（岩土工程专业论文）采空区建筑地基稳定性分析的相似模拟试验研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 采空区建筑地基稳定性分析的 相似模拟试验研究 摘要 随着煤炭的大规模开采以及多年超常规无序粗放式采煤，我 国中西部许多地区形成的大面积、大规模的采空区，已成为我国 高速公路、现代化铁路、机场、引黄水利工程、西气东输等重大 基础工程建设及小城镇建设规划的制约因素。因此，开展老采空 区建筑地基稳定性的研究，对我国矿区环境的治理，矿区土地的 利用及重大基础设施的建设和小城镇建设规划都具有十分重要 的现实意义。 在实验室通过相似模拟手段来研究采空区的地基稳定性是 人们探索其内在规律的重要途径。本课题以山西霍州矿物局辛 置煤矿地质采矿条件为例，进行了相似材料模拟试验，试验分 为两个阶段：第一阶段模拟开采沉陷过程，研究采动岩层移动 变形规律；第二阶段在开采沉陷基本稳定之后，在沉陷盆地的 不同位置施加大小不同的建筑物荷载，研究其地基的稳定性。 试验设计从岩层内部到地表的多层测点进行模拟观测，从而在 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 模型的全剖面范围内观测位移，由观测到的位移变化规律来分 析采空区的建筑地基稳定性。 老采空区建筑地基的危害程度及其稳定性评价在国内外都 属于一个较新的课题。对于老采空区在建筑物荷载作用下的地 基稳定性评价、采空区地基处理范围的界定等方面的研究成果 甚少，尚未见系统的研究报道。本论文首次采用相似材料模拟 试验来研究老采空区建筑地基的稳定性，这不但对于岩土力学 理论的丰富和发展，而且对于指导工程实践，都具有积极的意 义。 关键词：相似模拟试验，采空区，地表移动，分形维数， 损伤变量，地基稳定性 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ee x p e r i m e n t a ls t u d y o fa n a l o gs i m u l a t i o n o ns t a b i l i t ya n a l y s eo f t h eb u l i d i n g f o u n d a t i o nw i t t ig o a f a b s t r a c t w i t hc o s m i c a l l ya n de x t e n s i v e m i n i n go f o u t - o f - o r d e ro fe x c e e d g e n e r a l ，t h eb i ga r e aa n dc o s m i c a l l yg o a fh a sc o m ei n t ob e i n gi n m i d w e s to fo u rc o u n t r y b e c a u s et h i si st h ef a c t o rw h i c hr e s t r i c t s t h ec o n s 仃u c to fi m p o r t a n tb a s a l e n g i n e e r i n g ( f o re x a m p l e ：h i g h s p e e dr o a d ，r a i l w a y o fm o d e r n i z a t i o n ，a i r d r o m e ，t h e p r o j e c t o f d i v e r t i n g w a t e rf r o mt h ey e l l o wr i v e ra n d e a s t e r nt r a n s f e ro f w e s t e r ng a s ) a n d b u i l d i n gp r o g r a m m i n go f t h es m a l lt o w n s s o ，t h e s t a b i l i t ys t u d yo f t h eb u i l d i n gf o u n d a t i o nw i t hg o a f i sp r o p i t i o u st o d i s p o s i n gs u r r o u n d i n g so fd i g g i n g s ，u t i l i z i n gt h es o i lo fd i g g i n g s ， c o n s t r u c to f i m p o r t a n ti n f r a s t r u c t u r ea n dp r o g r a m m i n go ft h es m a l l t o w n s t h e a n a l o g s i m u l a t i o nm e t h o di s a i m p o r t a n ta p p r o a c hf o r p e o p l et os t u d yt h ei n h e r e n tl a wo f g r o u n ds t a b i l i t yw i t hg