煤矿采空区沉陷研究方法
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发布时间：2022-04-23 19:25
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时间：2023-11-04 01:11
目前，对于开采沉陷评价的研究主要可以分为两大类:经验分析方法和理论分析方法。经验分析方法的特征是绕开岩体的变形机理，从地表移动现象观测入手，直接将地表沉陷与地质采矿因素联系起来，在大量的地表观测资料基础上进行统计分析，得到描述岩层与地表移动变形的统计方法。这种方法具有代表性的是概率积分法、典型曲线法和剖面函数法等。概率积分法是已经成为较成熟的、在我国应用最为广泛的一种研究方法。目前在《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中已经把概率积分法列为主要的开采沉陷计算方法。但由于岩体本身以及受采动岩体移动规律的复杂性影响，即煤矿开采导致的岩层移动现象是非线性的，其失稳表现为具有平稳随机过程，而且是多解的;当煤矿开采导致岩层失稳时，系统原有的稳定性遭到破坏，宏观状态具有异常涨落的特点，属于非平稳的随机过程，这时试图直接刻画诸点之间的动力学相互作用，把握瞬间系统内部变化的所有细节与遍历的状态之间的关系，几乎是不可实现的。而且作为复杂性系统的一种独特行为，失稳的发生受多因素的相互作用的影响，因素之间的相干效应以及原有影响因素以外的某一随机因素干扰的异军突起，都有可能产生微妙的变化，经过放大，决定着系统突变最终状态的走向，从而使系统演化问题具有多解性和难以预测性。所以这种方法所用的理论模型很难全面准确地反映岩层和地表移动的规律，不得不进行某种简化，即不再追求其内部细节的动力学过程，仅仅刻画系统的状态、行为、特征的动力学变化。因而在预测大倾角煤层的沉陷时，准确度不高。在有些条件下该方法的预测结果甚至与实测结果相差很大。
理论分析法分为两种:一种是力学研究方法，另一种是数值分析方法。①力学研究方法:上覆岩层的结构问题以及该结构以什么样的形式存在，一直是采矿工作者关注的问题。在研究这个问题的过程中，提出了许多结构假说及理论模型，这些都推动了人们对采场上覆岩层运动规律的认识(邹友峰等，2003)。矿井塌陷的机理是百余年来许多矿业发达国家致力研究的重要理论问题和实际问题，但由于现场观察和测量的困难，再加上矿层和覆岩的成分、结构、构造和物理力学性质变化多端，矿层压力的变化和岩层的移动状况难于详细观测，因而至今尚未形成通用公认的矿山塌陷理论。现今运用较多的理论主要有:俄罗斯的M.M.普罗托吉亚科夫于1907年根据结构力学中的压力曲线理论提出的拱形冒落论和德国人哈元和吉列策尔于1928年补充说明了拱形冒落的假说提出的压力拱假说;由德国的舒尔茨和斯托克提出的悬臂梁 (板)冒落论和冒落岩块碎胀充填论(纪万斌等，1998)。我国学者(钱鸣高院士、李鸿昌等)发展了冒落岩块铰接论，提出的砌体梁平衡说及20世纪80年代后期提出的采场薄板矿压理论(贾喜荣，1997); 谢和平等(2003)提出的矿山岩体损伤力学方法，开拓了“矿山岩体力学研究与应用”新领域研究。②数值分析方法(邹友峰等，2003)是利用力学原理，通过假设、简化将岩体抽象为一定的力学模型，在此基础上建立岩体的基本微分方程，然后根据给定的边界条件，求解微分方程，得到各种问题的应力、应变、位移等未知量。这种方法因其能够考虑岩体的固有属性，适应不同特征的岩体采动沉陷问题，在一定程度上较有效地反映出采动岩体的破坏状态，应用较广泛，也是目前解决岩体复杂条件下开采沉陷问题的常用计算方法。它包括有限元法、边界元法、离散单元法、拉格朗日元法、非连续变形分析等方法。
采空区地表稳定性评价方法都是建立在开采沉陷预测评价研究方法基础上，与评价对象稳定性评价相结合的综合方法。常用采空区地表稳定性评价方法很多，如《工程地质手册》通过力学平衡的分析方法，得出了临界深度的计算公式，用来评价采空区场地建筑的适宜性。概率分析法通过中国开采沉陷研究学者的补充和完善，已经成为采空区稳定性评价方法中使用最广泛的一种。
但是目前的研究中仍然存在诸多的不足之处，例如:①对于时间过程的刻画，现有的研究仍是一种静态的分析，仅是对于采空区地面沉陷某一状态的分析与评价，但采空区覆岩破坏与地面沉陷是一个复杂的随时间和空间变化的四维问题，是空间和时间的连续函数，所以对于采空区地面沉陷的机理研究仍有许多未解决的问题;②由于煤矿山煤层厚度、埋藏深度、上覆岩层的力学性质和厚度不一，地表地形变化大，地面沉陷特征在空间上分布也不相同，但目前的研究多将各参数概化为均一的，无法体现开采沉陷规律在空间上的变化;③对于空间结构的刻画，由于煤矿山地质条件复杂多变，而且大多数煤矿山地面变形监测数据不完整，尤其是中小型煤矿山根本没有地面变形的监测，无论是经验分析方法还是理论分析方法，都在实践中存在很大的局限性。因此，在实际生产中，实用便捷的开采沉陷评价方法的研究，显得十分迫切。
所以，本研究拟以煤矿山的生产时间为线索，从煤矿山开采沉陷的时空发展规律出发，综合分析关于采空区岩层移动与地表变形机理研究已有的假说和理论模型，对煤矿山开采沉陷机理进行分析;针对大峪沟煤矿，对贯穿于煤矿山生产全过程的开采沉陷时空评价方法进行研究，包括开采沉陷风险评估方法、已采空区沉陷现状与地面稳定性评价方法;并根据风险评估、现状评价和稳定性评价结果，提出煤矿山开采沉陷的防治对策。具体研究思路如图3.1所示。
图3.1 研究思路框图
