1.引言 開采沉陷學(xué)是礦業(yè)工程中的一個(gè)傳統(tǒng)的學(xué)科分支,它是一門研究地下有用礦物開采引起地表和巖層移動(dòng)變形現(xiàn)象及其相關(guān)問題的科學(xué).它是一門交叉學(xué)科,涉及采礦學(xué),地質(zhì)學(xué),測(cè)I學(xué),巖石力學(xué),統(tǒng)計(jì)學(xué),計(jì)算機(jī)科學(xué)等諸多學(xué)科門類.其特點(diǎn)是:理論內(nèi)涵豐富,實(shí)用性強(qiáng),直接為生產(chǎn)服務(wù),又是一門技術(shù)學(xué)科. 1.1開采沉陷研究的歷史 　　開采沉陷問題的研究由來己久,早在十九世紀(jì)末,人們就已注意到采礦引起的扭巖移動(dòng)與破壞以及由此造成的井巷和地面建筑物的損害現(xiàn)象,二十世紀(jì)30年代,在一些采煤先進(jìn)國(guó)家如前蘇聯(lián),波蘭,己把巖層與地表移動(dòng)作為一項(xiàng)研究工作.作為一門學(xué)科,開采沉陷學(xué)的形成于50年代,迅速發(fā)展始于60年代.幾十年來,開采沉陷研究取得了豐碩的成果.這些成果可以從其理論體系和應(yīng)用技術(shù)兩個(gè)方面來歸類. 1.2開采沉陷學(xué)的理論與技術(shù)體系 開采沉陷學(xué)荃本的理論體系是: 巖層移動(dòng)"三帶"理論 隨機(jī)介質(zhì)理論（概率積分法） 非充分開采沉陷理論（條帶開采理論,深部極不充分開采理論） 動(dòng)態(tài)變形理論（巖移的時(shí)間,空間過程） 巖層層狀效應(yīng)理論〔托板理論,控制層理論,層面效應(yīng)）開采影響傳播特性,厚沖積層效應(yīng),這是巖層移動(dòng)的本質(zhì)和墓礎(chǔ)的理論. 大變形理論:描述上搜巖層的移動(dòng)變形多形態(tài). 大傾角煤層開采理論（基于傾角變化的模型,急傾斜皮爾森m型公式,經(jīng)驗(yàn)公式法）. 　　開采沉陷學(xué)的基本技術(shù)有:部分開采技術(shù)（條帶法,房柱法,限厚開采）.跳采全采技術(shù), 　　充填開采技術(shù),建（構(gòu)）筑物抗變形技術(shù)（加固措施,新建抗變形房屋）和建（構(gòu)）筑物偏斜糾正技術(shù). 這些基本技術(shù)的綜合應(yīng)用便形成開采沉陷學(xué)的綜合應(yīng)用技術(shù):（1）建筑物下采煤技術(shù):（2）水體下采煤技術(shù);（3）鐵路下采煤技術(shù):（4）承壓水體上采煤技術(shù):（5）井簡(jiǎn)與工業(yè)廣場(chǎng)煤柱開采技術(shù). 開采沉陷理論是各項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)和依據(jù):應(yīng)用技術(shù)必須依托可靠的理論,技術(shù)的應(yīng)用又反過來促進(jìn)理論的發(fā)展和完善.應(yīng)用技術(shù)受到現(xiàn)有生產(chǎn)條件,經(jīng)濟(jì)條件有其他技術(shù)條件的制約. 　　技術(shù)的應(yīng)用效果應(yīng)由實(shí)踐檢驗(yàn).開采沉陷的應(yīng)用技術(shù)是解決實(shí)際生產(chǎn)問題的直接手段,應(yīng)充分利用開采沉陷新的理論和相關(guān)學(xué)科的新技術(shù),突破固有的思維定勢(shì),開發(fā)新的技術(shù)和方法. 1.3開采沉陷研究的發(fā)展趨勢(shì) 縱觀開采沉陷的研究過程,可概括為如下的發(fā)展趨勢(shì): （1）水平煤層和緩傾斜二傾斜和急傾斜; （2）主斷面璐全盆地; （3）簡(jiǎn)單地質(zhì)采礦條件沖復(fù)雜地質(zhì)采礦條件; （4）靜態(tài)移動(dòng)變形二動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形: （5）按傾角級(jí)別分別建模沖建立基于傾角變化的統(tǒng)一模型: （6）連續(xù)變形勸非連續(xù)變形: （7）充分開采幼非充分開采,極不充分開采. 　　