开采沉陷若干理论与技术问题研究进展

1.引言 开采沉陷学是矿业工程中的一个传统的学科分支,它是一门研究地下有用矿物开采引起地表和岩层移动变形现象及其相关问题的科学.它是一门交叉学科,涉及采矿学,地质学,测I学,岩石力学,统计学,计算机科学等诸多学科门类.其特点是:理论内涵丰富,实用性强,直接为生产服务,又是一门技术学科. 1.1开采沉陷研究的历史 　　开采沉陷问题的研究由来己久,早在十九世纪末,人们就已注意到采矿引起的扭岩移动与破坏以及由此造成的井巷和地面建筑物的损害现象,二十世纪30年代,在一些采煤先进国家如前苏联,波兰,己把岩层与地表移动作为一项研究工作.作为一门学科,开采沉陷学的形成于50年代,迅速发展始于60年代.几十年来,开采沉陷研究取得了丰硕的成果.这些成果可以从其理论体系和应用技术两个方面来归类. 1.2开采沉陷学的理论与技术体系 开采沉陷学荃本的理论体系是: 岩层移动"三带"理论 随机介质理论（概率积分法） 非充分开采沉陷理论（条带开采理论,深部极不充分开采理论） 动态变形理论（岩移的时间,空间过程） 岩层层状效应理论〔托板理论,控制层理论,层面效应）开采影响传播特性,厚冲积层效应,这是岩层移动的本质和墓础的理论. 大变形理论:描述上搜岩层的移动变形多形态. 大倾角煤层开采理论（基于倾角变化的模型,急倾斜皮尔森m型公式,经验公式法）. 　　开采沉陷学的基本技术有:部分开采技术（条带法,房柱法,限厚开采）.跳采全采技术, 　　充填开采技术,建（构）筑物抗变形技术（加固措施,新建抗变形房屋）和建（构）筑物偏斜纠正技术. 这些基本技术的综合应用便形成开采沉陷学的综合应用技术:（1）建筑物下采煤技术:（2）水体下采煤技术;（3）铁路下采煤技术:（4）承压水体上采煤技术:（5）井简与工业广场煤柱开采技术. 开采沉陷理论是各项应用技术的基础和依据:应用技术必须依托可靠的理论,技术的应用又反过来促进理论的发展和完善.应用技术受到现有生产条件,经济条件有其他技术条件的制约. 　　技术的应用效果应由实践检验.开采沉陷的应用技术是解决实际生产问题的直接手段,应充分利用开采沉陷新的理论和相关学科的新技术,突破固有的思维定势,开发新的技术和方法. 1.3开采沉陷研究的发展趋势 纵观开采沉陷的研究过程,可概括为如下的发展趋势: （1）水平煤层和缓倾斜二倾斜和急倾斜; （2）主断面璐全盆地; （3）简单地质采矿条件冲复杂地质采矿条件; （4）静态移动变形二动态移动变形: （5）按倾角级别分别建模冲建立基于倾角变化的统一模型: （6）连续变形劝非连续变形: （7）充分开采幼非充分开采,极不充分开采. 　　这些发展趋势.既应证了研究过程由简单到复杂的一般规律:同时也反映了生产实际对采矿技术的要求与相对落后的开采沉陷理论之间的矛盾运动.开采沉陷领域的每一项新的研究成果都是对其理论体系的完善和补充,对实际工作的指导意义也将更进一步;而生产过程的实际需要又2002年第六届全国矿山侧f学术讨论会论文集147推动了开采沉陷研究的发展 　　理论研究往往以生产需要为指针.生产需要是理论研究的原动力.开采沉陷理论研究必须紧密联系生产实际,立足现实的条件,进行新的理论探索和技术创新;而不能脱离实际,单纯去追求纯理论的东西.理论研究应该面向生产,为生产服务,解决实际问题,这是作者多年科研工作的体会.下面介绍的内容,是近年来的一些研究成果,它们包括极不充分开采地表移动预计方法,基于倾角变化的开采沉陷模型,岩层移动托板理论,这些多是现场急需解决而又长期未获解决的难点问题. 2.非充分开采地表与岩层移动研究 　　开采的充分性,是岩层移动研究的重要方面.