开采沉陷定义等介绍

开采沉陷定义：
开采沉陷（mining subsidence），又称矿山岩层及地表移动，是地下采矿引起岩层移动和地表沉陷的现象和过程。

具体的讲，就是有用矿物被采出以后，开采区域周围的岩体的原始应力平衡状态受到破坏，应力重新分布，达到新的平衡，在此过程中，使岩层和地表产生连续的移动、变形和非连续的破坏（开裂、冒落等），这种现象称为“开采沉陷”。

研究内容：
包括由开采引起的岩层与地表移动的规律、变形机理、观测方法、预计方法和减少开采沉陷的岩层控制与治理方法等。

研究方法：
当前国内矿山开采沉陷的主要研究方法有很多,如弹、塑性连续介质法、随机介质理论)))概率积分法、统计类比法(影响函数法、剖面函数法、典型曲线法)、损伤力学法、三维地形可视化、相似材料法、数值模拟法(有限差分、有限元、离散元、边界元)、神经网络法和白、黑、灰箱法等。

其中影响函数法、实际观测法等属于维象研究范畴;相似材料模拟法属于实验研究范畴;弹、塑性连续介质法、统计类比法、损伤力学法、数值模拟法、三维地形可视化、神经网络法和灰黑箱法等属于理论研究范畴。

理论研究基础：
1．早期的开采沉陷基本理论
在上世纪中，比较明确的认识了沉陷的影响因素，认为其主要影响因素是开采方法、煤层倾角、厚度、埋藏深度以及岩石的力学性质等。

早期的开采沉陷理论主要有：
(1)将来空区上方的岩层看作是悬臂梁，从而得出，地表的应变很可能是由于下沉引起的，其大小与地表的曲率半径成反比；
(2)将采空区上方的岩体视为由不同厚度和力学性质的分层所组成，岩层移动的基本形式是这些分层的弯曲，应用两端固定梁的理论，将移动过程看作是各个分层的逐层弯曲，从而计算出移动过程的要素。

二次大战后，人们着重从连续介质和非连续介质理论来研究开采沉陷问题。

2．连续介质理论
(1)利用力学塑性理论对岩层移动进行了分析，并以理论分析的结果为指导建立了地表移动的计算方法。

(2)利用弹性基础梁理论得出了波动性的下沉剖面。

(3)将整个岩体视为均质线弹性体，分为平面各向同性、平面横观各向同性以及空间问题进行了分析。

(4)提出了更为一般的线弹性分析原理——面元原理，即
式中一一顶底板闭合量的分布；——影响函数；—一开采面积c
这一理论是开采影响理论的先进的变换形式。

(5)将覆岩看成是横观各向同性、纵观各层异性、同一目内各向同性的弹性层体接触lI，求出了开采沉陷的位移和应变公式：该理论反映了地表移动是由开采空间一层层传到地表的，上一层移动是由下一目传上来的。

(6)中外学者逐渐认识到岩体结构的控制作用，强调岩体结构对岩体力学性质的影响大
于岩石材料性质的影响。

我国学者对开采沉陷岩体结沟效应作了专题研究。

该研究应用了损伤力学原理、相似材料模型和有限元计算机模拟等理论和方法，研究了节理对岩层及地表移动变形的影响、层面效应，得出了一些有用的定性和定量结论。

同时提出了“层面滑移的多层岩梁模型”。

目前，广泛使用的弹性、弹塑性有限元法、边界元和离散元等模拟方法也都是建立在连续介质的理论之上的。

3．非连续介质理论
(1)非连续介质力学中最有成效的是随机介质理论，在我国发展成为概率积分法。

经过我国开采沉陷工作者20多年的研究，目前已成为我国较成熟的、应用最为广泛的预计方法之一。

(2)将岩体看作是由椭圆形质点所构成的具有抗压和抗剪能力、而抗拉能力较小的松散介质，在求解双层岩体(基岩和冲积层)的问题时，得出了缓斜煤层开采的下沉剖面方程。

(3)将岩体假设为：岩体是由于开采破坏引起的和原生的节理系、裂隙系等所分割的不连续介质，可以用碎块体模型描述；岩体是各向异性的、非均质的、不连续的；承认“叠加原理”。

