孫慶先，張 勇，陳清通，李宏杰

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤礦災(zāi)害防控全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013；4.應(yīng)急管理部信息研究院，北京 100029）

礦產(chǎn)資源開采導(dǎo)致的地表沉陷問題很早就引起了人們的關(guān)注。1931 年，德國高等學(xué)校的礦業(yè)學(xué)院開授《Bergschadenkunde》課程，標(biāo)志著開采沉陷學(xué)這一新的科學(xué)技術(shù)分支的誕生，此后全球主要產(chǎn)煤國家在相同研究領(lǐng)域出現(xiàn)了類似研究成果，英文稱為Mining Subsidence，俄文稱為Cдвижниeгopныxпopoд и зeмнoй пoвepxнocти[1-5]。

開灤礦務(wù)局林西礦于1954 年開始觀測的黑鴉子觀測站（1953 年建立觀測站）是我國第一個地表移動變形觀測站[2,5]，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為這是我國開采沉陷學(xué)研究工作的開端標(biāo)志。自那時起至今，我國開采沉陷學(xué)研究工作已經(jīng)走過了70 年的歷程。本文對我國開采沉陷學(xué)70 年研究工作進(jìn)行回顧總結(jié)，探討理論技術(shù)存在的難點(diǎn)問題，提出未來的研究方向建議，以期推動開采沉陷學(xué)的不斷發(fā)展。

1 我國開采沉陷學(xué)研究的重要成就

開采沉陷學(xué)研究的主要內(nèi)容是覆巖破壞和地表移動變形特征和規(guī)律，研究成果是開采沉陷控制、開采設(shè)計優(yōu)化、土地復(fù)墾和采空區(qū)地基穩(wěn)定性評價的科學(xué)依據(jù)。

1.1 覆巖破壞規(guī)律

我國學(xué)者劉天泉院士創(chuàng)立了比較完整的礦山巖體采動響應(yīng)理論體系[6-8]。巖體采動響應(yīng)理論認(rèn)為，長壁垮落法開采條件下，礦層周圍巖體變形的最普遍形式為“三帶”型：上覆巖層形成垮落帶、裂縫帶（導(dǎo)水裂隙帶）和彎曲下沉帶（“上三帶”）；下伏巖層形成導(dǎo)水破壞帶、阻水帶和導(dǎo)升帶（“下三帶”）；采空區(qū)周邊形成片落帶、塑性變形帶和彈性變形帶（“側(cè)三帶”）；最終形成的靜態(tài)沉陷盆地由里到外劃分為中間區(qū)（中性區(qū)）、內(nèi)邊緣區(qū)（壓縮區(qū)）、外邊緣區(qū)（拉伸區(qū)）。在整理分析大量實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，劉天泉院士還總結(jié)出了垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度的經(jīng)驗(yàn)公式，以及導(dǎo)水破壞帶的經(jīng)驗(yàn)公式。礦山巖體采動響應(yīng)理論具有開拓性和創(chuàng)造性，對“三下一上”（建筑物下、水體下、鐵路下、承壓水上）采煤、井巷合理布置和地面保護(hù)措施具有指導(dǎo)意義。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，專家學(xué)者采用新方法、新技術(shù)、新理論提出了一些新的觀點(diǎn)，對巖體采動響應(yīng)理論進(jìn)行修改、補(bǔ)充、完善。有學(xué)者認(rèn)為[9]，基巖是非均質(zhì)、非連續(xù)的各向同性體，表土層是非均質(zhì)、各向異性的不抗拉松散體，根據(jù)覆巖破壞后的力學(xué)結(jié)構(gòu)特征不同，將覆巖分為破裂帶、離層帶、彎曲帶和松散沖積層帶，這一觀點(diǎn)揭示了地表水平移動機(jī)理，解釋了地表水平移動曲線和傾斜曲線形態(tài)一致（或相似）的原因。有學(xué)者認(rèn)為[10]，與炮采、普采工藝相比較，綜采（綜放）工藝的覆巖破壞程度更加劇烈，因而導(dǎo)水裂隙帶高度也就更大，這一觀點(diǎn)被大量實(shí)測數(shù)據(jù)證實(shí)是正確的。很多學(xué)者[11-15]采用數(shù)理統(tǒng)計回歸分析的方法，總結(jié)出了綜采（綜放）工藝條件下“兩帶”高度計算的經(jīng)驗(yàn)公式。采用灰色關(guān)聯(lián)理論對大量實(shí)測數(shù)據(jù)分析后認(rèn)為[16-17]，影響導(dǎo)水裂隙帶高度的因素有很多，其中影響力最大的為開采厚度，其次為頂板堅硬程度。有學(xué)者[18]以39 例實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用多元回歸分析方法，得到了綜采導(dǎo)水裂隙帶高度與采高、硬巖巖性比例系數(shù)、工作面斜長、采深、開采推進(jìn)速度5 種因素的非線性統(tǒng)計關(guān)系式，計算結(jié)果比僅考慮采高單一因素的經(jīng)驗(yàn)公式更加可靠，但由于硬巖巖性比例系數(shù)難以準(zhǔn)確計算、推進(jìn)速度和采深變化不定、影響因素考慮不齊全或難以量化等原因，這一公式未廣泛推廣應(yīng)用。關(guān)鍵層理論為開采沉陷研究帶來了新視角，有研究認(rèn)為[19]，覆巖中是否存在關(guān)鍵層以及主關(guān)鍵層的位置是影響導(dǎo)水裂隙帶高度的極為重要因素，這一觀點(diǎn)合理地解釋了實(shí)測結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計算結(jié)果不相符合的現(xiàn)象；有學(xué)者[20]提出了基于關(guān)鍵層穩(wěn)定及斷裂后運(yùn)動特點(diǎn)的“上三帶”劃分新方法及其適用條件，驗(yàn)證結(jié)果表明，新方法更接近實(shí)際。數(shù)值模擬[19,21]、相似材料模擬[20,22]、灰色關(guān)聯(lián)分析[16-17]、模糊理論[23-24]、支持向量機(jī)模型[23]、層次分析[24]、聚類分析[24]、遺傳算法[25]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[25-26]等手段和理論方法在部分礦區(qū)取得了較為滿意的效果。以上新方法、新技術(shù)、新理論的應(yīng)用，特別是關(guān)鍵層理論的應(yīng)用，說明了對覆巖破壞規(guī)律的認(rèn)識，正在試圖由鉆孔揭露實(shí)測數(shù)據(jù)分析轉(zhuǎn)向巖體力學(xué)性質(zhì)和運(yùn)動特征研究，或者說，試圖根據(jù)現(xiàn)象揭示本質(zhì)。

