煤礦開采沉陷預(yù)計理論與方法研究評述

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開采沉陷預(yù)計是礦山開采沉陷的核心內(nèi)容之一，它對開采沉陷的理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐具有重要意義。采礦引起的地面沉陷不僅給人們的生活帶來威脅，而且還會對環(huán)境造成破壞。開采沉陷預(yù)計對保護(hù)建筑物和生態(tài)環(huán)境具有重要意義，因此，有必要探討開采沉陷的預(yù)計方法，以指導(dǎo)礦山的開采。

一、開采沉陷預(yù)計方法

（一）典型曲線法

它是用無因次的典型曲線來表示移動盆地主斷面上的移動變形曲線的方法，適用于矩形或近似矩形采區(qū)的地表移動變形預(yù)計。此方法由于其分布和參數(shù)直接基于實(shí)測數(shù)據(jù)，所以其預(yù)計誤差較小。然而，典型曲線是針對某一礦區(qū)建立的，由于各礦區(qū)地質(zhì)條件不同，其他礦區(qū)不能隨便套用；建立典型曲線需大量的觀測站實(shí)測資料，該方法不適用于實(shí)測數(shù)據(jù)不足的地區(qū)；此外，該方法原則上只適用于矩形或近似矩形礦區(qū)的地表移動變形預(yù)計，在開采不規(guī)則形狀工作面時，預(yù)計誤差較大。這些限制了典型曲線法的應(yīng)用與推廣。

（二）剖面函數(shù)法

該方法是利用一定的函數(shù)來表示地表沉降盆地主斷面在各種開采條件下的典型移動與分布，這些函數(shù)是典型曲線的解析表示形式，是根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的，與典型曲線法相比，剖面函數(shù)便于數(shù)學(xué)處理及計算機(jī)運(yùn)算。但由于函數(shù)形式的限制，其函數(shù)值可能與各點(diǎn)實(shí)測確定的典型曲線值不一致，得到的參數(shù)可能與實(shí)際值有出入，因此，用剖面函數(shù)法預(yù)計的誤差比用典型曲線法預(yù)計的誤差略大。常用的剖面函數(shù)形式有負(fù)指數(shù)函數(shù)法、威布爾(Weber)分布法及雙曲函數(shù)剖面函數(shù)等。

二、預(yù)計方法理論知識

（一）數(shù)值模擬沉陷預(yù)計理論

以實(shí)測數(shù)據(jù)為手段的典型曲線法理論為基礎(chǔ)理論：科學(xué)縮小礦區(qū)層比例，采用同一質(zhì)材建立模型，進(jìn)行開采模擬，進(jìn)行開采全過程觀測，收集分析地表異動情況，與原地表結(jié)構(gòu)對比，推算巖層變形函數(shù)。該方法具有成本低、準(zhǔn)確率高、周期短、直觀地表等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是不能絕對保證模型的相似性，因此該方法仍處于受限的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。與傳統(tǒng)的力學(xué)模型預(yù)計方法相比，數(shù)值模擬預(yù)計方法能有效計算巖層、地表等結(jié)構(gòu)物的移動范圍、變形程度、變形規(guī)律、變形發(fā)展取向和離層時空發(fā)育情況等。通過計算結(jié)果，可制定相應(yīng)的解決方案，抑制沉陷因素的干擾，防止沉陷繼續(xù)發(fā)展。

（二）數(shù)學(xué)力學(xué)沉陷預(yù)計理論

以數(shù)學(xué)力學(xué)為基礎(chǔ)，分析預(yù)計理論，研究礦區(qū)地表移動與變形等，掌握移動變形的原因，預(yù)計其應(yīng)力場、破壞場等影響因素。在數(shù)學(xué)力學(xué)理論的應(yīng)用中，求解條件相對簡單，實(shí)際數(shù)據(jù)資源不夠全面，導(dǎo)致在實(shí)用性、真實(shí)性和準(zhǔn)確性方面誤差稍高。礦區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件沒有絕對的統(tǒng)一性，因此不同礦區(qū)的復(fù)雜程度會有所不同。對于極為復(fù)雜的礦區(qū)，數(shù)值模擬方法稍顯優(yōu)越，計算精度與破壞準(zhǔn)則、材料物理力學(xué)參數(shù)間的關(guān)系非常密切。

三、開采沉陷的影響因素

（一）覆蓋層的力學(xué)性質(zhì)與巖層相結(jié)合，覆巖關(guān)鍵層的破壞控制著巖層的移動，使關(guān)鍵層與地表成耦合作用發(fā)展，導(dǎo)致發(fā)生沉陷。

