang110044,China; 2.KeyLaboratoryofGeoenvironmentalEngineeringofLiaoningProvince,Shenyang110044,China; 3.ChinaZhonghuaGeotechnicalEngineeringCompany,Beijing102600,China)

Abstract:Through the analysis of overburden strata movement in old goaf under the influence of groundwater, the ground residual deformation mechanism caused by underground water level drop is explored, it is found that the rock mass strength of the strata of roof and floor of roadway and mined-out area on both sides has a significant impact under the influence of groundwater. The residual deformation influence function in goaf under the influence of water is constructed using the probability integral method, and this kind of residual surface movement deformation can be divided into two stages. Residual subsidence expression are presented for the first phase, as well as the various expressions of the second phase residual subsidence, residual horizontal movement, tilted residual deformation and residual curvature deformation, level of residual deformation. As an example of the measured data in mining area, the character of residual deformation of the coal mining subsidence area caused by groundwater is analyzed combined with FLAC3D. According to the residual deformation prediction model, the residual deformation prediction program is written using VB to draw the various surface residual deformation curve. Comparing the mapping results of the software, the actual observation data in goaf and FLAC3Dsimulation validation, the results show that the influence function and its software ZMS8.0 is a good way to predict the surface residual deformation.

Key words:groundwater; residual movement and deformation; influence function; numerical simulation

作者简介:朱广轶(1962-),男,辽宁喀左人,沈阳大学教授,博士生导师.

基金项目:辽宁省自然科学基金资助项目(201102154);辽宁省科技厅计划项目(2013229012);辽宁省教育厅科研项目(L2010379).

收稿日期:2015-01-14

文章编号:2095-5456(2015)03-0238-05

中图分类号:TD325

文献标志码:A