1.2 地表移動變形規(guī)律

開采沉陷計算方法可分為基于實(shí)測資料的經(jīng)驗(yàn)方法和理論模擬方法，理論模擬方法又分為基于連續(xù)介質(zhì)理論和非連續(xù)介質(zhì)理論兩種。我國主要沿著經(jīng)驗(yàn)方法和非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)兩個方向開展研究。

負(fù)指數(shù)函數(shù)法、典型曲線法等經(jīng)驗(yàn)方法計算相對簡單，又能解決實(shí)際問題，因而受到工程技術(shù)人員的青睞，在我國早期的開采沉陷研究中占有重要地位。周國銓教授是我國開采沉陷專業(yè)的開拓者和奠基人之一，他于1963 年提出創(chuàng)立了負(fù)指數(shù)函數(shù)計算方法，推導(dǎo)出了地表任意點(diǎn)的變形計算公式[27-29]。經(jīng)驗(yàn)方法基于對實(shí)測數(shù)據(jù)的分析，計算結(jié)果可靠，因而很多礦區(qū)開展了地表移動變形觀測工作，有的礦務(wù)局還組建專門的開采沉陷團(tuán)隊(duì)從事研究工作。例如，峰峰礦務(wù)局組建“三下”采煤研究室，最大規(guī)模時期有數(shù)十人從事開采沉陷研究，自1955 年開始在礦區(qū)建立了不同地質(zhì)采煤條件下的觀測站40 余個，經(jīng)過數(shù)十年的研究，建立了符合礦區(qū)特點(diǎn)的典型曲線法，提出了積分格網(wǎng)法地表變形計算方法，研究成果獲得了國內(nèi)外同行的高度評價[1,30-32]。經(jīng)驗(yàn)方法不僅解決了礦區(qū)的“三下”采煤問題，也對推進(jìn)開采沉陷的深入研究作出了貢獻(xiàn)。

圍巖介質(zhì)的類型可分為連續(xù)介質(zhì)和非連續(xù)介質(zhì)兩種。蘇聯(lián)學(xué)者阿威爾辛（C.Г.Aвepшин）視圍巖為連續(xù)介質(zhì)，波蘭學(xué)者李特維尼申（J.Litwiniszyn）則視其為非連續(xù)介質(zhì)。李特維尼申（J.Litwiniszyn）是隨機(jī)介質(zhì)理論的首創(chuàng)者，他認(rèn)為巖體介質(zhì)無法說清是彈性的、塑性的、連續(xù)的、松散的還是整體的，因此，籠統(tǒng)地將礦山巖體介質(zhì)稱為隨機(jī)介質(zhì)。我國學(xué)者劉寶琛院士等發(fā)展了李特維尼申（J.Litwiniszyn）的隨機(jī)介質(zhì)理論，進(jìn)一步理想化模型，假定顆粒體介質(zhì)是大小相同、質(zhì)量均一、各向同性的小球，這些小球一層層整齊地排列在沙箱內(nèi)，小球之間完全失去聯(lián)系，可以相對運(yùn)動，當(dāng)某層中的一個小球被取走后，由于重力作用，上一層相鄰的兩個小球之中的一個落入下層被取走小球的位置，上一層相鄰的兩個小球的移動具有隨機(jī)性，并具有相同的概率1/2，如此類推直至最上層的小球，當(dāng)某層中數(shù)量很多的小球被取走后，上一層小球直至最上層小球不斷下落，最上層的小球下落曲線趨近正態(tài)分布概率密度曲線，這就是概率積分法的原理。概率積分法于1965 年提出，1985年正式命名[1,3-4,33]。不同于經(jīng)驗(yàn)方法，概率積分法既有深厚的理論基礎(chǔ)，也有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，隨著計算機(jī)的普及，概率積分法復(fù)雜的計算過程可編程輕松實(shí)現(xiàn)，成為目前我國應(yīng)用最廣泛的地表移動變形計算方法。概率積分法參數(shù)較多，參數(shù)取值受多種因素影響，很多學(xué)者為此做過深入研究。有學(xué)者[34]采用波茲曼（Boltzmann）函數(shù)較為準(zhǔn)確地描述了非充分開采地表下沉系數(shù)關(guān)于采動程度（采寬與采深之比）的全程變化規(guī)律。有學(xué)者[35-36]專門對開采影響傳播角進(jìn)行了研究，認(rèn)為頂?shù)装鍘r性、開采充分程度、煤層傾角等是開采影響傳播角的影響因素。有學(xué)者[37]對厚沖積層礦區(qū)地表移動變形參數(shù)與地質(zhì)采礦條件之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，得到了具有一定指導(dǎo)意義的定量關(guān)系表達(dá)式。數(shù)值模擬[38-39]、相似材料模擬[39]和各種機(jī)器學(xué)習(xí)方法[40-41]在地表移動變形計算方面也發(fā)揮了一定的作用。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[1,42-44]，有時概率積分法的計算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的符合程度不能令人滿意，概率積分法的理論模型及其某些簡化假設(shè)與實(shí)際巖體不符合，由于地質(zhì)采礦因素、重力因素等原因，相鄰的兩個小球落入下層被取走小球位置的概率并不相同，據(jù)此提出了最上層小球下落曲線為威布爾（Webull）分布曲線、Г 分布曲線的觀點(diǎn)。威布爾分布、Г 分布同概率積分法一樣，理論模型都是沙箱模型，認(rèn)為巖層移動過程是符合統(tǒng)計規(guī)律的隨機(jī)過程，因此，都是基于隨機(jī)介質(zhì)理論的[42]。有學(xué)者[4,45]認(rèn)為，無論是概率積分法還是威布爾分布法、Г分布法，其特點(diǎn)都是放棄力學(xué)而選擇幾何的原理表達(dá)，對巖層移動力學(xué)機(jī)理的解釋存在不足，因此，從本質(zhì)上說，都屬于經(jīng)驗(yàn)方法，跟所有的經(jīng)驗(yàn)公式一樣僅服從唯象理論。

