开采沉陷及其防治.pdf

． 。 一s 开采沉陷及其防治 郭达 志 一一 中国矿 业大学 徐州 2 2 1 0 0 8 1 引言 开 采沉 陷及其 防治是 矿 山测量学 科的重要研 究方 向之 一，国 内外 都重 视 这方 面 的研 究工 作 ， 并取得 了显著的效益。广 义 的开 采沉 陷是指开采 矿 藏、建筑材料和地下水 资源 引起的有关 沉 陷问 题 及其 防护技术 ，它 们有许 多共性。本 文以开采 固体矿 藏为 目标来论述 有关 问题，具有 一定 的普 适性 。 目前 ，过一研究方 向涉 及如下 主要研 究领 域 开 采沉 陷规律及其预 计预 测，野外 测量技术 方法 和 数 据 处理 ，开 采 沉 陷 模拟 ， 沉 陷 的 防护 包括 减沉技术、 “ 三 下”采 矿等 ，以及 沉陷 区 的整治和利用等 。 “ 3 S ”等 测绘新 技术 在 开采 沉 陷研究 中具 有 广 泛 而 深邃 的 应 用 潜 力。 不言 而 喻 ，该研 究方 向具有测绘 、采矿 、岩 土力学 、地 质、建筑、计算科学等 多学科 交叉和多技 术手段 并用 的特色 。近几十年来 ，国 内外 把涉及 上述 内 容 的论题 统称 为“ 矿 山开 采沉 陷学 ” ， 而刘天 泉 院士则把它称为 “ 矿 山采动影响工程学 ” 。 _ 1 2 地表沉陷及上覆岩土体变形机理和规律 研 究 矿 山大面积开采引起 的地 表 沉陷及上 覆岩层 变形现象被统称为采动影 响，包括 原土体 的原始 应力变化 、断裂、垮落 等位 移和变 形，其机 理在 于开采空间周围岩土体的 失稳而导 致开采 空间的 挤压收宿，并随着开采空 间的 不断 扩大使岩 土体 的位移和变形向四周扩散 ，特 别是 向开采矿 体的 上覆岩土体中扩散 ，直 至到达地表 。 采矿影响在地表的显 现，一般 为地表 下沉盆 地 ，并且一般用下沉 、倾斜 、曲率、水平 移动和 水平变形等 5个 指 标来 描述 其 下 沉和变 形 特 征。 下沉盆地的呈 现规 律大 体 上可 分 为盆地 中央 区 、 内边缘 区和 外 边 缘 区 3个 部 分。 但 由于 受 矿 体 床埋 藏 的形 态 条件 、地 层 结 构 、地 质 构 造 、 收 锅 川 t 9 9 9 一【 31 0 I； 喀 r t 教援对 本文 提出 丁修改 意 见，在 此 表示感谢 巧 地貌形态和采矿方法等 自然和 人为 因素复杂性和 多样性 的影响 ，沉 陷及变形 的机理和规 律，既 有 许多共性 ，又 有不少特 殊性 ，对 其研究应该 采取 “ 从 定性 到 定 量 的综 合 集成 法 ” ， 或者 说 野外 测 试 、理论研 究与实验模拟 相结 合的途径 和技术 方 法 。 2 ． 1沉 陷规 律 及 其预 计 的 理 论 研 究 目前 ，对开采沉陷规律 的理 论研 究着重 从连 续介质和 非连续介质两方 面进 行，但对开 采沉 陷 过程 的描述 只能是宏观上 的近 似，对揭示采 空 区 上覆岩体 内部 的移动变 形有很 大的 局限性 。要 比 较全面深入地研究上覆 岩层 的沉陷机理 ，必须研 究受采动工程岩体 的移 动破坏规 律 ，非连续 介质 与连续介质之 间的动态耦 合状况 ，并建立采 动岩 体动态力学模型。 2 ． 2 开 采 沉 陷预计 的技 术 方 法 开采沉陷预计的技 术方 法 一般 有三种 1 基于实测资料的经验方法 ，即通过 对大量开 采沉 陷现场实测数据 资料的处理 分析 ，确定预计 各种 移动变形 值 的 函数形式 和 预计 参数 的经验 公式 。 