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。針對開采沉陷及“三下”采煤技術(shù)，國內(nèi)外均進行了大量研究，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引起覆巖巖層和地表移動，這是一個非常復(fù)雜的力學(xué)變化和時空變化過程，其變化過程可簡單描述為：變形～下沉～破壞～垮落，最后會在沉陷區(qū)的地表產(chǎn)生一個下沉的盆地。為了研究采空區(qū)地表與巖層的移動規(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站，作了許多用于觀測的測點，在長期對其進行觀測后，從而獲得了測點的高程及水平位移的實測數(shù)據(jù)。最后再利用數(shù)學(xué)方法對實測數(shù)據(jù)進行回歸分析，從而獲得地表移動和變形的參數(shù)以及能夠描述地表點沉陷形態(tài)的數(shù)學(xué)函數(shù)表達式（如典型曲線法、剖面函數(shù)法）。

隨著對采空區(qū)研究的進一步加深，學(xué)者們又提出了一種較為高級的理論，即：開采塌陷隨機介質(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、李特維尼申及我國的劉寶琛，他們認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，對于科諾特的幾何理論是很好的完善和補充，這就是“布德雷克—科諾特理論”。

在1965年，我國著名學(xué)者劉寶琛、廖國華等人改進和完善了波蘭學(xué)者李特維尼申的隨機介質(zhì)理論，從而得到了一種新的方法，即概率積分法或隨機介質(zhì)理論法，至今已經(jīng)發(fā)展成為我國預(yù)計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)巖層與地表移動規(guī)律及參數(shù)》中，通過對大量的觀測站數(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和變形的分布規(guī)律，確定了礦區(qū)預(yù)計所使用的參數(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)驗公式。

概率積分法或隨機介質(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)測采空地表移動和變形。但是這種方法并沒有考慮采空區(qū)的移動和沉陷過程，僅僅研究了表象上的定量關(guān)系，雖比較簡單，卻對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）提出了進一步劃分影響帶的方法；《工程地質(zhì)手冊》中，對埋深較淺且地質(zhì)條件簡單的小煤窯采空區(qū)場地提出了臨界深度計算公式，用來評價采空區(qū)場地建筑的適宜性。這些研究成果仍然沒有考慮巖體的力學(xué)特征，建立的幾何圖形簡單而直觀，所以對巖體與地表沉陷的本質(zhì)過程沒有做出合理解釋。對于巖體的破壞與變形的規(guī)律，研究學(xué)者經(jīng)過了長期艱苦卓越的探索和研究，發(fā)現(xiàn)用簡單的幾何圖形來進行描述是不科學(xué)的。

2 力學(xué)的研究方法

近些年來，一些學(xué)者將巖體看做運動規(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巖體的擾動，提出了求解采動應(yīng)力和位移的方法；在80年代，我國學(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，我國學(xué)者李增琪將覆巖假設(shè)為層梁、板的彎曲，運用數(shù)學(xué)上的傅里葉變換法推了巖層的移動公式；吳立新和王金莊對地表與覆巖在條帶開采條件下的沉陷規(guī)律進行了研究；麻鳳海采用了復(fù)合介質(zhì)力學(xué)模型，對采空區(qū)地表和覆巖的下沉公式進行了推導(dǎo)。

應(yīng)當(dāng)指出，目前學(xué)者們比較認同的是，將覆巖移動歸為板（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際問題，但力學(xué)模型中就不可能將實際工程中所有的影響因素全部考慮進來，所以在力學(xué)模型中必須已解決針對性地將其簡化為理想模型，學(xué)者們的研究的模型各有側(cè)重點，仍屬“仁者見仁，智者見智”，要想得完善的理論模型，還需要進一步的深入研究。

3 數(shù)值模擬和相似材料模擬的研究方法

近十多年來，伴隨著計算機技術(shù)日新月異以及對采空區(qū)研究手段的不斷進步，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，都極大地推動了開采沉陷理論的發(fā)展。

數(shù)值方法在采動沉陷研究中的優(yōu)點是：它即適用于不同特征的巖體，又可以將巖體的固有屬性進行考慮，與實際的采動巖體沉陷狀態(tài)將會更加相符。基于這些優(yōu)點，國內(nèi)外許多學(xué)者對采空區(qū)進行大量的研究，值得一提的是，在近十多年來我國的專家學(xué)者在這方面的研究尤為突出，也取得了一系列非常有價值的成果：例如，楊碩用力學(xué)方法計算了開采沉陷，用力學(xué)模型揭示了下沉和水平移動之間的聯(lián)系，得出了用兩條下沉曲線預(yù)測的水平移動曲面與實測結(jié)果相接近的結(jié)論；張俊英利用三維有限元模擬方法對大傾角多煤層條帶開采進行了研究，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驗和數(shù)值模擬計算，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，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)。長沙理工大學(xué)王玉標對采空區(qū)路基變形基本規(guī)律進行了研究。另外，其他學(xué)者也通過不同手段對各類采空區(qū)進行了不同程度的研究。

4 結(jié)語

目前，在對于采空區(qū)的研究方面，國內(nèi)外都沒有形成一套非常標準完善的理論體系，而運用已有的理論去解決實際工程問題時，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。

參考文獻

[1] 殷作如，鄒友峰，馬偉民.開灤礦區(qū)巖層與地表移動規(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。