理論研究和鉆孔揭露表明[46-48]，關(guān)鍵層對覆巖運(yùn)動過程和地表動態(tài)和終態(tài)形態(tài)具有控制作用，覆巖主關(guān)鍵層的破斷將引起地表變形的顯著變化。關(guān)鍵層理論認(rèn)為[47]，地表下沉是松散層與覆巖關(guān)鍵層運(yùn)動的耦合結(jié)果，關(guān)鍵層的破斷塊度及松散層厚度影響地表下沉曲線特征，松散層較薄或覆巖中有典型的關(guān)鍵層時，松散層將不能完全消化掉關(guān)鍵層的非均勻下沉，此時應(yīng)根據(jù)關(guān)鍵層破斷后下沉曲線特征來預(yù)計地表下沉曲線。為此，很多學(xué)者[49-50]嘗試將關(guān)鍵層理論與概率積分法相結(jié)合，在地表移動變形計算中取得了較為令人滿意的結(jié)果。托板理論是幾乎與關(guān)鍵層理論同時提出的一種假說，托板理論認(rèn)為[2,51-52]，覆巖中某層厚而堅硬的巖層具有很強(qiáng)的抗擾動能力，這層巖層即為托板，托板具有“遏下托上”式控制作用，影響地表沉降，托板理論與關(guān)鍵層理論的技術(shù)思想十分相似，基于托板理論推導(dǎo)出了地表移動變形計算公式和條帶開采采寬優(yōu)化設(shè)計方法。

松散層是覆巖的一部分，其抗拉、抗壓、抗剪能力都很小，與基巖的物理力學(xué)性質(zhì)相差甚遠(yuǎn)，因而對沉陷盆地有較大影響。松散層的存在對沉陷盆地范圍、形態(tài)、持續(xù)時間等都有影響[53]。松散層對采動充分程度也有影響，研究表明[54]，在松散層厚度很大的條件下，用基巖厚度作為衡量采動程度標(biāo)準(zhǔn)更加合理、更符合實(shí)際。這就是說，在衡量采動充分程度時，覆巖厚度中的松散層厚度幾乎是可以剔除的、不予考慮的。在研究淮南礦區(qū)巨厚松散層非充分采動條件下采動程度系數(shù)時，有學(xué)者[53]研究認(rèn)為，松散層厚度應(yīng)折減，折減系數(shù)約為0.1，這意味著，在確定淮南礦區(qū)采動充分程度時，松散層所起的作用僅相當(dāng)于同等厚度基巖所起作用的1/10。在研究潞安礦區(qū)地表移動變形規(guī)律時，有學(xué)者[55]建立了以土巖比（松散層厚度與基巖厚度之比）作為因變量之一的地表移動變形參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式。以上研究成果說明，松散層在地表移動變形中的作用是多樣的、復(fù)雜的。進(jìn)一步的研究表明，不同性質(zhì)的松散層的作用也存在差異，風(fēng)積沙下開采地表下沉系數(shù)較小，而黃土層下開采地表下沉系數(shù)較大[56]。

煤層賦存條件的差異和采礦因素的不同，導(dǎo)致地表移動變形也存在差異。很多學(xué)者總結(jié)了不同礦區(qū)的地表移動變形規(guī)律[57-62]，對煤炭資源的合理開采具有指導(dǎo)作用。例如，有學(xué)者[63]對神東礦區(qū)的實(shí)測數(shù)據(jù)整理統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，炮采、普采條件下得到的地表移動變形延續(xù)時間等計算方法，在淺埋、綜采（綜放）條件下已不再適用。我國西部礦區(qū)煤層埋深淺，開采強(qiáng)度大，地表變形非常劇烈，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非連續(xù)性，有學(xué)者[63-64]專就地裂縫等非連續(xù)變形進(jìn)行過較為系統(tǒng)的研究，得到很多定性、定量的研究成果。

關(guān)于地表移動變形參數(shù)的問題，還有一些新的觀點(diǎn)?，F(xiàn)場實(shí)測發(fā)現(xiàn)，起動距與工作面初次來壓大致相當(dāng)，超前影響距（角）不是一成不變的，而是在一定幅度內(nèi)變化的，地表測點(diǎn)的下沉速度不是一條理想的光滑曲線，而是存在多個峰值，工作面前方地表的裂縫發(fā)育時間、位置、間距、閉合周期等都有一定的規(guī)律性。關(guān)鍵層理論可以很好地解釋上述現(xiàn)象[65-69]，這突破了傳統(tǒng)開采沉陷學(xué)的某些觀點(diǎn)。

1.3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)術(shù)專著等

1955 年，原燃料工業(yè)部頒發(fā)了《地面建筑物及主要井巷保護(hù)暫行規(guī)程》（彼時煤炭工業(yè)部尚未成立），這是我國在開采沉陷方面最早的規(guī)程，在煤礦生產(chǎn)建設(shè)中起到了積極作用，但這部規(guī)程是由國外資料翻譯而成。1985 年，原煤炭工業(yè)部頒發(fā)了由劉天泉院士主持編寫的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》[70]，這是對1955 年后30 年來我國煤礦工程技術(shù)人員和科研工作者在開采沉陷方面研究成果的一次全面總結(jié)與提升。原國家煤炭工業(yè)局于2000 年（1998 年煤炭工業(yè)部已經(jīng)撤銷）頒發(fā)了修訂后的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》[71]，對1985 年版規(guī)程進(jìn)行了大量修訂和補(bǔ)充，增加了沉陷區(qū)環(huán)境影響評價與土地治理、利用和壓煤開采經(jīng)濟(jì)評價等內(nèi)容。2017 年，原國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局等部門頒發(fā)了《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[72]，對2000 年版規(guī)程部分內(nèi)容進(jìn)行了修訂完善，并將

2000 年版規(guī)程中的附錄內(nèi)容和沉陷區(qū)地基穩(wěn)定性、壓煤開采經(jīng)濟(jì)評價具體方法等內(nèi)容編入了《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采指南》[73]。采空區(qū)塌陷是一種地質(zhì)災(zāi)害，其穩(wěn)定性對工程建設(shè)存在影響，為此，交通運(yùn)輸、巖土工程勘察等行業(yè)在相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[74-75]中，專門就“兩帶”高度計算方法、采空區(qū)地表移動變形監(jiān)測、地表移動變形預(yù)測、采空區(qū)穩(wěn)定性評價方法等內(nèi)容作出規(guī)定。這些有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不僅對生產(chǎn)建設(shè)具有指導(dǎo)作用，而且推動了開采沉陷的深入研究。