o a f it h i s 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 s u b j e c te x e r t st h ee x p e r i m e n tm e t h o do f a n a l o g u em o d e l i n g ，a n dw e t a k eg e o l o g i c m i n i n gc o n d i t i o n o ft h ex i nz h i c o l l i e r yo fh u o z h o um i n e r a lb u r e a ui ns h a n gx ip r o v i n c ea st h ep h y s i c a lm o d e l o f b a c k g r o u n dd e s i g n t h ee x p e r i m e n ti sd i v i d e di n t ot w o p h a s e s ， t h ef i r s tp h a s es i m u l a t e st h ec o u r s eo f m i n i n gs u b s i d e n c e ，w es t u d y r o l eo fm o v e m e n t t r a n s m o g r i f i c a t i o n o fm i n i n gt e r r a n e i n t h e s e c o n d p h a s e ，a f t e rt h em i n i n gs u b s i d e n c ei sg r a d u a l l ys t a b i l i z a t i o n ， w e b r i n g i n t ob e a rd i f f e r e n t l o a di nt h ed i f f e r e n t l o c a t i o no f s u b s i d i n gb a s i n ，a n dw es t u d yg r o u n d s t a b i l i t yw i t hg o a f w el a yt h e o b s e r v i n gp o i n tf r o mt h et e r r a n ei n t e r i o rt ot h eg r o u n d m u l t i p l a y e r , a n dw ec a no b s e r v et h e s ep o i n t sf r o mt h ew h o l es e c t i o no f m o d e l w e a n a l y s et h ef o u n d a t i o ns t a b i l i t ya c c o r d i n gt oo b s e r v i n gt h el a w o f m o v i n gt r a n s m o g r i f i c a t i o n t h i ss u b j e c ti san e w p r o b l e mi nh o m ea n da b o a r d a tp r e s e n t ， w ec a nn o ts e et h es y s t e m i cr e p o r t sw i t hr e g a r dt o e v a l u a t i n gt h e f o u n d a t i o ns t a b i l i t yw i t hg o a f , a n d j u d g i n gt h er a n g eo ff o u n d a t i o n t r e a t m e n t t h i s p a p e rf i r s t l y a d o p t s t h e e x p e r i m e n to fa n a l o g s i m u l a t i o nt os t u d y i n gt h es t a b i l i t yo f t h eb u i l d i n gf o u n d a f t o nw i t h g o a f w eh o p et h a ti ti sp o s i t i v em e a n i n g t oe n r i c h i n gt h et h e o r yo f d 太原理1 1 人学硕士研究生学位论文 t h ee a r t ha n d g u i d i n g t h ep r a c t i c eo f e n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：e x p e r i m e n to f a n a l o gs i m u l a t i o n ，g o a f ， s u r f a c em o v e m e n t ，f r a c t a ld i m e n s i o n ，d a m a g e v a r i a b l e ，f o u n d a i o n s t a b i l i t v 奎堕翌三奎兰堡婴窒尘堂垡笙塞 1 引言 一绪论 在过去的几十年中，我国中西部煤炭资源的开发对国民经济的发展做 出了巨大贡献。