張曉杰等

摘 要：采空區(qū)沉陷問題是巖土工程領(lǐng)域的重要研究課題。文章比較詳細(xì)地介紹了開采沉陷研究方法的基本理論及研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)；研究方法；研究現(xiàn)狀

采空區(qū)沉陷問題是巖土工程領(lǐng)域的重要研究課題。針對(duì)開采沉陷及“三下”采煤技術(shù)，國(guó)內(nèi)外均進(jìn)行了大量研究，形成了開采沉陷學(xué)等學(xué)科。

1 唯象學(xué)及幾何理論的研究方法

當(dāng)?shù)叵旅旱V被采出以后，地下形成的采空空洞必然會(huì)引起覆巖巖層和地表移動(dòng)，這是一個(gè)非常復(fù)雜的力學(xué)變化和時(shí)空變化過程，其變化過程可簡(jiǎn)單描述為：變形～下沉～破壞～垮落，最后會(huì)在沉陷區(qū)的地表產(chǎn)生一個(gè)下沉的盆地。為了研究采空區(qū)地表與巖層的移動(dòng)規(guī)律與塌陷盆地形態(tài)，在采空區(qū)內(nèi)建立了許多地表位移觀測(cè)站，作了許多用于觀測(cè)的測(cè)點(diǎn)，在長(zhǎng)期對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)后，從而獲得了測(cè)點(diǎn)的高程及水平位移的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。最后再利用數(shù)學(xué)方法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，從而獲得地表移動(dòng)和變形的參數(shù)以及能夠描述地表點(diǎn)沉陷形態(tài)的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式（如典型曲線法、剖面函數(shù)法）。

隨著對(duì)采空區(qū)研究的進(jìn)一步加深，學(xué)者們又提出了一種較為高級(jí)的理論，即：開采塌陷隨機(jī)介質(zhì)理論，該理論將巖層的特性給予了較為充分的考慮，其最具代表性學(xué)者有：波蘭的科諾特、李特維尼申及我國(guó)的劉寶琛，他們認(rèn)為地表塌陷盆地的形態(tài)與一種特定的數(shù)學(xué)函數(shù)形態(tài)非常相似，采空區(qū)上方的覆巖隨著單元的開采必然會(huì)使地表產(chǎn)生相應(yīng)下沉。

在1950年，波蘭學(xué)者科諾特在研究采空區(qū)地表移動(dòng)的基礎(chǔ)上，提出了著名的幾何理論，確立了高斯型影響曲線。之后，在關(guān)于科諾特提出的下沉盆地中的水平移動(dòng)和水平變形問題上，波蘭學(xué)者布德雷克給予了很好的解決，對(duì)于科諾特的幾何理論是很好的完善和補(bǔ)充，這就是“布德雷克—科諾特理論”。

在1965年，我國(guó)著名學(xué)者劉寶琛、廖國(guó)華等人改進(jìn)和完善了波蘭學(xué)者李特維尼申的隨機(jī)介質(zhì)理論，從而得到了一種新的方法，即概率積分法或隨機(jī)介質(zhì)理論法，至今已經(jīng)發(fā)展成為我國(guó)預(yù)計(jì)開采沉陷的主要方法。

在2010年，學(xué)者殷作如，鄒友峰等人在《開灤礦區(qū)巖層與地表移動(dòng)規(guī)律及參數(shù)》中，通過對(duì)大量的觀測(cè)站數(shù)據(jù)分析，獲得了礦區(qū)內(nèi)各種地質(zhì)采礦條件下地表移動(dòng)和變形的分布規(guī)律，確定了礦區(qū)預(yù)計(jì)所使用的參數(shù)及其地質(zhì)采礦條件之間的關(guān)系，建立了不同的地質(zhì)采礦條件下各類巖移參數(shù)求取的經(jīng)驗(yàn)公式。

概率積分法或隨機(jī)介質(zhì)理論法在地表沉陷規(guī)律研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，用來預(yù)測(cè)采空地表移動(dòng)和變形。但是這種方法并沒有考慮采空區(qū)的移動(dòng)和沉陷過程，僅僅研究了表象上的定量關(guān)系，雖比較簡(jiǎn)單，卻對(duì)采空覆巖巖體的變形及破壞過程卻得不到合理的論證說明。因此，對(duì)采用概率積分法的分析和研究結(jié)果是否可靠仍存在著很多質(zhì)疑。

采空區(qū)沉陷規(guī)律也可以采用幾何理論的方法。例如：在1923年學(xué)者史密茨提出了開采范圍與地表下沉值的關(guān)系；在1932年，學(xué)者巴斯（Bals）提出了進(jìn)一步劃分影響帶的方法；《工程地質(zhì)手冊(cè)》中，對(duì)埋深較淺且地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的小煤窯采空區(qū)場(chǎng)地提出了臨界深度計(jì)算公式，用來評(píng)價(jià)采空區(qū)場(chǎng)地建筑的適宜性。這些研究成果仍然沒有考慮巖體的力學(xué)特征，建立的幾何圖形簡(jiǎn)單而直觀，所以對(duì)巖體與地表沉陷的本質(zhì)過程沒有做出合理解釋。對(duì)于巖體的破壞與變形的規(guī)律，研究學(xué)者經(jīng)過了長(zhǎng)期艱苦卓越的探索和研究，發(fā)現(xiàn)用簡(jiǎn)單的幾何圖形來進(jìn)行描述是不科學(xué)的。