由唐山煤炭科學(xué)研究院礦山測量研究室編寫的《巖層移動觀測成果的分析和地表移動的預(yù)計》[76]一書于1958 年出版，比較詳細(xì)地介紹了數(shù)據(jù)分析計算和沉陷預(yù)計的方法。1959 年，北京礦業(yè)學(xué)院測量教研室翻譯的蘇聯(lián)學(xué)者阿威爾辛（C.Г.Aвepшин）的專著《煤礦地下開采的巖層移動》[77]由煤炭工業(yè)出版社出版，提出的“水平移動與地面傾斜成正比”觀點(diǎn)至今仍為人們所認(rèn)可。1965 年，劉寶琛院士與廖國華合著的《煤礦地表移動的基本規(guī)律》[33]是對李特維尼申（J.Litwiniszyn）隨機(jī)介質(zhì)理論的繼承和發(fā)展，書中用概率論觀點(diǎn)討論巖層移動規(guī)律，從正態(tài)分布單元盆地出發(fā)推導(dǎo)出盆地剖面圖形的積分表達(dá)式。1991 年，何國清教授等編寫的《礦山開采沉陷學(xué)》[1]教材出版，這是一部經(jīng)典教材，至今仍是開采沉陷研究的必讀書。還有很多學(xué)術(shù)專著或譯著[78-82]相繼出版，繁榮了開采沉陷方面的研究。70 年來，有關(guān)開采沉陷研究的學(xué)術(shù)專著、教材、譯著有數(shù)十部之多。此外，很多礦區(qū)積累了大量的專業(yè)研究報告，未正式公開出版，僅峰峰礦務(wù)局煤研所“三下”采煤研究室編寫的《峰峰礦區(qū)鐵路下采煤總結(jié)》[83]等研究報告就有數(shù)十項(xiàng)之多，研究成果在國內(nèi)外同行中有很大的影響力。

1953 年北京礦業(yè)學(xué)院成立了我國第一個礦山測量專業(yè)，同年邀請?zhí)K聯(lián)專家來華講授有關(guān)開采沉陷的課程，1955 年將開采沉陷列為礦山測量專業(yè)的課程之一，此后作為煤礦行業(yè)測繪類專業(yè)的課程一直保留至今[2,84]。1956 年3 月成立的開灤煤炭研究所下設(shè)礦山測量研究室，是我國最早的礦山測量研究機(jī)構(gòu)，曾幾經(jīng)易名和歸屬，研究內(nèi)容包括開采沉陷，出版了多部有關(guān)學(xué)術(shù)專著，參與了有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定和修訂，主辦的《礦山測量》雜志創(chuàng)刊于1973 年，有關(guān)開采沉陷的研究成果是《礦山測量》雜志最重要的報道內(nèi)容之一，在學(xué)術(shù)界享有很高的聲譽(yù)和影響力[2,29]。中國煤炭學(xué)會煤礦開采損害技術(shù)鑒定委員會于1993 年3 月21 日正式成立，首任主任委員為劉天泉院士，開采損害技術(shù)鑒定委員會于2003 年列入人民法院鑒定機(jī)構(gòu)，于2007 年列入最高人民法院司法技術(shù)專業(yè)機(jī)構(gòu)，其主要任務(wù)是進(jìn)行開采損害評價，為解決礦山開采損害爭議提供咨詢服務(wù)。這些事件都有力地推動了開采沉陷研究的深入發(fā)展。

2 存在的難點(diǎn)問題

有關(guān)開采沉陷學(xué)的研究成果解決了大部分煤炭資源合理安全開發(fā)和減災(zāi)防災(zāi)工作中的問題，有部分學(xué)者認(rèn)為，有關(guān)開采沉陷的理論技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，再無深入研究的必要[4]。筆者對70 年來的研究成果進(jìn)行系統(tǒng)梳理后發(fā)現(xiàn)，直至目前，對很多開采沉陷理論方法的理解認(rèn)識尚不透徹，還有很多難點(diǎn)問題沒有得到解決，應(yīng)繼續(xù)開展更深入的研究。本文僅討論幾個爭議較大、關(guān)注較多的問題。

2.1 圍巖介質(zhì)類型的問題

蘇聯(lián)學(xué)者阿威爾辛（C.Г.Aвepшин）認(rèn)為圍巖屬于連續(xù)介質(zhì)，他在《煤礦地下開采的巖層移動》[77]一書中提出的“水平移動與地面傾斜成正比”的觀點(diǎn)符合實(shí)際情況。數(shù)值模擬軟件FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continuum）是一款基于連續(xù)介質(zhì)理論開發(fā)的國際通用巖土工程專業(yè)分析軟件，大量的研究成果表明，使用FLAC 軟件完成的開采沉陷模擬計算結(jié)果是比較可靠的。我國學(xué)者劉寶琛院士等基于隨機(jī)介質(zhì)理論提出的概率積分法和其他學(xué)者提出的威布爾分布法都屬于非連續(xù)介質(zhì)理論，其中，概率積分法被絕大多數(shù)學(xué)者所認(rèn)可，是最具普適性的方法。UDEC（Universal Distinct Element Code）是針對非連續(xù)介質(zhì)（節(jié)理巖體）開發(fā)的三維離散元程序，在開采沉陷研究中也被廣泛應(yīng)用，大量的研究成果證實(shí)，UDEC 模擬計算結(jié)果有很高的可信度。

將圍巖視為連續(xù)介質(zhì)或非連續(xù)介質(zhì)是開采沉陷學(xué)研究中理論基礎(chǔ)完全不同的兩種學(xué)術(shù)流派，從前文所述可知，無論哪種流派，其研究結(jié)果都與實(shí)際情況有較好的吻合度，也即兩種學(xué)術(shù)流派都具有合理性。但圍巖究竟是連續(xù)介質(zhì)還是非連續(xù)介質(zhì)，亦或是其他介質(zhì)，則是一個目前難以準(zhǔn)確回答的問題，有學(xué)者[85]認(rèn)為巖體力學(xué)介質(zhì)分類理論是“未解之百年問題”，但這也是一個無法回避的基礎(chǔ)的、根本的問題，是礦山開采有關(guān)理論研究學(xué)者們必須面對的問題，這是因?yàn)?，不同性質(zhì)的圍巖所采用的理論方法不同，其研究結(jié)論也就存在差異。筆者認(rèn)為，絕對化地視圍巖為某種介質(zhì)是不準(zhǔn)確的，從巖體力學(xué)的尺度效應(yīng)、時間效應(yīng)等方面考慮更類似哪種介質(zhì)，具體情況具體分析，以適合該介質(zhì)的力學(xué)方法描述圍巖運(yùn)動，或許能得到更接近實(shí)際的結(jié)果。

2.2 概率積分法局限性的問題

在1985 年版《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》[70]中，概率積分法被推薦為地表移動變形計算的方法之一。在2000 年版《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》[71]中，概率積分法被稱為“常用方法”。在2017年版《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[72]中，概率積分法被冠以“最為常用的方法”?？梢?，在地表移動變形計算中，概率積分法的影響力在幾十年間不斷提高，進(jìn)入21 世紀(jì)之后，其他地表移動變形計算方法的研究成果幾近銷聲匿跡。

