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摘要:本文旨在探究采动影响下老采空区上方岩层及地表移动规律。本次选择具有普遍性意义的中硬、互层较发育的煤系地层为模拟载体，以某矿区实际地质条件为基础，采用1：100的相似材料模型模拟研究了采空区上方不同部位加载建筑物和未加载时，采用三维光学测量系统得到了地表及内部岩层的下沉随时间变化规律，为指导相似地质条件下老采空区上方加载建筑物提供了有益指导。
关键词：老采空区；相似材料模型；三维光学测量系统
Abstract: this paper aims to explore mining under the influence of the old mined-out rock surface movement regularity and above. The choice of universal significance in hard, mutual layer is the development of coal formation for simulation and carrier, with a mining area actual geological conditions as the foundation, the of 1:100 similar material model simulation research on the different parts above loading buildings and not loading, the 3 d optical measurement system for the ground surface and internal strata of sinking changes with time rule, for guidance similar geological conditions on loading buildings above old provides beneficial guidance.
Keywords: old mined-out area; Similar material model; 3 d optical measurement system
中圖分类号： P12 文献标识码：A文章编号：
1引言
长壁全部垮落法开采老采空区残余沉降区域可分为以下三部分[1-2]：由最大下沉值组成的竖向压缩区；由下沉拐点到最大下沉点组成的不稳定区；由边界点到下沉拐点组成的半稳定区。
（1）最大下沉值组成的竖向压缩区。此处的残余沉降由三部分组成：冒落带岩体的裂隙闭合和压实，断裂带岩块间裂隙的闭合和弯曲带岩层的离层裂隙闭合。
（2）下沉拐点到最大下沉点组成的不稳定区。此区域的残余沉降主要包括冒落带空洞的充填、断裂带裂隙的闭合、整体弯曲带离层裂隙的闭合。
第三区残余沉降主要是由于煤层开采导致应力转移到煤壁处，使煤层及上覆岩层压缩而形成，其量有限。这里不分析这个原因产生的残余沉降值。
根据以上分析可知，老采空区残余沉降产生的主要原因之一是外载荷的作用破坏了原来冒落带、断裂带和弯曲下沉带的力学平衡关系，因此在冒落带内破碎岩体的压实、断裂带内离层的闭合和弯曲岩层的进一步弯曲都会传递至地表，最终产生残余沉降下沉。
传统的监测地表残余沉降方法主要是在开采区域上方地表建立移动观测站，由于地表残余沉降时间较长，移动观测站不容易长时间保存，这种方法往往不能得到完整的地表移动过程。相似材料模型是一种室内研究岩层移动的重要手段，具有成本低、周期短、直观形象等优点。
本文应用相似材料模型[3]，采用三维光学测量系统对开采过程进行数据采集，然后当地表下沉稳定后，再在地表下沉盆地的边界、拐点和盆地上三个位置加载载荷（按照二层建筑物等比例设计），然后再分析地表及建筑物上点随时间的移动过程。
2 相似材料模型制作和观测
（1）相似材料模型制作
