随着人们对矿产资源的需求越来越大,采空区规模及开采深度也不断加大,由此引起的上覆岩体及地表变形问题也越来越严重,由此严重影响着人们的生产生活,并带来巨大的经济损失。因此对地下开挖引起的上覆岩体变形破坏过程与机理、地表变形规律等问题进行研究具有很强的现实意义。 上覆岩体变形与地表沉降具有非均匀、非连续与大位移的特点,是一个高度复杂的非线性问题。前人在这方面已经做了大量的工作,分别采用现场监测、理论分析、室内试验及计算机模拟等手段,对上覆岩体与地表变形的预测、裂隙和离层的分布以及由此带来的采动损害的防护与控制等问题进行了广泛的研究,得出了许多有益的经验与结论。 本论文结合横向课题“湖北荆襄化工集团大峪口矿段木架山采空场处理研究”,对上覆岩体变形进行了一系列研究。主要内容及其结论如下: 1)对上覆岩体变形及地表沉降引发的灾害问题进行了全面而系统的调研分析,综述了目前主要的上覆岩体变形与地表沉降的分析手段与研究进展,特别回顾了相似模拟的研究现状及其优缺点,为论文的研究提供了基础。确定了采用有限元数值模拟与相似材料模拟作为研究木架山采空区上覆岩体变形特性研究手段的方案。 2)进行了现场地质条件勘查,开展了室内单轴压缩、劈裂与三轴剪切岩石力学参数试验,结合现场经验与前人研究成果,提出了数值模拟与相似模拟研究所需要的岩体力学参数。 3)采用有限元ANSYS软件分析了上覆岩体与地表的移动、变形与破坏的规律与顶板的极限跨度,尝试了离层得模拟。研究发现,随着矿柱的崩落,上覆岩体跨度不断增加,引起的地表移动范围也不断增大,地表垂直沉降范围大致为跨度的1.5～1.7倍,垂直沉降曲线始终关于最大沉降点对称;水平移动的范围大于垂直沉降的范围,最大水平移动量大约为最大沉降量的40%,且水平移动不对称。另外,当上覆岩体发生整体下沉时离层主要存在于跨度两端,离层由层理剪切破坏引起。 4)采用正交试验确定相似模拟试验中的材料配比,用云母粉模拟广泛存在于岩层中的层理,模拟了上覆岩体从变形到开裂、跨落的全过程,描述了离层的产生过程与存在范围,分析了地表沉降规律,得出了较为可靠的上覆岩体极限跨度:110m。并对试验中存在的测量误差,材料参数误差进行了分析。 5)通过对木架山矿区上覆岩体变形规律的研究,我们发现,不论是地表沉降,