開(kāi)采沉陷若干理論與技術(shù)問(wèn)題研究進(jìn)展

1、開(kāi)采沉陷若干理論與技術(shù)問(wèn)題研究進(jìn)展1.引言開(kāi)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(mén)研究地下有用礦物開(kāi)采引起地表和巖層移動(dòng)變形現(xiàn)象及其相關(guān)問(wèn)題的科學(xué).它是一門(mén)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(mén)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(mén)技術(shù)學(xué)科.1.1開(kāi)采沉陷研究的歷史開(kāi)采沉陷問(wèn)題的研究由來(lái)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(mén)學(xué)科,開(kāi)采沉陷學(xué)的形成于50年代,迅速

2、發(fā)展始于60年代.幾十年來(lái),開(kāi)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(lái)歸類.1.2開(kāi)采沉陷學(xué)的理論與技術(shù)體系開(kāi)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(kāi)采沉陷理論（條帶開(kāi)采理論,深部極不充分開(kāi)采理論）動(dòng)態(tài)變形理論（巖移的時(shí)間,空間過(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)采沉陷學(xué)的基本技術(shù)有:部分開(kāi)采技術(shù)（條帶法,房柱法,限厚開(kāi)采）.跳

3、采全采技術(shù),充填開(kāi)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(kāi)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(kāi)采技術(shù).開(kāi)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(guò)來(lái)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(kāi)采沉陷的應(yīng)用技術(shù)是解決實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題的直接手段,應(yīng)充分利用開(kāi)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(kāi)發(fā)新的

4、技術(shù)和方法.1.3開(kāi)采沉陷研究的發(fā)展趨勢(shì)縱觀開(kāi)采沉陷的研究過(guò)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(kāi)采幼非充分開(kāi)采,極不充分開(kāi)采.這些發(fā)展趨勢(shì).既應(yīng)證了研究過(guò)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(kāi)采沉陷理論之間的矛盾運(yùn)動(dòng).開(kāi)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(guò)程的實(shí)際需要又20

5、02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(kāi)采沉陷研究的發(fā)展2.非充分開(kāi)采地表與巖層移動(dòng)研究2.1極不充分開(kāi)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(guò)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).ts72.2極不充分開(kāi)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(kāi)采時(shí),隨開(kāi)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)

6、行近似計(jì)算.在此塞礎(chǔ)上提出了適合極不充分開(kāi)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(kāi)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(shuō)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).（3）將概率密度函數(shù)法推廣應(yīng)用到條帶開(kāi)采地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì),建立了適合條帶開(kāi)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(kāi)采地表是否出現(xiàn)波浪形下沉盆地,不僅與開(kāi)采條帶寬度有關(guān),同時(shí)與開(kāi)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(kāi)采更容易出現(xiàn)平底形下沉盆地,當(dāng)條帶煤柱寬度和開(kāi)采條帶寬度之和等于0.94r時(shí),

7、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(kāi)采的綜合開(kāi)采技術(shù)根據(jù)極不充分開(kāi)采的理論,便有建筑物下深部壓煤開(kāi)采的綜合開(kāi)采技術(shù):將建筑物下深部壓煤開(kāi)采劃分為兩個(gè)階段進(jìn)行,前期開(kāi)采和后續(xù)開(kāi)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(kāi)采一通過(guò)在各工作面之間留設(shè)間隔煤柱控制工作面的開(kāi)采程度使之為極不充分開(kāi)采,達(dá)到減少地表移動(dòng)和變形的目的.（2）后續(xù)開(kāi)采一通過(guò)協(xié)調(diào)開(kāi)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(kāi)采,稱這種開(kāi)采技術(shù)為間續(xù)開(kāi)采技術(shù).（3）前期開(kāi)

8、采與后續(xù)開(kāi)采之間要有足夠的時(shí)間間隔.（4）建筑物下深部壓煤開(kāi)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(kāi)采沉陷模型3.1基于傾角變化的開(kāi)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(kāi)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(kāi)采的地表移動(dòng)預(yù)計(jì).（1）以任一傾角煤層開(kāi)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(kāi)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,

9、通過(guò)全開(kāi)采域的積分建立基于傾角變化的開(kāi)采沉陷基本模型;（2）以0.和900煤層開(kāi)采最大下沉與開(kāi)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:（3）由于預(yù)計(jì)模型把傾角因素置于建模過(guò)程中,使得矢量預(yù)計(jì)法得以引入與開(kāi)采空間幾何要素（傾角,尺寸）無(wú)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(kāi)采沉陷形態(tài)的能力:（4）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

10、地表非連續(xù)變形的機(jī)理與計(jì)算方法通過(guò)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(kāi)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(kāi)采層間弱面條件下地表非連續(xù)變形的計(jì)算方法.（1）成功地進(jìn)行了急傾斜煤層（a=600）開(kāi)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:（2）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;（3）

11、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(kāi)采地表非連續(xù)變形的計(jì)算方法和步驟閉.（1）利用任意分布形式煤層開(kāi)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.（2）該方法的理論基礎(chǔ)是隨機(jī)介質(zhì)理論,解決問(wèn)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(kāi)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.（4）預(yù)計(jì)參數(shù)與曲面分布煤層開(kāi)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

12、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(guò)程,無(wú)疑是開(kāi)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(guò)理論分析和試驗(yàn)研究來(lái)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(kāi)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

13、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(kāi)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(guò)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(kāi)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:（1）地下連續(xù)大面積開(kāi)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(kāi)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

14、常見(jiàn)的有23種,每種托板模式的力學(xué)變形機(jī)制各不相同.（3）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(wú)以及固支邊的多少和位置有關(guān).（4）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(lái)壓的主要誘導(dǎo)因素;自由邊破斷則是回采過(guò)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m5.結(jié)語(yǔ)（1）揭示了極不充分開(kāi)采地表移動(dòng)的基本特征;建立了極不充分開(kāi)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(kāi)采的理論:提出了建筑物下深部壓煤開(kāi)采的綜合開(kāi)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(kāi)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(kāi)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