这是一种较可靠的 预计 方 法。 2 理论模 拟法 ， 即把岩体抽象为某种理论模 型，并按 这种模型计 算受开采影 响 岩 体 的移 动 、变 形 和 应 力 分 布情 况。 3 影响函数 法，即根据 理论研 究或其 他方 法确定微小单元开采对岩层 或地表 的影响函数表 示，整体开采影响为采 区内所 有微 小单元影 响的 总和。以上三种方法往往要综合使 用、对 比。 经过几十年的努 力，中 国 已建立 起适 合本 国 情 况的多 种预 计方法 数 学 力学模 型 ，如 概率 积分法、负指数函数 法、典型 曲线法 、威 布尔分 布法、样条 函数法、双 曲线 函数 法 、山区地表移 动变形预计法 、三维层状 介 质理论预 计法和基 于 托板理论的条带开采预计法 等。 由于 各矿区地 质 采矿 条件和地形 条件 的复杂性 及差异性 ，开采方 法也不完全 相同，因此应 根据 实 情祝选择较适 I 维普资讯 第 2 2卷第 2期 郭 进志开采 沉陷及 其 防治 宜 的预计方 法和模 型 。此 外，沉 陷预计 的 内容不 单是地表移动和变形 ，还 往往 包括地 表裂缝 发育 状况 、建筑物变形 、岩体 内部 破坏规律 等。 可靠准确的预计 参数 是正确预计 地表移 动变 形 的基础。基于 实际观 测资料，采 用综合评 价或 空 间模糊综合分析等 方法 ，求取预计 参数是 通用 的 方 法 。 复杂特殊的地 质 、地形 及采矿条 件下 的沉陷 规律很 复杂，往 往差 异很大 ，对其 预计 较 困难 ， 也 不易准确 。因此 还有许 多问题未 解决 。 非 线性理论 ，如 突变论 、混沌 动力 学、神经 网络理论等 的发展， 为沉陷 、变形 的预计 预报提 供 了新 的方法。并且空 间多点信 息的关联 整体变 形分析 、预报成 为发展趋 向。 2． 3野 外 测 量技 术方 法 沉 陷区或变形 体 测量的 内容包括 空间三维 坐标或平 面位 置 、高 程及其 变 化，点 位 的应 力、 应变、倾斜值等。依据 现 场条件和 工程 要求 ，可 采用以下几种 删量技术方法或其 结合 1 常规 地 面测量技术 ．即运 用精密 水准仪 、电子速 测仪 全站仪 、光 电测距 仪等的测 量方法 ； 2 GP S 等现代定 位 技术 ，包 括 G P S与 GL ONAS S的结 合，G P S与惯性测量 系统的结合 ； 3 特殊测 量 手段 和方 法，如运 用 应 力仪 、应变 仪 、伸 长仪 、 倾斜仪、激光测量仪 等进行现 场监测 、遥 测 或 自 动观测与数据记录测量 ； 4 数 字摄影 测量 和遥 感技术，以获取面状 的沉 陷或形变信 息。 2． 4开 采沉 陷 模 拟 目前，对沉 陷区和 受破坏岩 层 以及 受变形 影 响建筑构筑物的二维 或三维形变 规律进 行模拟研 究， 比较常 用的技术方 法是相似 材料模 拟和数值 模拟。有时也采用 电模拟装置或 离心模 拟装 置的 方法。计算 机数值模 拟所依据 的主要是 工程 动力 学原理 ，包括有 限元 、离散元 、边界 元等 ，其 中 有限元法应用较普遍 。 2 ． 5 地理信 息系统和 智能 空问信息 系统 的应 用 地理信 息 系统 G I S 的 3维 空 间数据 获 取 采集 、存 储 、分析 、处理 、显示 、多元 多重 数 据复合、D T M 等 技术 方 法，对研 究和 解决 有 关 开采沉陷、变形监测及其 防护问题是 相 当适 用和 有效 的。