相似材料模拟的实质是根据相似原理，将矿山岩层以一定比例缩小，用相似材料制作成模型。然后在模型中模拟煤层的开采，观测模型上岩层的移动和破坏情况。根据模型上出现的情况，分析、推测实地岩层所发生的情况。相似材料包括骨料和胶结料，如河砂滑石粉石膏、碳酸钙等。
（2）模型设计方案
模拟区条件按淮北某矿地质采矿条件简化得到。煤层平均厚度3.0m，采深50m，近水平煤层。老顶为中砂岩，岩性较硬；直接顶为粉砂岩灰，性脆；直接底为细砂岩，薄层状，水平层理；老底为中砂岩，硅质胶结，上覆岩层具体岩层厚度见表1。
（3）模型相似常数
模型的相似常数分别为：
几何相似比 ：100；应力相似比 ：0.6；时间相似比 ：10
表1模拟岩层分布
岩性 厚度
表土层 5
（4）模型监测线布设方案以及监测方法
采矿条件的摸型，模型高为0.73m(相当于实际73m)，其开采条件为：采深50m，走向半无限开采，煤层采出厚度3m，垮落式顶板管理，煤层倾角0°。
考虑到模型主要监测地表的移动与变形值以及覆岩破坏形态、过程，模型尺寸为2mx0.73mx0.2m的平面实验台，在每架模型水平和垂直方向均匀布设5cmx5cm的观测点，共布设740个观测点。点位布设如图1。
图1加载后测点布设 图2 系统的软件操作界面（修改）
观测方法，使用西安交通大学研发的三维点测量系统（XJTUDP）进行地表和岩层的移动观测，XJTUDP系统是工业非接触式的光学三坐标测量系统[4]，也称为数字工业近境摄影测量系统，可以精确地获得离散的目标点三维坐标，这是一种便携式、移动式的三坐标光学测量系统，可以用于静态变形分析实时测量。数据处理过程如图2所示。
3模拟结果分析
首先对模型从一端开始向前推进，模拟半无限开采，每个固定时间监测地表下沉，当地表下沉速度达到1.67mm/d起至六个月内累计下沉不超过30mm，开始加载建筑并进行持续观测。
（1）加载后地表下沉曲线
图3加载后不同观测时间地表下沉曲线 图4不同位置建筑物点随时间下沉曲线图
由图3可知，地表下沉稳定后，在地表边界、拐点上方和盆地位置分别加载载荷进行连续观测，地表下沉曲线在第1~6天最大下沉在12mm左右，从第7天开始，地表下沉急剧增大到256mm，之后地表下沉变化较缓慢，一直到第40天地表下沉稳定为止，此时最大下沉为283mm。
（2）建筑物点下沉曲线
见图4所示，1和2号点位于采区中心正上方，3和4号点位于开切眼正上方，5和6号点位于未开采一侧边界。从图4可以看出，盆地内的两个点在整个观测过程下沉值一直在增加，边界点先下沉后隆起，拐点位置的建筑上点下沉值先增加后减小；在1~27天加载时间内，各个点下沉量增加不大且平缓，在27~34天时间里，各点下沉值变化剧烈，之后各点处于稳定且下沉值变化不大。
（3）加载和未加载时地表特征点下沉曲线
由观测数据处理结果可知，选取的地表特征点：下沉盆内点、下沉盆地边缘、拐点附近和边界点比较可知，未加载时，下沉盆地内点（1、2号测点对应的建筑物）随时间的波动最大，在三天半时下沉急剧增大，之后又下沉变化波动比较平缓；加载后在拐点附近（3、4号测点对应的建筑物）随时间波动较大，在第7天时波动下沉急剧增大，之后的下沉变化不大且波动较小。
4 结论
（1）通过相似材料模型，直观的获得了长壁半无限开采从初始开采至地表稳定整个地表的下沉过程。
（2）三维光学点测量系统用于观测地表移动具有操作方便，观测间隔短，获取点位精度较高的特点，为获取地表和建筑物上点的下沉提供保障。
（3）未加载时，盆地内点的下沉值随时间变化较大；加载后，处于拐点位置的建筑物受到的影响最大。
参考文献:
[1]何国清，杨伦，凌赓娣等. 矿山开采沉陷学 [M ]. 徐州：中国矿业大学出版社， 1991.
[2]张宏贞，邓喀中，谭志祥. 老采空区残余移动变形分区研究[J]. 矿山压力与顶板管理， 2005. No2： 32-35.
[3]陈冉丽，吴侃. 相似材料模型观测新技术[J]. 矿山测量， 2011.12：84-87.
[4]陈冉丽,吴侃, 谢艾伶. 工业测量系统在相似材料模型观测中的应用研究[J]. 测绘通报，2009 (增 )：147-151.
