1.引言 開采沉陷學是礦業工程中的一個傳統的學科分支,它是一門研究地下有用礦物開采引起地表和巖層移動變形現象及其相關問題的科學.它是一門交叉學科,涉及采礦學,地質學,測I學,巖石力學,統計學,計算機科學等諸多學科門類.其特點是:理論內涵豐富,實用性強,直接為生產服務,又是一門技術學科. 1.1開采沉陷研究的歷史 開采沉陷問題的研究由來己久,早在十九世紀末,人們就已注意到采礦引起的扭巖移動與破壞以及由此造成的井巷和地面建筑物的損害現象,二十世紀30年代,在一些采煤先進國家如前蘇聯,波蘭,己把巖層與地表移動作為一項研究工作.作為一門學科,開采沉陷學的形成于50年代,迅速發展始于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用技術兩個方面來歸類. 1.2開采沉陷學的理論與技術體系 開采沉陷學荃本的理論體系是: 巖層移動"三帶"理論 隨機介質理論(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) 動態變形理論(巖移的時間,空間過程) 巖層層狀效應理論〔托板理論,控制層理論,層面效應)開采影響傳播特性,厚沖積層效應,這是巖層移動的本質和墓礎的理論. 大變形理論:描述上搜巖層的移動變形多形態. 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,經驗公式法). 開采沉陷學的基本技術有:部分開采技術(條帶法,房柱法,限厚開采).跳采全采技術, 充填開采技術,建(構)筑物抗變形技術(加固措施,新建抗變形房屋)和建(構)筑物偏斜糾正技術. 這些基本技術的綜合應用便形成開采沉陷學的綜合應用技術:(1)建筑物下采煤技術:(2)水體下采煤技術;(3)鐵路下采煤技術:(4)承壓水體上采煤技術:(5)井簡與工業廣場煤柱開采技術. 開采沉陷理論是各項應用技術的基礎和依據:應用技術必須依托可靠的理論,技術的應用又反過來促進理論的發展和完善.應用技術受到現有生產條件,經濟條件有其他技術條件的制約. 技術的應用效果應由實踐檢驗.開采沉陷的應用技術是解決實際生產問題的直接手段,應充分利用開采沉陷新的理論和相關學科的新技術,突破固有的思維定勢,開發新的技術和方法. 1.3開采沉陷研究的發展趨勢 縱觀開采沉陷的研究過程,可概括為如下的發展趨勢: (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)簡單地質采礦條件沖復雜地質采礦條件; (4)靜態移動變形二動態移動變形: (5)按傾角級別分別建模沖建立基于傾角變化的統一模型: (6)連續變形勸非連續變形: (7)充分開采幼非充分開采,極不充分開采. 這些發展趨勢.既應證了研究過程由簡單到復雜的一般規律:同時也反映了生產實際對采礦技術的要求與相對落后的開采沉陷理論之間的矛盾運動.開采沉陷領域的每一項新的研究成果都是對其理論體系的完善和補充,對實際工作的指導意義也將更進一步;而生產過程的實際需要又2002年第六屆全國礦山側f學術討論會論文集147推動了開采沉陷研究的發展 理論研究往往以生產需要為指針.生產需要是理論研究的原動力.開采沉陷理論研究必須緊密聯系生產實際,立足現實的條件,進行新的理論探索和技術創新;而不能脫離實際,單純去追求純理論的東西.理論研究應該面向生產,為生產服務,解決實際問題,這是作者多年科研工作的體會.下面介紹的內容,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預計方法,基于傾角變化的開采沉陷模型,巖層移動托板理論,這些多是現場急需解決而又長期未獲解決的難點問題. 2.非充分開采地表與巖層移動研究 開采的充分性,是巖層移動研究的重要方面.許多采動影晌問題都與開采的充分性有關.所謂充分開采是指這樣一種開采沉陷狀態:在一定的開采條件下,當開采工作面推進到足夠的尺寸時,地表的最大下沉值不再隨工作面的推進而增加;反之,如果地表的最大下沉值仍然隨工作面的推進而增加,則此種開采沉陷狀態為非充分開采.開采的充分性涉及很多因素,如采空區的幾何尺寸,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,受采空區豎直分量的影響,常常不存在充分開采的狀態,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計方法,對于非充分采動情況,應用上采用調整參數的辦法進行修正,實際中存在較大偏差,對于極不充分開采情況,概率積分法更加不適用,預計誤差很大.