1.引言 開采沉陷學是礦業(yè)工程中的一個傳統(tǒng)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(xiàn)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(zhì)學,測I學,巖石力學,統(tǒng)計學,計算機科學等諸多學科門類.其特點是:理論內(nèi)涵豐富,實用性強,直接為生產(chǎn)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(xiàn)象,二十世紀30年代,在一些采煤先進國家如前蘇聯(lián),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(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(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） 動態(tài)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(zhì)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(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(yè)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(jù):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(fā)展和完善.應用技術受到現(xiàn)有生產(chǎn)條件,經(jīng)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(chǎn)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(fā)新的技術和方法. 1.3開采沉陷研究的發(fā)展趨勢 縱觀開采沉陷的研究過程,可概括為如下的發(fā)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(zhì)采礦條件沖復雜地質(zhì)采礦條件; （4）靜態(tài)移動變形二動態(tài)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(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.既應證了研究過程由簡單到復雜的一般規(guī)律:同時也反映了生產(chǎn)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(chǎn)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(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力.開采沉陷理論研究必須緊密聯(lián)系生產(chǎn)實際,立足現(xiàn)實的條件,進行新的理論探索和技術創(chuàng)新;而不能脫離實際,單純?nèi)プ非蠹兝碚摰臇|西.理論研究應該面向生產(chǎn),為生產(chǎn)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(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(xiàn)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(tài):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(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計方法,對于非充分采動情況,應用上采用調(diào)整參數(shù)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(shù). （2）對于中硬巖層,臨界采動程度系數(shù)大約為1/3.小于臨界采動程度系數(shù)的采動稱為極不充分采動. （3）當?shù)乇淼牟蓜映潭认禂?shù)大于臨界采動程度系數(shù).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(shù)倍.當?shù)乇淼牟蓜映潭扔煞浅浞植蓜又饾u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(shù)法 （1）分析了離散介質(zhì)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(tài)分布的概率密度函數(shù)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(shù)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(shù)法適合于極不充分采動地表移動和變形預計. （2）根據(jù)概率密度函數(shù)法分析,極不充分開采時,下沉盆地的拐點出現(xiàn)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(fā)生在距最大下沉點的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(shù)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(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,同時與開采條帶寬度和條帶煤柱寬度是否協(xié)調(diào)有關. （5）與全采相比,條帶開采更容易出現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)傾斜變形為零的區(qū)域;當兩者之和等于0. 7r時,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 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: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(xù)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(xù)開采——一通過協(xié)調(diào)開采技術或配合其它采礦措施實現(xiàn)對間隔煤柱的開采,稱這種開采技術為間續(xù)開采技術. （3）前期開采與后續(xù)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(nèi)外尚未很好解決的難點問題.