然而，很早就有學(xué)者[1,42,86-88]注意到，在極不充分采動、大傾角、厚松散層、工作面形狀不規(guī)則、條帶開采等條件下，概率積分法的計算結(jié)果與實(shí)際情況的符合程度并不能令人滿意。大量實(shí)測資料表明[4]，在煤壁一側(cè)的地表下沉曲線常常收斂很慢，出現(xiàn)長尾現(xiàn)象，也就是說，地表下沉盆地是偏態(tài)的，不關(guān)于拐點(diǎn)反對稱，下沉曲線拐點(diǎn)處的下沉并非最大下沉值的一半，該處的水平移動與傾斜也不是最大值，甚至在充分采動區(qū)內(nèi)還存在水平移動等不符合概率積分法理論的現(xiàn)象，有時計算結(jié)果的精度不如無理論基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)方法。對大量實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)，概率積分法在淺埋煤層礦區(qū)的應(yīng)用效果遠(yuǎn)不如在煤層埋深較大的礦區(qū)[89]，這說明概率積分法在不同地質(zhì)采礦條件下的適用性是不同的，不太適合淺埋煤層礦區(qū)。

概率積分法的局限性是多方面的。以水平煤層和充分開采為建模出發(fā)點(diǎn)，將圍巖視為隨機(jī)介質(zhì)是概率積分法的理想化的、假設(shè)的前提條件，這既不符合圍巖復(fù)雜介質(zhì)的實(shí)際，也未考慮煤層賦存條件和煤層開采工藝方法等條件，而且也無法反映覆巖的復(fù)雜運(yùn)動過程[4,86]。概率積分法的特點(diǎn)是放棄力學(xué)而選擇幾何的原理表達(dá)，這使得公式的應(yīng)用成為可能。概率積分法參數(shù)的力學(xué)意義不明確，對巖層移動力學(xué)機(jī)理的解釋不足，可以說概率積分法是一種純數(shù)學(xué)的方法。早在20 世紀(jì)80 年代，作為首創(chuàng)者的劉寶琛院士[90]重新審視概率積分法時就做過客觀的評價，認(rèn)為概率積分法存在缺陷，提出過從巖體流變理論角度進(jìn)行采煤沉陷研究的思路。有學(xué)者[4,45]認(rèn)為，概率積分法雖然有深厚的理論基礎(chǔ)，但未揭示開采沉陷的力學(xué)行為本質(zhì)，所以也屬于服從唯象理論的經(jīng)驗(yàn)方法。筆者研究認(rèn)為，概率積分法計算結(jié)果基本可滿足地表連續(xù)變形的有關(guān)工程的精度之需，當(dāng)?shù)乇沓霈F(xiàn)裂縫、塌陷坑等非連續(xù)變形時，對概率積分法的計算結(jié)果應(yīng)謹(jǐn)慎對待。

在此說明，很多文獻(xiàn)資料采用FLAC 軟件進(jìn)行開采沉陷數(shù)值模擬，與概率積分法計算結(jié)果進(jìn)行比較分析，相互驗(yàn)證，意在說明結(jié)論的可靠性。筆者認(rèn)為，F(xiàn)LAC 軟件和概率積分法分別基于連續(xù)介質(zhì)理論和非連續(xù)介質(zhì)理論，無論兩種理論方法得到的結(jié)果是否接近、接近到何種程度，這種相互驗(yàn)證做法的合理性存疑，因?yàn)橥耆煌膬煞N理論方法不具有可比性。

2.3 綜采（綜放）“兩帶”高度和形態(tài)的問題

對大量實(shí)測數(shù)據(jù)整理統(tǒng)計分析得到的炮采、普采條件下的經(jīng)驗(yàn)公式一直沿用至今，有力地指導(dǎo)了煤炭資源的安全合理開采。實(shí)測資料表明，綜采（綜放）條件下的覆巖破壞程度更加劇烈，“兩帶”高度更大，有關(guān)規(guī)程中推薦的“兩帶”高度計算公式計算結(jié)果比實(shí)測數(shù)據(jù)明顯偏小，這給煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)帶來了極大的安全隱患。為此，很多學(xué)者[10-17,91-92]試圖通過分析大量實(shí)測數(shù)據(jù)建立綜采（綜放）條件下“兩帶”高度與地質(zhì)采礦因素之間的經(jīng)驗(yàn)公式。筆者在對諸多經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行驗(yàn)算比較后發(fā)現(xiàn)，這些公式計算結(jié)果大體相近，與神東礦區(qū)鉆孔實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)的離散程度均較大，沒有哪個經(jīng)驗(yàn)公式更明顯適合神東礦區(qū)，難以區(qū)分優(yōu)劣。

神東礦區(qū)補(bǔ)連塔煤礦31401 綜采工作面是四盤區(qū)的首采面，工作面傾斜長265 m，走向長4 629 m，開采1-2煤層，采厚4.2～4.5 m，傾角1°～3°，煤層埋深180～250 m，基巖厚度120～190 m，基巖上部有厚度不等的砂礫含水層。鉆孔實(shí)測數(shù)據(jù)揭露，31401 工作面導(dǎo)水裂隙帶高度達(dá)到150 m 左右，進(jìn)入到了砂礫含水層，導(dǎo)致了工作面連續(xù)發(fā)生了數(shù)十起工作面突水事故，嚴(yán)重影響了工作面的正常生產(chǎn)[19,65,93]。但是，按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[72]推薦的經(jīng)驗(yàn)公式和文獻(xiàn)資料[11-14,92]總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式計算導(dǎo)水裂隙帶最大高度分別為55 m和62 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鉆孔實(shí)測數(shù)據(jù)。這說明，無論規(guī)程推薦的經(jīng)驗(yàn)公式還是文獻(xiàn)資料總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式，對于補(bǔ)連塔煤礦31401 工作面都不適用。有學(xué)者[19]研究指出，當(dāng)覆巖主關(guān)鍵層與開采煤層距離大于7～10倍采高時，可按規(guī)程中推薦的經(jīng)驗(yàn)公式計算結(jié)果確定導(dǎo)水裂隙帶高度，當(dāng)覆巖主關(guān)鍵層與開采煤層距離小于7～10 倍采高時，導(dǎo)水裂隙帶高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于經(jīng)驗(yàn)公式計算結(jié)果。31401 工作面的后續(xù)開采過程證實(shí)了這一技術(shù)觀點(diǎn)是合理可信的。筆者查閱資料發(fā)現(xiàn)，神東礦區(qū)布爾臺煤礦23101 工作面[12]也存在超高導(dǎo)水裂隙帶的現(xiàn)象，以往的各種經(jīng)驗(yàn)公式也不適用。雖然補(bǔ)連塔煤礦31401 工作面和布爾臺煤礦23101工作面的超高導(dǎo)水裂隙帶現(xiàn)象在神東礦區(qū)僅是個案，但這個現(xiàn)象應(yīng)引起足夠重視，需要重新審視以往的研究成果，運(yùn)用新理論方法，打開新思路。