但是，由于煤炭资源的开采，在中西部地区的一些老能源 基地造成了大规模、大范围的采空塌陷区，导致上覆岩体冒落、断裂和弯 曲，使岩体力学强度降低，造成老采空区上方建筑地基的承载能力下降。 随着西部大开发战略和基础建设的加速实旌，随着小城镇建设的不断发展， 由于可供建筑的地面严重不足，一些地区的公路、铁路、厂房、住宅楼等 不得不穿越或建立在老采空区上方。在这些静荷载或动荷载的作用下，有 可能使原本处于相对平衡状态的冒裂带岩体重新“活化”，使冒裂带岩体再 压密、地下残留空洞再冒落，导致地表产生附加移动和变形，进而使新建 建筑物沉降、局部开裂、倾斜、直至倒塌。因此，开展对老采空区建筑地 基稳定性评价及其变形破坏规律的研究工作，对老采空区建筑地基的处理、 采空区建筑物的布置及其抗变形结构设计等都具有极其重要的理论和实际 运用价值。 山西省煤炭资源丰富，煤质优良，煤层单层厚度大且埋藏较浅，适合机 械化大规模开采。为此，国家将我省列为以煤炭为中心的能源重化工基地。 煤炭工业的发展给山西带来了繁荣，成为山西的支柱产业。随着煤炭的大 规模开采以及多年超常规无序粗放式采煤，许多地区形成了大面积、大规 模的采空区，已成为我省高速公路、现代化铁路、机场、引黄水利工程、 西气东输工程等重大基础工程建设及小城镇建设规划的制约因素。圆此， 开展老采空区建筑地基稳定性的研究，对我省矿区环境的治理矿区士地 9 奎望望三查堂堡圭堑窒生堂焦笙苎 的利用及重大基础设施的建设和小城镇建设规划都具有十分重要的现实意 义。 2 研究现状及存在的问题 ( 1 ) 国内外研究现状 老采空区建筑地基的危害程度及其稳定性评价在国内外都属于一个较 新的课题。目前国内外对在“三下”( 建筑物下、铁路下和河流下) 采煤引 起的岩层移动、地表沉陷及其对建筑物的破坏方面已经作了大量的研究工 作，然而对于老采空区在建筑物荷载作用下的地基稳定性评价、采空区地 基处理范围的界定等方面的研究成果甚少，尚未见系统的研究报道。七十 年代，j o n e s 等人( 1 9 7 7 ) 研究了采矿塌落对公路的影响；八十年代以来， j o n e s ( 1 9 8 8 ) 、s e r g e a n t ( 1 9 8 8 ) 、m c w a n g ( 1 9 8 2 ) 等人又分别研究了采 矿及下伏空洞对建筑物地基的危害。这些研究都是建立在经验和调查的基 础上，没有系统的普遍规律。此外，欧美国家一些专家学者也不同程度地 研究了洞穴的塌陷对地面基础工程的影响。 老采空区上方修建建筑物的关键问题是对老采空区建筑地基的稳定性 评价问题，目前我国见于书面文献的有： 力平衡分析法 工程地质手册( 第三版，1 9 9 2 ) “1 中提供了临界深度计算公式，用 以评价采空区场地建筑的适宜性。 如图1 一l 所示，矿层采空后其顶板岩块a b c d 因重力的作用而下 沉，两边的楔体a b m 和c d n 也对其施以水平压力p 。因此，在a b 和c d 两个面上又受到因尸的作用而产生的摩阻力f 的抵抗。现取采空段( 巷道) 单位长度为计算单元，则作用在巷道顶板的压力为； 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 q = w 一2 f 其中：w = b h y ，= 尸t a n 妒= 圭2 帅耐卜一詈) 尸= 孚t a n 2 ( 4 s 。一匀 ( 1 一1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 _ 4 ) 式中：q 一巷道单位长度顶板上所受的压力( k n i m ) ； 一巷道单位长度顶板上岩层所受的总重力( k n i m ) ： 户一楔体a b m 和c d n 作用在a b 和c d 面上的主压应力的最大值 ( k n i m ) ； a ，一巷道单位长度侧壁的摩阻力( k n i m ) 日一巷道顶板的埋藏深度( m ) ； b 一巷道宽度( m ) ： 妒一岩层的内摩擦角( 。) 。 当建筑物建在采空区上 mb nn 、 p ，p 。一 ff 纠l o 一口 、 2 ac h 时 设建筑物基底单位压力图1 - 1 采空区颁板稳定性示意图 为p o ) ，根据力平衡分析，f i g1 1t h es k e t c h m a po f t h e t o ps t a b i l i t yo f g o a f 则： q = w + 印。一2 f( 1 5 ) 即q = 渺+ b p o - 2 f = y h i b - h t a n 咖2 ( 4 s 。一讣印。( 1 - - 6 ) 当日增大到某深度，使顶板岩层恰好保持自然平衡状态( 即q = 0 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 此时的日称为临界深度。，则得临界深度计算公式： 风；! ：! ：! ! 竺：竺! 竺! ! 竺! ：量!。一， 。 2 7 t a n 伊t a n2 ( 4 5 。