2 力學(xué)的研究方法

近些年來，一些學(xué)者將巖體看做運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合特定的力學(xué)模型的一種介質(zhì)，這種研究方法得到了迅速的發(fā)展。波蘭學(xué)者Henryk.Gil從巖體層狀分布的角度研究了開采對(duì)巖體的擾動(dòng)，提出了求解采動(dòng)應(yīng)力和位移的方法；在80年代，我國(guó)學(xué)者劉寶琛在利用粘彈性平面模型的基礎(chǔ)上推出了地表與覆巖的位移公式；在80年代初期，我國(guó)學(xué)者李增琪將覆巖假設(shè)為層梁、板的彎曲，運(yùn)用數(shù)學(xué)上的傅里葉變換法推了巖層的移動(dòng)公式；吳立新和王金莊對(duì)地表與覆巖在條帶開采條件下的沉陷規(guī)律進(jìn)行了研究；麻鳳海采用了復(fù)合介質(zhì)力學(xué)模型，對(duì)采空區(qū)地表和覆巖的下沉公式進(jìn)行了推導(dǎo)。

應(yīng)當(dāng)指出，目前學(xué)者們比較認(rèn)同的是，將覆巖移動(dòng)歸為板（梁）法向彎曲下沉，雖然所有的力學(xué)模型的目的是解決工程中的實(shí)際問題，但力學(xué)模型中就不可能將實(shí)際工程中所有的影響因素全部考慮進(jìn)來，所以在力學(xué)模型中必須已解決針對(duì)性地將其簡(jiǎn)化為理想模型，學(xué)者們的研究的模型各有側(cè)重點(diǎn)，仍屬“仁者見仁，智者見智”，要想得完善的理論模型，還需要進(jìn)一步的深入研究。

3 數(shù)值模擬和相似材料模擬的研究方法

近十多年來，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異以及對(duì)采空區(qū)研究手段的不斷進(jìn)步，尤其是數(shù)值模擬方法和相似材料模擬研究方法在開采沉陷中得到了廣泛的應(yīng)用，都極大地推動(dòng)了開采沉陷理論的發(fā)展。

數(shù)值方法在采動(dòng)沉陷研究中的優(yōu)點(diǎn)是：它即適用于不同特征的巖體，又可以將巖體的固有屬性進(jìn)行考慮，與實(shí)際的采動(dòng)巖體沉陷狀態(tài)將會(huì)更加相符?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)采空區(qū)進(jìn)行大量的研究，值得一提的是，在近十多年來我國(guó)的專家學(xué)者在這方面的研究尤為突出，也取得了一系列非常有價(jià)值的成果：例如，楊碩用力學(xué)方法計(jì)算了開采沉陷，用力學(xué)模型揭示了下沉和水平移動(dòng)之間的聯(lián)系，得出了用兩條下沉曲線預(yù)測(cè)的水平移動(dòng)曲面與實(shí)測(cè)結(jié)果相接近的結(jié)論；張俊英利用三維有限元模擬方法對(duì)大傾角多煤層條帶開采進(jìn)行了研究，并分析了采煤各種因素之間的相互關(guān)系；唐春安給出的線彈性有限元法；太原理工大學(xué)張永波利用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算，提出了不同建筑物荷載和不同地質(zhì)采礦條件下老采空區(qū)建筑地基穩(wěn)定與否的判別指標(biāo)，即臨界采深采厚比來作為初步判別老采空區(qū)建筑地基穩(wěn)定性的依據(jù)。長(zhǎng)沙理工大學(xué)王玉標(biāo)對(duì)采空區(qū)路基變形基本規(guī)律進(jìn)行了研究。另外，其他學(xué)者也通過不同手段對(duì)各類采空區(qū)進(jìn)行了不同程度的研究。

4 結(jié)語

目前，在對(duì)于采空區(qū)的研究方面，國(guó)內(nèi)外都沒有形成一套非常標(biāo)準(zhǔn)完善的理論體系，而運(yùn)用已有的理論去解決實(shí)際工程問題時(shí)，有很多并沒有得以很好的解決，所以在這方面的理論研究還有待加強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 殷作如，鄒友峰，馬偉民.開灤礦區(qū)巖層與地表移動(dòng)規(guī)律及參數(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[2] 張永波.老采空區(qū)建筑地基穩(wěn)定性及其變形破壞規(guī)律的研究[D].山西：太原理工大學(xué)，2005.

作者簡(jiǎn)介：張曉杰（1980- ），男，河北邯鄲人，華北理工大學(xué)遷安學(xué)院，助教。