煤矿开采引发地表变形的动态测量方法探析

摘要：当地下的煤层在开采出来之后，其采空区的顶板在地心重力的作用下会与顶板上方的覆岩及土体向层理面法线方面缓慢移动，当地下工作面不断推进之后，采空区的顶板岩层端部会逐渐出现开裂的情况，其在岩层中部开裂区域较小的条件下，会出现顶板岩层整体垮落的情况，该文基于实际，就煤矿开采引发的地表变形动态测量的方法做出探究，望给有关人士参考。

关键词：煤矿开采 测量 地表变形 坐标 1 地下煤矿开采引起地表变形的原因及作用机理 1.1 由水平面变形而引起的破坏

地表的收缩和拉伸就是指水平变形。由于拉伸的力量太大，并且超过了建筑物自身抵押拉伸里的范围，那么拉伸的破坏性最大，就算在较小的地表拉伸一下都可能导致建筑物产生裂缝。一般最容易在门窗或是洞口的部位产生裂缝，那里是建筑物最薄弱的地方。用砖砌起的建筑物最容易产生水平裂缝，纵向围墙和横向围墙会将门洞挤成菱形，或是导致屋顶鼓起。建筑物破坏的程度往往与它本身的建筑结构、材料、形状和质量有着重要关系。其中最主要的原因来自于建筑物的平面尺寸和刚度。地表的变形将会对建筑物的基础产生水平附加力。

1.2 当地表开始竖向变形的时候，会对建筑物基础产生不均匀的

支反力，由此产生附加剪力和附加弯矩，所产生的附加作用力会对建筑物产生直接的影响

通常情况下，在地表移动以后在稳定下沉的建筑物，在进行开采的过程中，还将继续受到地表动态变形的影响，因为拉伸力的缘故，当工作面离开建筑物的时间距离超过一定值的时候，建筑物又可恢复原状。

1.3 移动角度和范围

在地表变形的理论中，移动角是最重要的角参数值。移动角在岩土工程施工中是指在移动盆地主要断裂面上临界变形值的采空区和点之间的连线与水平线之间的夹角。通过数据模拟的结果得出，由于开采煤层的数目和开采的中断不同，岩层的性质也不一样，当然移动角也就不一样了。如果矿区上面存在松散的岩层时，也会有松散层移动角。在数值模拟以前，应先采用精确的公式去验算和比较，确定岩层移动角的数值。

2 地下煤矿开采引起的地表变形的数值分析

目前世界上最先进的数值模拟法是FLAC原理，它的基本原理与离散元相似，但FLAC原理所应用的节点位置移动连续的条件，能够对连续的介质进行大变形分析，非常适合模拟地应力的生成、边坡及锚索设置等等。

假设采用动态的测量方法：在矿山工程中，采矿本身就是一个非常复杂的力学过程。它包含着很多的不确定因素，这些因素都对其产生着影响。由于数值模拟的结果通常都仅仅是作为评价应用。所以在模拟的过程中，不要刻意的去寻求力学模型与原本结构的关系精密程度，其建立的力学模型不要太过复杂，只要能够具体的反映岩石体的最基本力学特征和开采的基本过程就可以了。

(1）对矿岩性质的假设：假设矿岩为各个均质和同性的库伦弹塑模型。

(2）对计算模型进行假设：对地下矿产开采是一个空间的问题，应该运用三维空间的计算模式。但通常情况，在同样的情况下，二维数值的模拟结果与三维模拟的结果很相近，所以，计算简化模型时常采用二维平面模型。

(3）简化煤层的结构：为了模拟起来更方便，对巷道工程的每一煤层的开挖步数等部会考虑。

3 煤矿开采后所引发的地表变形动态测量方法

为了满足《煤矿测量规程》里的相关规定，在每次对煤矿的观察测量结束后，应对其观测结果进行反复的检查，然后进行计算，以保证观测结果的正确性。做完上述工作就可以开始计算各线与点之间移动的变形量，主要包括：各测量点的水平移动与下沉位置，相邻两侧点之间的倾斜的水平变形和相邻两线的曲率变形，以及观测点的下沉

速度等等。要观测点某一时刻的下沉，应该该时刻所观测到的测高点与首次所观测到的测高点相算得出高程之差。测试某一时刻的水平移动，则应该由该时刻所观测到的测点坐标和首次观测到的测点坐标的变化量相分析和分解之后就能得到相关数据。

要获得水平距离的比例，得在计算两测点的水平变形时刻，考虑到测点所移动的方向，相邻两测点之间的曲率变形，再有其相邻两线段的倾斜之差与两线段的水平距离相比较。测点的下沉速度，由前后两次观测的数据相比较获得。沿着主断面方向往上移动和变形的正负号人为规定是：指向上山的与走向方向的水平移动、倾向上山方向的和走向方向倾斜的并上凸的曲率、拉伸就变形为正号。其余的变形或移动均为负号。下沉动态的曲线一般情况是依靠采动程度，运用下沉动态的分布系数所表示的。如果用公式来表示时，对沿走向主断面的表示可以写成：

4 建立倾斜和动态曲线

由于我国是一个矿产资源较为丰富的国家，所以，经过多年的开采经验，对煤矿地表移动规律的研究以及取得了很大的进步，并且建立了概率计分法、负指数函数法等以典型曲线为基础的地表变形计算方法体系。而积分格网法、威布尔分布法、皮尔森函数法等计算法也都适用于我国的实际开采情况。以下是两个常用的建立倾斜曲率动态

曲线的公式：

(1）倾斜的动态曲线，可以用倾斜的动态分布系数所表示，应该从该矿观测站整理的成功得知，两点间地表倾斜为：

5 结语

地表变形的原因主要来自于井下的开采情况，覆盖岩的特征对其也有一定的影响，因此在选择流变参数的时候应该具体的体现地下的开采状况已经岩层的构成特点等因素，促使进一步增强流变参数的可靠性和真实性。所以，动态测量方法在研究地下开采应力场和位移场的时候具有较大的优势。

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