国内外矿山开采沉陷研究的历史及发展趋势.pdf

第9卷 第1期 2010年1月 北京工业职业技术学院学报 JOURNAL OFBEIJI NG POLYTECHN IC COLLEGE №11 Vol . 9 Jan. 2010 收稿日期 2009 - 12 - 20 作者简介赵卫强1982 - ,男,河北石家庄人,工学硕士,助理讲师,主要从事采矿与安全方面教学及研究工作。 国内外矿山开采沉陷研究的历史及发展趋势 赵卫强 孟 晴 北京工业职业技术学院,北京100042 摘 要开采沉陷的研究对地下资源的合理开发和利用具有重要的理论和实践意义。对开采沉陷研究的历 史发展过程进行了详细的整理,简单介绍了地表沉陷常用的预计方法及其适用条件,并对矿山开采沉陷预测 研究及应用的发展趋势进行了展望。 关键词开采沉陷;研究历史;预计方法;发展趋势 中图分类号TD - 803 文献标识码A 文章编号1671 - 6558 2010 01 - 12 - 04 Research on History and Development Trend of Domestic and Foreign M in ing Subsidence Zhao Weiqiang MengQing Beijing Polytechnic College,Beijing 100042, China AbstractThe study ofmining subsidence has great important theoretical and practical significance to the rational development and utilization of underground resources . Thispaper sortsout the historical developmentofmining sub2 sidence in details, and gives a brief introduction into some prediction swhich are commonly used and their application conditions of surface subsidence, and also provides a prospect into the development trend of the mining subsidence prediction research and application. Key words mining subsidence; research history; prediction; trends 1概述 煤层大面积采出之后,形成了空间,破坏了采场 围岩的原始应力平衡状态及其分布状态,从而引起 围岩移动、 变形和破坏,最后岩层内部的应力重新分 布以达到新的平衡。在此过程中,使岩层和地表产 生连续的移动、 变形和非连续的破坏开裂、 冒落 等 , 这种现象称为“ 开采沉陷 ” 。 2国外开采沉陷研究历史 开采沉陷对人类生产和生活的影响早已被人们 所认识。早在15至16世纪,在比利时曾经发布过 一项法令,对因进行开采而使列日城的水源含水 层受到破坏的责任者处以死刑。在20世纪以前, 因为地下开采使铁路、 房屋遭到破坏,井下透水造成 人员死亡的惨案时有发生。1875年德国的约汉 载梅尔矿,因地表塌陷使铁路的钢轨悬空、 影响列车 运行; 1895年德国柏留克城地面突然塌陷、 毁坏了 31所房屋。由此,引起了人们对开采沉陷问题的高 度重视,并进行了一些专门的研究工作。采矿企业 的测量人员从20世纪初开始建立地面观测站,对地 表移动进行系统观测。在对地表移动观测成果综合 分析和移动规律探讨的基础上,产生了新的学科领 域 开采沉陷学。 开采沉陷学最早来自德文Bergschadenkunde和 英文Mining Subsidence 矿山岩层与地表移动。 开采沉陷学又称岩层与地表移动作为一门实用 性很强的学科,开始进行系统研究是从本世纪20年 代开始的,特别是第二次世界大战以后,发展更为迅 速,各主要采矿国家的矿山工程技术人员和科学工 作者投入了越来越多的时间、 技术和装备进行了此 项研究,在开采沉陷基本理论上和“ 三下一上 ”建 筑物下、 铁路下、 水体下、 和承压水上开采取得了 丰硕的成果。