這些發(fā)展趨勢(shì).既應(yīng)證了研究過程由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的一般規(guī)律:同時(shí)也反映了生產(chǎn)實(shí)際對(duì)采礦技術(shù)的要求與相對(duì)落后的開采沉陷理論之間的矛盾運(yùn)動(dòng).開采沉陷領(lǐng)域的每一項(xiàng)新的研究成果都是對(duì)其理論體系的完善和補(bǔ)充,對(duì)實(shí)際工作的指導(dǎo)意義也將更進(jìn)一步;而生產(chǎn)過程的實(shí)際需要又2002年第六屆全國(guó)礦山側(cè)f學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集147推動(dòng)了開采沉陷研究的發(fā)展 　　理論研究往往以生產(chǎn)需要為指針.生產(chǎn)需要是理論研究的原動(dòng)力.開采沉陷理論研究必須緊密聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際,立足現(xiàn)實(shí)的條件,進(jìn)行新的理論探索和技術(shù)創(chuàng)新;而不能脫離實(shí)際,單純?nèi)プ非蠹兝碚摰臇|西.理論研究應(yīng)該面向生產(chǎn),為生產(chǎn)服務(wù),解決實(shí)際問題,這是作者多年科研工作的體會(huì).下面介紹的內(nèi)容,是近年來的一些研究成果,它們包括極不充分開采地表移動(dòng)預(yù)計(jì)方法,基于傾角變化的開采沉陷模型,巖層移動(dòng)托板理論,這些多是現(xiàn)場(chǎng)急需解決而又長(zhǎng)期未獲解決的難點(diǎn)問題. 2.非充分開采地表與巖層移動(dòng)研究 　　開采的充分性,是巖層移動(dòng)研究的重要方面.許多采動(dòng)影晌問題都與開采的充分性有關(guān).所謂充分開采是指這樣一種開采沉陷狀態(tài):在一定的開采條件下,當(dāng)開采工作面推進(jìn)到足夠的尺寸時(shí),地表的最大下沉值不再隨工作面的推進(jìn)而增加;反之,如果地表的最大下沉值仍然隨工作面的推進(jìn)而增加,則此種開采沉陷狀態(tài)為非充分開采.開采的充分性涉及很多因素,如采空區(qū)的幾何尺寸,開采深度,覆巖巖性,開采方法.另外還涉及煤巖層的傾角,大傾角煤層開采,受采空區(qū)豎直分量的影響,常常不存在充分開采的狀態(tài),以下的討論只考小傾角的情況. 　　非充分開采問題較為普遍,如單一窄工作面開采,大采深煤層開采,條帶開采,急傾斜煤層開采等,均屬非充分開采.而大采深條件下的極不充分開采問題猶為突出.極不充分開采是非充分開采的一種特例,它是一種充分度極小的非充分開采.常用的概率積分法是以充分開采為前提的預(yù)計(jì)方法,對(duì)于非充分采動(dòng)情況,應(yīng)用上采用調(diào)整參數(shù)的辦法進(jìn)行修正,實(shí)際中存在較大偏差,對(duì)于極不充分開采情況,概率積分法更加不適用,預(yù)計(jì)誤差很大.因此,有必要分析研究極不充分開采條件下的沉陷問題. 