-
1
绪
论
1
．
1
开采沉陷研究的意义
煤炭资源是我国的主要能源，已探明总储最在
9000
×
10
。
t
以上，含煤面积达
55
万多平方公里，是世界上煤炭资源最丰富的国家之一。据预测．到
2050
年煤炭
资源仍占
我国能源需求的
70
％眦上…，因此对地下各种赋存条件煤炭资
源的开采
将是一项长期的任务。我国煤炭资源的分布也十分广
泛，平原、丘陵、山区的地下
蕴藏着丰富的煤炭资源，在一些
建筑物下、铁路下、水体下
(
简称“三下”
)
也压着大
量的煤炭资源．据原
煤炭部
1982
年的不完全统计，我国仅统配煤矿的生产矿井“
三
下”压煤就达
137 9
×
10
。
t
。我国煤炭的赋存条件也千差万别．其中急倾斜或大倾
< br>角煤层的开采越来越受到人们关注，其原因有三个方面：一是在全国重点煤矿区有
20
处
100
多个矿井是急倾斜
(
也称“大倾角”
)
煤层开采，急倾斜或大倾角煤炭储量
约占全国煤炭储量的
15
％～
20
％，特别是在我国的西部矿区
50
％阻上矿
井开采的
是急倾斜煤层，如主要产煤省、市、自治区有四川、
重庆、云南、贵州、新疆、甘肃、
宁
夏等的急倾斜
(
大倾角
)
煤层是许多矿区或矿井的主呆煤层。随着我国西部大开发
< br>战略的实施，我国矿产资源开采重点西移，煤炭资源开采已成为西部地区区域经济
发展的重要支柱，加强对急倾斜
(
大倾
角
)
煤层开采地表沉陷机理的研究是西部煤
炭开采的重大课题。二是东部矿区赋存条件较好的煤层越来越少．加上多年来高<
/p>
强度的开采，浅部赋存条件较好煤层的开采也日益枯竭，从而使
急倾斜
(
大倾角
)
煤
层问题迅速进入了人们的视野，引起了人们的高度重视
，如山东兖州矿区、河北邢
台和开滦矿区、安徽淮南与淮北矿
区、江苏徐州矿区等的许多矿井不得不由条件相
对优越的煤层
开采转向复杂的急倾斜
(
大倾角
)
煤层开采。很显然．要保持矿区生
产的高
产、高效和可持续发展．也必须加强对急倾斜
(
大倾角
)
煤层开采岩层移动与
地表沉陷问题的研究。三是对急颊斜
(
大倾角
)
煤层开采岩层移动与地表沉陷问题
研究得极不充分，其研究水平远没有对水平缓倾斜煤层开采研究得深入。在
19
86
年颁布的指导“三下”采煤的全国性规程
_2
’中，急倾斜煤层开采地表移动预计仍是
空白；
2000
年修订的新规程中提出将概率积分法延伸到倾角
a<75
。的情况Ⅲ；同
< br>时国外也没有值得借鉴的经验和参考，前苏联只给出了
a<70
< br>。时典型曲线法的预
计参数”
0
，故急倾斜
(
大倾角
)
煤层开采中存在的一系列技术难题值得科技工作者
去研究．
急倾斜煤层采动覆岩移动模式及其应用
地
F
矿产资源的开采必然引起采空区周围岩体的自然应力状态及上覆岩层内
部的原始应力平衡状态受到破坏，由于岩层内部的应力经重新分布以达到新的应
力平衡
t
从而导致上覆岩层的移动与变
形．最终传递到地表，引起地表移动与沉陷。
岩层和地表产生
移动、变形和破坏的现象称为矿山开采沉陷，开采沉陷学也由此产
生。它是研究地下资源开采引起岩层与地表连续与非连续移动变形现象．以及相
<
/p>
关工程问题的一门多学科交叉学科，主要涉及采矿、地质、测量、岩石力学、统计学
和计算科学等学科，是煤矿安全开采与矿区环境保护不可缺少的重要
分支。它研
究的内容包括由开采引起的岩层与地表移动的规律
、变形机理、观测方法、预计方
法和减少开采沉陷的岩层控制与治理方法等。
开采沉陷引发了许多地表的建
(
构
)
筑物、水体、耕地、铁路、桥梁
和环境破坏
等，并导致了许多灾害性后果‘“：
(1)
农村煤矿区开采沉陷严重破坏了矿区环境，造成村庄的房屋裂缝、耕地积
水、乡村道路断裂、果树木枯死、水塘干涸等，给乡村人们的日常生活