国际上已有许 多成功应用 的实 例，而我 国还处于初步阶段。智能空 间信 息系统是 GI S技 术的一个发展趋向，对实 时动态预计 或分 析评价 采动 影 响 具 有 其 优 势 。 3 地表沉陷及变形观测数据处理方法的发 展现 状 地表沉陷及变形 监测 的分析评 价主要 涉及 以 下几个方 面的论题 1 监测 站 同的优化 设 计 ； 2 观 测数据 质量评 定，包括 观测值 之 间相 关性 估 计 ．粗 差 和 系 统 误 差 的 探 测 及 其 剔 除 ； 3 变形或沉陷的几何分 析，包括 静态 模型 、动 态模型分析 ； 4 沉 陷或变 形 的物 理解 释，即 工 程地质动力学分析 或地质采矿工程分析。 沉陷或变形数据处理及 分析理论 和方法 方 面 的发展现状如下 1 监测 的数据处理 在传统方 法上 是 以高 斯 一 马 尔柯夫模型 、自由网平差理论 和数理 统计 理 论为基础 的，它受到诸 多 因素 的制约，如 数据 的 可靠性 、精度及其均匀性 、参考基 准的选择 及其 可靠性等 。 2 统 计 诊 断 s t a t i s t i c a l d i a g n o s t i c s 是 近 2 0年发展起来的--1 7 统计学分支，它通过诊 断统 计量来检验数据 、模型及 推断方法 中可 能存在 的 问题 ，进而提 出解决 的办法。为 了克服 既 定模 型 与客观实 际之 间可能存 在的不 一致 ，统 计诊 断方 法可 蹦找 出严重偏离既 定模型 的数据 点，即 异常 苣 。 u t l i e r ，也可 以区分 出对统计 推断影 响特别 大的点．称强 影响点 i n f l u e n t i a l p o i n t ，还 可 以 找出 远 离 数 据 主 体 的 点， 即 高 杠 杆 点 h i g h l e v e r a g e p o i n t 。这种统计 诊断方法 能较全 面地描 述数据 、系统 、结果三者之 间的相 互关 系，在重 大变形数据分析处理中应用较广泛。 3 Ro b u s t 抗 差 估计 理论 的应 用。7 0 8 0年代测量工作者对抗差估计 的研 究主要 集中 在 权 函数的确定上 ，提 出了倒数 型权 函数 、基于验 后方差 的权 函数 、基 于均方误差 的权 函 数等。9 0 年代 来 ，进一步发展 了非最小二乘估 计 有偏 估计 、非线性 估计 、B e y e s 贝叶斯 估 计、方 差估 计 、最 小范数 估 计 MI NQE等。一 般 的 抗差估计包括 有偏估计 ，主要考虑 减免观 测值 中 粗差对估计 量的不 利影响 。实 际上 ，函数 中系 数 向量对估值也 有影响。 如果把观测值 构成 的空 间 称观 测空间，把平差 因子 阵 中的列 向量构 成 的空间称 结构 空间，则一 个全面 的抗 差方 案应包 括观 测空间和 结构 空间，因此这种抗 差估计 称 为 结构 空间抗差 。B a y e s估计理 论 的特 点是 不 仅要 利用本次观 测 所得 到的信 息 数据 ，而 且 要 充 分利用 以前 所 掌握 的有关 信 息 先 验 信息 ， 因 此可利用历史资料及其 它 相关 知识来改 善估计 或 分析的结果，使之成 为综合 分析 、利 用多学科 知 识的重要理论工具。此时 ，将 面对 一些 更复杂 的 问题需解决，如观测值受污染 、先验 数据 中的 主 维普资讯 四川测绘 l 9 9 9年 观 成分 等。