2.1極不充分開采地表移動(dòng)的荃本特征 （1）在采動(dòng)程度較小的情況下,地表的最大下沉值很小,一般小于充分采動(dòng)時(shí)地表最大下沉的十分之一:當(dāng)采動(dòng)程度超過某一臨界值時(shí),地表的最大下沉急劇增大,采動(dòng)程度的這一臨界值稱為臨界采動(dòng)程度系數(shù). （2）對(duì)于中硬巖層,臨界采動(dòng)程度系數(shù)大約為1/3.小于臨界采動(dòng)程度系數(shù)的采動(dòng)稱為極不充分采動(dòng). （3）當(dāng)?shù)乇淼牟蓜?dòng)程度系數(shù)大于臨界采動(dòng)程度系數(shù).地表達(dá)到非充分采動(dòng)時(shí),地表的最大下沉值可能是極不充分采動(dòng)條件下地表最大下沉值的數(shù)倍.當(dāng)?shù)乇淼牟蓜?dòng)程度由非充分采動(dòng)逐漸增加到充分采動(dòng)時(shí).地表的下沉值隨采動(dòng)程度的增加而逐漸增加.與地表由極不充分采動(dòng)到非充分采動(dòng)下沉增量相比,地表由非充分采動(dòng)到充分采動(dòng)下沉增A要平緩的多ts7 2.2極不充分開采的地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)方法——一概率密度函數(shù)法 （1）分析了離散介質(zhì)碎塊體移動(dòng)概率分布,認(rèn)為有限開采時(shí),隨開采深度的增加碎塊體移動(dòng)概率可應(yīng)用正態(tài)分布的概率密度函數(shù)進(jìn)行近似計(jì)算.在此塞礎(chǔ)上提出了適合極不充分開采的地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)方法——一概率密度函數(shù)法.建立了極不充分開采地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)公式,預(yù)計(jì)結(jié)果與實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比,說明概率密度函數(shù)法適合于極不充分采動(dòng)地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì). （2）根據(jù)概率密度函數(shù)法分析,極不充分開采時(shí),下沉盆地的拐點(diǎn)出現(xiàn)在距地表最大下沉點(diǎn)0. 4r處,拐點(diǎn)處地表的下沉值為最大下沉值的0.6倍.地表的最大拉伸變形發(fā)生在距最大下沉點(diǎn)的0. 7r處,最大壓縮變形發(fā)生在采空區(qū)中央最大下沉點(diǎn)處,極不充分采動(dòng)時(shí)最大壓縮變形約為最大拉伸變形的2.2倍. （3）將概率密度函數(shù)法推廣應(yīng)用到條帶開采地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì),建立了適合條帶開采地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)的公式,并與實(shí)測(cè)資料進(jìn)行了對(duì)比,取得了令人滿意的效果. （4）根據(jù)概率密度函數(shù)法分析,條帶開采地表是否出現(xiàn)波浪形下沉盆地,不僅與開采條帶寬度有關(guān),同時(shí)與開采條帶寬度和條帶煤柱寬度是否協(xié)調(diào)有關(guān). （5）與全采相比,條帶開采更容易出現(xiàn)平底形下沉盆地,當(dāng)條帶煤柱寬度和開采條帶寬度之和等于0. 94r時(shí),地表將出現(xiàn)比較平緩的平底下沉盆地;當(dāng)兩者之和等于0. 8r時(shí),下沉盆地中央出現(xiàn)傾斜變形為零的區(qū)域;當(dāng)兩者之和等于0. 