第一章绪论
1.1研究背景
由于煤炭资源的大量开采，在一些老能源基地造成了大规模、大范围的采空塌陷区，尤其是中西部地区，随着能源需求量的不断扩大和开采强度的不断加大，煤矿开采不断向深部延伸，与传统的浅部幵采所导致的采空区沉陷问题相比，深部开采所产生采空区沉陷问题有如下特点，深部开采条件下岩石处于高温高压的特殊环境，地应力、构造应力急剧增加，使得巷道及工作面围岩地质环境恶化、事故发生几率增加，由此引发的的上覆岩层及地表移动与变形给地面生产生活带来了极大的威胁，其造成的工程灾害的表现形式和频度明显不同于浅部，其上覆岩层的破坏更具有突发性和不可预见性，地表移动及变形范围更广。上覆岩层冒落、断裂和弯曲，波及地表，使岩体力学特性降低，改变了岩体的原岩应力，造成采空区上覆岩层及地表的塌陷、沉降、移动、变形，导致建筑地基的承载能力的下降，而这些不良地质作用在多大程度上影响地面建筑地基安全稳定性问题有待于我们进一步的研究。
本课题所研究问题就是山西北部河东煤田某地大埋深开采对地表移动变形及电力工程地基安全稳定性的影响，深部开采对地表的影响已经给电力设施的规—划、选址、建设造成了很大的影响，成为电力工程建设中不可忽略的制约因素。自建国以来，山西省作为产煤基地一直是国内最大的产煤省份，也是采空区地表地质灾害最频繁的重灾区。
据有关政府部门统计，自建国以来，仅山西9大国有矿务局的10大矿区，共开发生产煤炭120多亿吨，共形成了2万多平方公里的煤层开采采空区，相当于山西国土面积的八分之一，给山西省的经济建设、人民的生产生活带来极大地威胁。在山西，随着国家煤电一体化建设进程的加快实施，一些电力设施（如电厂、变电站、铁塔、送电线路等）不得不建立在采空区上方地带或者是涉及到的"三下采煤"，对于老采空区，在建筑物荷载的作用下，有可能使原本处于相对稳定状态的冒落带掩体重新"活化"，造成采空区再次塌陷并导致地表塌陷、沉降、移动和变形，进而导致电力设施沉降、局部开裂、倾斜、甚至倒塌，这一问题已经得到重视，并且取得了一些研究成果。然而这些研究成果主要针对目前煤层埋深不超过500m的浅部开采。随着采煤活动不断向深部延伸，开采煤层深度超过500m、甚至超过1000m釆空区塌陷区已经或者即将出现，所以研究深部开采引起的地表移动及变形对电力设施的影响无论从理论上、技术上，还是经济上都具有重要意义。虽然，深部及超深部煤层开采对地表的移动及变形影响较小，但并不表示在其上部进行电力工程建设是绝对安全的，仍然需要对其采动沉陷规律、地表稳定时间及影响因素等问题进行调查和研究，才能给工程建设提供合理的建议，但是目前有关深部及超深部煤炭开发对上覆岩体及地表变形破坏规律的研究领域，在国内外基本上处于空白，可借鉴和参考的资料十分匮乏。因此，开展埋深SOOm的采空区上覆岩层及地表移动变形规律的研究，分析其地表移动及变形稳定时间，确定地表移动及变形危险区、较危险区、稳定区及安全区的范围，对于其上部进行的电力工程建设有重要的指导意义和参考价值。
1.2国内外研究的发展与现状
人们很早就注意到了开采沉陷问题给人们的生产生活带来危害性，在英国15世纪初就有关于开采沉陷损害造成的财产损失的争论和法律诉讼方面的记录。15、 16世纪时的比利时便颁布法令规定：在列日城下开采时，开采深度应大于100米。随着时间的推移，开采—沉陷理论随相关科学技术和社会生产力的发展而不断前进。
大致可分为三个发展时段：一、19世纪，人们对开采矿层地表沉陷的机理和理论的认识是伴随着采矿对建筑物和水体的破坏而进行的，如1839年比利时的"垂线理论"1882年OesteiT教授提出了自然斜面理论，1885年，法国人Fayol提出了"圆拱形理论"，及后來的二等分线理论，Hausse理论，达尔特姆特规则等。这些关于开采沉陷的理论大多以有限的地表沉陷的实测数据资料为基础，因而带有一定的片面性、经验性，可以认为是人们对于开采沉陷认识的初级阶段。
第二章大埋深煤层采动上覆岩层及地表移动变形的相似模拟研究
2.1相似材料模拟试验简述
相似理论就是阐述自然界和工程应用中各种相似现象及相似原理的理论，其理论基础是相似的三个定理，相似模拟试验是指基本结果现象相同时的模拟。这就要求模型与原型的所涉及到的所有物理量必须相同，物理本质必须一致，二者区别只是各自所'涉及到的物理量的大小比例不同。在进行模型试验模拟时要求其物理过程必须相似，即物理量相似，它一般包含以下几方面：a.几何相似;b.力学相似；C.运动学相似。相似理论的基础相似三定理如下表述：
第一定理：对相似的现象，其相似准则的数值相同。