多數(shù)學(xué)者[1,10,91]認(rèn)為，長壁工作面的導(dǎo)水裂隙帶形態(tài)為“馬鞍”形，采動強(qiáng)度越大，覆巖破壞程度越劇烈，“馬鞍”兩側(cè)越高而中部越低，這一觀點(diǎn)被鉆孔揭露的實(shí)測數(shù)據(jù)所證實(shí)。有學(xué)者[12,94-97]研究表明，導(dǎo)水裂隙帶的形狀為“拱”形或其他形狀，不是“馬鞍”形。筆者查閱大量數(shù)值模擬和相似材料模擬的有關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)水裂隙帶的形態(tài)多呈“梯形”或“拱”形，與“馬鞍”形相去甚遠(yuǎn)。數(shù)值模擬和相似材料模擬結(jié)果屬于實(shí)測資料，顯然與鉆孔揭露的實(shí)測資料不相符合。那么，導(dǎo)水裂隙帶到底是什么形態(tài)呢？或者何種地質(zhì)采礦條件下出現(xiàn)何種形態(tài)呢？導(dǎo)水裂隙帶高度和形態(tài)關(guān)系到煤礦的安全生產(chǎn)，是值得深入研究的。

2.4 地表殘余變形特征與規(guī)律的問題

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[72]，地表移動變形延續(xù)時間是最大下沉點(diǎn)從移動開始至移動穩(wěn)定結(jié)束的持續(xù)時間，分為初始期、活躍期、衰退期。移動穩(wěn)定的標(biāo)志是連續(xù)6 個月下沉不超過30 mm。實(shí)際上，衰退期之后，地表仍繼續(xù)緩慢下沉，下沉量很小，稱為殘余下沉。殘余下沉的時間極其漫長。

為滿足越來越多的采空區(qū)上方地表建筑工程之需，有關(guān)殘余變形的計算分析越來越受到更多人的關(guān)注，研究成果越來越多。很多學(xué)者[73,98-101]認(rèn)為，殘余變形符合概率積分法，為此，還專就下沉系數(shù)等參數(shù)如何取值進(jìn)行過深入探討。也有學(xué)者提出新的思路，例如建立殘余下沉值與延續(xù)時間的負(fù)指數(shù)函數(shù)模型[102]，又例如對沉陷區(qū)進(jìn)行分區(qū)處理[103-105]，但是這些研究成果僅是對概率積分法的修正。根據(jù)概率積分法原理可知，地表下沉量由邊界向中部逐漸增大，而實(shí)測數(shù)據(jù)[106]表明，采空區(qū)邊界殘余下沉量略大于采空區(qū)中心殘余下沉量。這說明，地表殘余變形不符合概率積分法的規(guī)律。地表殘余變形可持續(xù)數(shù)十年甚至百年以上，到目前為止，筆者未發(fā)現(xiàn)5 年以上的殘余下沉實(shí)測記錄的公開文獻(xiàn)，因此，地表殘余變形符合何種規(guī)律無法得到有效驗(yàn)證，此前關(guān)于地表殘余變形特點(diǎn)和規(guī)律的研究成果僅是理論上的推測。

2.5 動態(tài)地表移動變形的問題

傳統(tǒng)開采沉陷理論認(rèn)為，地表點(diǎn)的下沉速度曲線是一條光滑的曲線，下沉速度值由小變大，至峰值后再變小，近似正態(tài)分布曲線。有學(xué)者[107-108]研究認(rèn)為，地下開采引起的地表移動變形是一個包括時間變量的復(fù)雜四維空間問題，地表移動變形動態(tài)過程預(yù)計的核心問題是確定地表移動變形過程的時間函數(shù)，根據(jù)下沉速度曲線特征將地表下沉全過程劃分為初始期、活躍期、衰退期、殘余變形期4 個階段。現(xiàn)有的動態(tài)過程預(yù)計通常采用下沉速度積分或在終態(tài)預(yù)計方法的基礎(chǔ)上附加一個時間函數(shù)的形式來實(shí)現(xiàn)，很多學(xué)者[5,108-113]就地表動態(tài)過程的時間函數(shù)進(jìn)行過嘗試，典型的時間函數(shù)包括Knothe 函數(shù)及修正Knothe 函數(shù)、Weibull 函數(shù)和分段Weibull 函數(shù)、正態(tài)分布函數(shù)、Sroka-Schober 函數(shù)、Bertalanffy 函數(shù)、Logistic 函數(shù)等，力圖準(zhǔn)確刻畫地表點(diǎn)的移動過程。上述描述地表動態(tài)過程的函數(shù)無一例外地認(rèn)為地表點(diǎn)的下沉速度曲線是一條光滑曲線，且僅存在一個峰值，盡管有的分段或分區(qū)用不同的函數(shù)或參數(shù)進(jìn)行描述，但實(shí)測下沉速度曲線并非如此。補(bǔ)連塔煤礦31401 工作面[65]和蘆子溝煤礦3108 工作面[68]的實(shí)測下沉速度曲線顯示，地表下沉速度曲線是跳躍的、多峰值的，在兩峰值之間，地表下沉速度很小，峰值與主關(guān)鍵層的周期破斷（工作面周期來壓）相對應(yīng)，主關(guān)鍵層破斷（工作面周期來壓）時，對應(yīng)地表快速下沉，出現(xiàn)峰值，不斷增大觀測頻率后，下沉速度曲線不再光滑，而是震蕩的折線。有研究表明[46-48]，覆巖主關(guān)鍵層對地表移動變形的動態(tài)過程起控制作用，主關(guān)鍵層的破斷幾近與地表對應(yīng)點(diǎn)的下沉同步，這是地表下沉速度多峰值的原因。時間是影響地表動態(tài)過程的因素之一，主關(guān)鍵層的周期破斷距（或周期來壓步距）也是影響因素之一，在地表下沉的活躍期，主關(guān)鍵層周期破斷必定影響地表點(diǎn)的下沉速度。而對于地表點(diǎn)的下沉速度曲線，是單峰光滑曲線、多峰光滑曲線，或是折線，這必然與地質(zhì)采礦條件和觀測頻率有關(guān)，如何準(zhǔn)確描述地表移動變形的動態(tài)過程還需要繼續(xù)深究。