7r時(shí),地表下沉盆地中央出現(xiàn)水平變形為零的區(qū)域 2.3建筑物下深部壓煤開采的綜合開采技術(shù) 根據(jù)極不充分開采的理論,便有建筑物下深部壓煤開采的綜合開采技術(shù):將建筑物下深部壓煤開采劃分為兩個(gè)階段進(jìn)行,前期開采和后續(xù)開采. 2002年第六屆全國(guó)礦山測(cè)童學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集 （1）前期開采——一通過在各工作面之間留設(shè)間隔煤柱控制工作面的開采程度使之為極不充分開采,達(dá)到減少地表移動(dòng)和變形的目的. （2）后續(xù)開采——一通過協(xié)調(diào)開采技術(shù)或配合其它采礦措施實(shí)現(xiàn)對(duì)間隔煤柱的開采,稱這種開采技術(shù)為間續(xù)開采技術(shù). （3）前期開采與后續(xù)開采之間要有足夠的時(shí)間間隔. （4）建筑物下深部壓煤開采除采取必要的采礦措施外,還應(yīng)配合地面建筑物加固,維修等技術(shù)措施閣. 3.基于傾角變化的開采沉陷模型 　　大傾角煤層開采地表移動(dòng)預(yù)計(jì),是開采沉陷學(xué)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外尚未很好解決的難點(diǎn)問題.它不僅涉及連續(xù)的移動(dòng)變形,而且還涉及結(jié)構(gòu)面處的非連續(xù)變形問題.而概率積分法則是基于水平煤層開采的模型方法,原理上不能適應(yīng)大傾角煤層的開采問題.以往的做法主要是:在傳統(tǒng)的預(yù)計(jì)方法基礎(chǔ)上,通過修改模型使其對(duì)大傾角具有一定的適應(yīng)性:或者根據(jù)實(shí)測(cè)資料建立大傾角煤層開采的剖面函數(shù).這些模型未能突破傳統(tǒng)方法以水乎煤層為出發(fā)點(diǎn)的建模思想,引入?yún)?shù)的意義不甚明確且離散性大,推廣應(yīng)用性不強(qiáng).關(guān)于非連續(xù)變形問題國(guó)內(nèi)外更是少有研究.針對(duì)上述問題,我們進(jìn)行了以下兩個(gè)方面的研究工作: 3. 1基于傾角變化的開采沉陷建模 　　提出基于傾角變化的建模思想,視大傾角為閉區(qū)間（..,900〕上的一個(gè)子域,建立了適應(yīng)于各級(jí)別傾角開采沉陷的統(tǒng)一模型和預(yù)計(jì)方法一矢量預(yù)計(jì)法.矢量法不僅適應(yīng)于大傾角而且也可用于小傾角煤層開采的地表移動(dòng)預(yù)計(jì). 　?。?）以任一傾角煤層開采為建模出發(fā)點(diǎn),視傾斜面積微元為可按空間等量原則進(jìn)行投影分解的微元矢量,依據(jù)隨機(jī)介質(zhì)理論分別建立水平分量和豎直分量的開采影響函數(shù),按疊加原理并考慮采動(dòng)層面效應(yīng)構(gòu)建傾斜面積微元的單元移動(dòng)盆地,通過全開采域的積分建立基于傾角變化的開采沉陷基本模型; 　　（2）以0.和900煤層開采最大下沉與開采空間的關(guān)系為基礎(chǔ),推證和建立了基于傾角變化的地表最大下沉值計(jì)算公式,把最大下沉值計(jì)算統(tǒng)一于一個(gè)既滿足邊界條件又具有普遍性的公共模型: 　?。?）由于預(yù)計(jì)模型把傾角因素置于建模過程中,使得矢量預(yù)計(jì)法得以引入與開采空間幾何要素（傾角,尺寸）無關(guān)而只綜合反映上覆巖層巖性的巖層移動(dòng)參數(shù),從而增強(qiáng)了參數(shù)的可借鑒性和它對(duì)于預(yù)計(jì)模型反映開采沉陷形態(tài)的能力: 　?。?）