開采沉陷定義等介紹

開采沉陷定義:開采沉陷(miningsubsidence),又稱礦山巖層及地表移動，是地下采礦引起巖層移動和地表沉陷的現(xiàn)象和過程。具體的講，就是有用礦物被采出以后，開采區(qū)域周圍的巖體的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，應(yīng)力重新分布，達(dá)到新的平衡，在此過程中，使巖層和地表產(chǎn)生連續(xù)的移動、變形和非連續(xù)的破壞(開裂、冒落等)，這種現(xiàn)象稱為“開采沉陷”。研究內(nèi)容：包括由開采引起的巖層與地表移動的規(guī)律、變形機(jī)理、觀測方法、預(yù)計方法和減少開采沉陷的巖層控制與治理方法等。研究方法：當(dāng)前國內(nèi)礦山開采沉陷的主要研究方法有很多，如彈、塑性連續(xù)介質(zhì)法、隨機(jī)介質(zhì)理論)))概率積分法、統(tǒng)計類比法(影響函數(shù)法、剖面函數(shù)法、典型曲線法)、損傷力學(xué)法、三維地形可視化、相似材料法、數(shù)值模擬法有限差分、有限元、離散元、邊界元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和白、黑、灰箱法等。其中影響函數(shù)法、實(shí)際觀測法等屬于維象研究范疇相似材料模擬法屬于實(shí)驗(yàn)研究范疇；彈、塑性連續(xù)介質(zhì)法、統(tǒng)計類比法、損傷力學(xué)法、數(shù)值模擬法、三維地形可視化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和灰黑箱法等屬于理論研究范疇。理論研究基礎(chǔ)：早期的開采沉陷基本理論在上世紀(jì)中，比較明確的認(rèn)識了沉陷的影響因素，認(rèn)為其主要影響因素是開采方法、煤層傾角、厚度、埋藏深度以及巖石的力學(xué)性質(zhì)等。早期的開采沉陷理論主要有：將來空區(qū)上方的巖層看作是懸臂梁，從而得出，地表的應(yīng)變很可能是由于下沉引起的，其大小與地表的曲率半徑成反比；將采空區(qū)上方的巖體視為由不同厚度和力學(xué)性質(zhì)的分層所組成，巖層移動的基本形式是這些分層的彎曲，應(yīng)用兩端固定梁的理論，將移動過程看作是各個分層的逐層彎曲，從而計算出移動過程的要素。二次大戰(zhàn)后，人們著重從連續(xù)介質(zhì)和非連續(xù)介質(zhì)理論來研究開采沉陷問題。連續(xù)介質(zhì)理論利用力學(xué)塑性理論對巖層移動進(jìn)行了分析，并以理論分析的結(jié)果為指導(dǎo)建立了地表移動的計算方法。利用彈性基礎(chǔ)梁理論得出了波動性的下沉剖面。⑶將整個巖體視為均質(zhì)線彈性體，分為平面各向同性、平面橫觀各向同性以及空間問題進(jìn)行了分析。提出了更為一般的線彈性分析原理一一面元原理，即I―、二式中?對：注一一頂?shù)装彘]合量的分布；=：：一一影響函數(shù)；二一一開采面積c這一理論是開采影響理論的先進(jìn)的變換形式。將覆巖看成是橫觀各向同性、縱觀各層異性、同一目內(nèi)各向同性的彈性層體接觸II，求出了開采沉陷的位移和應(yīng)變公式：該理論反映了地表移動是由開采空間一層層傳到地表的，上一層移動是由下一目傳上來的。中外學(xué)者逐漸認(rèn)識到巖體結(jié)構(gòu)的控制作用，強(qiáng)調(diào)巖體結(jié)構(gòu)對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響大于巖石材料性質(zhì)的影響。我國學(xué)者對開采沉陷巖體結(jié)溝效應(yīng)作了專題研究。該研究應(yīng)用了損傷力學(xué)原理、相似材料模型和有限元計算機(jī)模擬等理論和方法，研究了節(jié)理對巖層及地表移動變形的影響、層面效應(yīng)，得出了一些有用的定性和定量結(jié)論。