因此,可将国外矿山开采沉陷的研究 概括为以下3个时期。 2. 1开采沉陷认识和初步研究时期 从1838年对比利时列日城下开采所引起的地 表塌陷的认识开始到二战前夕,属于开采沉陷的认 识和初步研究时期。 早在1838年,多里斯提出了开采沉陷的第一个 理论“ 垂线理论 ”, 1858年经比利时学者Gonot发展 为“ 法线理论 ”,又被Dumont进行修正提出了下沉 量的计算模式W mcosa。后来,又相继出现了 一系列的理论和假设德国人Jlcinsky1876的“ 二 等分线理论 ” 和Oesterr1882的“ 自然斜面理论 ”; 法国人Fayol1885利用模型研究,提出了开采沉陷 的“ 圆拱形理论 ”, Hausse 1885 - 1897的“ 二分带 理论 ” 等。这些早期的研究主要对覆岩变形移动与 地表下沉关系进行了研究,建立了相关的几何理论 模型。 1903年, Halbaum将采空区上方岩层作为悬臂 梁,提出了地表应变与曲率半径成反比的理论。 1907年, Korten发表了他自己的观测成果,提出了 水平移动和水平变形的分布规律。本世纪20至30 年代,斯奇米茨、 凯因斯特和巴斯研究了开采影响的 作用面积及分带,可作为影响函数法的初级阶段;凯 因斯特又提出了水平移动的算式,即U W tg地表 点到开采中心连线与铅垂线的夹角。1931年德国 高等学校的矿业学院开始讲授“ 开采沉陷学 ” 这门 课程。 2. 2开采沉陷的理论形成时期 从二战以后大致到80年代末期,属于开采沉陷 的理论形成时期。 随着工业革命的发展,矿产资源的需求量越来 越大,大规模的地下开采引起了大量的开采沉陷损 害争论和诉讼,造成了大量的财产和人员死亡。因 此,开采沉陷受到各国科学家和政府的重视。 1947年前苏联学者 А в е р ши н 出版了对开采沉 陷学有影响的专著煤矿地下开采岩层移动 。他 在对大量实测数据分析研究基础上,用塑性力学理 论研究地表移动规律,确立了地表移动矢量在垂直 方向和水平方向间的微分关系式,即水平移动与地 面倾斜成正比的著名观点,提出了下沉剖面方程呈 指数 函 数 形 式。后 来 经 过 多 年 的 实 践,说 明 А в е р ши н 在塑性力学理论基础上建立的地表移动 计算公式难于在实践中应用。此后,前苏联学者主 要应用实地观测的方法研究岩层和地表移动。1958 年 В Н И МИ 出版了矿山岩层与地表移动 。这是 一本实践性很强的代表性著作。书中首次提出采空 区上方岩层移动的形式 垮落带、 断裂带和整体 弯曲带的“ 三带理论 ”,系统地分析研究了地表移动 和变形分布规律及有关参数规律,提出了原苏联通 用的地表移动变形计算方法 典型曲线法。1979 年,苏联彼图霍夫给出了岩石沿层理面向倾斜方向 移动而引起岩体移动的计算方法。同年,约菲斯和 契尔那耶夫提出了用高斯积分函数计算移动过程平 稳时的剖面方程。1983年, Conroy和Gyarmaty采用 钻孔伸长仪和钻孔测斜仪观测了岩体内部的竖向和 横向移动,首次获得了岩体内部的水平移动分布规 律,并观测到了岩体沿层面的滑移和离层现象。 1949年德国学者Niemezyk出版了开采沉陷第 一本有代表性的著作Bergschadenkunde 。该书根 据实测资料系统地分析了地表移动规律并用移动变 形曲线表示; H. Kratzsch总结概括了煤矿开采沉陷 的预测方法,并发表了采动损害及其防护 ; Brau2 ner提出了水平移动的影响函数,并发展了圆形积分 网格法计算地表移动。 波兰学者Budryk 1950和Knothe提出了几何 理论,得出了正态分布的影响函数,其高斯型的影响 曲线对近水平煤层的下沉描述十分成功。Schimizx 等研究了开采影响的作用面积及其分带,形成了影 响函数的概念。Litwiniszyn 1954把岩石视为不连 续介质,将岩层移动过程作为一个随机过程,提出了 开采沉陷的随机介质理论和概念,把开采沉陷理论 的研究提高到了一个新的阶段。 另外, 60年代初,英国学者Berry和Sales将岩 体视为均质弹性体,分为平面各向同性、 横观各向同 性与空间问题3类进行分析,提出了计算岩体下沉 31第1期 赵卫强,等国内外矿山开采沉陷研究的历史及发展趋势 的方法。南非的Salamon应用弹性理论提出了面元 原理,将连续介质力学与影响函数法相结合,为现在 的边界单元法奠定了基础。 