一罢 当h 1 5 h 。时，地基稳定。 该方法仅适用于埋深较浅、地质条件简单的小煤窑采空区场地。 附加应力法 腾永海等( 1 9 9 7 ) 。3 提出了以建筑物荷载影响深度与采空区冒落裂隙带 发育高度是否重叠来确定建筑物层数、判断采空区地基的稳定性的方法。 如图l 一2 ，冒落裂隙带发育高度与建筑物荷载影响深度之间存在3 种 情况，其中建筑物荷载影响深度是由地基产生的附加应力决定，即当地基 中附加应力盯：= o 1 哎( 正为自重应力) 时，把此时的深度z 作为建筑物 荷载影响深度。 a 当建筑物荷载影响深度与冒落裂隙带顶界面之间有一定的距离( 图1 2 a ) ，这种情况不会影响冒落裂隙带的稳定性。 b 当建筑物荷载影响深度与冒落裂隙带顶界面正好接触( 图1 2 b ) ， 这种情况建筑物荷载为临界荷载。 c 当建筑物荷载影响深度进入冒落裂隙带内( 图l 一2 c ) ，这种情况建 筑物荷载会影响冒落裂隙带的稳定性，建筑物会受到较大不均匀沉降的影 响。 该方法难以考虑上覆岩层复杂的地质构造条件及冒落裂隙带的后期变 化，而且也只能算作一种定性分析方法。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 建筑物 建筑物 口口口d 口 0 凸凸口0 dod 口口 口口口0 口 ddd d 0 口口口口口 瀚砀 7 0 1o - 。 附加应力等值线 日 日明8 8 口0 0 口o 口0 口0 d 口口口口口 口凸0 d d 口n 几n d 随翱 霞 建筑物 口口q dd 口 口口口 口口口 0 d d 口口口 d 0 口 0 0 0 。0 0 1 【a ) ( b )( c ) 母1 - 一2 冒落裂隙带与建筑物荷载影响深度的关系 f i g1 - - 2t h e r e l a t i o no f c a v i n ga n df r a c t u r e dz o n ea n db u i l d i n gl o a di n f l u e n c ed e p t h 数值分析法 八十年代后期，s i r i v a r d a n e 和a m a n d a ( 1 9 9 1 ) 、x l y a o ( 1 9 9 3 ) 、w o o d ( 1 9 9 0 ) 等学者相继运用有限元和边界元法研究了采动覆岩产生垮落的开采 条件和垮落高度、覆岩产生离层裂缝的力学条件及离层裂缝的位置和高度 等：康建荣( 1 9 9 9 ) ”1 运用相似材料模拟和离散元法研究了采动覆岩离层形 成的过程、机理及基本规律，并开发了适用于任意形状、多工作面、多开 采线段的开采沉陷预计系统。这些研究成果为进一步研究老采空区在建筑 物荷载作用下的地基稳定性问题奠定了基础。常江( 1 9 9 5 ) “1 以弹塑性理论 为依据，将老采空区地层概化为一个连续介质和碎裂介质的耦合体，运用 有限元法分析了不同覆岩组合对采空区建筑地基稳定性的影响：孙忠弟等 ( 2 0 0 0 ) 6 3 在研究高等级公路下伏空洞对路基场地稳定性的影响时，开发了 二维弹塑性理论有限单元法计算软件。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 存在的问题 老采空区建筑地基稳定性的力学分析是一个极其复杂的问题。它不仅 和开采煤层的厚度、倾角、埋深、上覆岩层的岩性、物理力学性质、厚度、 赋存状态、场地地形地貌、地质构造、水文地质条件以及煤矿开采方法、 开采面积、开采次数、顶板管理方法等地质采矿条件有关，而且也和新建 建筑物荷载的大小、位置、基础的类型等密切相关。 目前国内外对老采空区建筑地基稳定性的研究仍然十分薄弱，还存在 以下关键问题亟待解决： 老采空区在建筑物荷载作用下地基发生沉降、变形的机理： 采空区上覆岩体的不连续性和可变性，如层面、节理、夹层、离层、 断层、冒落带、裂隙带、弯曲带以及其它构造特征： 岩体本构方程的模拟，如各向异性、弹性、塑性、粘性、非线性、 大变形以及由于水理、风化等对岩体性质的影响； 采动岩体破碎后在不同地质采矿条件下的力学性质及其力学参数的 测定方法； 老采空区建筑地基的稳定特性及其变形破坏规律。 3 研究内容和研究方法 本课题以山西省霍州矿物局辛置煤矿地质采矿条件为例，运用相似材 料模拟试验方法，对采动岩层的移动变形规律进行研究，并针对建筑物荷 载对老采空区地基稳定性的影响进行分析。 ( 1 ) 研究内容 研究采动覆岩移动及地表沉陷规律； 1 4 查垦型三查兰堡主堡壅圭堂鱼堡奎 一 研究采动岩体裂隙分形和损伤变化规律： 探讨老采空区建筑地基稳定及其变形破坏的一般规律，研究建筑物 荷载的大小、位置和基础型式及采空区的采深、采厚和上覆松散层的厚度 等对老采空区建筑地基稳定性的影响。 ( 2 ) 研究方法 在现场调查和对试验基地已有资料分析和整理基础上，查明研究区 地形、地貌、地层岩性、岩石力学性质，地质构造、水文地质条件、开采 煤层的厚度、倾角、埋深以及煤矿的开采方法、开采面积、顶板管理方法 等地质采矿条件。 本试验分两个阶段：第一阶段模拟开采沉陷过程，研究采动覆岩的 移动规律与地表沉陷规律：第二阶段在开采沉陷基本稳定之后，在沉陷盆 地的不同位置施加大小不同的建筑物荷载，研究其地基的稳定性。