许多采动影晌问题都与开采的充分性有关.所谓充分开采是指这样一种开采沉陷状态:在一定的开采条件下,当开采工作面推进到足够的尺寸时,地表的最大下沉值不再随工作面的推进而增加;反之,如果地表的最大下沉值仍然随工作面的推进而增加,则此种开采沉陷状态为非充分开采.开采的充分性涉及很多因素,如采空区的几何尺寸,开采深度,覆岩岩性,开采方法.另外还涉及煤岩层的倾角,大倾角煤层开采,受采空区竖直分量的影响,常常不存在充分开采的状态,以下的讨论只考小倾角的情况. 　　非充分开采问题较为普遍,如单一窄工作面开采,大采深煤层开采,条带开采,急倾斜煤层开采等,均属非充分开采.而大采深条件下的极不充分开采问题犹为突出.极不充分开采是非充分开采的一种特例,它是一种充分度极小的非充分开采.常用的概率积分法是以充分开采为前提的预计方法,对于非充分采动情况,应用上采用调整参数的办法进行修正,实际中存在较大偏差,对于极不充分开采情况,概率积分法更加不适用,预计误差很大.因此,有必要分析研究极不充分开采条件下的沉陷问题. 2.1极不充分开采地表移动的荃本特征 （1）在采动程度较小的情况下,地表的最大下沉值很小,一般小于充分采动时地表最大下沉的十分之一:当采动程度超过某一临界值时,地表的最大下沉急剧增大,采动程度的这一临界值称为临界采动程度系数. （2）对于中硬岩层,临界采动程度系数大约为1/3.小于临界采动程度系数的采动称为极不充分采动. （3）当地表的采动程度系数大于临界采动程度系数.地表达到非充分采动时,地表的最大下沉值可能是极不充分采动条件下地表最大下沉值的数倍.当地表的采动程度由非充分采动逐渐增加到充分采动时.地表的下沉值随采动程度的增加而逐渐增加.与地表由极不充分采动到非充分采动下沉增量相比,地表由非充分采动到充分采动下沉增A要平缓的多ts7 2.2极不充分开采的地表移动和变形预计方法——一概率密度函数法 （1）分析了离散介质碎块体移动概率分布,认为有限开采时,随开采深度的增加碎块体移动概率可应用正态分布的概率密度函数进行近似计算.在此塞础上提出了适合极不充分开采的地表移动和变形预计方法——一概率密度函数法.建立了极不充分开采地表移动和变形预计公式,预计结果与实测资料进行对比,说明概率密度函数法适合于极不充分采动地表移动和变形预计. （2）根据概率密度函数法分析,极不充分开采时,下沉盆地的拐点出现在距地表最大下沉点0. 4r处,拐点处地表的下沉值为最大下沉值的0.6倍.地表的最大拉伸变形发生在距最大下沉点的0. 7r处,最大压缩变形发生在采空区中央最大下沉点处,极不充分采动时最大压缩变形约为最大拉伸变形的2.2倍. （3）将概率密度函数法推广应用到条带开采地表移动和变形预计,建立了适合条带开采地表移动和变形预计的公式,并与实测资料进行了对比,取得了令人满意的效果. （4）根据概率密度函数法分析,条带开采地表是否出现波浪形下沉盆地,不仅与开采条带宽度有关,同时与开采条带宽度和条带煤柱宽度是否协调有关. （5）与全采相比,条带开采更容易出现平底形下沉盆地,当条带煤柱宽度和开采条带宽度之和等于0. 94r时,地表将出现比较平缓的平底下沉盆地;当两者之和等于0. 8r时,下沉盆地中央出现倾斜变形为零的区域;当两者之和等于0. 7r时,地表下沉盆地中央出现水平变形为零的区域 2.3建筑物下深部压煤开采的综合开采技术 根据极不充分开采的理论,便有建筑物下深部压煤开采的综合开采技术:将建筑物下深部压煤开采划分为两个阶段进行,前期开采和后续开采. 