它不僅涉及連續(xù)的移動變形,而且還涉及結構面處的非連續(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,原理上不能適應大傾角煤層的開采問題.以往的做法主要是:在傳統(tǒng)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(jù)實測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)點的建模思想,引入?yún)?shù)的意義不甚明確且離散性大,推廣應用性不強.關于非連續(xù)變形問題國內(nèi)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(qū)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(tǒng)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(fā)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(jù)隨機介質(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; 　?。?）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(tǒng)一于一個既滿足邊界條件又具有普遍性的公共模型: 　?。?）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的巖層移動參數(shù),從而增強了參數(shù)的可借鑒性和它對于預計模型反映開采沉陷形態(tài)的能力: 　　（4）在計算邊界的確定方面,由工作面角點的采深與拐偏性,按工作面角點或按邊確定計算計算邊界,為處理任意形狀工作面與其周邊采動性的關系提供了便利方法 　　3.2層間弱面條件下地表非連續(xù)變形的機理與計算方法通過相似材料模型實驗,數(shù)值計算和現(xiàn)場試驗方法,揭示了大傾角煤層開采巖層移動規(guī)律和地表非連續(xù)變形的機理;建立了急傾斜煤層開采層間弱面條件下地表非連續(xù)變形的計算方法. 　?。?）成功地進行了急傾斜煤層（a=600）開采的相似材料模型實驗,在實驗和有限元分析基礎上,揭示了巖層以層梁沿巖層法向移動形成喇叭形的垮落斷裂帶的巖移形式和傳遞方式,揭示了采動應力因介質(zhì)巖性的差別而在弱面間大量釋放使弱面兩側巖層發(fā)生程度不同的彎曲和相對移動的非連續(xù)變形機理: 　?。?）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)變形的計算方法和步驟閉. 　　3.3曲面分布形式煤層開采地表移動預計方法這是一種以概率積分法物理模型為基礎的任意分布形式煤層開采地表移動預計方法.主要是從數(shù)學角度,將復雜的摺曲構造煤層按軸線劃分為單斜構造煤層后,采用曲面積分法,推導出了開采曲面分布煤層的地表移動與變形值的計算公式,介紹了對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用效果. 　?。?）利用任意分布形式煤層開采地表移動預計方法,可以計算各種分布形式煤層,非矩形工作面的任意地表點在不同方向的移動與變形值. 　?。?）該方法的理論基礎是隨機介質(zhì)理論,解決問題的荃本思想易于接受,并且預計精度能夠滿足生產(chǎn)建設需要,使用方法簡單. 　　（3）對于矩形工作面,水平煤層或傾斜煤層,就相當于把積分區(qū)間,拐點平移距,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算公式相同. 　?。?）預計參數(shù)與曲面分布煤層開采之間的規(guī)律性尚需進一步研究,以提高預計輔度,2002年第六屆全國礦山測f學術討論會論文集149完善地表移動預計理論 4.巖層移動托板理論 　　巖層移動的本質(zhì)特征是其力學特征,從力角度研究搜巖破壞規(guī)律和巖層移動的變化發(fā)展過程,無疑是開采沉陷學研究的基礎的和必要的內(nèi)容.限于巖層介質(zhì)的復雜性,力學研究尚處于定性研究的階段.我們的基本思想是,積極采用力學或其它相關的科學原理,解釋巖層移動的諸多現(xiàn)象,為定量預測巖層與地表移動提供依據(jù).托板理論即是視巖層控制層為力學板,通過理論分析和試驗研究來揭示頂板破斷規(guī)律及其對巖層移動的影響的. 　　地表沉陷常出現(xiàn)集中和聚變的現(xiàn)象,這是因為扭巖中有厚而堅硬的托板巖層,它（們）具有很強的抗干擾能力,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.只有當開采范圍達到某一特定臨界尺寸時,該厚硬巖層懸露面積達到極限,其彎曲變形引起的附加應力超過其強度,于是垮斷失穩(wěn),導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)系和相關特征,基本結論是: 　?。?）地下連續(xù)大面積開采時,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)大面積采動范圍以及預計托板破斷失穩(wěn)的臨界采動面積,是行礦壓與沉陷主動控制和預防的必由之路. 　?。?）煤礦開采特定的地質(zhì)采礦條件下,托板共有81種力學模式,其中較常見的有23種,每種托板模式的力學變形機制各不相同. 　?。?）不同類型力學模式的托板,其應力應變規(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. 　?。?）固支邊斷裂,尤其是沿工作面一側的固支邊斷裂是工作面頂板來壓的主要誘導因素;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.結語 　?。?）揭示了極不充分開采地表移動的基本特征;建立了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(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,取得了良好的應用效果.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計方法,為大傾角煤層開采地表與巖層移動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)變形的力學機理:建立了地表非連續(xù)變形的計算方法. 　　研究揭示了地表沉陷與托板破斷失穩(wěn)的本質(zhì)聯(lián)系和相關特征;認為連續(xù)大面積采動引起巖層托板內(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)展及其對環(huán)境的影響越來越深刻,這必然對開采沉陷研究提出新的要求;開采沉陷學的發(fā)展應立足于創(chuàng)新,面向生產(chǎn)實際,開發(fā)出新的技術方法,建立起新的理論體系.開采沉陷學應用前景十分廣闊,現(xiàn)實的要求預示著,開采沉陷學在理論和技術上必將有更大的發(fā)展.