厚冲积层矿区土体沉陷响应研究的新方法

姬文斌

摘 要：本文基于充分利用实测数据的基础上，提出了将工作面上方的基岩和冲积层土体看成雙重介质，开采沉陷在基岩和土体传递过程分开研究的思路和方法，从深层次研究厚冲积层矿区的地表沉陷机理，为全面解释厚冲积层矿区的沉陷的特殊性提供依据。

关键词：厚冲积层矿区;土体沉陷;新方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.059

0 引言

厚冲积层矿区的开挖沉降是不同岩体共同作用产生的，以不同岩体为介质进行研究试是可以的[1];但是，现阶段研究方法比价单一，并且都有自己的缺点，因此本文的研究方法是有必要进行研究的。

1 新方法的实施步骤具体方法

1.1 具体过程

过程一：对厚冲积层矿区的地质等因素进行确定，主要有矿区开采方法，顶板管理方法，开采深度，煤层倾角等[1-4]。可以支撑相似性矿区的研究。在其地表上面建立移动观测站，观测获取需要的开采沉陷数据，将此数据作为研究矿区的定界条件;

过程二：依据研究的矿区的地质因素，选择与所研究的矿区有鲜明对比的矿区进行研究，即薄冲层矿区。

过程三：在对比矿区地面上建立移动观测站，实时观测薄冲积层矿区的地表开采沉陷数据，将其作为厚冲积层矿区基岩面的下沉值（即冲积层土体的下边界条件）[5];

过程四：依据研究矿区土体的上、下边界条件，可以分析计算所研究矿区（厚冲积层矿区）的土体沉陷响应机理，其研究数据可以用来建立预测模型[6]。

1.2 基岩相似性判定方法

过程一：钻孔柱状的数字化及特征值提取：

设钻孔柱状中岩层共有m层，将钻孔柱状中煤层作为原点，将岩层向上分为n段，甸层岩层之间的距离设为（i=1，2，…，m），运用P系数法计算每一段的特征值是：

（1）

公式1中，为第1段岩层中含有第j（j=1，2，…m）层岩层的法线厚度，=;为第j层岩层对应的岩性评价系数，可参照表1来对进行设定[7]。

过程二：测量样本和标准样本各段岩层之间的隶属度：

设标准标本的各段岩性的特征值为;设有r个待观测样本，待观测标本的各段岩性的特征值为（k=1，2，…，r）则对应的各段岩性的隶属度：

（i=1，2，…，n）（2）

过程三：测量样本和标准样本基岩总相似度评定：

标准标本和待测量样本之间总的相似度为：

（k=1，2，…，r）     （3）

0<<1，C值越大相似度越高，其中C=1的相似度最高，C=0相似度最低。

2 A市矿区实例应用

2.1 A市矿区及工作面概况

A市矿区A矿位于A市矿区东区，是厚冲积层矿区，A矿A工作面开采煤层深度是3.5m。煤层倾角是16°。顶板采用自然脱落法。开采中推进速度为33m。工作面实际长度为600m，倾斜长度为180m。开采深度约500m，冲冲积层厚度为300m，基岩厚度约160m。

2.2 基岩相似性判断

以A市某矿区A工作面的地质等条件为基础数据，提供5个薄冲积层矿区工作面作为待测量样本（即r=5）。将各矿区工作面的地层柱状图按照等间距划分成50段（即n=50）。依据公式（1）（2）（3）依次将各钻孔柱状进行数字化，求出隶属度，求出总相似度，总结出，与标准样本（A市矿区东区A矿）总相似度最高的是A市矿区西区的A矿，有0.82的相似度。从地层的角度来看，A、B矿都包括于A市矿区，所以A、B矿基岩相似度很高;可以将A市矿区西区的B矿B2工作面的地表沉陷数据作为A矿A工作面基岩面的沉陷数据[10];B矿B2工作面和A矿A工作面的工作面长度不同，很好的利用B矿B2工作面的实测数据，用概率积分法解算出参数，计算出B矿B2工作面地表开采沉陷参数，计算出的实际参数如表2所示，将B矿B2工作面的实际测量参数当作厚冲积层矿区A矿A工作面的基岩面沉陷参数;运用概率积分法求出A矿A工作面基岩面下沉值，将其作为厚冲积层矿区的下边界条件。

综上分析可知，通过B矿的地表实测参数可以计算出A矿A工作面的基岩的下沉值，通过观测可以得到A矿A工作面的地表观测站数据。即A矿厚冲积层土体的上下边界下沉值，依据上面的数据进行下面的分析计算。

2.3 分析计算与讨论

2.3.1 计算

厚冲积层矿区的上边界条件为A市东矿区A矿A工作面的地表实际测量的下沉数据。

厚冲积层矿区的下边界条件为，依据A市西矿区B矿B2工作面的实际测量参数，采用概率积分法预计模型，计算出A市东矿区A矿A工作面基岩面的下沉值。

运用A市西矿区B矿B2工作面的实测参数（见表2）进行计算，一直计算到地表，得出的值作为A市东矿区A矿A工作面基岩面下沉传递到地表时的下沉值。

2.3.2 分析与讨论

（1）将土体附加变形的情况排除在外，基岩面的下沉会导致向土体传递，引起地表的沉;基岩面由于下沉区域是一定的，因此其向土体传递时下沉值会减小[11]。但是，实际测量的地表下沉值却是增大的。由以上分析可知：基岩面下沉在向冲积层土体传递过程中，不仅土体下沉，而且会导致土体内部结构发生变化，进而产生了附加应力;由于附加应力作用，引起附加下沉。通过两者的差值分析得出，A市矿区A矿A工作面的最大附加下沉值是780mm。所以，在开采沉陷过程中不考虑土体的作用，计算基岩面到地表的下沉值，实际上是土体和基岩面一起下沉。

（2）由于厚冲积层土体的存在，其作用在岩体上面会有很大的载荷，开采过程中向采空区传递，由于采空区受到冲积层荷载的影响，导致岩土体产生协同作用而下沉[12]。综上所述，A矿A工作面的最大附加下沉值，其中包括了土体的附加下沉和岩土体的协同作用下沉。

参考文献：

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