2. 3第3次研究热潮 从90年代至今,随着科学的发展和研究手段的 进步,又掀起了矿山开采沉陷的第3次研究热潮。 一方面,人们将经典理论第2阶段发展的理 论的算法编成计算机程序,使得过去难于计算的 问题成为可能。而且, 3种主要的数值分析方法有 限元法、 边界元法和离散元法均在开采沉陷计算 中得到了应用。另一方面,新的数值计算方法,如不 连续变形分析法和流形元法等的出现给岩层移动计 算带来新的契机。在西方发达国家,利用信息技术 开发出了一批适用于矿山的应用软件如加拿大的 LYNX系统,用于地学研究从勘探资料分析地质特 征;英国的Datamine用于矿山开采设计及数据处 理;澳大利亚的MineTER以及MineMap,用于矿山 设计和绘制工程图,三维开采模拟等。这些成功的 范例为我国矿业信息系统的建设提供了宝贵的经 验。 3国内开采沉陷研究历史 3. 1 20世纪50年代 我国的开采沉陷研究工作从建国后才开始, 1953年北京矿院矿山测量教研室聘请苏联专家哥 尔地克,首次为青年教师和研究生讲授“ 岩层与地 表移动 ” 课程。1955年“ 岩层与地表移动 ” 作为一门 专业课程正式成为我国第一届矿山测量专业大学生 而设。1954年在开滦矿务局林西矿设立了我国第 一个地表移动观测站。1956年成立的开滦煤炭研 究所现煤炭科学研究院唐山分院矿山测量研究 室积极开展岩层与地表移动的实地观测研究工作。 1959年煤炭科学研究院北京开采所矿压室现特采 室开始专门从事开采沉陷及防护的研究实验工 作。1960年开始研究岩层与地表移动规律及建筑 物下采煤的实验工作。此后,我国的开采沉陷研究 工作得到了较快的发展,取得了许多研究成果,为煤 炭工业的发展和国民经济建设作出了贡献。 3. 2 20世纪60年代 1963年唐山煤炭研究所根据实测资料分析,建 立了地表下沉盆地的负指数形式剖面函数。1965 年,中国学者刘宝深、 廖国华编著了煤矿地表移动 的基本规律 将概率积分法全面引入我国,至今已 成为预计开采沉陷的主要方法。钱鸣高等在70年 代末提出了砌体梁假说,后来又提出了关键层理论 和复合关键层理论。宋振骐于80年代初提出了传 递岩梁假说。1978年,刘天泉提出了保全煤柱开采 方法, 1981年又与仲惟林等学者合作,研究提出覆 岩破坏的基本规律,并针对水体下采煤提出一些经 验性的成果和方法。1983年,马伟民、 王金庄等组 织编著了 煤矿岩层与地表移动 ,详细地总结了前 一段的研究成果。 3. 3 20世纪80～90年代至今 80、90年代至今,我国开采沉陷理论和实践研 究出现了日新月异的发展。何国清、 马伟民、 王金庄 建立了碎块体理论 地表沉陷的威布尔分布。周 国铨、 虞万波、 崔继宪等提出了负指数函数法计算地 表移动。邹友峰对地表下沉预计方法进行了研究。 王金庄等建立了用于预计主断面地表下沉的典型曲 线法。谢和平应用有限元分析岩层移动规律。刘天 泉提出和发展了矿山岩体采动影响与控制工程学。 杨伦提出了岩层二次压缩理论,将地表下沉直接与 岩体的物理力学性质联系起来。李增琪建立了岩层 移动的三维层状模型。张玉卓提出了岩层移动的位 错理论。杨硕建立采动损害空间的力学模式。邓喀 中提出了岩体开采沉陷的结构效。吴立新、 王金庄 提出了条带开采覆岩破坏的托板理论。于广明从非 线性科学角度认识开采沉陷的复杂性。徐乃忠、 郭 惟菇研究了采动覆岩离层形成的基本规律和离层注 浆控制地表下沉的理论与实践等等。 在岩体和地表开采沉陷的数值模拟上,许多学 者利用不同的模型模拟,得到了一些非常有价值的 成果。张玉卓的模糊内时有限元法;谢和平的损伤 非线性大变形有限元法;何满朝的非线性光滑有限 元法;邓喀中的损伤有限元法;王泳嘉、 张玉卓和麻 凤海的离散单元法等等。另外,也有许多适合岩土 工程数值计算的数值软件,如北京大学的NOLM系 列程序、 清华大学的TFI NE系列程序、 西安矿业学 院的NCAP系列程序、 中国矿大的AD I NAM程序和 中科院武汉岩土所的JRNA系列程序等等。这些都 为开采沉陷的计算拟合和定量预测莫定了基础。 4开采沉陷预计方法的发展趋势 4. 1开采沉陷的预计方法 地表沉陷的预计方法大致可分为剖面函数法、 影响函数法、 连续介质力学法、 数值模拟和物理模拟 法等。 4. 1. 1剖面函数法 其实质是基于实测数据的经验方法,使用方便 且预计精度高,因而在国内外得到广泛应用。