礦山開采沉陷預(yù)測(cè)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(cè)量、地質(zhì)、建筑和力學(xué)等多個(gè)專業(yè)的邊緣學(xué)科，對(duì)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(lái)巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的同時(shí)，也對(duì)土地資源、建筑物及構(gòu)筑物造成破壞，影響到整個(gè)環(huán)境系統(tǒng)，留下塌陷的采空區(qū)和荒蕪的采礦場(chǎng)，對(duì)此國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)礦山開采沉陷預(yù)測(cè)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(cè) 發(fā)展方向

中圖分類號(hào)：TD8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）10（c）-0027-01

20世紀(jì)以來(lái)，地下礦產(chǎn)資源開采進(jìn)入一個(gè)迅猛發(fā)展的時(shí)代，礦產(chǎn)資源開采所帶來(lái)的地表沉陷及開采損害也逐漸成為一個(gè)熱點(diǎn)課題，呈現(xiàn)在大家面前。近些年，各國(guó)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(jì)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(yùn)用成為勢(shì)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(jìn)而引起礦山巖體移動(dòng)，地表沉陷，最終達(dá)到新的平衡。這類運(yùn)動(dòng)具有顯著的隨機(jī)性，視條件不同，其運(yùn)動(dòng)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(dòng)所導(dǎo)致的后果，前者強(qiáng)調(diào)現(xiàn)象，后者注重理論系統(tǒng)。根據(jù)采動(dòng)對(duì)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(zhǎng)期生活實(shí)踐中，人們積累了大量有關(guān)開采損害的經(jīng)驗(yàn)和資料，以它們?yōu)榛A(chǔ)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究的過程中，獲得了可用于可行性設(shè)計(jì)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(hù)等級(jí)建筑物的地表允許變形指標(biāo)。

近年來(lái)，為了適應(yīng)社會(huì)發(fā)展和人們生產(chǎn)生活的需要，各國(guó)對(duì)建筑物的允許變形值都做了統(tǒng)一的規(guī)定。我國(guó)對(duì)磚面結(jié)構(gòu)建筑物破壞等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)也做了相應(yīng)的規(guī)定。

2 我國(guó)現(xiàn)狀

地下礦產(chǎn)資源的開發(fā)開采在給我們帶來(lái)巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的同時(shí)，也對(duì)土地資源及建筑物、構(gòu)筑物造成破壞，影響到整個(gè)環(huán)境系統(tǒng)，留下塌陷的采空區(qū)和荒蕪的采礦場(chǎng)。根據(jù)加拿大礦產(chǎn)礦物公司統(tǒng)計(jì)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(guó)就占有（1.4～2.0）×106 hm2，除此之外，我國(guó)的土地破壞量還以每年2.0×104 hm2的速度增加。

我國(guó)是世界上第一產(chǎn)煤大國(guó)，每年因煤炭開采造成的塌陷土地有2.4萬(wàn)公頃，平均每采1萬(wàn)噸煤炭就有0.2 km2土地坍塌，至1990年底，我國(guó)已有30萬(wàn)公頃土地因煤炭開采而坍塌，然而這個(gè)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(gè)環(huán)境系統(tǒng)，也影響到人們正常的生產(chǎn)生活，還會(huì)對(duì)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(cè)的準(zhǔn)確性，控制地表沉陷引起的破壞，為社會(huì)的和諧發(fā)展提供技術(shù)支撐。

3 國(guó)內(nèi)外研究概況

地表沉陷研究歷史悠遠(yuǎn)，最早可以追溯到15世紀(jì)英國(guó)和比利時(shí)的預(yù)防開采損害法。1825年對(duì)列日城地表沉陷的調(diào)查為最早可見的文獻(xiàn)，此文獻(xiàn)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(jì)算公式W=m.cosα（m為煤層開采厚度；α為煤層傾角）。

20世紀(jì)以來(lái)，全球進(jìn)入一個(gè)科學(xué)大發(fā)展的時(shí)代，地表沉陷研究也有了突飛猛進(jìn)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(dòng)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(dòng)正比于地表傾斜的觀點(diǎn)，并首創(chuàng)下沉剖面方程，而后，薩烏斯托維奇在1953年運(yùn)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(guó)，Berry（1960）和Wales（1961）在假設(shè)采場(chǎng)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(dòng)表達(dá)式。在德國(guó)，Brauner（1961）提出了圓形積分格法計(jì)算地表移動(dòng)的方法，克勞奇（H·Kratzsch，1978）發(fā)表了《采動(dòng)損害及其防護(hù)》。

我國(guó)地表沉陷研究起步較晚，從20世紀(jì)60年代初才開始系統(tǒng)的研究工作，但在老一輩長(zhǎng)期實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)積累的過程中，已有了長(zhǎng)足的進(jìn)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(guó)地表沉陷研究中，是有劉寶琛教授和廖國(guó)華教授在1965年共同出版的《煤礦地表移動(dòng)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(guó)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(duì)地表沉陷預(yù)測(cè)深入研究的同時(shí)，提出了沉陷計(jì)算方法。1983年，周國(guó)銓教授提出運(yùn)用負(fù)指數(shù)函數(shù)計(jì)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(guó)地表沉陷預(yù)測(cè)研究做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

煤礦地表沉陷預(yù)測(cè)研究是礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重大課題。為了適應(yīng)時(shí)代發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的需要，對(duì)地表沉陷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性要求也越來(lái)越嚴(yán)格，因此在新階段的研究中應(yīng)該運(yùn)用新思路、新方法，結(jié)合實(shí)例，形成一套系統(tǒng)完整的理論。

煤礦地表沉陷預(yù)測(cè)方法的發(fā)展趨勢(shì)主要包括以下幾個(gè)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(dòng)態(tài)預(yù)計(jì)體系向三維預(yù)計(jì)體系轉(zhuǎn)變。

（3）地表沉陷靜態(tài)預(yù)測(cè)研究向動(dòng)態(tài)研究方向轉(zhuǎn)變。

進(jìn)入21世紀(jì)，世界各國(guó)隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)煤炭資源的需求量還會(huì)不斷增加，對(duì)環(huán)境的要求也會(huì)越來(lái)越高，地表沉陷研究將成為促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步的重要因素，因此，該領(lǐng)域必將進(jìn)入一個(gè)全面發(fā)展的時(shí)代。

參考文獻(xiàn)

[1] 何國(guó)清，楊倫，凌賡娣，等.礦山開采沉陷學(xué)[M].徐州：中國(guó)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.