试验设 计从岩层内部到地表的多层测点进行模拟观测，从而在模型的全剖面范围 内观测位移，由观测到的位移变化规律来分析采空区地基的稳定性。 本论文根据辛置煤矿一般情况，分两组试验进行。模型i 的采深为 1 9 8 m ，采厚为4 m ，采宽为2 8 0 m ，上覆松散层为6 0 m 。模型i i 的采深为 7 1 m ，采厚为4 m ，采宽为2 4 0 m ，上覆松散层为 5 m 。来探讨老采空区的 采深、采厚、上覆松散层的厚度等这些因素对老采空区建筑地基稳定性的 影响。通过对试验结果的分析研究，判断模型i 、i i 老采空区地基的稳定 性。 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 相似模拟试验理论和方法 ( 1 ) 相似模拟理论 模型是根据原型来塑造的。在进行模拟试验时，通常都采用缩小的比 例或者在某特殊情况下用放大的比例来制作模型，同时，为了便于测量应 力和应变值，常采用一些与原型不同的材料。在研究模型与它所代表的原 型之间存在何种关系时，就要承认模型与原型间存在相似性，研究这些相 似性质与规律的理论称为相似理论”3 。 相似理论由三个基本定律组成。 相似第一定律 第一定律说明了相似现象的基本性质，它对“什么现象称为相似现 象? ”这个重要问题作了以下解答。 考察两个系统所发生的现象，如果在其所有对应的点上均满足以下两 个条件，则可称此两现象为相似现象。 条件甲 相似现象的各对应物理量之比应当是常数，这种常数可称为“相似常 数”。例如，两个相似的平面弹性系统之间，各对应物理量必须满足比例 关系：几何相似口，= ；容重相似口，：鱼；应力相似：o m p 。 l m y m 盯 式中：f 。、f 。一分别为原形和模型的长度： y 。、y 。分别为原形和模型的容重； 盯。、盯。一分别为原形和模型的应力： 几何相似常数： 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 玑一容重相似常数 口。一应力相似常数。 条件乙 凡属相似现象，均可用同一个基本方程式描述。因此，条件甲中所谈 到的各相似常数a ，、口，、口。等不能任意选取，它们将受到某个公共数学 方程的相互制约。 本课题试验所做模型属平面弹性模型，根据弹性力学，研究弹性结构 平面问题时，必要的方程式是平衡方程和变形协调方程( 应力符号见图 1 3 ) 。 堡+ 堕：o t 一= l ，出 砂 孕+ 挈妒。 却缸 ( 导+ 寿卜q ) = 。 式中：盯，、仃，一单元体上的正应力；图1 3 应力符号 r “单元体上的剪应力： f i g1 - - 3t h es i g n o f s t r e s s y一容重； 对于原型，有 盟+ 掣：。 佩p砂” 等+ 掣o x 仉：。c 9 ，pf ” 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 悟+ 等十p ，咖( i - - i o ) 设应姗似常地= 黯= 咎：黯：容重相似常数 a ，：生；几何相似常数a ，：鱼：生a ，= 卫；几何相似常数a ，= 2 = 生 。 y x y m 鲁i 等+ 掣 ：。( i - - 1 1 ) a y口，i 融。，i 詈掣+掣卜山：。(1-12)oy口，l 。i 一“。 对于模型，必要的方程式是 盟+ 墼：o( 1 1 3 ) 盟+ 掣饥：。 。，叫， c r y , 斑” 对比( 1 - - 1 2 ) 与( 1 - - 1 4 ) 式，可知，只有 l ：1 1 - - 1 5 ) 模型和原型的基本方程才相同。说明在、口，和a 。这几个相似常数之中， 如果任意选定两个以后，其余的个常数就已经确定，而不允许随意选取 了。在相似理论中，通常称这个约束各相似常数的指标：l ：1 为“相 a ，口r 似指标”，它是表示原型与模型相似常数之间应满足的比例关系，其值通 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 对比( 1 1 1 ) 和( 1 一1 3 ) 式，可求得另一个相似指标为 垒：任意常数 嘶 ( 1 一1 5 ) 可换写成下式 三：旦：i - i ( 1 - - 1 6 ) ip y p i m y m 上式说明原型与模型中各对应物理量之间保持的比例关系是相同的，都等 于一个定数兀，在相似理论中这个定数被称为相似判据，它表示原型和模 型内各基本物理量之间应满足的比例关系。 这样，相似第一定律可叙述为：相似现象是指具有相同的方程式与相 同的相似判据的现象。 相似第二定律( n 定律) 相似第二定律认为：“约束两相似现象的基本物理量方程可以用量纲分 析的方法转换成用相似判据n 方程来表达的新方程，即转换成n 方程。两 个相似系统的方程必须相同。” n 定理的基本思想是： a 如果规定一个方程所需的物理量为订个，并且在这”个中含有m 个 量纲，则独立的相似判据n 值为n 一，1 个。 