同時提出了“層面滑移的多層巖梁模型”。目前，廣泛使用的彈性、彈塑性有限元法、邊界元和離散元等模擬方法也都是建立在連續(xù)介質(zhì)的理論之上的。非連續(xù)介質(zhì)理論（1） 非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中最有成效的是隨機(jī)介質(zhì)理論，在我國發(fā)展成為概率積分法。經(jīng)過我國開采沉陷工作者20多年的研究，目前已成為我國較成熟的、應(yīng)用最為廣泛的預(yù)計方法之一。（2） 將巖體看作是由橢圓形質(zhì)點(diǎn)所構(gòu)成的具有抗壓和抗剪能力、而抗拉能力較小的松散介質(zhì)，在求解雙層巖體（基巖和沖積層）的問題時，得出了緩斜煤層開采的下沉剖面方程。⑶將巖體假設(shè)為：巖體是由于開采破壞引起的和原生的節(jié)理系、裂隙系等所分割的不連續(xù)介質(zhì)，可以用碎塊體模型描述；巖體是各向異性的、非均質(zhì)的、不連續(xù)的；承認(rèn)“疊加原理”。仿照隨機(jī)介質(zhì)理論的分析方法，得到地表移動變形預(yù)計的威布爾分布法。該方法可以描述不對稱移動盆地：（4）引入了空隙擴(kuò)散和空源等概念，建立了空隙擴(kuò)散微分方程，并初步研究了該方程在開采沉陷中的應(yīng)用。這是對隨機(jī)介質(zhì)理論的補(bǔ)充和發(fā)展。評述無論是連續(xù)介質(zhì)理論還是非連續(xù)介質(zhì)理論，應(yīng)用于開采沉陷及巖層移動的研究，所推導(dǎo)出的地表位移和應(yīng)變應(yīng)當(dāng)同實(shí)地觀測到的事實(shí)吻合。只有這樣才能達(dá)到實(shí)用。連續(xù)介質(zhì)和非連續(xù)介質(zhì)理論應(yīng)用于礦山開采沉陷，描述開采沉陷過程只能是宏觀上的相仙.要揭示開采空間上覆巖體內(nèi)部的移動變形有很大的局限性。礦山開采導(dǎo)致上覆巖體破壞的最終結(jié)果是部分巖體破碎（成為非連續(xù)介質(zhì)），大部分巖體是完整的彎曲（連續(xù)介質(zhì)）。非連續(xù)部分的巖體是由連續(xù)巖體逐漸破斷而形成的，它與開采的進(jìn)程具有直接的關(guān)系。因此，要全面深入的研究上覆巖層的沉陷機(jī)理，必須：（1）研究開采沉陷工程巖體尺寸范圍內(nèi)巖體的破斷準(zhǔn)則；（2）巖體破斷成為非連續(xù)介質(zhì)后，在不同受力條件下所表現(xiàn)的力學(xué)性質(zhì)；（3）連續(xù)介質(zhì)和非連續(xù)介質(zhì)之間在不直接接觸、部分直接接觸創(chuàng)直接接觸條件下獻(xiàn)鍋臺問題，且這一司題必須在動態(tài)環(huán)境中進(jìn)行考慮（原連續(xù)巖體部分轉(zhuǎn)化為非連續(xù)，連續(xù)韌非連續(xù)巖體之間從不直接接觸列部分直接接觸到直接接觸）：解決好以上幾個關(guān)鍵問題，才有可能在開采沉陷基本理論方面實(shí)現(xiàn)重大約突破；應(yīng)用（成果轉(zhuǎn)化）：對一個計劃進(jìn)行開采的一個或多個工作面，根據(jù)其地質(zhì)采煤條件和所選用的預(yù)計函數(shù)、參數(shù)，預(yù)先計算出受此開采影響的地表移動和變形的工作，稱為地表移動和變形預(yù)計。地表移動和變形預(yù)計的意義和作用地表移動和變形預(yù)計是開采損害與保護(hù)的核心內(nèi)容之一。（1）在理論研究上，利用預(yù)計結(jié)果可以定量地研究受開采影響的地表在時間上和空間上的分布規(guī)律。為了提高預(yù)計的準(zhǔn)確性，必須對預(yù)計方法所采用的理論模型及其參數(shù)與地質(zhì)來煤條件之間的定性、定量關(guān)系進(jìn)行深入的研究，這些研究又進(jìn)一步加深了對地表移動和變形基本規(guī)律的認(rèn)識。