在計(jì)算邊界的確定方面,由工作面角點(diǎn)的采深與拐偏性,按工作面角點(diǎn)或按邊確定計(jì)算計(jì)算邊界,為處理任意形狀工作面與其周邊采動(dòng)性的關(guān)系提供了便利方法 　　3.2層間弱面條件下地表非連續(xù)變形的機(jī)理與計(jì)算方法通過相似材料模型實(shí)驗(yàn),數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法,揭示了大傾角煤層開采巖層移動(dòng)規(guī)律和地表非連續(xù)變形的機(jī)理;建立了急傾斜煤層開采層間弱面條件下地表非連續(xù)變形的計(jì)算方法. 　?。?）成功地進(jìn)行了急傾斜煤層（a=600）開采的相似材料模型實(shí)驗(yàn),在實(shí)驗(yàn)和有限元分析基礎(chǔ)上,揭示了巖層以層梁沿巖層法向移動(dòng)形成喇叭形的垮落斷裂帶的巖移形式和傳遞方式,揭示了采動(dòng)應(yīng)力因介質(zhì)巖性的差別而在弱面間大量釋放使弱面兩側(cè)巖層發(fā)生程度不同的彎曲和相對(duì)移動(dòng)的非連續(xù)變形機(jī)理: 　?。?）分析了地表非連續(xù)變形與采礦條件和弱面因素之間的影響關(guān)系及非連續(xù)變形發(fā)生的條件:確定了非連續(xù)變形的主要影響因素及其影響方式; 　?。?）提出了地表非連續(xù)變形的度量方法.建立了急傾斜煤層開采地表非連續(xù)變形的計(jì)算方法和步驟閉. 　　3.3曲面分布形式煤層開采地表移動(dòng)預(yù)計(jì)方法這是一種以概率積分法物理模型為基礎(chǔ)的任意分布形式煤層開采地表移動(dòng)預(yù)計(jì)方法.主要是從數(shù)學(xué)角度,將復(fù)雜的摺曲構(gòu)造煤層按軸線劃分為單斜構(gòu)造煤層后,采用曲面積分法,推導(dǎo)出了開采曲面分布煤層的地表移動(dòng)與變形值的計(jì)算公式,介紹了對(duì)任意形狀工作面的處理方法及確定積分區(qū)間的方法,取得了令人滿意的應(yīng)用效果. 　　（1）利用任意分布形式煤層開采地表移動(dòng)預(yù)計(jì)方法,可以計(jì)算各種分布形式煤層,非矩形工作面的任意地表點(diǎn)在不同方向的移動(dòng)與變形值. 　?。?）該方法的理論基礎(chǔ)是隨機(jī)介質(zhì)理論,解決問題的荃本思想易于接受,并且預(yù)計(jì)精度能夠滿足生產(chǎn)建設(shè)需要,使用方法簡(jiǎn)單. 　　（3）對(duì)于矩形工作面,水平煤層或傾斜煤層,就相當(dāng)于把積分區(qū)間,拐點(diǎn)平移距,主要影響半徑,煤層傾角及開采影響傳播角取為常數(shù),則該方法與概率積分法計(jì)算公式相同. 　?。?）預(yù)計(jì)參數(shù)與曲面分布煤層開采之間的規(guī)律性尚需進(jìn)一步研究,以提高預(yù)計(jì)輔度,2002年第六屆全國(guó)礦山測(cè)f學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集149完善地表移動(dòng)預(yù)計(jì)理論 4.巖層移動(dòng)托板理論 　　巖層移動(dòng)的本質(zhì)特征是其力學(xué)特征,從力角度研究搜巖破壞規(guī)律和巖層移動(dòng)的變化發(fā)展過程,無疑是開采沉陷學(xué)研究的基礎(chǔ)的和必要的內(nèi)容.限于巖層介質(zhì)的復(fù)雜性,力學(xué)研究尚處于定性研究的階段.我們的基本思想是,積極采用力學(xué)或其它相關(guān)的科學(xué)原理,解釋巖層移動(dòng)的諸多現(xiàn)象,為定量預(yù)測(cè)巖層與地表移動(dòng)提供依據(jù).