、生产带来了
很大的影响和损失，并且地面环境的破坏是很难恢复的。
(2)
对城市的建
(
构
)
筑物、公路、铁路、桥梁、地下管网及城市
的基础设施等造
成破坏和潜在的威胁。
(3
)
地表沉陷破坏地下的潜水位及地下水系，形成大面积的低洼区和积水区．
甚至形成沼泽地，使之既不能栽种植物，又不能养殖，成为荒地；地下术系
破坏和地
下水的流失．也是不可恢复的。
(4)
对天然的森林、草原、天然植被、山体等造成的破坏，影响了生态平衡。
(5)
地表沉陷激化企业与地方及居
民之间的矛盾。导致社会不稳定因素的
加剧。
(6)
地表沉陷的治理与恢复耗资巨大。一般矿区的万吨采煤塌陷率
(hmV
。
10
‘
t)
一般变化在
2
8
～
6
75
之间，仅就耕地而言，复垦一亩塌陷区平均耗
资
3000
元人民币．而我国每年煤矿行业开采导
致土地的塌骼达
40
万亩左右。所需
要的费用就达
12
亿元人民币。
辽宁工程技术大学学者杨伦教授通
过大量数据证明
[
“：矿山开采沉陷对环境
的损害比地震严重。因此，加强对开采沉陷特别是急倾斜
(
大倾角
)
煤层开采沉陷
变形机理的研究。有利于探索其内部固有的客观规律，为地表沉陷的预计、
控制、治
理、复垦、恢复提供理论依据，对我国煤炭工业的发
展、社会的稳定和谐、生态环境
的保护具有重大的现实意义和
深远的社会意义，也是保证我国西部能源战略实麓、
煤炭工业可持续发展不容忽视的重大研究课题。
l
绪
论
1
．
2
开采沉陷研究的历史沿革与现状
开采沉陷研究方向是矿山测量研究的一个重要领域．涉
及大地测量、矿山测
量、采矿、地质、岩石力学、统计学和计
算机科学等学科，是一个交叉学科，也是大
地
测量学与测量工程专业的一个重要研究方向，在我国矿业类高等院校都设有该
学科。
早在
19
世纪中叶，人们就开始重视因采矿引起地表沉陷，
以及地表沉陷给地
面建
(
构
)
筑物和农业带来的严重损害等问题。采矿企业
的研究人员从
20
世纪初
开始建立地面观测站，对地表移动与变形进行系统的观测，通过对地表移动观测成
< br>
果的综合分析和地表移动规律研究，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
Berg~ha
denku
Ⅱ
de
和英文
MlnlW subsidence
，而俄文称之为
c
．
~
．
BHbKeHMe mp
㈣
Ⅱ
op
Ⅱ
H 3eblHOn n
∞
0px
帕
H
——矿山岩层与地表移动。
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，
1949
年德国学者
Nieme
zyk
出版了开采沉陷的第一本有代表性的著作＆
r
删
n
出”
kunde
】。
20
世
纪
30
年代．苏联开始矿山岩层与地表移动
实地观测工作，
1936
年成立了矿山测量
研究所，后来扩大规模改称全苏矿山测量研究院
(
简称
BFIMSSd&)
，统一组织和领
导全苏各矿区的宴地观测和研究工作。波兰也十分重视开采沉陷研
究工作．
20
世
纪
50
年代先后提出了三种地表移动变形预计方法。我国的
开采沉陷研究工作从
中华人民共和国成立后才开始，
1953
年北京矿貌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，
< br>1955
年“岩层与地
表移动
”作为一门专业课程正式为我国第一届矿山测量专业大学生而开设．
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试验工作，
1
960
年开始研究岩层与地表移动规律
