礦山開采沉陷預測發展現狀綜述

朱廣軼　趙鋒

摘 要：礦山開采沉陷學是一門綜合了采礦、測量、地質、建筑和力學等多個專業的邊緣學科，對于地下礦產開采引起的地表沉陷問題早已引起了學者的關注。地下礦產資源的開發開采在帶給我們來巨大社會經濟價值的同時，也對土地資源、建筑物及構筑物造成破壞，影響到整個環境系統，留下塌陷的采空區和荒蕪的采礦場，對此國內外研究人員針對礦山開采沉陷預測都提出了自己的理論和方法。

關鍵詞：礦山開采沉陷 沉陷預測 發展方向

中圖分類號：TD8 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（c）-0027-01

20世紀以來，地下礦產資源開采進入一個迅猛發展的時代，礦產資源開采所帶來的地表沉陷及開采損害也逐漸成為一個熱點課題，呈現在大家面前。近些年，各國礦區城市的城市規劃發展出現了新難題，一大批企業廠房、建筑群、大跨度隧道、橋梁、高速公路等急需在采空區地表建設，而原有的地表沉陷預計理論已不能完全適應現在工程建設的需要，因此，新理論、新思路在該課題中的研究運用成為勢在必行。

地下礦產資源開采以后，采空區周圍巖層原有平衡狀態發生變化，應力重新分布，進而引起礦山巖體移動，地表沉陷，最終達到新的平衡。這類運動具有顯著的隨機性，視條件不同，其運動過程及地表沉陷結果也不同[1]。

1 開采損害

開采損害有廣義和狹義兩種不同的解釋，廣義上的開采損害是指由于地下礦產資源的開采，使地上、地下的建筑物及構筑物所受到的影響。而狹義的開采損害是指地表和巖層受開采影響而發生的大量變形和移動所導致的后果，前者強調現象，后者注重理論系統。根據采動對象、地表變形大小和性質，開采損害形式可以分為地表沉陷損害、地面傾斜損害、地面彎曲損害、地面水平變形損害、山區地表滑移與崩坍及礦區地表水位下降六種。

在長期生活實踐中，人們積累了大量有關開采損害的經驗和資料，以它們為基礎進行統計研究的過程中，獲得了可用于可行性設計的一般性規律。蘇聯建筑師葉爾馬科夫在1939年提出了不同保護等級建筑物的地表允許變形指標。

近年來，為了適應社會發展和人們生產生活的需要，各國對建筑物的允許變形值都做了統一的規定。我國對磚面結構建筑物破壞等級標準也做了相應的規定。

2 我國現狀

地下礦產資源的開發開采在給我們帶來巨大社會經濟價值的同時，也對土地資源及建筑物、構筑物造成破壞，影響到整個環境系統，留下塌陷的采空區和荒蕪的采礦場。根據加拿大礦產礦物公司統計顯示，在全世界范圍內，已有3×106 hm2的土地遭受露天采礦的破壞，僅在我國就占有（1.4～2.0）×106 hm2，除此之外，我國的土地破壞量還以每年2.0×104 hm2的速度增加。

我國是世界上第一產煤大國，每年因煤炭開采造成的塌陷土地有2.4萬公頃，平均每采1萬噸煤炭就有0.2 km2土地坍塌，至1990年底，我國已有30萬公頃土地因煤炭開采而坍塌，然而這個數據竟在近20年內被翻了一番。土地沉陷不僅影響整個環境系統，也影響到人們正常的生產生活，還會對人類的生命安全造成一定的損害。因此，必須采用新思路、新方法，提高地表沉降預測的準確性，控制地表沉陷引起的破壞，為社會的和諧發展提供技術支撐。

3 國內外研究概況

地表沉陷研究歷史悠遠，最早可以追溯到15世紀英國和比利時的預防開采損害法。1825年對列日城地表沉陷的調查為最早可見的文獻，此文獻中提出了垂線理論，后被Gonot修正，直到杜馬特（Dumont，1858）提出下沉量計算公式W=m.cosα（m為煤層開采厚度；α為煤層傾角）。

20世紀以來，全球進入一個科學大發展的時代，地表沉陷研究也有了突飛猛進的發展。1903年Halbaum提出了采空區上方地表應變與曲率半徑成反比的結論，此后一大批研究者也相繼提出了一系列理論與假設，這其中具有代表性的有：1909年Korten的水平變形和移動分布理論，1913年艾卡特（Fckardt）的各巖層逐步彎曲理論，1919年萊曼（Lehmann）的地表沉陷褶皺理論，以及Schimizx（1923）、Keinhost（1925）和Bals（1932）提出的影響函數概念[2]。

二次大戰后，地表沉陷研究趨于系統理論化。在蘇聯，阿維爾辛（1947）提出了水平移動正比于地表傾斜的觀點，并首創下沉剖面方程，而后，薩烏斯托維奇在1953年運用彈性基礎梁理論解釋了下沉盆地邊界鼓起現象。在波蘭，Knothe和Budryk（1950）利用幾何原理得出了正態分布影響函數，后被李特維尼申（1954）修正，最終發展成為被廣泛應用的概率積分法。在英國，Berry（1960）和Wales（1961）在假設采場頂底板為不接觸、部分接觸和完全閉合等不同情況下，根據彈性理論推導得出了地表移動表達式。在德國，Brauner（1961）提出了圓形積分格法計算地表移動的方法，克勞奇（H·Kratzsch，1978）發表了《采動損害及其防護》。

我國地表沉陷研究起步較晚，從20世紀60年代初才開始系統的研究工作，但在老一輩長期實踐與經驗積累的過程中，已有了長足的進步，躋身世界之林。第一次將開率積分法全面系統的引入我國地表沉陷研究中，是有劉寶琛教授和廖國華教授在1965年共同出版的《煤礦地表移動的基本規律》一書，同年，劉天泉教授提出了急傾斜煤層開采地表沉陷的研究方法。1981年，何國清教授、馬偉民教授和王金莊教授提出了碎塊體理論，同年，劉天泉教授等人在對地表沉陷預測深入研究的同時，提出了沉陷計算方法。1983年，周國銓教授提出運用負指數函數計算地表沉陷的方法。此后幾年間，也有大批科研工作者提出大量的新思路、新方法，為我國地表沉陷預測研究做出了不可磨滅的貢獻。

4 結語

煤礦地表沉陷預測研究是礦區可持續發展的重大課題。為了適應時代發展和社會進步的需要，對地表沉陷預測的準確性要求也越來越嚴格，因此在新階段的研究中應該運用新思路、新方法，結合實例，形成一套系統完整的理論。

煤礦地表沉陷預測方法的發展趨勢主要包括以下幾個方面。

（1）連續介質巖層向非連續介質巖層研究方向轉變。

（2）地表沉陷二維動態預計體系向三維預計體系轉變。

（3）地表沉陷靜態預測研究向動態研究方向轉變。

進入21世紀，世界各國隨著經濟發展對煤炭資源的需求量還會不斷增加，對環境的要求也會越來越高，地表沉陷研究將成為促進社會進步的重要因素，因此，該領域必將進入一個全面發展的時代。

參考文獻

[1] 何國清，楊倫，凌賡娣，等.礦山開采沉陷學[M].徐州：中國礦業大學出版社，1991.

[2] [波]M·鮑萊茨基，M·胡戴克.礦山巖體力學[M].于振海，劉天泉[譯].北京：煤炭工業出版社，1985.