煤矿开采引发地表变形的动态测量方法探析

【内容摘要】地下煤层采出后采空区顶板在重力场及其上覆岩、土体的作用下会沿着层理面法

线方向移动。随着工作面推进，顶板岩层端部开裂，在岩层中部开裂还很少的情况下顶板岩
层整体切断垮落。本文根据不同时间所测得的各类地表变形的现状特征，分别做出每个观测
对象对应观测时间井下开采与地表变形现状的二维坐标关系图。

 

　　【关键词】煤矿开采，地表变形，测量

 

　　

1 煤矿地下开采引起地表变形的作用机理 

　　当地下煤矿的煤层开采后，在采空区上方及其周围的岩层移动将产生地表的移动与变
形，或者产生塌陷区，当该变形作用于建筑物的基础时，将导致建筑物受到附加应力的作
用，从而使地面建筑物产生变形与破坏。这种变形和破坏的原因主要有：

 

　　

 第一，由水平变形引起的破坏。水平变形表现为地表的拉伸和压缩。由于建筑物抵抗拉

伸的能力远小于抵抗压缩的能力，拉伸的破坏作用最大，在较小的地表拉伸下就可能使建
筑物产生裂缝。一般在门窗洞口的薄弱部位最易产生裂缝，砖砌体的结合缝亦易被拉开。地
表压缩变形对建筑物的破坏主要是使门窗洞口挤成菱形，砖砌体墙产生水平裂缝，纵墙或
围墙产生褶曲或屋顶鼓起。建筑物的破坏程度与其结构、材料、形状和施工质量等有关，其中
建筑物的刚度和平面尺寸是主要因素。地下开采引起的地表水平变形主要包括拉伸和压缩变
形，地表的变形对建筑物的基础会产生水平附加力。如下图

1.1 所示。 

　　

 

　　图

1.1 井下开采时地表移动变形过程 

　　

 第二，当地表产生竖向变形时，对基础会产生不均匀支反力，从而产生附加弯矩和剪

力，产生的附加作用力对建筑物会产生影响。一般情况下，处于地表移动稳定后均匀下沉区
的建筑物，在开采过程中，还将受到地表动态变形的影响，即建筑物先受地表拉伸

(正曲

率

)变形影响，随着工作面的推进，建筑物受地表压缩 (负曲率)变形影响，当工作面推离建

筑物的距离大于一定值

(一般可取 0. 6 倍开采深度)时，建筑物又恢复原状。 

　　

 第三，移动角及移动范围。地表变形理论中，最重要的角值参数为移动角。在岩土工程

中，移动角是指：在移动盆地主断面上临界变形值的点和采空区边界的连线与水平线之间
在采空区外侧的夹角。根据数值模拟结果分析可得出，随着开采煤层数目和开采中段的不同，
岩层的性质是不同的，移动角也是不同的。当矿区上部有松散层存在时，应有松散层移动角。
因此，单单从矿体最深部起划出移动角是不科学的。针对不同的开采现状，应有不同的移动
角。在数值模拟过程前，先采用经验公式和工程类比法，确定岩层的移动角。

 

　　

2 地下开采引起煤矿地表变形数值分析 

　　

2.1 FLAC 的基本原理 

　　

 FLAC（快速拉格朗日有限差分法程序）是目前世界上较先进、较流行的一种数值模拟

方法，该程序的基本原理和算法与离散元相似，但它应用了节点位移连续的条件，可以对
连续介质进行大变形分析，特别适合研究大变形问题。

FLAC 程序可以模拟多种模型的材料

可以模拟地应力的生成、边坡或地下硐室开挖、混凝土衬碹、锚杆或锚索设置、地下渗流等。该
方法的基本原理如下。

 

　　

 对于函数 f，由高斯定理有： 

　　（

3） 

　　式中：

V

――拉格朗日单元的体积；