及建筑物下采煤的试验工作。此后，我国的开采沉陷研究工作得到了较快的发展．
<
/p>
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【“。
可见．国内外对开采沉陷的研究由来巳久，
人们从不同的角度、按照不同的标
准、依据不同的理论和方法
进行了大量开采沉陷问题的研究．经历了从实地观测、
理论分
析到沉陷控制与治理的研究过程．由对地表移动规律性分析到深入研究岩
层与地表移动的变形机理．取得了很多研究成果。因此，成果按其所依据的原理不
同可分为三类：
(1)
几何方法类
几何方法类主要是指地表沉陷预计方法的研究，是以岩移观测数据为依据而逐渐建立
< br>起来的，这类方法便于实际应用，常用的方法有概率积分法、典型曲线法
和负指数函数法。
几何方法是在开采沉陷学领域内研究最早的方法．早在
1838
年，多里斯提出
的垂线理论，
1858
年被比利时学者
Gonot
< br>发展为“法线理论”，又被
D
…
nt
进行修
正，提出了下沉量的计算
模式
W=
悯
n
。后来有一系列的理论和假设被相继提
出·如德国人
Jlcinsky
的“二等分线理论”
(187
6
～
1884)
，
Oesterr
于
1882
年提出
的
“自然斜面理论”，法国人
Fay
ol
于
1885
年提出的“圆拱理论”
，
H
。。
sse
的“二
分带理
--
论”
(1895 1897)~
，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。
到
20
世纪中叶·开采沉陷几何模型方面的研究得到了较快的发展。
1958
年
苏联的
BHtlMH
出版了专著
c
曲“掀
w
“
e zopn~x
Ho
砷
H 3
魄
H0d^D8P
肚删“
(
矿山
岩层与地表移动
)[
‘…，首次提出了采空区上方岩层移动的形式——垮落带、断裂带
< br>和整体弯曲带的“三带理论”。并提出了苏联全国通用的地表移动变形计算方
<
/p>
法——典型曲线法，
BHHMH
的主要研
究学者有阿维尔申、柯洛特科夫、柯尔宾科
夫“及卡查柯夫斯
基等。
1950
年波兰科学院岩石力学研究院的学者
Bud
，
vk
和
Knothe~
了几何理论…
]
，得出了正态分布的影响函数，后来称为
B
。
drvk
．
Knothe
方法；克拉克夫矿业学院的学者柯赫曼斯基提出了图解法
。
SehimIzxi
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。
1954<
/p>
年波兰科学院
岩石力学研究院的学者<
/p>
Litwiniszyn
提出了随机介质理论，把岩石视为不连续
介
质，首次把随机介质理论引入到岩层移动的研究中，将岩层
移动视为一随机过程。
联邦德国学者
Kratzseh
总结概括了煤矿开采沉陷的预测方法，并出版
Mi
。
f
”
g
s
“曲
i
出<
/p>
n
卯
Engineering
一书““；
Brauner
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
出地表移动““。此外，波兰科学院岩石力学研究院的学者沙武
斯托维奇，克拉克夫矿业学院的学者科伐尔契克和克伦恰尔，德国学者坎因霍斯
特、巴尔斯、聂姆契克、洛依贝尔特、派茨和弗莱申特幕盖尔，英国学者瓦尔德、奥
尔
恰德、贝利和哈克特等也为开采沉陷研究做
了大量的工作。这一时期是开采沉陷
理论大发展的阶段，建立
了许多系统的理论，从各个不同的观点出发，研究了开采
影响
下岩层移动的规律，尤其是地表移动空间和时间的规律，特别是以水平煤层开
采的问题研究得比较多。形成了比较著名的学派如