最 小范数估计的 目标是寻 找符合 实际 情况 、能准 确 反 映 观 测 值 实际 分 布 的 分 布 数 理 模 式，以及与这 些模式相 适应 的数据处 理方 法 。在这方面 ， 目前主要集 中在研 究一次范 数最 小平差及其多解 法 问题 。进 一步 的发 展是 研究 P 范最小分布及平差 问题 。 卡 尔曼 Ka l ma n 滤波数 据处理 方法也得到 广泛运用。它是利用信 息和干扰 的状 态空间模型 来描述其协方差 函数 ，将 状态 空间描述 与离散时 间系列联系起来，而不企 求滤 波器 冲击 响应 的明 确表示式。状 态的数学模 型越 准确，则卡 尔曼滤 波结果越精确。 此 外，灰 色 模 型 Gr e y Mo d e 1 法 及 突 变 C a t a s t r o p h e ． 模型法在不少情况也很适用。 4 减沉 技术 的 发展 现状 减沉技术是为了减少地下采矿工程对采空 区周 围岩土体变形 及地面沉陷的有害影 响，而采取的相 应技术措藏或方法。有时称为特殊或专门采矿技术。 根据近 2 o年来国内外的研究试验成果，减沉技术可 分为单减沉技术和综合减沉技术两类。 在单一减沉 技术 中常用的有 充填开 采技术 和 条带开采技术。而前者 又可分为 3种 第一种是 传统 的采 空区充填技 术，即采后保 留采 空 区的支 护 然后用砂 石类 材料 直接 充填采 场后 方的采 空 区支护带 。减沉率可达 5 0-8 0％；第二种是离层 裂缝 充填技 术，即将细粉材 料通 过地 面钻 孔泵送 到上覆岩 层内的离 层裂缝 中而进行 充填 。减沉率 和 离 层 裂 缝 的 状 况 有 很 大 关 系， 一 般 为 3 0～ 6 0 ％；第三种是采 空区 内的垮 落岩块 空 隙充填技 术，减 沉率为 3 0 -4 0 ％。条带开 采技 术是 指采一 部分矿体 留一部分矿 体 的开 采技术 。它可分 为 冒 落条 带开采方法和 充填 条带 开采方法 两 种。减沉 率可达 8 O ～9 5 ％。 综合减沉技术即上述诸 多单 一减 沉技术 方法 的综合应用。就我 国煤矿 的 实际条件 而论 ，可以 有 8 、9种 综 合减 沉技 术 方法 ，如 一 次 条带 开采 方法与离层裂缝充填方 法的综合 ，一次条 带开采 方法与离层裂缝 充填方法及垮 落 岩块空 隙充填方 法的综合，二次条带开采方法与离层裂缝 充填方 法的综合，长壁陷落式采煤方 法 与垮落岩块 空隙 充填方法的综合等等。 减少下沉与减少变形往 往是 相互关 联的，下 沉减步了，变形 也会 相应地减 少 。有时 ，在一 些 矿区的地质 采矿条 件下， 只要减步 变形 ，均 匀下 沉对建筑物 不会 形成大 的损 害。例 如，采用大 面 积全柱式开 采方法往往能达到这 种效 果。 5关 于“ 三 下一 上 ” 所谓“ 三 下 一 上． ” 构 筑物下、铁路 下 、 的矿体 煤 层 。为 此 ， 应 的技术 方法 。 采 矿 技术 采 矿 是 指 合 理 开 采 建 水 体 下和 承 压 含水 层 上 必 须 因地 制宜 地 采 取 相 5 ． 1建 构 筑物下 采矿 国际上开展建 构 筑 物下 采矿 已有近 百 年 的历史。近 4 O年来 我 国在这方 面 的 成绩 十分 显 著 。