⑵在生產(chǎn)實(shí)踐上，利用預(yù)計結(jié)果可以指導(dǎo)建筑物下、鐵路下和水體下（簡稱為“三下”）的開采實(shí)踐。在建筑物下開采時.預(yù)計結(jié)果可以用來判別建筑物是否受開采影響和受開采影響的程度，作為受影響建筑物進(jìn)行維修、加固、搬遷，或就地重建的依據(jù)；在鐵路下開采時，可以根據(jù)預(yù)計結(jié)果判斷鐵路下開采的可能性，估算鐵路維修的工作量和材料用量，文排維修計劃?在水體下開采時，預(yù)計結(jié)果被用來判斷礦井受水患威脅的程度以及研究開采對受影響的堤壩等水工建筑物的破壞和影響的程皮，以便進(jìn)行必要的維修和保護(hù)。地表移動和變形預(yù)計的內(nèi)容根據(jù)預(yù)計的要求、保護(hù)對象的空間位置和開采煤層的情況容主要有如下方面：最大值的預(yù)計。預(yù)計地表指定部位的下沉、傾斜、曲率、水平移動利水平變形的最大值及其出現(xiàn)的位置。主斷面上地表移動和變形的預(yù)計。預(yù)計地表沿下沉盆地的走向或傾向主斷面的移動和變形分布情況。地表上任意點(diǎn)的移動和變形值的預(yù)計。預(yù)計地表下沉盆地內(nèi)任一點(diǎn)的下沉值及該點(diǎn)沿指定方向的傾斜、曲率、水平移動和水平變形值。多工作面或多煤層開采時地表移動和變形預(yù)計。地表移動和變形預(yù)計時主要考慮到其受重復(fù)采動的綜合影響。預(yù)計方法的分類依據(jù)建立預(yù)計方法的途徑不同，可分為經(jīng)驗(yàn)方法、理淪模型方法及影響函數(shù)法三種。3.1經(jīng)驗(yàn)方法經(jīng)驗(yàn)方法是在特定的地質(zhì)采煤條件下，通過大量的開采沉陷實(shí)側(cè)資料的數(shù)據(jù)處理，確定各種移動和變形的預(yù)計函數(shù)形式(解析公式、曲線或表格)和預(yù)計參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。這種方法是當(dāng)前最可靠、預(yù)計精度比較高的方法。經(jīng)驗(yàn)方法主要有典型曲線法、剖面雨數(shù)法和威布爾分布法等。3.2理論模型方法理論模型方法是把巖體抽象為某個數(shù)學(xué)的、力學(xué)的或數(shù)學(xué)一力學(xué)的理論模型，按照這個模型計算山受開采影響巖休產(chǎn)生的移動、變形和應(yīng)力的分布情況。該法所用的理論模型分兩種：連續(xù)介質(zhì)模型和非連續(xù)介質(zhì)模型(如彈性梁審曲、彈塑性模型、有限元和邊界元模擬等)。連續(xù)介質(zhì)模型認(rèn)為巖層和地表是一種連續(xù)的、元間斷的一種固體，按力學(xué)方法進(jìn)行求解，公式比較復(fù)雜，所用的參數(shù)常用實(shí)驗(yàn)窒試驗(yàn)或理論推導(dǎo)求得，一般與現(xiàn)場實(shí)測資料沒有直接關(guān)系，難以確定，至今沒得到廣泛的應(yīng)用。理論模型方法主要有有限元法、邊界元法、離散元法和非線性力學(xué)法等。3.3影響函數(shù)法影響函數(shù)法是介于經(jīng)驗(yàn)方法和理論模型方法之間的一種比較有效的預(yù)計方法。其實(shí)質(zhì)是根據(jù)理論研究或其他方法確定微小單元開采對巖層或地表的影響(以影響函數(shù)表示)，把整個開采對嶄層和地表的影響看做采區(qū)內(nèi)所有微小單元開采影響的總和，并扼此計算整個開采引起的巖層和地表的移動和變形。目前，此法所聞的參數(shù)常根據(jù)實(shí)測資料求定。影響函數(shù)法主要有概率積分法、布德雷克和柯赫曼斯基法。我國應(yīng)用最多的方法是概率積分法、典型曲線法和負(fù)指數(shù)函數(shù)法。涉及學(xué)科：測量、采