2.6 地表觀測站觀測頻率的問題

相關(guān)學(xué)者在對張家峁煤礦15201 工作面地表移動變形觀測時發(fā)現(xiàn)[114]，“第一天測量的時候裂縫處地表無明顯變化，等第二天再去的時候，裂縫已比較發(fā)育，道路破壞，車輛無法通行?！钡乇碜畲笙鲁了俣葹? 051 mm/d。大柳塔煤礦1203 工作面首次來壓到地面出現(xiàn)斷裂塌陷時間僅約為14 h[115]，檸條塔煤礦N1201 工作面初次來壓約5 h 后地表開始出現(xiàn)下沉[116]。實(shí)測成果[46-48,65,68,117]表明，主關(guān)鍵層的破斷與地表的下沉幾近同步。這就是說，覆巖運(yùn)動由下至上“瞬間”傳遞至地表。

觀測頻率的高低對地表點(diǎn)下沉速度曲線的形態(tài)有很大影響，這在補(bǔ)連塔煤礦31401 工作面體現(xiàn)得非常明顯[65]，觀測頻率越高就能越準(zhǔn)確描述地表運(yùn)動過程。主關(guān)鍵層破斷時，地表下沉速度“瞬間”達(dá)到峰值。傳統(tǒng)的地表觀測即使在活躍期加密測量也往往在10 d 左右，這樣的頻率根本無法捕捉到最大下沉速度，實(shí)際最大下沉速度遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)記錄。相應(yīng)地，起動距、超前影響（距）角、最大下沉速度滯后角等也可能是不準(zhǔn)確的，例如在某工作面地質(zhì)采礦條件無變化時，傳統(tǒng)開采沉陷學(xué)認(rèn)為超前影響距是定值，但在增加觀測頻率后發(fā)現(xiàn)，超前影響距存在最大值和最小值，理論推導(dǎo)和實(shí)測證實(shí)，超前影響距的最大值和最小值之差與工作面周期來壓步距（關(guān)鍵層周期破斷距）大體一致[69]，這一觀點(diǎn)突破了傳統(tǒng)開采沉陷學(xué)的某些技術(shù)思想。筆者認(rèn)為，既然下沉速度以mm/d 為單位，欲準(zhǔn)確觀測到最大下沉速度，應(yīng)預(yù)先估計最大下沉速度可能發(fā)生的時間段，在此期間的觀測頻率以d 計。同理，欲準(zhǔn)確觀測到起動距、超前影響距（角），也應(yīng)預(yù)先估計可能發(fā)生的時間段，在此期間的觀測頻率以d 計。為減小工作量，可僅觀測幾個測點(diǎn)，其他測點(diǎn)按以往頻率進(jìn)行，預(yù)先估計的時間段可以根據(jù)工作面的來壓步距進(jìn)行估計。此外，還可以通過數(shù)據(jù)自動獲取和傳輸裝備完成對測點(diǎn)的觀測，實(shí)現(xiàn)更高頻率的數(shù)據(jù)采集。

2.7 相關(guān)規(guī)程對同一事項(xiàng)的要求不一致的問題

在開采沉陷區(qū)地表進(jìn)行各類工程建設(shè)時，必須進(jìn)行建設(shè)場地穩(wěn)定性評價。《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[72]將建設(shè)場地穩(wěn)定性程度分為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、不穩(wěn)定3 個等級；《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》（GB 51044—2014）（以下簡稱“《勘察規(guī)范》”）[74]也將建設(shè)場地穩(wěn)定性程度分為這3 個等級；《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T D31-03—2011）（以下簡稱“《細(xì)則》”）[75]將公路采空區(qū)穩(wěn)定性評價分為場地穩(wěn)定性評價和公路工程地基穩(wěn)定性評價兩部分，其中，場地穩(wěn)定性程度分為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、欠穩(wěn)定和穩(wěn)定4 個等級，公路工程地基穩(wěn)定性評價以各類工程地基容許變形值作為依據(jù)。從規(guī)程的表述來看，《細(xì)則》中的場地穩(wěn)定性評價內(nèi)容與《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》《勘察規(guī)范》大體相當(dāng)，即對采空區(qū)本身的穩(wěn)定性進(jìn)行評價。則《細(xì)則》中的場地穩(wěn)定性評價和公路工程地基穩(wěn)定性評價可能存在評價結(jié)果不一致的情況，即前者評價為穩(wěn)定，而后者評價為不穩(wěn)定（或者前者不穩(wěn)定而后者穩(wěn)定），這將給技術(shù)人員帶來工程建設(shè)是否適宜的困惑。按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[72]的規(guī)定，開采沉陷區(qū)建設(shè)場地穩(wěn)定性評價內(nèi)容除了計算地表變形外，還包括覆巖破壞高度與建設(shè)工程影響深度的安全性、煤柱的穩(wěn)定性等內(nèi)容，《勘察規(guī)范》也有類似技術(shù)要求，但《細(xì)則》中沒有覆巖破壞高度與建設(shè)工程影響深度的安全性的要求。關(guān)于長壁式開采工作面地表穩(wěn)定性評價，《細(xì)則》根據(jù)覆巖類型按開采結(jié)束時間分級，《勘察規(guī)范》根據(jù)采深按開采結(jié)束時間分級，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[72]未明確分級的標(biāo)準(zhǔn)，不同的評價方法得出的結(jié)論可能存在不一致的情況，這也會給技術(shù)人員帶來選擇評價方法上的困惑。《細(xì)則》規(guī)定，長壁式垮落法采空區(qū)在工可階段宜根據(jù)工作面的停采時間劃分場地穩(wěn)定性等級，在勘察設(shè)計階段應(yīng)依據(jù)地表剩余移動變形值計算確定場地穩(wěn)定性等級，這就存在著工可階段評價等級為穩(wěn)定，而勘察設(shè)計階段評價等級為不穩(wěn)定的情形的可能，同樣會給技術(shù)人員帶來工程建設(shè)是否適宜的困惑?！督ㄖ铩⑺w、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[72]沒有對評價方法和技術(shù)指標(biāo)作出具體的要求，《細(xì)則》和《勘察規(guī)范》明確指出采用定性與定量相結(jié)合的方法，這無疑增加了技術(shù)人員的靈活性，但是《細(xì)則》和《勘察規(guī)范》對評價方法和技術(shù)指標(biāo)的要求多有不一致之處，因而技術(shù)人員面臨由于選擇的評價方法和技術(shù)指標(biāo)的不同而造成結(jié)論不同的難題。繼續(xù)深入研究采空區(qū)穩(wěn)定性評價方法和技術(shù)指標(biāo)等內(nèi)容、不斷補(bǔ)充完善相關(guān)規(guī)程，是非常必要的。