（二）礦區(qū)松散層厚度對地表移動有影響，如果上覆含水層處于倒水裂隙帶內(nèi)，會引起礦區(qū)沖水現(xiàn)象，而失水后的含水層會出現(xiàn)固結(jié)狀態(tài)，從而發(fā)生沉陷。

（三）煤層傾角變化太頻繁，會影響地表移動、覆巖運(yùn)動形式、破壞場和應(yīng)力場。

（四）開采厚度和深度不規(guī)范、不科學(xué)。一般來說，巖層和地表移動變形量與開采厚度成正比，與開采深度成反比。一般以深度比作為衡量開采條件對地表沉陷影響的估計指標(biāo)，深度比越大，地表移動變形越平緩；深度比很小(小于30)時，地表會出現(xiàn)大量裂縫、臺階、塌陷坑等非連續(xù)變形。

（五）采空區(qū)的尺寸影響采空區(qū)的采動程度，一般用寬深比來表示。當(dāng)寬深比小于1.2～1.4 時，地表未充分采動；等于1.2～1.4 時，地表已充分采動；大于1.2～1.4 時，地表超充分采動；當(dāng)達(dá)到充分采動后，工作面大小對地表移動變形量大小影響不大。

（六）重復(fù)采動使地表移動特征和變形參數(shù)發(fā)生了變化，其移動規(guī)律變化無規(guī)則，移動程度過于明顯，沉陷情況將越來越嚴(yán)重。

（七）開采方法和頂板管理方法。采礦方法決定了覆巖和地表移動的形式、先后順序及方向，頂板管理方法決定了移動空間的大小，進(jìn)而決定了覆巖與地表的破壞程度及移動量。

四、開采沉陷的預(yù)計誤差

（一）模型或預(yù)計方法不完善引起的偏差。當(dāng)前所采用的影響函數(shù)都是對稱的，但開切眼和終采線的沉降曲線可能不是對稱的，拐點(diǎn)處的沉降可能也不是反對稱，可能呈現(xiàn)偏態(tài)；預(yù)測曲線光滑連續(xù)，但在實(shí)際應(yīng)用中可能會出現(xiàn)裂縫、臺階等非連續(xù)變形。即使采用數(shù)值模擬方法，選擇的本構(gòu)方程或破壞準(zhǔn)則也可能與實(shí)際情況不符。

（二）參數(shù)代表性誤差引起的預(yù)計偏差。一般采用類比法選取參數(shù)，由于選取參數(shù)可能不符合區(qū)域條件，引起預(yù)計偏差；即使該區(qū)有實(shí)測資料，但不同礦區(qū)的地質(zhì)、開采條件也不盡相同，會產(chǎn)生代表性的參數(shù)誤差。為了分析預(yù)計參數(shù)誤差對預(yù)計結(jié)果的影響，在增加和減少0.5%步距預(yù)計參數(shù)后，對地表沉降值進(jìn)行預(yù)計。為減少此類誤差，有必要進(jìn)一步研究參數(shù)的變化規(guī)律及其與地質(zhì)采礦條件的關(guān)系。

（三）由觀測誤差引起的預(yù)計參數(shù)偏差。地表沉降預(yù)計參數(shù)是通過建立地表觀測站，利用一定的儀器采集觀測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析得到的。由于觀測儀器的精度、外界環(huán)境的影響及觀測人員技術(shù)水平的限制，致使存在觀測誤差，從而導(dǎo)致預(yù)計參數(shù)的偏差；觀測誤差雖然存在，但并不是影響地表移動規(guī)律研究的主要因素。

（四）預(yù)計提供的地質(zhì)采礦條件的偏差。雖然在普查、詳查及生產(chǎn)過程中進(jìn)行了勘探和地震等工作，但尚未完全掌握全部地質(zhì)狀況，導(dǎo)致地質(zhì)采礦條件發(fā)生偏差。應(yīng)注意預(yù)計、擬合誤差的差異，擬合誤差是利用實(shí)測數(shù)據(jù)計算參數(shù)，然后利用求得的參數(shù)進(jìn)行預(yù)計，再將兩者的結(jié)果進(jìn)行比較，擬合誤差不包括參數(shù)誤差。預(yù)計誤差是基于對沉降預(yù)計參數(shù)的選擇，并將預(yù)計結(jié)果與開采后的觀測結(jié)果進(jìn)行比較，預(yù)測結(jié)果包括參數(shù)誤差，而且參數(shù)誤差起主要作用。