当今采动地层塌陷灾害研究与控制途径.docxVIP

Ξ当今采动地层塌陷灾害研究与控制途径于广明①王永和②荣①李禄华①田①( 辽宁工程技术大学, 123000 阜新)②( 齐齐哈尔天然气公司安装处, 齐齐哈尔 161000)摘要作者论述了采矿引起地层塌陷灾害的严重性, 探讨了采动地层塌陷的影响因素,并以此提出当今地层塌陷研究途径和地层塌陷灾害控制技术。主题词: 地层塌陷采矿地质学采空区崩落控制技术中国图书分类号:P 642. 26引言地下采矿破坏了地层的稳定, 造成大面积地层塌陷, 严重影响了工农业生产和人民的正常 生活。如 1916 年日本海下采煤时, 海水沿着由于开采而扩大的构造裂构造缝溃入井下, 使矿井 全部淹没, 237 人死亡; 1977 年恩口煤矿的饮食店突然塌陷, 造成人员伤亡、财产损失严重; 凡 口铅矿因采场覆岩体中岩溶发育, 开采造成地表塌陷坑 1400 个, 面积约 490 万 m 2 , 建筑受损 面积 7 万平方米, 农田受损面积 6617hm 2 , 4 km 长的铁路和 115km 长公路受到破坏而停止运1行1等等。可见, 采动地层塌陷是影响了人类生存的灾害性问题, 必须予以控制。因此研究地层塌陷及其控制技术对国民经济的发展防灾减灾有着重要意义。地层塌陷的研究途径地层塌陷是一个极其复杂的力 学过程, 为了清楚地认识这个过程, 必须首先弄清地层塌陷的地层内在 因素和外部环境因素, 然后研究地层 在内外因素的控制影响下的变形机 制, 最后根据塌陷的变形机制配以合 适的控制措施(图 1)。211地层陷的影响因素2图 1 地层塌陷研究工作流程图过去的研究和生产实践表明, 采动塌陷取决于自然地层环境因素和采矿技术因素两大类。采矿技术因素包括开采层厚度、开采层深度、开采层倾角、采区尺寸、开采层数、开采方法 及顶板管理方法, 这些对地层塌陷规律影响因素的研究现今已有一定基础2 。Ξ 本课题获煤炭工业部优秀青年基金·72·自 然 灾 害学报5 卷地层环境因素对开采塌陷的影响是当今的研究热点, 它主要包括岩体的结构特征及其对岩体 力学性质的影响。岩体在地层形成过程和构造历史中已经受过 变 形、遭受过破坏, 是由结构体 ( 岩石) 和结构面( 节理、层面、断层等) 组成的统一体, 因此采动塌 陷是在环境应力条件改变下, 产生再变形和再破 坏的过程。从最终形态上看, 是结构体改组和结构 面联结丧失的破坏过程; 从塌陷过程上看, 是结构 体和结构面动态演化过程。所以, 用以往的连续介图 2 地层塌陷的结构效应(据谢和平、邓喀中、于广明)质理论和高度简化的非连续介质理论都无法正确认识地层塌陷过程 (图 2) 3 ～ 5 。可见, 考虑岩体结构演化规律的地层塌陷规律是符合岩体塌陷实际的。2. 2岩体结构对地层塌陷的影响2. 2. 1节理节理是岩体中存在较广泛的结构面, 它们多以成组展布, 本身规模不大, 小到十几 cm , 大 到几m 。它们导致了岩体性态(强度、力学习性等) 的改变, 从而使塌陷规律异常 (图 2)。所以在 地层塌陷研究时, 将岩体中的节理裂缝看作一种初始损伤, 需应用损伤力学理论来描述节理裂 隙对岩体所产生的宏观力学效果和地层塌陷规律3 ～ 5 。定义节理岩体损伤张量为:co s2 Βsin Βco sΒ8?i = 8n单个节理:sin 2 Βco sΒsin Β8?= ∑8?i节理系:i= 1式中: 8 是损伤主变量, 对于不同节理取不同值, 如对受拉应力作用的张开节理:1 -1 + 2 Πa 2 Θ]- 10Ρn 08 =Ρn 0其中, Θ是节理密度, a 是节理长度的一半, Ρn 是节理面所受的正压力。建立损伤岩体的本构方程, 在假定等效应变条件下:ζΡ3D= == D= υΕE ( υI - 8=)其中 ζΡ3 是有效应力张量; υΕ是应变张量; υI 是单位张量; E 为弹性模量。 根据上述本构关系编制有限元程序计算节理条件下的地层塌陷4 。2. 2. 2层理层理是地层沉积过程中形成的结构面, 它广泛存在于岩体中, 它对采动地层塌陷起到二次 压缩的作用, 岩体沉积是第一次压缩, 采动塌陷是二次压缩①, 力学模型如图 3 所示。① 杨伦, 于广明, 开采沉陷的二次压缩理论, 煤炭科学基金, 1994·73·3 期于广明等: 当今采动地层塌陷灾害研究与控制途径由图知:?L?L =n u j Εj =L由5 Εj =5?L , 建立本构方程7 :5 Ρ L 5 Ρ 1ΕαΡα-j =E j Εj o ΡE ej依此实施有限元对地层塌陷的计算。2. 2. 3断层图 3 层理变形机制断层是岩体中大规模的结构面, 当地下采矿引起的移动范围波及到断层时, 其上下盘就会产生滑动 (断层活化) , 其活化条