作者简介：张宏梅（1982.2--），女，内蒙古赤峰市，2006.7毕业于中国矿业大学(徐州) ，
单位：徐州市吉达地理空间信息技术开发中心，从事测量与地表沉陷控制研究。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：老采空区；相似材料模型；三维光学测量系统
Abstract: this paper aims to explore mining under the influence of the old mined-out rock surface movement regularity and above. The choice of universal significance in hard, mutual layer is the development of coal formation for simulation and carrier, with a mining area actual geological conditions as the foundation, the of 1:100 similar material model simulation research on the different parts above loading buildings and not loading, the 3 d optical measurement system for the ground surface and internal strata of sinking changes with time rule, for guidance similar geological conditions on loading buildings above old provides beneficial guidance.
Keywords: old mined-out area; Similar material model; 3 d optical measurement system
中圖分类号： P12 文献标识码：A文章编号：
1引言
长壁全部垮落法开采老采空区残余沉降区域可分为以下三部分[1-2]：由最大下沉值组成的竖向压缩区；由下沉拐点到最大下沉点组成的不稳定区；由边界点到下沉拐点组成的半稳定区。
（1）最大下沉值组成的竖向压缩区。此处的残余沉降由三部分组成：冒落带岩体的裂隙闭合和压实，断裂带岩块间裂隙的闭合和弯曲带岩层的离层裂隙闭合。
（2）下沉拐点到最大下沉点组成的不稳定区。此区域的残余沉降主要包括冒落带空洞的充填、断裂带裂隙的闭合、整体弯曲带离层裂隙的闭合。
第三区残余沉降主要是由于煤层开采导致应力转移到煤壁处，使煤层及上覆岩层压缩而形成，其量有限。这里不分析这个原因产生的残余沉降值。
根据以上分析可知，老采空区残余沉降产生的主要原因之一是外载荷的作用破坏了原来冒落带、断裂带和弯曲下沉带的力学平衡关系，因此在冒落带内破碎岩体的压实、断裂带内离层的闭合和弯曲岩层的进一步弯曲都会传递至地表，最终产生残余沉降下沉。
传统的监测地表残余沉降方法主要是在开采区域上方地表建立移动观测站，由于地表残余沉降时间较长，移动观测站不容易长时间保存，这种方法往往不能得到完整的地表移动过程。相似材料模型是一种室内研究岩层移动的重要手段，具有成本低、周期短、直观形象等优点。
本文应用相似材料模型[3]，采用三维光学测量系统对开采过程进行数据采集，然后当地表下沉稳定后，再在地表下沉盆地的边界、拐点和盆地上三个位置加载载荷（按照二层建筑物等比例设计），然后再分析地表及建筑物上点随时间的移动过程。
2 相似材料模型制作和观测
（1）相似材料模型制作
相似材料模拟的实质是根据相似原理，将矿山岩层以一定比例缩小，用相似材料制作成模型。然后在模型中模拟煤层的开采，观测模型上岩层的移动和破坏情况。根据模型上出现的情况，分析、推测实地岩层所发生的情况。相似材料包括骨料和胶结料，如河砂滑石粉石膏、碳酸钙等。
（2）模型设计方案
