覆岩移动规律与采空区时空关系

抽象

研究和准确预测覆岩移动和地表沉陷是金属矿山安全生产的关键。利用岩石破坏过程分析（RFPA）系统，研究了覆岩运动规律与采空区时空的关系。研究了采空区体积一定时，覆岩在不同位置的运动、变形和破坏规律，以及覆岩的破坏行为。对比分析了上覆岩层的异同。结果表明，无论上覆岩体的移动范围或沉降量大小，均与工作面推进呈幂函数关系。建立方程表明，当顶板与工作面一定位置距离之比较小时，上覆岩体范围显著。研究结果为控制上覆岩体位移和处理采空区提供了参考。

1.简介

地下开采和隧道开挖破坏了围岩的三维应力平衡[1个,2个]，很容易引起覆盖层移动、地面沉降甚至崩塌[三]。工地坍塌会严重威胁安全生产，并对地面建筑物和环境造成不利影响[4个]. 目前，覆岩运动理论主要包括“三带”理论、关键层理论、板块理论和砌体梁理论[5个,6个]. 主要方法有概率积分、数值模拟、相似模型、随机介质、神经网络预测等[7个–9个]。在煤层移动许多研究与应用满意可用[10个,11个]. 破碎块状岩体金属矿山开采沉陷机理不同于层状岩体煤矿。摘要由于金属矿山的矿体形态、地质构造、采矿方法与煤矿不同，金属矿山的岩体具有典型的不均匀、不连续的自应力块状递阶结构[德意志北方银行,13个]。在金属矿山覆盖地层的沉降是突然的，和它的下陷，如塌陷坑和管状或漏斗塌陷，是不连续的。然而，煤矿塌陷变化相当缓慢[14个,15个]. 因此，将煤层运动理论应用于金属矿山是不合适的。因此，研究金属矿山覆岩运动机理至关重要。

目前，国内外学者从不同角度对覆岩运动进行了大量的理论和经验研究，取得了一定的成果[16个–20个]。然而，根据覆岩运动规律所挖掘的腔容积的时间空间的研究是有限的。在某些文献的基础上[21岁]利用岩体破坏过程分析软件RFPA对金属矿山覆岩稳定性进行了系统的数值模拟分析[22个,23个]。从定量分析的角度，金属矿山岩层移动的特性进行了研究，并获得覆岩体运动和goaves的不同位置上的工作面之间推进式。这个公式提供了计算上覆岩体运动的新方法。

2。模型建立及参数设置

基于实际工程[21岁], a gold metal mining has a background of a 500 m ore body depth, a dip near the horizontal, an ore body thickness near 5 m, and a 90 m ore body length. The region is mainly composed of silty clay and detritus. The overlaying strata contain few crush zones. The occurrence is steady, and the structure is simple, that is, its roof comprises sandy clay and shale with few mudstones, and the bottom consists of sandy clay and shale. This study investigates the failure process of an overlying rock mass by using a plane strain model. The calculation model is located 150 m along the horizontal direction, 150 m in the vertical direction, has a 5 m ore body thickness, an ore body that is 35 m from the lower boundary, and 30 m far from the left and right boundaries. The model is illustrated in Figures1个和2个. 考虑了垂直方向的重力应力函数和模型尺寸。因此，必须在垂直方向上施加7 MPa的应力。根据实测地应力资料，结合矿井地质特征和构造应力，在水平方向施加2 MPa应力。随机分配模型参数，取弹性模量平均，根据岩石力学性质设置其他物理参数，准确模拟金属矿山地质赋存条件的复杂性。参数如表所示1个和2个。采用分步开挖模型，研究了采矿过程条件下上覆岩体的动态破坏规律，每一步为10 m。

3.结果覆岩破坏分析

采空区顶板在工作面推进到50米之前会产生微裂缝和零星崩落。工作面推进至50m时，顶板上出现明显的微裂缝、扩展和部分散在垮塌，长度为5 m，呈拱形。结果如图所示三和4个. 随着采出量的增加，破裂继续扩大并导致周期性崩落。开采结束后，上覆岩体不再崩塌，仅在顶板上方出现零星崩落。覆盖层岩石内部出现的裂缝并没有继续其连接，从而表明覆盖层岩石内部不存在大的塌陷区，但塑性区继续扩大。