总结 国内外的研 究成果 和实践经验 ，其 主要 技术途径和方法有 1 减 沉采矿，即通 过 采取 减沉技术来开采建 构 筑物 下的矿体 煤 层 ； 2 搬迁采矿，即先将 建筑物 一般是 指农村 房 屋迁离 出采矿上方影响区后 再采矿 ； 3 加固 采矿，即对将要或已经受到采动影响的房屋进行 预先加固或采 后维 护 ； 4 大 面 积均 匀 下 沉 采 矿，即通过 精心开采设计 ，使受采 动影 响的建 筑 物 处于 未 来 下 沉盆 地 的 中央 区 均 匀 下 沉 区 ， 以减小变形量对建筑物 的不利影 响； 5 就 地重 建抗变形建筑物 ，即对 将要 受到采动 影响的 建筑 物 进行就地 重建 ，增 强其抗变 形 能力 ，然后 再开 采其 下方 的矿藏 。该法 的优点是 可节约土 地和 防 止 二 次 压矿 等 。 5． 2铁 路 、公 路 下 采 矿 在这方面一般是采取 边采 矿边 维护道 路 的技 术方法 。在我国， 目前 尚未在 国家 主干铁 路下进 行采矿 ，但铁路下采矿技 术 已经成熟。公 路下采 矿一般更不是什么大难题。 ． 5 ． 3 水体下采矿 这方面包 括地 面水体和地 下含水 层水体 下采 矿两大类。其开采可能性和安 全度主要 取决于 当 地的地质和水 文地 质条 件，是 否因地 制宜地采 取 有效 措施 ，而其关键在 于准确地预 测导 水裂缝 带 高度及合理设计 防水、防砂或防塌矿 煤柱。 我国 已在湖下 、河 下和 含水层下成 功地进行 了采 矿 工 作 。 5 ． 4承压 含 水 层 上 采 矿 这种特殊采矿技术 一般 是根据 含水 层与煤层 矿床 之 间的 空 间关 系 以及 含水 层 的水 量、水 压和 补 给通 道 等 因 素，采 取“ 带水 压开 采 ” 或 “ 降水 压开 采” 等技 术 方 法。 目前， 这 方面 的研 究和 实践还不够，有待 发展和进一步研究 。 5． 5井柱 开 采 这是指在保持 井筒 原有 功能的情况 下 ．安全 地 采 出井简周 围的矿产 资源。根据井筒 与矿体 之 间的空间关系 ，有井 下 、井周和 井侧 等 3种情况 的采矿技术方法 维普资讯 第 2 2卷第 2期 郭达 志开 采沉 陷及 其防 治 。 6 开 采沉陷 对 环境 的影响 矿产资源开发对生态环境的影响主要表现为对 土地资源和景观的影响、对水资源的影响、肘大气 的污染、产生一些地质灾害以及噪声、振动等。其 中，开采沉陷是 矿区主要环境损害或影响之一。改 善矿区的生态环境状况和质量 日益受到重视。我国 也正加强监管力度。对于开采沉陷的环境保护工作， 主要包括环境影 响的技术经济评 价，采取相应的减 沉技术措 施，土地复垦和生态环境恢 复等。关于这 方面的内容将在第 8讲中论述。 参 考文 献 1 刘 天泉矿 山采 矿 影 响工 程 学 及其 应 用 煤 炭 学 报 ． 1 9 9 7 2 2 增 刊 ，1 9 7 7 2 吴 侃，葛 家 新 等开 采 沉 陷预 计 一 件 化 方 法 ，待 州 中国矿业 尢学 出版 社 ，1 9 9 8 3 何 目清 ，杨伦 等 ．矿 山开 采沉 陷学徐 州 叶 『 国 矿业 大 学出版 社， 1 9 9 1 4 郭达 志 ，盛业 华等矿 区环 境 灾 害动 态监 测 与分 析评 价徐 州 中 国矿 业大学 出版社 ，1 9 9 8 斗 一 斗 一 斗 一 斗 一 斗 一 斗 一 斗 一 斗 一 斗 一 斗 一 斗 一 斗 一 斗 一 斗 一 斗 一 斗 一 斗 一 斗 一 斗 一 斗 一 斗 一 斗 一 斗 一 斗 一 斗 一 斗 一 斗 一 斗 一 工 t 工 t 工 t 工 t 工4 - 华西通航诞生蓉城 车 工 工 工 工 上 华西通用航空有限公司简介 t t t t t 4 - 华 西通用 航空 有限 公司是 按 中华 雎共 和 f 目公司 洼 ， 由四川盛世集团有限责 17 公司、成都飞机． 