托板理論即是視巖層控制層為力學(xué)板,通過理論分析和試驗(yàn)研究來揭示頂板破斷規(guī)律及其對(duì)巖層移動(dòng)的影響的. 　　地表沉陷常出現(xiàn)集中和聚變的現(xiàn)象,這是因?yàn)榕r中有厚而堅(jiān)硬的托板巖層,它（們）具有很強(qiáng)的抗干擾能力,非足夠大連續(xù)開采面積不能使其破斷失穩(wěn),從而處于懸空狀態(tài).它（們）一方面阻止覆巖冒落,斷裂及彎曲變形向上發(fā)展,另一方面又支撐上方直至地表的巖土層.只有當(dāng)開采范圍達(dá)到某一特定臨界尺寸時(shí),該厚硬巖層懸露面積達(dá)到極限,其彎曲變形引起的附加應(yīng)力超過其強(qiáng)度,于是垮斷失穩(wěn),導(dǎo)致其上方巖土層因失去支撐而隨之沉陷.從三維空間角度研究地下連續(xù)大面積開采時(shí)托板控制巖層的變形破壞規(guī)律,研究地表沉陷與托板破斷失穩(wěn)的本質(zhì)聯(lián)系和相關(guān)特征,基本結(jié)論是: 　?。?）地下連續(xù)大面積開采時(shí),托板巖層的穩(wěn)定性是礦壓異常,地表沉陷異常的重要影響因素.控制連續(xù)大面積采動(dòng)范圍以及預(yù)計(jì)托板破斷失穩(wěn)的臨界采動(dòng)面積,是行礦壓與沉陷主動(dòng)控制和預(yù)防的必由之路. 　　（2）煤礦開采特定的地質(zhì)采礦條件下,托板共有81種力學(xué)模式,其中較常見的有23種,每種托板模式的力學(xué)變形機(jī)制各不相同. 　?。?）不同類型力學(xué)模式的托板,其應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律差別較大,托板撓度的大小及其系數(shù)隨板面尺寸比的變化趨勢(shì)各不一樣,這主要與自由邊的有無以及固支邊的多少和位置有關(guān). 　?。?）固支邊斷裂,尤其是沿工作面一側(cè)的固支邊斷裂是工作面頂板來壓的主要誘導(dǎo)因素;自由邊破斷則是回采過程中頂板冒落加劇的重要原因:托板內(nèi)部破斷以及失穩(wěn),則是托板上覆巖層連鎖破壞和地表產(chǎn)生急劇沉陷的根本原因m 5.結(jié)語 　?。?）揭示了極不充分開采地表移動(dòng)的基本特征;建立了極不充分開采的地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)方法-一概率密度函數(shù)法,根據(jù)極不充分開采的理論:提出了建筑物下深部壓煤開采的綜合開采技術(shù),取得了良好的應(yīng)用效果.建立了基于傾角變化的開采沉陷新的模型和方法一矢量預(yù)計(jì)方法,為大傾角煤層開采地表與巖層移動(dòng)提供了新的理論方法:揭示了大傾角條件下弱面露頭處非連續(xù)變形的力學(xué)機(jī)理:建立了地表非連續(xù)變形的計(jì)算方法. 　　研究揭示了地表沉陷與托板破斷失穩(wěn)的本質(zhì)聯(lián)系和相關(guān)特征;認(rèn)為連續(xù)大面積采動(dòng)引起巖層托板內(nèi)部破斷以及失穩(wěn),是托板上覆巖層連鎖破壞和地表產(chǎn)生急劇沉陷的根本原因. 　　礦業(yè)的發(fā)展及其對(duì)環(huán)境的影響越來越深刻,這必然對(duì)開采沉陷研究提出新的要求;開采沉陷學(xué)的發(fā)展應(yīng)立足于創(chuàng)新,面向生產(chǎn)實(shí)際,開發(fā)出新的技術(shù)方法,建立起新的理論體系.開采沉陷學(xué)應(yīng)用前景十分廣闊,現(xiàn)實(shí)的要求預(yù)示著,開采沉陷學(xué)在理論和技術(shù)上必將有更大的發(fā)展.