b 两个相似现象的物理方程可以用这些物理量的( n 一珑) 个无量纲的 关系式来代替，即用： 声( n 、i - i ：、i i ，n ，) = 0 或 兀= 庐( 丌：i ，兀) 来代替 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 _ _ _ - _ _ 一一 c 如果在所研究的现象中，还没有找到描述它的方程，但对该现象有决 定意义的物理量是清楚的，则可以通过量纲分析运用兀定理来确定相似判 据，从而为建立模型与原型之间的相似关系提供依据，所以相似第二定律 更广泛地概括了两个相似系统相似的关系。 相似第三定律( 相似存在定律) 相似第三定律认为：“只有具有相同单值条件和相同的主导相似判据 时，现象才互相相似。”其单值条件为： a 原型与模型的几何条件相似； b 在所研究的过程中具有显著意义的物理常数成比例； c 二个系统的初始状态相似； d 在研究期间两个系统的边界条件相似。 主导相似判据是指在系统中具有重要意义的物理常数和几何性质所组 成的判据。 ( 2 ) 相似模拟方法 相似材料模型法的实质是：用与原型物理力学性质相似的人工材料按 几何相似常数缩制成模型，在保证模型与原型初始状态和边界条件相似的 情况下，通过对模型模拟开挖，对模型采动覆岩移动及地表沉陷规律、岩 体采动损伤进行了初步研究；对采空区建筑地基的稳定性作了初步分析。 相似材料模型法依据其相似程度的不同分为：定性模型和定量模型两 种。定性模型的主要目的是通过模型去定性的判断原型中发生某种现象的 本质或者机理：或通过若干模型了解某一因素对井下所产生的某种地压现 象的影响，这种模型满足主要的相似常数即可。定量模型要求主要的物理 量都尽量满足相似常数与相似判据，耗材较大。 奎堕堡三奎兰堡主堑壅生堂垡笙壅 ( 3 ) 相似模拟试验法的优点 相似模拟作为种研究方法，在现代科学技术的各个领域中得到了广 泛的应用。例如在气体力学、水力学、热力学、水工建筑、机械制造、航 空等领域中均不乏其例。 与理论研究及实测研究相比，相似模拟研究方法归纳起来主要有以下 优势： 可以严格控制研究对象的主要参量，不受外界限制。 能突出主要矛盾。便于把握、发现研究对象的本质特征和内在联系， 同时也可用于检验原型所得结论的正确性。 相似模拟模型易于制作、工作量小、费用低、周期短、速度快、节 省人力。 可采用适当手段对实际岩体破坏无法测量的现象进行测试。 矿山岩体是一种属性极其复杂的介质，采煤后，其岩层经历了剧烈的 变化，力学性质就更为复杂。在实地研究，不仅工作量大，费用高，周期 长，而且具有很大的局限性。因此，在实验室通过相似模拟手段来研究采 空区的地基稳定性成为人们探索其内在规律的重要途径。而在模拟研究 时，可针对研究目的，突出主要参数的影响作用，为解决工程实际问题提 供主璺依据。 2 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 试验原形条件 二试验模型和试验方法 辛胃煤矿位于霍西煤田的中南部，缓铺在霍山西，汾河之东岸。属霍 州矿物局所辖，行政划分属山西临汾地区霍州市东南1 0 余公里处，距南 同浦线辛置火车站0 5 公里。井田面积4 7 平方公里，可采及局部可采煤层 为六层，煤层总厚8 b s m ，煤质以肥煤为主。全井田呈一近似的单斜构造， 走向n e e ，倾向s e e ，倾角5 。1 2 。，平均倾角为1 i r = 84 。本文试验以 2 2 0 4 工作面为原形，2 2 0 4 工作面上方相对位于辛置镇董家庄村南o 3 k m 处，有一条简易公路，无其它建筑物，全为农田，仅在沟谷部位有基岩出 露，为二叠系上石盒予组中段地层，地表大部分被黄土覆盖，岩性为第四 系的q 2 、q 3 黄土，部分具有非自重失陷性。根据工作面附近1 7 4 捍的钻 孔资料，该工作面覆岩厚度为2 0 1 1 7 m ，其中黄土层厚7 5 6 2 m ，占3 7 6 ； 中、细砂岩为4 2 8 7 m ，占2 1 3 晦；泥岩、泥质砂岩为8 2 6 8 m ，占4 1 1 。 所采2 。煤层平均厚度3 5 9m ，倾角2 7 0 ，伪顶厚0 0 2 o 1 5m ，由黑色 泥岩及砂质泥岩组成；直接顶为黑色泥岩，厚2 0 m ；老顶为k 8 中粒白色砂 岩，厚1 0 0 3 m 。煤层顶板节理发育，顶板在开采后具有良好的自然冒落条 件。该工作面的地质构造较为简单，煤层的产状平缓，属缓倾斜煤层。工 作面的储量为2 1 8 万吨，上分层于1 9 8 8 年4 月1 9 8 9 年元月开采，下分 层在1 9 9 0 年1 2 月1 9 9 1 年8 月开采。工作面以走向长壁式布置，走向长 5 6 0 m ，顶板全部垮落回采，每昼夜平均推进度为1 4 8 2 1 3 m 。岩层的物 理力学参数指标见表2 一l “。 言 毪羔 ；。忘n 疆u _ 二 一n 寸 拯 蝠 9 - 一 羹妻 蜒醋 垂妻 茫 d n 羞 冬i 葛基 薯 冀q 。 嚣喜 n 、。 n 蒌善 黜叫 一 恻 o 罢j f - q 麟 一 蹬一 叫s ，： 譬 艇d 粕 掷， 叁 靠 2 黑批 弛 dgg 湘哥赋 嶂j k v 弛昶湘 池弛 媲 姐媳) 鲤赋强 掣 辩釜 辩 念 捐 食 驰 爸湘念扪 1 壅： 抛皿削；蛆瞧( 铽 熙 最 熙 器赠鼯惩最熙最媸 台 避拭描 蝼雕 食e _ 。 焉审 c , i 。 