本节通过定量分析研究了不同位置的地层位移和变形。通过对上覆岩层5、10、20、30、50、80 m处不同位置的监测，研究了上覆岩体不同位置采动破坏过程中的位移和变形。考虑到矿体走向、开采长度和平均开采深度的比例关系，研究了非完全开采条件下金属矿山覆岩运动与破坏规律。

数字图5（a）阐述了覆岩离顶板5 m时位移变化与工作面超前的关系。结果表明，随着工作面长度的增加，工作区域的范围增大。距顶板5 m处的岩体沉降范围逐渐增大。上覆岩体的沉降过程在工作面推进到40m前逐渐发生变化。上覆岩体位移小。因此，发生了轻微的突变，表明岩石材料中发生了少量的断裂，并且由于岩石材料分子本身体积的变化，上覆岩石位移的变化是有限的。数字图5（a）研究还表明，工作面推进到10 m时，最大下沉量为2.17 mm，下沉范围为20 mm，最大下沉量为12.03 mm，当工作面推进到30 m时，下沉范围约为20 mm，表明上覆岩体未发生大的破坏和贯通。当工作面推进到40和50 m时，沉降曲线呈突变趋势，尤其是当工作面推进到50 m时，沉降曲线出现“尖点”，最大沉降达到34.32 mm。结果表明，覆岩材料本身具有大量的分子损伤。此外，裂纹的合并和相互作用也可能诱发突变。工作面沉降曲线在60～90 m之间中断，表明塌陷发生在距顶板5 m处。随着工作面推进，沉降范围增大。总体而言，上覆岩层的大幅度沉降和突变是由上覆岩体内部的裂隙和聚结引起的。

数字5（b）depicts the relationship between displacement change with a 10 m distance from the roof in the overlaying strata and the working face advancement. The range value of subsidence in the 5 m overlying distance from the roof increases with the advancement in the working face. When the working face advances to 50 m, the subsidence curve is gradual, thus implying that the overlying rock has not resulted in a hole-through crack, and the failure and movement of the rock material produce a large displacement. This phenomenon denotes that no collapse occurs in the overlaying strata. The subsidence curve is interrupted when the working face advances from 60 m to 90 m, thereby signifying an occurrence of a collapse. However, the interval of interruptions is smaller than that demonstrated Figure图5（a）. 当工作面推进到60 m时，放顶煤长度分别为10和20 m，与顶板的距离分别为10和5 m。工作面推进到90 m时，放顶煤长度分别为11和22 mm，距顶板10和5 mm。10 m处的地层沉降小于5 m处的地层沉降。

数字5（c）结果表明，距顶板20 m的上覆岩体沉降范围和沉降值随工作面推进而增大。地层沉降曲线逐渐发生变化。因此，在工作面推进到80m之前，岩石覆盖层内部材料不会产生大的断裂和崩落。在工作面推进到90m之前，下沉曲线是连续的。此外，还产生了一条折线，说明岩石覆盖层内部物质断裂和小位移寿命不足以发生断裂和崩落。此时，最大沉降值达到62.82 mm，为崩落区临界点。

数字5（天）显示覆岩顶板距顶板30 m位移变化与工作面超前的关系。随着工作面推进，距顶板50m处覆岩的沉降范围和沉降值逐渐增大。沉降曲线虽然整体上是连续的，但比距顶板20 m处的曲线更加光滑。这一发现表明上覆岩体没有微裂隙，但损伤内部仍有少量物质存在，局部影响其下沉位移。此时最大沉降量为58.83 mm。

数字5（e）presents the relationship between the displacement change with a 50 m distance from the roof in the overlaying strata and the working face advancement. With the advancement in the working face, the range and value of subsidence with a 50 m distance from the roof in the overlying rock mass gradually increase. Figure5（e）also illustrates that the subsidence curve of the overburden rock is smooth, thereby indicating no large fissure zone in the overlying rock at 50 m from the top of the roof from the beginning to the end of ore body mining. Moreover, the fracture is only found inside the material, thereby denoting that the area belongs to the plastic zone. The acoustic emission and overburden rock burst figure in this region do not exhibit a large rupture, and an acoustic emission gathers nucleation. In the end, the ore body mining subsidence is 53.46 mm.