仿照随机介质理论的分析方法，得到地表移动变形预计的威布尔分布法。

该方法可以描述不对称移动盆地：
(4)引入了空隙扩散和空源等概念，建立了空隙扩散微分方程，并初步研究了该方程在开采沉陷中的应用。

这是对随机介质理论的补充和发展。

4．评述
无论是连续介质理论还是非连续介质理论，应用于开采沉陷及岩层移动的研究，所推导出的地表位移和应变应当同实地观测到的事实吻合。

只有这样才能达到实用。

连续介质和非连续介质理论应用于矿山开采沉陷，描述开采沉陷过程只能是宏观上的相仙．要揭示开采空间上覆岩体内部的移动变形有很大的局限性。

矿山开采导致上覆岩体破坏的最终结果是部分岩体破碎(成为非连续介质)，大部分岩体是完整的弯曲(连续介质)。

非连续部分的岩体是由连续岩体逐渐破断而形成的，它与开采的进程具有直接的关系。

因此，要全面深入的研究上覆岩层的沉陷机理，必须：(1)研究开采沉陷工程岩体尺寸范围内岩体的破断准则；(2)岩体破断成为非连续介质后，在不同受力条件下所表现的力学性质;(3)连续介质和非连续介质之间在不直接接触、部分直接接触创直接接触条件下献锅台问题，且这一司题必须在动态环境中进行考虑(原连续岩体部分转化为非连续，连续韧非连续岩体之间从不直接接触列部分直接接触到直接接触)：
解决好以上几个关键问题，才有可能在开采沉陷基本理论方面实现重大约突破；
应用（成果转化）：
对一个计划进行开采的一个或多个工作面，根据其地质采煤条件和所选用的预计函数、参数，预先计算出受此开采影响的地表移动和变形的工作，称为地表移动和变形预计。

1．地表移动和变形预计的意义和作用
地表移动和变形预计是开采损害与保护的核心内容之一。

(1)在理论研究上，利用预计结果可以定量地研究受开采影响的地表在时间上和空间上的分布规律。

为了提高预计的准确性，必须对预计方法所采用的理论模型及其参数与地质来煤条件之间的定性、定量关系进行深入的研究，这些研究又进一步加深了对地表移动和变形基本规律的认识。

(2)在生产实践上，利用预计结果可以指导建筑物下、铁路下和水体下(简称为“三下”)的开采实践。

在建筑物下开采时．预计结果可以用来判别建筑物是否受开采影响和受开采影响的程度，作为受影响建筑物进行维修、加固、搬迁，或就地重建的依据；在铁路下开采时，
可以根据预计结果判断铁路下开采的可能性，估算铁路维修的工作量和材料用量，文排维修计划?在水体下开采时，预计结果被用来判断矿井受水患威胁的程度以及研究开采对受影响的堤坝等水工建筑物的破坏和影响的程皮，以便进行必要的维修和保护。

2. 地表移动和变形预计的内容
根据预计的要求、保护对象的空间位置和开采煤层的情况容主要有如下方面：
(1)最大值的预计。

预计地表指定部位的下沉、倾斜、曲率、水平移动利水平变形的最大值及其出现的位置。

(2)主断面上地表移动和变形的预计。

预计地表沿下沉盆地的走向或倾向主断面的移动和变形分布情况。

(3)地表上任意点的移动和变形值的预计。

预计地表下沉盆地内任一点的下沉值及该点沿指定方向的倾斜、曲率、水平移动和水平变形值。

(4)多工作面或多煤层开采时地表移动和变形预计。

地表移动和变形预计时主要考虑到其受重复采动的综合影响。

3.预计方法的分类
依据建立预计方法的途径不同，可分为经验方法、理沦模型方法及影响函数法三种。

3.1 经验方法
经验方法是在特定的地质采煤条件下，通过大量的开采沉陷实侧资料的数据处理，确定各种移动和变形的预计函数形式(解析公式、曲线或表格)和预计参数的经验公式。

这种方法是当前最可靠、预计精度比较高的方法。

经验方法主要有典型曲线法、剖面雨数法和威布尔分布法等。

3．2 理论模型方法
理论模型方法是把岩体抽象为某个数学的、力学的或数学—力学的理论模型，按照这个模型计算山受开采影响岩休产生的移动、变形和应力的分布情况。

该法所用的理论模型分两种：连续介质模型和非连续介质模型(如弹性梁审曲、弹塑性模型、有限元和边界元模拟等)。

连续介质模型认为岩层和地表是一种连续的、元间断的一种固体，按力学方法进行求解，公式比较复杂，所用的参数常用实验窒试验或理论推导求得，一般与现场实测资料没有直接关系，难以确定，至今没得到广泛的应用。

理论模型方法主要有有限元法、边界元法、离散元法和非线性力学法等。

3．3 影响函数法
影响函数法是介于经验方法和理论模型方法之间的一种比较有效的预计方法。

其实质是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(以影响函数表示)，把整个开采对崭层和地表的影响看做采区内所有微小单元开采影响的总和，并扼此计算整个开采引起的岩层和地表的移动和变形。

目前，此法所闻的参数常根据实测资料求定。

影响函数法主要有概率积分法、布德雷克和柯赫曼斯基法。

我国应用最多的方法是概率积分法、典型曲线法和负指数函数法。

涉及学科：测量、采矿、力学、统计学、电子计算机、建筑、地质等许多学科，是一个交叉学科
地下井工开采：
广义上说，有用矿物的开采可以是井工方法开采，也可以是露天方法开采；开采的有用矿物可以是层状的也可以是非层状的。

由于本书是为煤炭系统高校学生编写的教材，因而书中提及的有用矿物的开采，主要指的是层状有用矿物（特别是煤层）的井工开采，“开采沉陷”也是特指煤层地下开采后产生的开采沉陷。