第二定理：设一物理系统有M个物理量，其中有N个物理的量纲是相互独立的，那么这M个物理量可表示成相似准则rii, n2...rL_,，之间的函数关系。
第三定理：对于同一类的物理现象，如果单值量相似，而且由单值量所组成的相似准则在数值上相等，则现象相似。
在土木工程和采矿工程领域中，相似材料模型模拟方法的应用非常广泛。在本论文中，就是应用相似材料模拟方法来研究采空区上覆岩层及地表移动变形规律，其方法是是根据相似原理，将课题所研究的区域按照一定的几何相似比例缩小，在实验室配制相似模拟材料，制成试验模型，然后对其进行模拟开采，同时对模型的采空区上覆岩层及地表的移动变形进行监测，以总结出模型采空区上覆岩层及地表移动变形规律，待地表稳定后进行模拟加载用来研究老采空区地表建筑地基的安全稳定性。
第三章 滑坡滑带土的物理性质........................................ 29-35
3.1 滑带土的定义........................................ 29
3.2 土样采集及描述 ........................................ 29-30
3.3 滑带土的物理特性........................................ 30-34
3.4 小结 ........................................ 34-35
第四章 滑带土剪切强度特性........................................ 35-58
4.1 滑带土抗剪强度影响因素分析........................................ 35-36
4.2 滑带土常规剪切试验 ........................................ 36-45
4.3 滑带土大型直剪试验........................................ 45-55
4.4 大剪与常规直剪对比分析........................................ 55-56
4.5 小结........................................ 56-58
第五章 滑带土微观结构特征 ........................................ 58-70
5.1 滑带土微观结构测试分析方法........................................ 58-61
5.2 滑带土微观结构定性分析 ........................................ 61-62
5.3 滑带土微观结构定量分析........................................ 62-64
5.4 滑带土微结构分形研究........................................ 64-68
5.5 小结 ........................................ 68-70
结论
本文以河东煤田北部和南部的地质资料为依据，以大埋深煤层开采对地表移动及变形的影响、以及对老采空区地表电力工程的影响课题为研究背景，通过相似模拟和数值模拟实验相结合的研究手段，探讨了开采厚度、深度对采空区的地表移动及变形的影响，以及在老采空区稳定后，研究地表建筑附加荷载在采空区地表的加载位置及其大小对建筑设施地基安全稳定性的影响，现将研究的主要成果罗列如下：
(1) 在相似模拟实验中，刚开始煤层的模拟丌挖对地表影响不大，当工作面推进一段距离后，上覆岩层的移动变形才影响到地表；模型I工作面推进距离为76m时，上覆岩层移动变形才影响到地表，当工作面推进到停采线时其地表最大下沉值为52cm;模型]I工作面推进距离为98m时，上覆岩层移动变形影响到地表，当煤层开挖结束时地表最大下沉值为13cm;
(2) 纵观模型位移云图的整个断面，根据其水平位移是否向采空区中央移动可以分为三个区域：a.采空区上方岩层水平移动都指向采空区中央；b.采空区两侧一定范围内岩层水平移动方向都背离采空区指向两侧；c.采空区下方底板水平位移'指向采空区中央。
(3) 在相似材料模拟试验和数值模拟计算中都可以得出，随着开采煤层深度的增加，地表最大下沉值、最大水平变形值、最大倾斜值及最大水平变形值都随之减小，而下沉盆地的宽度却逐渐增大，且变的越来越平缓；在数值模拟计算中还可以看出随着采厚的增大，地表移动及变形值亦随之增大；