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的荃本特征 (1)在采動程度較小的情況下,地表的最大下沉值很小,一般小于充分采動時地表最大下沉的十分之一:當采動程度超過某一臨界值時,地表的最大下沉急劇增大,采動程度的這一臨界值稱為臨界采動程度系數. (2)對于中硬巖層,臨界采動程度系數大約為1/3.小于臨界采動程度系數的采動稱為極不充分采動. (3)當地表的采動程度系數大于臨界采動程度系數.地表達到非充分采動時,地表的最大下沉值可能是極不充分采動條件下地表最大下沉值的數倍.當地表的采動程度由非充分采動逐漸增加到充分采動時.地表的下沉值隨采動程度的增加而逐漸增加.與地表由極不充分采動到非充分采動下沉增量相比,地表由非充分采動到充分采動下沉增A要平緩的多ts7 2.2極不充分開采的地表移動和變形預計方法--一概率密度函數法 (1)分析了離散介質碎塊體移動概率分布,認為有限開采時,隨開采深度的增加碎塊體移動概率可應用正態分布的概率密度函數進行近似計算.在此塞礎上提出了適合極不充分開采的地表移動和變形預計方法--一概率密度函數法.建立了極不充分開采地表移動和變形預計公式,預計結果與實測資料進行對比,說明概率密度函數法適合于極不充分采動地表移動和變形預計. (2)根據概率密度函數法分析,極不充分開采時,下沉盆地的拐點出現在距地表最大下沉點0. 4r處,拐點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生在距最大下沉點的0. 7r處,最大壓縮變形發生在采空區中央最大下沉點處,極不充分采動時最大壓縮變形約為最大拉伸變形的2.2倍. (3)將概率密度函數法推廣應用到條帶開采地表移動和變形預計,建立了適合條帶開采地表移動和變形預計的公式,并與實測資料進行了對比,取得了令人滿意的效果. (4)根據概率密度函數法分析,條帶開采地表是否出現波浪形下沉盆地,不僅與開采條帶寬度有關,同時與開采條帶寬度和條帶煤柱寬度是否協調有關. (5)與全采相比,條帶開采更容易出現平底形下沉盆地,當條帶煤柱寬度和開采條帶寬度之和等于0. 94r時,地表將出現比較平緩的平底下沉盆地;當兩者之和等于0. 8r時,下沉盆地中央出現傾斜變形為零的區域;當兩者之和等于0. 7r時,地表下沉盆地中央出現水平變形為零的區域 2.3建筑物下深部壓煤開采的綜合開采技術 根據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:將建筑物下深部壓煤開采劃分為兩個階段進行,前期開采和后續開采. 2002年第六屆全國礦山測童學術討論會論文集 (1)前期開采--一通過在各工作面之間留設間隔煤柱控制工作面的開采程度使之為極不充分開采,達到減少地表移動和變形的目的. (2)后續開采--一通過協調開采技術或配合其它采礦措施實現對間隔煤柱的開采,稱這種開采技術為間續開采技術. (3)前期開采與后續開采之間要有足夠的時間間隔. (4)建筑物下深部壓煤開采除采取必要的采礦措施外,還應配合地面建筑物加固,維修等技術措施閣. 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預計,是開采沉陷學領域國內外尚未很好解決的難點問題.它不僅涉及連續的移動變形,而且還涉及結構面處的非連續變形問題.而概率積分法則是基于水平煤層開采的模型方法,原理上不能適應大傾角煤層的開采問題.以往的做法主要是:在傳統的預計方法基礎上,通過修改模型使其對大傾角具有一定的適應性:或者根據實測資料建立大傾角煤層開采的剖面函數.這些模型未能突破傳統方法以水乎煤層為出發點的建模思想,引入參數的意義不甚明確且離散性大,推廣應用性不強.關于非連續變形問題國內外更是少有研究.針對上述問題,我們進行了以下兩個方面的研究工作: 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,視大傾角為閉區間(..,900〕上的一個子域,建立了適應于各級別傾角開采沉陷的統一模型和預計方法一矢量預計法.矢量法不僅適應于大傾角而且也可用于小傾角煤層開采的地表移動預計. (1)以任一傾角煤層開采為建模出發點,視傾斜面積微元為可按空間等量原則進行投影分解的微元矢量,依據隨機介質理論分別建立水平分量和豎直分量的開采影響函數,按疊加原理并考慮采動層面效應構建傾斜面積微元的單元移動盆地,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系為基礎,推證和建立了基于傾角變化的地表最大下沉值計算公式,把最大下沉值計算統一于一個既滿足邊界條件又具有普遍性的公共模型: (3)由于預計模型把傾角因素置于建模過程中,使得矢量預計法得以引入與開采空間幾何要素(傾角,尺寸)無關而只綜合反映上覆巖層巖性