数字5（华氏度）demonstrates that the subsidence curve is linear 80 m away from the roof before the working face advances to 80 m, thereby implying that this area is elastic. A minimal acoustic emission signal indicates the occurrence of a slight rupture inside the rock material. The subsidence curve has a downward bending trend, thus indicating that several material molecules have been destroyed at this time. The overlaying strata can produce a small displacement and a maximum subsidence value of 48.71 mm, which denotes a plastic region.

上述图描绘覆岩破坏和位移的通过纵向和横向比较下列法律。

因此，在上覆岩层的一定位置上，可以分析得出如下结论：上覆岩体的沉降值和移动范围随工作面推进而逐渐增大。最大下沉顶点曲线逐渐向工作面推进方向移动。

此外，我们可以分析并得出以下结论，当工作面推进是肯定的：上覆岩体与下降到屋顶的增加距离的下沉值和移动范围。在沉降曲线顶点的斜率变化反映沉降值的变化以一定的定位的速率。沉降值和变化率是大的，当斜率变化也相当可观。在曲线中断反映崩溃在这一领域发生。断裂带的水平距离指示崩落区域的大小。在相同的工作面长度的情况下，中断的高水平距离表示该料滴屋顶附近，塌陷面积大。

四。功能构建与探讨

数字6个揭示了上覆岩层不同位置的沉降值与工作面长度的比值关系，探讨了不同上覆岩体位置的沉降与移动范围的关系。根据不同条件下的拟合曲线，建立了上覆岩层不同位置的工作面距离和沉降模型。不同位置沉降与上覆岩层的幂函数关系明显。幂函数可以表示为 。参数如表所示三。

因此，最终的曲线方程可以表示为 。

从屋顶到覆岩和工作面前进位置距离的一小比例通过分析在图的曲线和方程表示一个大的沉降7个. 当比值趋于0时，沉降趋于无穷大。结果与实际监测数据吻合。塌陷不会产生数据，最终沉降量也无法监测。从某一位置到采空区顶板的距离与工作面推进的比值大，意味着距顶板有相当大的距离或采空区体积小，上覆岩层下沉小。上覆岩层到达无限远或不是采空区时不移动。

数字八和9个显示上覆岩层移动范围与工作面推进的关系。这种关系类似于地层沉降规律。通过数据分析，观察到这些因素之间的幂函数关系。方程可以表示为 。参数如表所示4个。

因此，最终的曲线方程可以表示为 。

结果表明，当位置距离屋顶工作面的比率小，则岩层移动的范围是广泛的。特别是，上覆岩体是接近屋顶或比较大的采空区体积可以在很大程度上影响岩层移动。地层移动的范围是小的时候到屋顶的距离的和之比的工作面是大的。当达到无穷大或不采空区，上覆岩石不动。

五，结论

在覆岩中的某一位置，覆岩的沉降值和移动范围随工作面推进而逐渐增大（采空区体积逐渐增大）。曲线的最大沉降顶点逐渐向工作面推进方向移动。（一）当工作面推进一定时，随着距顶板距离监测的增加，移动范围和沉降值减小。沉降曲线断点反映了该地区的塌陷。断裂带的水平距离指示崩落区域的大小。在工作面长度相同的情况下，顶板距离越高，顶板越密，说明塌陷区越大（二）不管覆岩的下陷或移动范围，全部下陷或移动范围和工作面推进执行幂函数关系（ ）。上覆岩层下沉与工作面推进满足如下幂函数关系： 。上覆岩层移动范围与工作面推进满足如下幂函数关系： （三）当距顶板位置距离与工作面推进比较小时，岩层移动范围较大。当顶板与工作面位置距离比较大时，岩层移动范围较小。当采空区无限大或达不到采空区时，覆岩不移动

数据可用性

用来支持这项研究的结果的测试数据包括在项目之内。读者可以得到数据支持从测试数据表中的研究成果论文。

利益冲突

在提交本手稿的兴趣出口的任何冲突，手稿是由所有作者出版的批准。我谨代表我的合着者声明所描述的工作是以前尚未发表的原创性研究，并没有考虑其他地方出版，全部或部分转载。列出的所有作者都批准了被包围在手稿。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（51764013）资助，江西省科技厅科技支撑计划项目（20161BBG70075、20143ACG70010）资助，江西省教育厅科技攻关项目（批准号：GJJ160592）、大学生创新创业培训项目（批准号：XS2018-S012）。衷心感谢曹帅博士对本手稿的技术指导。

工具书类

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