Budryk
Knothe
代表的几何学
耀，
ABep
肌Ⅲ及
Salustowiez<
/p>
代表的连续介质力学学派，以及李特维尼申代表的随
机介质学褫等。
我国自
20
世纪
60
年代开始从事岩层与地表移动方面的研究．在几何方法方
面也有不少成果。刘宝垛、廖国华出版了专著
<
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。刘天泉等对水
平煤层、缓倾斜煤层、急倾斜煤层开采引起的覆岩破坏规律与地表移动
规律作了深入
的研究““，提出丁导水裂隙带概念，建立了垮落带与导水裂隙带计算公式
，为提
高煤层开采上限、减少煤层资源损失做出了很大贡献。
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
ll
‘
-
”
]
。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
l
】…。王金庄等建立了用于预计主断面地表下沉
的典型曲线法
【
19
。邹友峰对地表下沉预计方法进行了研究¨…。戴华阳、
王金庄
等建立了基于倾角变化的开采沉陷模型——矢量预计法
_2
“。“。郭增长应用随机
介质碎块体移动概率对地表下沉进行丁研究”“等。
(2)
力学方法类
力学方法类主要是基于力学原理对岩层移动变形的力学机理
进行研究，主要
包括弹塑性力学、岩石力学、结构力学、损伤
断裂力学等力学原理，把采动上覆岩层
假定为岩梁、岩板或拱
结构。力学方法类还包括以力学原理为基础的相似材料模
拟、
数值模拟等方法．其中数值模拟方法包括有限元、离散元、边界元等。力学方法
类的研究成果如下：
从
19
世纪末到第二次世界大战，人们开始提
出了有关岩石移动规律的一些初
步的力学结构假设
[
。“。苏联学者里特捷尔于
1879
年提出
r
拱假设；普罗托季亚
科诺夫于
[907
年提出了普氏
平衡拱；法国人
Fayd
于
1885<
/p>
提出了岩梁假设，并对
岩粱的变形力学
机制进行研究‘
0
’’；
E
…
s
提出了“
㈣
I
工
b
一”的概念，并
发展了
顶板粱稳定性分析方法；
Ha
lbau
硼将采空区上方岩层作为悬臂梁．推导出地表应
变与曲率半径成反比的理论；
Fckardt
把岩层移动过程视为各岩层逐层弯曲的结
论；
Leh
㈣
n
认为地表沉陷类
似于一个褶皱的过程；
1947
年苏联学者
Aaepl
【
lHH
应
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，即水平移动与地表倾斜成正比的著名
论点．提出了下沉剖面方程
呈指敬函数形式旧。’；南非的<
/p>
Sal
跚
0n
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
12
‘’圳；澳大利亚的
Adler
和
sun
、
Barker
和
Hatt
、
wright
以及
SterliIlg
分别对顶板岩层的变形机制进
行了研究‘
28
’；
同时数值模拟方法也被应用到开采沉陷领域
m
一川。
我国学者的主要研究成果有：钱鸣高等
在
20
世纪
70
年代末提出了砌体梁假
说，后来叉提出了关键层理论和复合
关键层理论
13
卜‘”；宋振骐于
80
年代初提出
了传递岩梁假说№‘。’
；刘宝琛采用粘塑性粱理论研究了开采沉陷问题““；谢和
平
应用有限元分析岩层移动规律
m
’；刘
天泉对岩层移动和控制的力学问题进行了研
究【·
s
’；张玉卓研究了岩层移动的位错理论解和边界元法在开采沉陷中的应<
/p>
用
㈨
50
’；吴立新、王金庄等提出了托板控制理论
(
’卜’
0
’；李增琪建立了岩层移
动
的