3 對今后研究工作方向的建議

開采沉陷還有很多難點(diǎn)問題沒有得到徹底解決，尚有很多需要繼續(xù)深入研究的內(nèi)容。筆者認(rèn)為有兩個方向是最根本的、最重要的，一是覆巖是如何運(yùn)動的，這是揭示開采沉陷本質(zhì)機(jī)理的問題，需要用新理論、新思想來看待開采沉陷問題，目前的研究成果大多只是對開采沉陷現(xiàn)象的解釋；二是在繼承傳統(tǒng)技術(shù)手段的同時，采用可視化、空間信息技術(shù)等新技術(shù)、新方法研究開采沉陷。簡單地說，這兩個研究工作的方向就是開采沉陷是什么、怎么研究。

3.1 開采沉陷的本質(zhì)機(jī)理

毫無疑問，煤炭資源采出后，其上覆巖層隨之運(yùn)動，進(jìn)而導(dǎo)致地表沉陷，以往絕大多數(shù)學(xué)者對開采沉陷的認(rèn)識僅限于此，這是數(shù)十年來礦壓理論和開采沉陷理論分別單獨(dú)研究的原因。部分開采沉陷研究的學(xué)者們[4,33,42,45,51,52,118]認(rèn)識到以往研究工作中存在的不足，嘗試在開采沉陷研究中融入力學(xué)思想，提出了將覆巖視為“梁”（或“板”）或從其他理論（如巖體流變理論）角度出發(fā)進(jìn)行開采沉陷研究的觀點(diǎn)，啟發(fā)了后來學(xué)者們的研究思路。

針對采動移動破壞特性，有學(xué)者[119-120]將采動覆巖移動分為4 個階段3 種介質(zhì)屬性，將覆巖、采場圍巖、表土層納入統(tǒng)一力學(xué)體系中考慮，采用巖體力學(xué)理論等逐層逐次計算的方法，建立統(tǒng)一力學(xué)體系的動態(tài)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、非連續(xù)介質(zhì)之間的有機(jī)聯(lián)系，并編制了可視化計算軟件，具有巖層與地表的動態(tài)移動、巖體的破裂高度、離層時空發(fā)育位置、頂板來壓步距等的計算功能，克服了以前的力學(xué)模型不能同時計算覆巖移動、巖體破裂高度、頂板來壓步距的缺陷。為建立采場礦壓、巖層運(yùn)動與地表沉陷的內(nèi)在聯(lián)系，錢鳴高院士等[121]提出了關(guān)鍵層理論，關(guān)鍵層理論不關(guān)注覆巖的介質(zhì)屬性，其核心技術(shù)思想是以關(guān)鍵層作為巖層運(yùn)動研究的主體，用力學(xué)方法求解內(nèi)部巖體在采動后的結(jié)構(gòu)形態(tài)以及對應(yīng)力場和裂隙場的改變。關(guān)鍵層理論在開采沉陷研究中取得了很多成果并且被實(shí)測數(shù)據(jù)所證實(shí)[19,46,49,50,63,66,69,117,122]，這些成果都證實(shí)了關(guān)鍵層運(yùn)動對巖層采動裂隙演化、地表動態(tài)過程和形態(tài)起控制作用。

這就是說，“采場礦壓-巖層移動-開采沉陷”是一個有機(jī)統(tǒng)一的整體，巖層運(yùn)動導(dǎo)致采場來壓和開采沉陷，采場礦壓和開采沉陷是有對應(yīng)關(guān)系的現(xiàn)象，巖層運(yùn)動是采場來壓和開采沉陷的根源。以實(shí)現(xiàn)巖層運(yùn)動全程描述為基礎(chǔ)，構(gòu)建巖層運(yùn)動的統(tǒng)一場理論，才能準(zhǔn)確地理解和描述開采沉陷。

3.2 開采沉陷的研究方法

由于地質(zhì)開采條件的復(fù)雜多變，覆巖運(yùn)動狀態(tài)屬于“黑箱”，現(xiàn)有的各種覆巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，僅僅使巖層控制由一片模糊的“黑箱”變成原理上清楚的“灰箱”，仍然不能達(dá)到在具體情況下準(zhǔn)確確定各項(xiàng)參數(shù)的“白箱”要求[123]。巖層運(yùn)動全過程可視化技術(shù)是揭示開采沉陷實(shí)質(zhì)、探究開采沉陷機(jī)理的手段之一，毫無疑問，這是開采沉陷學(xué)今后研究的方向之一，計算機(jī)技術(shù)及相關(guān)學(xué)科的理論發(fā)展為巖層運(yùn)動全過程可視化技術(shù)提供了可能。

幾十年間，數(shù)據(jù)采集技術(shù)手段在不斷提高。“兩帶”高度的觀測除了傳統(tǒng)的鉆孔漏失液觀測方法外，鉆孔電視、數(shù)值模擬等方法已十分普遍，這些方法獲得的數(shù)據(jù)都屬于實(shí)測數(shù)據(jù)，也有學(xué)者[124]嘗試采用物探等方法觀測“兩帶”高度，但效果不理想。空間技術(shù)是信息時代的標(biāo)志之一，隨著空間技術(shù)的發(fā)展，地表沉陷變形信息的采集除傳統(tǒng)的地表觀測站外，還有以InSAR 等為代表的遙感采集方法，許多學(xué)者[125-127]為此做過嘗試。到目前為止，InSAR 等數(shù)據(jù)采集方法雖已取得很多研究成果，但無法完全替代傳統(tǒng)的地表觀測站方法，僅能作為輔助手段，這固然與數(shù)據(jù)采集儀器手段和設(shè)備本身尚不完美等原因有關(guān)，也與對數(shù)據(jù)的處理分析方法研究尚不充分等原因有關(guān)。

無論是“兩帶”高度觀測還是地表巖移觀測站，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方法都存在成本高、效率低、工作量大、周期長等缺陷，而新技術(shù)手段的優(yōu)勢恰可彌補(bǔ)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方法的不足，采用新技術(shù)手段逐步替代傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方法是開采沉陷研究者們的努力方向之一。

4 結(jié)語

本文回顧了我國開采沉陷研究的歷史并介紹了已取得的主要成就，在此基礎(chǔ)上，指出了目前仍存在的難點(diǎn)問題，并對未來的研究方向提出建議。筆者認(rèn)為，已有的研究成果解決了大部分開采沉陷問題，基本滿足各種工程之需，但不斷補(bǔ)充完善已有的成果是必要的，隨著新理論新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，以新的視角重新認(rèn)識和研究開采沉陷更是必要的。本文的觀點(diǎn)希望對開采沉陷的研究工作有所幫助。