一n 僻蒜诋扑r剐嚣踏艄一in懈 议秘牮扑剥妖露书匿瓣k叫戳隧杉 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 试验模型i ( 1 ) 试验设计尺寸i 试验采用3 m 3 m 的平面相似模拟试验架进行试验。原型总高 2 2 3 5 7 m ，煤层以上高度2 0 1 1 7 m ，推进距离为5 6 0 m ；模型设计总高2 2 2 c m ， 模拟设计采深。 h ) 2 0 1 e m ，采厚( m ) 4 c m ，采宽2 8 0 c m 。 ( 2 ) 相似常数的选取 几何相似常数 对于采空区地基稳定性的研究，几何相似常数通常取在1 0 0 2 0 0 之间，本试验几何相似常数取= 1 0 0 。 容重相似常数 原型中的岩层多为泥岩、细砂岩，根据以往经验，容重相似常数取为 a 一= 1 5 。 应力相似常数 根据相似指标( 1 一1 5 ) 式可得：口。= 。= 1 0 0 x 5 = 1 5 0 时间相似常数 时间相似常数为口，= 石= 1 0 ，现场正规工作，每小班8 小时进尺 1 2 m 。模拟试验时，每3 0 分钟进尺4 0 c m 。 ( 3 ) 相似材料的选取 模型是用来模拟原型的，所以相似材料要满足一定的要求 2 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 主要的力学性质与模拟的岩层或结构相似。 试验过程中材料的力学性能稳定，不易受外界条件的影响。 改变材料的配比，可调整材料的某些眭质以适应相似条件的需要。 制作方便，凝固时间短。 成本低。来源丰富。 相似材料的组成原料分两类，一类是骨料，主要有砂、尾砂、粘土、 铁粉、铅丹、重晶石粉、铝粉、云母粉、软木屑、聚苯乙烯颗粒、硅藻土 等；另一类是胶结材料，主要有石膏、水泥、石灰、水玻璃、碳酸钙、石 蜡、树脂等。 根据相似材料的要求，本试验选取石英砂、河砂、云母做骨料，石灰、 石膏、滑石粉做胶结材料。由于石膏凝结硬化得快，当作胶结材料时，需 要加缓凝剂，试验选用硼砂做缓凝剂，硼砂在水中的浓度为1 o 。 ( 4 ) 相似材料的配比 模型岩石的强度指标 由以上可知，a ，= 1 0 0 ，q = 1 , 5 ，a 。= 岱，口 = 1 0 0 x 1 5 = 1 5 0 ，则 根据表2 1 得出模型第2 层岩石的抗压强度、抗拉强度抗剪强度为： 呲2 志。2 1 1 3 m p a - 0 1 4 1 m p a k ，】2 = 志2 0 4 m p a 姐0 1 4 m p a 【c 】2 2 击“7 5 m p a _ o 0 1 2 m p 口 根据原型岩石力学性质得出的模型i 各层的岩石力学性质见表2 _ 2 所示。 相似材料的配方与配比 根据阜新矿业学院对石膏相似材料配方所做试验结果，选择试验相似 材料的配方及配比，见表2 3 。 2 5 奎星里三奎主堡主堕壅生堂垡笙塞 ( 曼) 材料用量的计算 各分层的材料用量按下式计算。1 g = l m h y ，( 2 1 ) 式中：g 一模型各分层的材料用量； ，模型长度； m 一模型厚度 一模型分层高度： 一模型材料容重； 下面以第2 层为例介绍各分层材料用量的计算。第2 层相似配比号为 5 3 7 ，为了计算方便，令一= 5 ，b = 3 ，c = 7 ，根据( 2 - - 1 ) 式， g 22 加也，。= 3 x 0 2 x 0 1 0 4 1 x l 。5 t m 3 = o 0 9 3 6 9 0 ) = 9 3 6 9 忪斤) 嚷= g 2 。而1 = 9 3 6 9 x 去忪斤) = 9 3 7 ( 从斤) g 粘结2 g ：一g = 9 3 6 9 ( 从斤) 9 3 7 忪斤户8 4 3 2 ( 从斤) = ( 焉) g 枯结( 从斤) = ( 斋) s 4 m 忪斤净，眈，忪斤) 乳( 熹r 结州舶；忪斤) ：- 。o s 忪斤) 嚷灰2 g 意( 从斤) = 1 4 0 5 x 未( 从斤) = 4 2 2 忪斤) 吒青2 g 若忪斤) = 1 4 0 5 x 孟忪斤) ：9 - 8 4 ( 八斤) 计算求得各分层材料用量列入表2 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 5 ) 模型的制作 制作模型的步骤如下： 上模板：将模型后面的模板全部上好，前面边砌模型边上模板。 配料：按已计算好的各分层材料所需用量，把石灰、石膏、砂子、 缓凝剂及水分别用台秤、天平称好：砂子、石灰、石膏可放在一起搅拌， 但需将石膏倒在石灰上面，以免与砂予中所含的水分化合而凝固，缓凝剂 放入称好的水中，并搅拌均匀勿使沉淀。 搅拌：先将千料拌匀，再放入含缓凝剂的水，并迅速搅拌均匀，防 止凝块。 装模：将搅拌均匀的材料倒入模子内，采用分层捣实，并按节理密 度切割岩层，以保持所要求的容重，压紧后的高度应基本上符合计算实分 层的高度，分层间撤一层云母粉以模拟层面，并根据设计埋放应力盒，每 一分层的制作应在2 0 分钟内完成。 拆模：由于试验模型i 在冬季，考虑到天气比较寒冷模型比较难干， 2 天后我们松动螺丝使其通风进行干燥，七天后拆模板，拆时需注意不要 损坏模型。 为了便于观测，在模型上喷了层白灰，并用广告色( 绿色) 打上 网格，用来确定位移点粘贴的位置，待白灰变干粘贴位移点。 刨 鬟董 t 十 。 