模拟区条件按淮北某矿地质采矿条件简化得到。煤层平均厚度3.0m，采深50m，近水平煤层。老顶为中砂岩，岩性较硬；直接顶为粉砂岩灰，性脆；直接底为细砂岩，薄层状，水平层理；老底为中砂岩，硅质胶结，上覆岩层具体岩层厚度见表1。
（3）模型相似常数
模型的相似常数分别为：
几何相似比 ：100；应力相似比 ：0.6；时间相似比 ：10
表1模拟岩层分布
岩性 厚度
表土层 5
（4）模型监测线布设方案以及监测方法
采矿条件的摸型，模型高为0.73m(相当于实际73m)，其开采条件为：采深50m，走向半无限开采，煤层采出厚度3m，垮落式顶板管理，煤层倾角0°。
考虑到模型主要监测地表的移动与变形值以及覆岩破坏形态、过程，模型尺寸为2mx0.73mx0.2m的平面实验台，在每架模型水平和垂直方向均匀布设5cmx5cm的观测点，共布设740个观测点。点位布设如图1。
图1加载后测点布设 图2 系统的软件操作界面（修改）
观测方法，使用西安交通大学研发的三维点测量系统（XJTUDP）进行地表和岩层的移动观测，XJTUDP系统是工业非接触式的光学三坐标测量系统[4]，也称为数字工业近境摄影测量系统，可以精确地获得离散的目标点三维坐标，这是一种便携式、移动式的三坐标光学测量系统，可以用于静态变形分析实时测量。数据处理过程如图2所示。
3模拟结果分析
首先对模型从一端开始向前推进，模拟半无限开采，每个固定时间监测地表下沉，当地表下沉速度达到1.67mm/d起至六个月内累计下沉不超过30mm，开始加载建筑并进行持续观测。
（1）加载后地表下沉曲线
图3加载后不同观测时间地表下沉曲线 图4不同位置建筑物点随时间下沉曲线图
由图3可知，地表下沉稳定后，在地表边界、拐点上方和盆地位置分别加载载荷进行连续观测，地表下沉曲线在第1~6天最大下沉在12mm左右，从第7天开始，地表下沉急剧增大到256mm，之后地表下沉变化较缓慢，一直到第40天地表下沉稳定为止，此时最大下沉为283mm。
（2）建筑物点下沉曲线
见图4所示，1和2号点位于采区中心正上方，3和4号点位于开切眼正上方，5和6号点位于未开采一侧边界。从图4可以看出，盆地内的两个点在整个观测过程下沉值一直在增加，边界点先下沉后隆起，拐点位置的建筑上点下沉值先增加后减小；在1~27天加载时间内，各个点下沉量增加不大且平缓，在27~34天时间里，各点下沉值变化剧烈，之后各点处于稳定且下沉值变化不大。
（3）加载和未加载时地表特征点下沉曲线
由观测数据处理结果可知，选取的地表特征点：下沉盆内点、下沉盆地边缘、拐点附近和边界点比较可知，未加载时，下沉盆地内点（1、2号测点对应的建筑物）随时间的波动最大，在三天半时下沉急剧增大，之后又下沉变化波动比较平缓；加载后在拐点附近（3、4号测点对应的建筑物）随时间波动较大，在第7天时波动下沉急剧增大，之后的下沉变化不大且波动较小。
4 结论
（1）通过相似材料模型，直观的获得了长壁半无限开采从初始开采至地表稳定整个地表的下沉过程。
（2）三维光学点测量系统用于观测地表移动具有操作方便，观测间隔短，获取点位精度较高的特点，为获取地表和建筑物上点的下沉提供保障。
（3）未加载时，盆地内点的下沉值随时间变化较大；加载后，处于拐点位置的建筑物受到的影响最大。
参考文献:
[1]何国清，杨伦，凌赓娣等. 矿山开采沉陷学 [M ]. 徐州：中国矿业大学出版社， 1991.
[2]张宏贞，邓喀中，谭志祥. 老采空区残余移动变形分区研究[J]. 矿山压力与顶板管理， 2005. No2： 32-35.
[3]陈冉丽，吴侃. 相似材料模型观测新技术[J]. 矿山测量， 2011.12：84-87.
[4]陈冉丽,吴侃, 谢艾伶. 工业测量系统在相似材料模型观测中的应用研究[J]. 测绘通报，2009 (增 )：147-151.
作者简介：张宏梅（1982.2--），女，内蒙古赤峰市，2006.7毕业于中国矿业大学(徐州) ，
单位：徐州市吉达地理空间信息技术开发中心，从事测量与地表沉陷控制研究。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。