2002年第六届全国矿山测童学术讨论会论文集 （1）前期开采——一通过在各工作面之间留设间隔煤柱控制工作面的开采程度使之为极不充分开采,达到减少地表移动和变形的目的. （2）后续开采——一通过协调开采技术或配合其它采矿措施实现对间隔煤柱的开采,称这种开采技术为间续开采技术. （3）前期开采与后续开采之间要有足够的时间间隔. （4）建筑物下深部压煤开采除采取必要的采矿措施外,还应配合地面建筑物加固,维修等技术措施阁. 3.基于倾角变化的开采沉陷模型 　　大倾角煤层开采地表移动预计,是开采沉陷学领域国内外尚未很好解决的难点问题.它不仅涉及连续的移动变形,而且还涉及结构面处的非连续变形问题.而概率积分法则是基于水平煤层开采的模型方法,原理上不能适应大倾角煤层的开采问题.以往的做法主要是:在传统的预计方法基础上,通过修改模型使其对大倾角具有一定的适应性:或者根据实测资料建立大倾角煤层开采的剖面函数.这些模型未能突破传统方法以水乎煤层为出发点的建模思想,引入参数的意义不甚明确且离散性大,推广应用性不强.关于非连续变形问题国内外更是少有研究.针对上述问题,我们进行了以下两个方面的研究工作: 3. 1基于倾角变化的开采沉陷建模 　　提出基于倾角变化的建模思想,视大倾角为闭区间（..,900〕上的一个子域,建立了适应于各级别倾角开采沉陷的统一模型和预计方法一矢量预计法.矢量法不仅适应于大倾角而且也可用于小倾角煤层开采的地表移动预计. 　　（1）以任一倾角煤层开采为建模出发点,视倾斜面积微元为可按空间等量原则进行投影分解的微元矢量,依据随机介质理论分别建立水平分量和竖直分量的开采影响函数,按叠加原理并考虑采动层面效应构建倾斜面积微元的单元移动盆地,通过全开采域的积分建立基于倾角变化的开采沉陷基本模型; 　　（2）以0.和900煤层开采最大下沉与开采空间的关系为基础,推证和建立了基于倾角变化的地表最大下沉值计算公式,把最大下沉值计算统一于一个既满足边界条件又具有普遍性的公共模型: 　　（3）由于预计模型把倾角因素置于建模过程中,使得矢量预计法得以引入与开采空间几何要素（倾角,尺寸）无关而只综合反映上覆岩层岩性的岩层移动参数,从而增强了参数的可借鉴性和它对于预计模型反映开采沉陷形态的能力: 　　（4）在计算边界的确定方面,由工作面角点的采深与拐偏性,按工作面角点或按边确定计算计算边界,为处理任意形状工作面与其周边采动性的关系提供了便利方法 　　3.2层间弱面条件下地表非连续变形的机理与计算方法通过相似材料模型实验,数值计算和现场试验方法,揭示了大倾角煤层开采岩层移动规律和地表非连续变形的机理;建立了急倾斜煤层开采层间弱面条件下地表非连续变形的计算方法. 　　（1）成功地进行了急倾斜煤层（a=600）开采的相似材料模型实验,在实验和有限元分析基础上,揭示了岩层以层梁沿岩层法向移动形成喇叭形的垮落断裂带的岩移形式和传递方式,揭示了采动应力因介质岩性的差别而在弱面间大量释放使弱面两侧岩层发生程度不同的弯曲和相对移动的非连续变形机理: 　　（2）分析了地表非连续变形与采矿条件和弱面因素之间的影响关系及非连续变形发生的条件:确定了非连续变形的主要影响因素及其影响方式; 　　（3）提出了地表非连续变形的度量方法.建立了急倾斜煤层开采地表非连续变形的计算方法和步骤闭. 　　3.3曲面分布形式煤层开采地表移动预计方法这是一种以概率积分法物理模型为基础的任意分布形式煤层开采地表移动预计方法.主要是从数学角度,将复杂的摺曲构造煤层按轴线划分为单斜构造煤层后,采用曲面积分法,推导出了开采曲面分布煤层的地表移动与变形值的计算公式,介绍了对任意形状工作面的处理方法及确定积分区间的方法,取得了令人满意的应用效果. 　　