礦山開采沉陷預(yù)測發(fā)展現(xiàn)狀綜述

朱廣軼　趙鋒

摘 要：礦山開采沉陷學(xué)是一門綜合了采礦、測量、地質(zhì)、建筑和力學(xué)等多個專業(yè)的邊緣學(xué)科，對于地下礦產(chǎn)開采引起的地表沉陷問題早已引起了學(xué)者的關(guān)注。地下礦產(chǎn)資源的開發(fā)開采在帶給我們來巨大社會經(jīng)濟價值的同時，也對土地資源、建筑物及構(gòu)筑物造成破壞，影響到整個環(huán)境系統(tǒng)，留下塌陷的采空區(qū)和荒蕪的采礦場，對此國內(nèi)外研究人員針對礦山開采沉陷預(yù)測都提出了自己的理論和方法。

關(guān)鍵詞：礦山開采沉陷 沉陷預(yù)測 發(fā)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(chǎn)資源開采進入一個迅猛發(fā)展的時代，礦產(chǎn)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(xiàn)在大家面前。近些年，各國礦區(qū)城市的城市規(guī)劃發(fā)展出現(xiàn)了新難題，一大批企業(yè)廠房、建筑群、大跨度隧道、橋梁、高速公路等急需在采空區(qū)地表建設(shè)，而原有的地表沉陷預(yù)計理論已不能完全適應(yīng)現(xiàn)在工程建設(shè)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(chǎn)資源開采以后，采空區(qū)周圍巖層原有平衡狀態(tài)發(fā)生變化，應(yīng)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(jié)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(chǎn)資源的開采，使地上、地下的建筑物及構(gòu)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(fā)生的大量變形和移動所導(dǎo)致的后果，前者強調(diào)現(xiàn)象，后者注重理論系統(tǒng)。根據(jù)采動對象、地表變形大小和性質(zhì)，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(qū)地表滑移與崩坍及礦區(qū)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(guān)開采損害的經(jīng)驗和資料，以它們?yōu)榛A(chǔ)進行統(tǒng)計研究的過程中，獲得了可用于可行性設(shè)計的一般性規(guī)律。蘇聯(lián)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(yīng)社會發(fā)展和人們生產(chǎn)生活的需要，各國對建筑物的允許變形值都做了統(tǒng)一的規(guī)定。我國對磚面結(jié)構(gòu)建筑物破壞等級標準也做了相應(yīng)的規(guī)定。

2 我國現(xiàn)狀

地下礦產(chǎn)資源的開發(fā)開采在給我們帶來巨大社會經(jīng)濟價值的同時，也對土地資源及建筑物、構(gòu)筑物造成破壞，影響到整個環(huán)境系統(tǒng)，留下塌陷的采空區(qū)和荒蕪的采礦場。根據(jù)加拿大礦產(chǎn)礦物公司統(tǒng)計顯示，在全世界范圍內(nèi)，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(chǎn)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(shù)據(jù)竟在近20年內(nèi)被翻了一番。土地沉陷不僅影響整個環(huán)境系統(tǒng)，也影響到人們正常的生產(chǎn)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(yù)測的準確性，控制地表沉陷引起的破壞，為社會的和諧發(fā)展提供技術(shù)支撐。

3 國內(nèi)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(yù)防開采損害法。1825年對列日城地表沉陷的調(diào)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(xué)大發(fā)展的時代，地表沉陷研究也有了突飛猛進的發(fā)展。1903年Halbaum提出了采空區(qū)上方地表應(yīng)變與曲率半徑成反比的結(jié)論，此后一大批研究者也相繼提出了一系列理論與假設(shè)，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(shù)概念[2]。

二次大戰(zhàn)后，地表沉陷研究趨于系統(tǒng)理論化。在蘇聯(lián)，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(chuàng)下沉剖面方程，而后，薩烏斯托維奇在1953年運用彈性基礎(chǔ)梁理論解釋了下沉盆地邊界鼓起現(xiàn)象。在波蘭，Knothe和Budryk（1950）利用幾何原理得出了正態(tài)分布影響函數(shù)，后被李特維尼申（1954）修正，最終發(fā)展成為被廣泛應(yīng)用的概率積分法。在英國，Berry（1960）和Wales（1961）在假設(shè)采場頂?shù)装鍨椴唤佑|、部分接觸和完全閉合等不同情況下，根據(jù)彈性理論推導(dǎo)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(fā)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(tǒng)的研究工作，但在老一輩長期實踐與經(jīng)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(tǒng)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(guī)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(yù)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(shù)函數(shù)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(yù)測研究做出了不可磨滅的貢獻。

4 結(jié)語

煤礦地表沉陷預(yù)測研究是礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重大課題。為了適應(yīng)時代發(fā)展和社會進步的需要，對地表沉陷預(yù)測的準確性要求也越來越嚴格，因此在新階段的研究中應(yīng)該運用新思路、新方法，結(jié)合實例，形成一套系統(tǒng)完整的理論。

煤礦地表沉陷預(yù)測方法的發(fā)展趨勢主要包括以下幾個方面。

（1）連續(xù)介質(zhì)巖層向非連續(xù)介質(zhì)巖層研究方向轉(zhuǎn)變。

（2）地表沉陷二維動態(tài)預(yù)計體系向三維預(yù)計體系轉(zhuǎn)變。

（3）地表沉陷靜態(tài)預(yù)測研究向動態(tài)研究方向轉(zhuǎn)變。

進入21世紀，世界各國隨著經(jīng)濟發(fā)展對煤炭資源的需求量還會不斷增加，對環(huán)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(lǐng)域必將進入一個全面發(fā)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(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1991.

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