辎 趟 薹萎 裂一 鼙 毯 慧一 蓦妻 8 、o 9 荨 。 6 辎 篓；蓍 t qi n 寸 荨2 o 一一 辇薹 答 r 碳 一 曩蔓 誓 避 n j 阻 口 即 ， 台 门 n 。 m 器 昶 阳 a 立譬 弛导赠j 坤j m v 稍 狐 船湘 k熙坦丑 赠熙j k “狮念魏 念 昶叁 恒 金 粕念和 喀粕皿雕迥)蜓 叁 瓤蜡 器赋器蜡器碧骚婢骤避惫 熙糕糕 囊 哥l念 世 小 礤 蠼瓣】；i；讯外r剐霉啮永器一副辎nin摧 戗秘逦扑州慑宦叫匿扑h猷隧k n 苌 8 d 亡 搬 式 姆u 目酬 恻 窭 越 0 0 0 卜 o 霎 - 二 n。 一 n 叠 n 十 u 、 罂 啦 盆 盎 ee g 庭 2 no寻 n卜一 茎塞 口唧 西 1 j 母 | 唑 g 葛 舀 一 1 1 噩 io 冀蚤 撵一 萋童 小 。i o 拍 一 n 铀 g 港d n 和 婶 ， 硷 堪 n 宝 o蒜 日m 和 口跹 湘导 赠 扣抛 v 杂弧杂粕勰 赠蚰锄寒 蜡j m 刊抛念求 叁滟裔抛叠j m岔 昶喀皿 础 坦 嚷酋 堪 熙 疑赠骚 赠 器赠 疑赠器磐念糕糕辎 瞢哐 叁 心 瀑 ：蕈旺g婪葵巡求谁嗡丑鞋g菇挺套雩_i耐辎nn琳 戗翠迥扑酬妖睾书隧扑kh剐隧 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 6 ) 监测点的布置 应力盒的布置 试验前j 置有3 8 个应力盒，分4 层埋入地层中( 如图2 1 ) ，自上而 下距开采层分别为1 6 3 c m ( 第4 层) 、1 1 5 c m ( 第3 层) 、8 7 c m ( 第2 层) 、 3 8 c m ( 第1 层) ，用米观测采动区的地层应力变化规律。 3 l3 2 3 33 4拍3 63 73 83 94 0 2 i2 2 2 32 4 2 5 2 62 72 82 93 0 图2 1 应力金布置图 f i g2 - - 1t h ed i s p o s a lc h a r to f t h es t r e s sc a s e 位移点的布置 试验在上覆岩层上布置有7 排1 4 7 个观测点，用柬观测上覆岩层移动 情况，在房屋卜布置有2 5 个观测点，用来观测房屋的变化情况( 如图 2 2 ) 。从上到下第1 排距刀：采层1 9 3 e m ，用来观测地表的下沉：第2 、3 排距开采层分别为1 8 3 c m 、1 5 3 c m 。用来观测弯沉带的下j ) = c ；第4 、5 排 距开采层分别为1 3 7 c m 、9 5 e m 。用来观测裂隙带的下沉 第6 、7 排距开 3 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 采层分别为3 5 c m 、2 0 c m ，用柬观测冒落带的下沉。 ! ：_ _ j ? _ j _ pj ：_ _ p _ ：_ _ 翠o j ：j _ 审jj ：i 9 面一一 一两一一一一面一一i o 二皆一一 一面一一两一一面 5 9 6 5 凹p 譬一e 7 e i e 笮野印1 9 0 1 n _ 一 一 一一 一p n 二1 4 一一一 l n 1 0 3 1 0 7i ! ot ” j 1 7 1 0 t 一一 一一一 ；n x t 4 一 一一一 一 h n 1 1 8 i ；0 1 2 5 i 9 】，0 1 0 t 一一 一 一 一 ，赢1 4 一一 一 h n 1 3 3 1 ，7 t s o t 5 4 i 7 1 0 t 一一 一一一 p n j 4 一 一一 一 h 口 n n 图2 2 位移点布置图 f i g2 2t h ed i s p o s a lc h a r to f t h ed i s p l a e e m e n l ；d o t 裂隙网络的布置 本次试验共布置有3 6 个2 0 x 2 0 c m 的网格( 4 行9 列) ，用来统计试 验过程中裂缝的发展规律。 3 试验模型 ( 1 ) 模型尺寸与材料配比 模型1 i f f 3 3 m 的平面相似模拟试验架进行试验。为了区 别于上次试验，本次试验去掉了原型中的第2 9 层，第1 0 层上放以黄土， 则模拟的原型高为8 3 2 1 m ，煤层以上高为6 2 8 1 m 。模型设计高度为8 3 c m ， 模拟设计采深( 日) 6 3 c m ，采厚( m ) 4 c m ，采宽2 4 0 c m 。 3 1 查堕望三盔堂堡主堑塞生堂垡堡苎 相似材料中的胶料用大白粉代替模型i 选用的石灰，并由此选取本次 试验相似材料的配方及配比，见表2 4 。其他与模型i 相同。 ( 2 ) 监测点的布置 应力盒的布景 模型i i 布置有1 7 个测力计，分3 层埋入地层r ，( 如图2 3 ) ，自卜晰 下距丌采层分别为5 7 c m ( 第3 层) 、4 4 e r a ( 第2 层) 、8 c r r f ( 第l 层) ，用 来观测采动区的地层应力变化情况。 图2 3 应力盒布置图 f i g 2 3t h e d i s p o s a lc h a r t o f t h es t i s sc a s e 位移点的布置 模型l i 在上覆岩层上布置有5 排7 5 个观测点，用来观