（1）利用任意分布形式煤层开采地表移动预计方法,可以计算各种分布形式煤层,非矩形工作面的任意地表点在不同方向的移动与变形值. 　　（2）该方法的理论基础是随机介质理论,解决问题的荃本思想易于接受,并且预计精度能够满足生产建设需要,使用方法简单. 　　（3）对于矩形工作面,水平煤层或倾斜煤层,就相当于把积分区间,拐点平移距,主要影响半径,煤层倾角及开采影响传播角取为常数,则该方法与概率积分法计算公式相同. 　　（4）预计参数与曲面分布煤层开采之间的规律性尚需进一步研究,以提高预计辅度,2002年第六届全国矿山测f学术讨论会论文集149完善地表移动预计理论 4.岩层移动托板理论 　　岩层移动的本质特征是其力学特征,从力角度研究搜岩破坏规律和岩层移动的变化发展过程,无疑是开采沉陷学研究的基础的和必要的内容.限于岩层介质的复杂性,力学研究尚处于定性研究的阶段.我们的基本思想是,积极采用力学或其它相关的科学原理,解释岩层移动的诸多现象,为定量预测岩层与地表移动提供依据.托板理论即是视岩层控制层为力学板,通过理论分析和试验研究来揭示顶板破断规律及其对岩层移动的影响的. 　　地表沉陷常出现集中和聚变的现象,这是因为扭岩中有厚而坚硬的托板岩层,它（们）具有很强的抗干扰能力,非足够大连续开采面积不能使其破断失稳,从而处于悬空状态.它（们）一方面阻止覆岩冒落,断裂及弯曲变形向上发展,另一方面又支撑上方直至地表的岩土层.只有当开采范围达到某一特定临界尺寸时,该厚硬岩层悬露面积达到极限,其弯曲变形引起的附加应力超过其强度,于是垮断失稳,导致其上方岩土层因失去支撑而随之沉陷.从三维空间角度研究地下连续大面积开采时托板控制岩层的变形破坏规律,研究地表沉陷与托板破断失稳的本质联系和相关特征,基本结论是: 　　（1）地下连续大面积开采时,托板岩层的稳定性是矿压异常,地表沉陷异常的重要影响因素.控制连续大面积采动范围以及预计托板破断失稳的临界采动面积,是行矿压与沉陷主动控制和预防的必由之路. 　　（2）煤矿开采特定的地质采矿条件下,托板共有81种力学模式,其中较常见的有23种,每种托板模式的力学变形机制各不相同. 　　（3）不同类型力学模式的托板,其应力应变规律差别较大,托板挠度的大小及其系数随板面尺寸比的变化趋势各不一样,这主要与自由边的有无以及固支边的多少和位置有关. 　　（4）固支边断裂,尤其是沿工作面一侧的固支边断裂是工作面顶板来压的主要诱导因素;自由边破断则是回采过程中顶板冒落加剧的重要原因:托板内部破断以及失稳,则是托板上覆岩层连锁破坏和地表产生急剧沉陷的根本原因m 5.结语 　　（1）揭示了极不充分开采地表移动的基本特征;建立了极不充分开采的地表移动和变形预计方法-一概率密度函数法,根据极不充分开采的理论:提出了建筑物下深部压煤开采的综合开采技术,取得了良好的应用效果.建立了基于倾角变化的开采沉陷新的模型和方法一矢量预计方法,为大倾角煤层开采地表与岩层移动提供了新的理论方法:揭示了大倾角条件下弱面露头处非连续变形的力学机理:建立了地表非连续变形的计算方法. 　　研究揭示了地表沉陷与托板破断失稳的本质联系和相关特征;认为连续大面积采动引起岩层托板内部破断以及失稳,是托板上覆岩层连锁破坏和地表产生急剧沉陷的根本原因. 　　矿业的发展及其对环境的影响越来越深刻,这必然对开采沉陷研究提出新的要求;开采沉陷学的发展应立足于创新,面向生产实际,开发出新的技术方法,建立起新的理论体系.开采沉陷学应用前景十分广阔,现实的要求预示着,开采沉陷学在理论和技术上必将有更大的发展.