地下開采引起的地表移動變形分析

侯曉兵　張藝霞

摘 要 山東省萊蕪市小官莊鐵礦由于長期的地下開采，地下已經形成一定范圍的采空區，引起了地表的下沉和變形，對地上一定范圍內的構筑物及人的安全造成了影響。為了有效地減少和防止災害的發生，準確地預測出地下開采引起的地表沉降值和水平變形值，采用了雙曲正切函數和隨機介質理論進行了計算分析，并與實測沉降數據進行了對比，確定了適用于該地層的正確參數，為今后開采過程中及開采完成后，對地表的影響范圍、沉降及水平變形的預測提供了可靠的保證。

關鍵詞 地下開挖 雙曲正切函數法 隨機介質理論 地表移動變形

Abstract Duo to the long term underground mining， the underground of Xiaoguanzhuang Iron Mine in Laiwu City， Shandong Province has formed a certain range of goaf， which caused the surface subsidence and deformation and posed a threat to the surface building and people in a large area. In order to reduce and prevent any case of disaster with accurate data， the hyperbolic tangent function model and the stochastic medium theory are adopted to make statistical analysis of surface subsidence value and the level deformation value. Compared with the field data， the correct parameters can be settled which provides a guarantee for the prediction of influence on range of subsidence and deformation during the process or in the aftermath of mining.

Keywords underground mining； hyperbolic tangent function； stochastic medium theory； ground movement and deformation

0 引言

近幾十年來，隨著勘探技術的不斷發展與進步，在全國范圍內地下開采工程越來越多，其開采的技術與方法也越來成熟。但是，對于地下開采工程而言，無論采用什么樣的方法進行采礦，開采完成后勢必會形成一定范圍內的采空區。同時，不管采用什么樣的加固處理方法，采空區上覆巖體及地表都要發生移動和變形。因此，為了研究地表的移動變形，國內外學者做了大量的實驗和研究工作，創造出了許多能夠解決實際工程問題的有價值的成果。

在實際工程中，用于分析地下開挖引起地表移動變形的方法有很多，如彈、塑性連續介質法、隨機介質理論法—概率積分法、統計類比法（影響函數法、剖面函數法和典型曲線法）、損傷力學法等。這些方法已成功地用于分析不同類型礦山開采地表移動分析。欒元重，賈維花應用彈塑性力學理論及有限元力學變形理論研究了后沖積層下開采地表移動的機理；①彭建兵，孫萍等根據隨機介質理論，對中國西部黃土地區的暗穴進行了模型概化，分析了其對地表造成的不均勻沉降及影響范圍；②劉寶琛， 張家生介紹預計近地表地下工程開挖引起地表移動及變形的隨機介質方法，詳細探討了二維與三維地表沉降的隨機介質方法，并對照一些工程實例，給出了計算機計算結果與實測值的比較。③

為了對軟巖地層條件下地表移動和變形進行研究分析，本文采用了剖面函數法中雙曲函數法和隨機介質理論進行驗證和比較，確定出適合此類礦區的比較準確的參數，為礦層的開采提供了基礎保障。

1 理論計算模型

1.1 雙曲正切函數模型

地表沉降計算表達式為

2 工程實例分析

2.1 工程背景簡介

山東省萊蕪市小官莊鐵礦地質條件比較特殊，地表以下400m厚的地層都屬于軟巖，該礦于1985年投產。由于采用無底柱分段崩落法進行開采，所以造成了大范圍的地表移動變形。根據地表移動觀測結果看，地表最大下沉值已超過10m。

該礦正處于第二期開采過程中，后續還有第三期開采工程。隨著開采的延續，地表的下沉和移動也會不停地增加。④因此，為了保證安全生產，確定出地表的移動變形的最大值及范圍是尤為重要的。

2.2 理論預計分析

小官莊鐵礦東區開采深度為518m，礦層厚度為40m，開采長度約為260m。地表南北觀測線上布有多個觀測點。利用上述理論計算模型對其進行具體計算分析，根據實測資料統計分析，初步確定出地層相關的參數見表1。

由圖1中可以看出，雙曲函數法和概率積分法計算出的各點的沉降值十分相近，所形成的理論曲線基本相同，且與實測資料值相吻合。

根據上述分析可以確定：初步確定出的地層的相關參數是可以用于該礦山的。為了判斷地表移動是否會導致地面發生宏觀開裂，現對地表水平變形進行預計分析，部分理論預計結果見表2。

由于地表水平拉伸變形達到6‰～12‰以上時，地表巖體將發生宏觀開裂破壞。⑤根據表2可以看出，兩種方法在東區的最大水平變形分別為16.4‰和15.6‰，所以地表將會發生宏觀開裂破壞。所以， 隨著開采進度的發展，在地表的影響范圍內必須采取有效的防范措施，以便指導安全生產。

3 結論及建議

（1）雙曲函數法和概率積分法這兩種理論模型可以用來分析小官莊鐵礦開采引起的地表移動變形。

（2）根據計算出的結果以及做出的預測分析，建議增加地表移動觀測站觀測頻率，隨時掌握地表移動變形情況，并制定出有效的應急防范預案，保證生產的安全進行。

注釋

① 欒元重，賈維花.厚沖積層下開采地表移動分析.礦山壓力與頂板管理，2001（3）：64-65.

② 彭建兵，孫萍等.隨機介質理論確定黃土暗穴引起的地表變形.長安大學學報，2005.7.25（4）：48-51.

③ 劉寶琛，張家生.近地表開挖引起的地表沉降的隨機介質方法.巖土力學與工程學報，2015.4（5） ：289-296.

④ 白義如，谷志孟，白世偉，程潮.鐵礦東區地下開采引起地表沉降和巖層移動探討.巖石力學與工程學報， 2002.21（3）：340-342.

⑤ 劉寶琛，廖國華.煤礦地表移動的基本規律[M].北京：中國工業出版社，1965.