矿山开采沉陷预测发展现状综述

20世纪以来, 地下矿产资源开采进入一个迅猛发展的时代, 矿产资源开采所带来的地表沉陷及开采损害也逐渐成为一个热点课题, 呈现在大家面前。近些年, 各国矿区城市的城市规划发展出现了新难题, 一大批企业厂房、建筑群、大跨度隧道、桥梁、高速公路等急需在采空区地表建设, 而原有的地表沉陷预计理论已不能完全适应现在工程建设的需要, 因此, 新理论、新思路在该课题中的研究运用成为势在必行。

地下矿产资源开采以后, 采空区周围岩层原有平衡状态发生变化, 应力重新分布, 进而引起矿山岩体移动, 地表沉陷, 最终达到新的平衡。这类运动具有显著的随机性, 视条件不同, 其运动过程及地表沉陷结果也不同[1]。

1 开采损害

开采损害有广义和狭义两种不同的解释, 广义上的开采损害是指由于地下矿产资源的开采, 使地上、地下的建筑物及构筑物所受到的影响。而狭义的开采损害是指地表和岩层受开采影响而发生的大量变形和移动所导致的后果, 前者强调现象, 后者注重理论系统。根据采动对象、地表变形大小和性质, 开采损害形式可以分为地表沉陷损害、地面倾斜损害、地面弯曲损害、地面水平变形损害、山区地表滑移与崩坍及矿区地表水位下降六种。

在长期生活实践中, 人们积累了大量有关开采损害的经验和资料, 以它们为基础进行统计研究的过程中, 获得了可用于可行性设计的一般性规律。苏联建筑师叶尔马科夫在1939年提出了不同保护等级建筑物的地表允许变形指标。

近年来, 为了适应社会发展和人们生产生活的需要, 各国对建筑物的允许变形值都做了统一的规定。我国对砖面结构建筑物破坏等级标准也做了相应的规定。

2 我国现状

地下矿产资源的开发开采在给我们带来巨大社会经济价值的同时, 也对土地资源及建筑物、构筑物造成破坏, 影响到整个环境系统, 留下塌陷的采空区和荒芜的采矿场。根据加拿大矿产矿物公司统计显示在全世界范围内, 已有3×106 hm2的土地遭受露天采矿的破坏, 仅在我国就占有 (1.4~2.0) ×1 0 6 hm2, 除此之外, 我国的土地破坏量还以每年2.0×104 hm2的速度增加。

我国是世界上第一产煤大国, 每年因煤炭开采造成的塌陷土地有2.4万公顷, 平均每采1万吨煤炭就有0.2 km2土地坍塌, 至199 0年底, 我国已有30万公顷土地因煤炭开采而坍塌, 然而这个数据竟在近20年内被翻了一番。土地沉陷不仅影响整个环境系统, 也影响到人们正常的生产生活, 还会对人类的生命安全造成一定的损害。因此, 必须采用新思路、新方法, 提高地表沉降预测的准确性, 控制地表沉陷引起的破坏, 为社会的和谐发展提供技术支撑。

3 国内外研究概况

地表沉陷研究历史悠远, 最早可以追溯到15世纪英国和比利时的预防开采损害法。1825年对列日城地表沉陷的调查为最早可见的文献, 此文献中提出了垂线理论, 后被G onot修正, 直到杜马特 (D umont, 18 58) 提出下沉量计算公式W=m.c osα (m为煤层开采厚度;α为煤层倾角) 。

20世纪以来, 全球进入一个科学大发展的时代, 地表沉陷研究也有了突飞猛进的发展。1903年Halbaum提出了采空区上方地表应变与曲率半径成反比的结论, 此后一大批研究者也相继提出了一系列理论与假设, 这其中具有代表性的有:1909年Korten的水平变形和移动分布理论, 1913年艾卡特 (Fckardt) 的各岩层逐步弯曲理论, 1919年莱曼 (Lehmann) 的地表沉陷褶皱理论, 以及Schimizx (1923) 、Keinhost (1925) 和Bals (1932) 提出的影响函数概念[2]。

二次大战后, 地表沉陷研究趋于系统理论化。在苏联, 阿维尔辛 (1947) 提出了水平移动正比于地表倾斜的观点, 并首创下沉剖面方程, 而后, 萨乌斯托维奇在1953年运用弹性基础梁理论解释了下沉盆地边界鼓起现象。在波兰, Knothe和Budryk (1950) 利用几何原理得出了正态分布影响函数, 后被李特维尼申 (1954) 修正, 最终发展成为被广泛应用的概率积分法。在英国, Berry (1960) 和Wales (1961) 在假设采场顶底板为不接触、部分接触和完全闭合等不同情况下, 根据弹性理论推导得出了地表移动表达式。在德国, Brauner (1961) 提出了圆形积分格法计算地表移动的方法, 克劳奇 (H·K ra tz s ch, 1 9 7 8) 发表了《采动损害及其防护》。

我国地表沉陷研究起步较晚, 从20世纪60年代初才开始系统的研究工作, 但在老一辈长期实践与经验积累的过程中, 已有了长足的进步, 跻身世界之林。第一次将开率积分法全面系统的引入我国地表沉陷研究中, 是有刘宝琛教授和廖国华教授在196 5年共同出版的《煤矿地表移动的基本规律》一书, 同年, 刘天泉教授提出了急倾斜煤层开采地表沉陷的研究方法。1981年, 何国清教授、马伟民教授和王金庄教授提出了碎块体理论, 同年, 刘天泉教授等人在对地表沉陷预测深入研究的同时, 提出了沉陷计算方法。1983年, 周国铨教授提出运用负指数函数计算地表沉陷的方法。此后几年间, 也有大批科研工作者提出大量的新思路、新方法, 为我国地表沉陷预测研究做出了不可磨灭的贡献。

4 结语

煤矿地表沉陷预测研究是矿区可持续发展的重大课题。为了适应时代发展和社会进步的需要, 对地表沉陷预测的准确性要求也越来越严格, 因此在新阶段的研究中应该运用新思路、新方法, 结合实例, 形成一套系统完整的理论。

煤矿地表沉陷预测方法的发展趋势主要包括以下几个方面。

(1) 连续介质岩层向非连续介质岩层研究方向转变。

(2) 地表沉陷二维动态预计体系向三维预计体系转变。

(3) 地表沉陷静态预测研究向动态研究方向转变。

进入21世纪, 世界各国随着经济发展对煤炭资源的需求量还会不断增加, 对环境的要求也会越来越高, 地表沉陷研究将成为促进社会进步的重要因素, 因此, 该领域必将进入一个全面发展的时代。

摘要：矿山开采沉陷学是一门综合了采矿、测量、地质、建筑和力学等多个专业的边缘学科, 对于地下矿产开采引起的地表沉陷问题早已引起了学者的关注。地下矿产资源的开发开采在带给我们来巨大社会经济价值的同时, 也对土地资源、建筑物及构筑物造成破坏, 影响到整个环境系统, 留下塌陷的采空区和荒芜的采矿场, 对此国内外研究人员针对矿山开采沉陷预测都提出了自己的理论和方法。

关键词：矿山开采沉陷,沉陷预测,发展方向

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] [波]M.鲍莱茨基, M.胡戴克.矿山岩体力学[M].于振海, 刘天泉[译].北京:煤炭工业出版社, 1985.