1 业公 1 4 ’ - 司 和成 都赛拓 实 业有限 责饪公 司 台资组 建 ，经 q t 同 民用航 空 局批 准成 立 的通用 航 空 企 业。公 司 由 N家 工商 行t 工 政管理局棱名，四J I l 省工商行政管理局注册登记，注册资金3 0 0 0 万人民币 。持有四 I I 省工商行政管理局颁发 的 营业 执照 和中 国民 用航 空 西南管 理局 颁发 的 经营 许可 证。 经营范围 有 航空 摄影、 空中广 告、 气象 探删 科 学 试验 、城市 消防 、空 中巡 查 、飞 机播 种 、空 中施肥 、空 中喷洒 植物 生长调 节 荆 、空 中 除草 、防 治 农林 业 病 虫t 士 害 草原灭鼠、防治卫生害虫、航空护林、空中 拍照等。公司法定地址四川 I 省成都市营门口路5 0 号。基地； 工成 都市温 江机 场 。公 司法 定代 表人 、董 事 长 谌 治武先 生 ，总经 理 逢 景和先 生 。 t 公司机构设置四部一室一队 航务部、机务部、计划财务部、市场营销部、办公室、飞行队。现有员工 5 0； 工名 。有大 专 上 文化程度人 员 2 5名 ，其 中具有高级 技术 职称 人员 5名， 中级 技 术职 称人 员 l 0名 。他 们 中有 长期t 辛勤奋斗在航空事业上的航空老专家；有从事几 年航空摄影测量、具有丰富实践经验的专业人才；有从事十多 ； 工年航空飞 行和航 空摄影 的专 门人才 。 t 公司Ig 前有运五B 型多用途飞机两架、 导航型G P S 接收机2 台、 进口 的R M K航摄相机、 有自己的专用机场 二 工和飞行指 挥系统 、地勤保障服 务系统 、7 0 0 F 方米 的机务 维修 厂房 及相 应维修 设 备和 专 用车 辆，具 有 开展经 营 范t 围由 所有业务的能力和技术水平。 二 工 公 司的 发展 思路是 以 目前 的 两架 飞机 建立基 本机 队 ，从 四J I l 省 作业起 步 ，逐 步 发展 壮大 。9 8年计 划 购 买t 々 R c 2 { l 航摄相机等先进设备。完善作业系统； 逐步建成有1 0 架 上飞机的多机种机队。能在全国范围内承担 工多种 项 目的能力 ，为 国 民经 济 的发 展 。为振 兴四 J I l 和我 国 的通用 航空事 业作 出积 极的 贡献 。 t 4 ． - 本 公 司地处 四 J I l 成都 温江机 场 ，对 西南 客户 。特别 是四 J I l 省 的用 户来 说 ，具 有 地理 上 的优 势， 叮不 谓 机或- r 工者调机快 ，不 仅适 应用 户快 急项 目的要 求 。而且在 价格上 可 实行 优 惠政 第 。公 司的 服务 宗 旨是 用 户 至上 ，质t 士量第 一，重 台是 ，守 信誉 。我 们热忱 欢迎 广 失客户 前来 洽谈 业务 或者合 作共 同开 发项 Ig。 t 工 4 - 6t o o 31 ； 公 司地 址 四 J I l 成都市营 门 f j 路 5 0号 t 联系人贾中秋、喻星海 ； 工 联 系 电 话 0 2 8 7 7 4 6 1 2 9 、7 7 3 6 1 1 1 - ■ 传真 0 2 8 7 4 0 1 4 】 7 、7 7 4 4 0 7 8 土 工 十 斗 ． 斗斗 斗 斗 呻 - - 斗 - 斗 ． 斗斗 呻 ． 斗斗 ． 斗- 斗 斗 斗 斗 斗 ． 斗- 斗 呻 呻 ． 斗- 斗 斗 斗 ． 斗斗 呻 斗 叶 - 呻 ． 斗- 斗 斗 斗 维普资讯