但这 41 北 京 工 业 职 业 技 术 学 院 学 报 第9卷 种方法仅适合于相同地质条件下矩形或近似于矩形 的工作面上方的地表移动及变形预计。目前我国应 用较多的主要有典型曲线法和负指数函数法。常用 的具有代表性的典型曲线法主要有峰峰矿区和平顶 山矿区的典型曲线;负指数函数法由煤炭科学总院 唐山分院矿山测量研究所提出。 4. 1. 2影响函数法 目前,此法所用的参数常根据实测资料求定,可 适用于任意形状的工作面,任意开采程度、 地表任意 点及岩层的移动和变形预计,相比剖面函数法应用 范围较广,但没有剖面函数法精度高。目前已成为 我国较成熟的、 应用最为广泛的预计方法之一。 4. 1. 3连续介质力学法 连续介质力学法可反映岩体的物理力学性质, 对岩层与地表移动现象从力学机理上作出解释,预 测岩层内部的移动和变性规律。应用的理论主要包 括材料力学、 弹性力学、 塑性力学、 弹塑性力学、 断裂 理论以及粘弹和粘塑性力学等,研究认为,模型应在 反映主要力学特征的基础上尽量简化,且要求能较 好地反映地表沉陷发展过程的本质。这些理论尚需 在实践中检验与完善。 4. 1. 4数值模拟和物理模拟法 在岩层和地表移动变形的计算中,经常遇到一 些复杂的地质采矿条件,此时应用常用解析法非常 困难。因此在满足工程要求的情况下,采用数值模 拟与物理模拟法就显得十分必要。 常用的数值模拟方法有有限元法、 边界元法和 离散元法,如国际著名的有限元分析软件AD I NA、 ANSYS以及专门用于岩土工程问题数值分析的 FLAC、UDEC等;物理模拟法主要为相似材料模型 实验法,即煤岩层以一定的比例缩小,用相似材料制 作模型。随后在模型上进行模拟开采,并观测其开 采后的移动变形,由观测结果来推算实际开采后岩 层和地表的移动变形值。 4. 2预计方法的发展趋势 随着计算机技术的飞速发展,数值计算方法将 会越来越多的应用于开采沉陷的预测,但数值计算 方法也存在一定的缺陷,并不能完全替代传统的预 计方法。本人分析认为,在矿山开采沉陷预测研究 及应用中,数值计算法有限单元法、 离散元法、 有 限差分法和传统的概率积分法将占主导地位。两 种方法的计算结果相互比较和分析,可以提高矿山 地面沉陷预测的可靠性。 参考文献 [1]何国清,杨伦.矿山开采沉陷学[M ].徐州中国矿业大 学出版社, 1991. [2]王金庄,刑安仕,吴立新.矿山开采沉陷及其损害防治 [M ].北京煤炭工业出版社, 1995. [3]й в е р ш и нСГ.С д в ж е и н ег о р о дп о р о дп р ип о д з е м н ы х р а з р а б о т к а х[M ].У г л е т е х и з д а тМо с к в а, 1947. [4]王金庄.开采沉陷若干理论与技术问题研究[J ].矿山测 量, 20033 1 - 5. [5]阿维尔申.煤矿地下开采的岩层移动[M ].北京煤炭工 业出版社, 1959. [6]В Н И МИ.С.С д в ж е и н е г о р о дп о р диз е м н о йп о в е р х- н о с т и[M ].У г л е т е х и з д а тМо с к в а, 1958. [7 ]NiemezykО. B.ergschadenkunde [M ]. ESSEN. Gluckuf, 1949. [8 ] Kratzsch H. Mining Subsidence Engineering Springerveflag [M ].SpringerBerlin HeidelbergNewYork, 1983. [9]Brauner .Subsidence due to underground mining[M ]. U. SBureau ofMines, 1973. [10]赴波兰考察团.波兰采空区地面建筑[M ].北京科学 技术文献出版社, 1979. [11]M.鲍莱茨基,M.胡戴克.矿山岩体力学[M ].于振海, 刘天泉译.北京煤炭工业出版社, 1985. [12]谢文兵,陈晓祥,郑百生.采矿工程问题数值模拟研究 与分析[M ].徐州中国矿业大学出版社, 2005. 责任编辑王 佼 51第1期 赵卫强,等国内外矿山开采沉陷研究的历史及发展趋势