开采沉陷研究的意义
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1绪论
1.1开采沉陷研究的意义
煤炭资源是我国的主要能源,已探明总储最在9000×10。t以上,含煤面积达
55万多平方公里,是世界上煤炭资源最丰富的国家之一。据预测.到2050年煤炭
资源仍占我国能源需求的70%眦上…,因此对地下各种赋存条件煤炭资源的开采
将是一项长期的任务。我国煤炭资源的分布也十分广泛,平原、丘陵、山区的地下
蕴藏着丰富的煤炭资源,在一些建筑物下、铁路下、水体下(简称“三下”)也压着大
量的煤炭资源.据原煤炭部1982年的不完全统计,我国仅统配煤矿的生产矿井“三
下”压煤就达137 9×10。t。我国煤炭的赋存条件也千差万别.其中急倾斜或大倾
角煤层的开采越来越受到人们关注,其原因有三个方面:一是在全国重点煤矿区有
20处100多个矿井是急倾斜(也称“大倾角”)煤层开采,急倾斜或大倾角煤炭储量
约占全国煤炭储量的15%~20%,特别是在我国的西部矿区50%阻上矿井开采的
是急倾斜煤层,如主要产煤省、市、自治区有四川、重庆、云南、贵州、新疆、甘肃、宁
夏等的急倾斜(大倾角)煤层是许多矿区或矿井的主呆煤层。随着我国西部大开发
战略的实施,我国矿产资源开采重点西移,煤炭资源开采已成为西部地区区域经济
发展的重要支柱,加强对急倾斜(大倾角)煤层开采地表沉陷机理的研究是西部煤
炭开采的重大课题。二是东部矿区赋存条件较好的煤层越来越少.加上多年来高
强度的开采,浅部赋存条件较好煤层的开采也日益枯竭,从而使急倾斜(大倾角)煤
层问题迅速进入了人们的视野,引起了人们的高度重视,如山东兖州矿区、河北邢
台和开滦矿区、安徽淮南与淮北矿区、江苏徐州矿区等的许多矿井不得不由条件相
对优越的煤层开采转向复杂的急倾斜(大倾角)煤层开采。很显然.要保持矿区生
产的高产、高效和可持续发展.也必须加强对急倾斜(大倾角)煤层开采岩层移动与
地表沉陷问题的研究。三是对急颊斜(大倾角)煤层开采岩层移动与地表沉陷问题
研究得极不充分,其研究水平远没有对水平缓倾斜煤层开采研究得深入。在1986 年颁布的指导“三下”采煤的全国性规程_2’中,急倾斜煤层开采地表移动预计仍是空白;2000年修订的新规程中提出将概率积分法延伸到倾角a<75。的情况Ⅲ;同时国外也没有值得借鉴的经验和参考,前苏联只给出了a<70。时典型曲线法的预
计参数”0,故急倾斜(大倾角)煤层开采中存在的一系列技术难题值得科技工作者
去研究.
急倾斜煤层采动覆岩移动模式及其应用
地F矿产资源的开采必然引起采空区周围岩体的自然应力状态及上覆岩层内
部的原始应力平衡状态受到破坏,由于岩层内部的应力经重新分布以达到新的应
力平衡t从而导致上覆岩层的移动与变形.最终传递到地表,引起地表移动与沉陷。岩层和地表产生移动、变形和破坏的现象称为矿山开采沉陷,开采沉陷学也由此产生。它是研究地下资源开采引起岩层与地表连续与非连续移动变形现象.以及相
关工程问题的一门多学科交叉学科,主要涉及采矿、地质、测量、岩石力学、统计学和计算科学等学科,是煤矿安全开采与矿区环境保护不可缺少的重要分支。它研
究的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。
开采沉陷引发了许多地表的建(构)筑物、水体、耕地、铁路、桥梁和环境破坏等,并导致了许多灾害性后果‘“:
(1)农村煤矿区开采沉陷严重破坏了矿区环境,造成村庄的房屋裂缝、耕地积水、乡村道路断裂、果树木枯死、水塘干涸等,给乡村人们的日常生活、生产带来了很大的影响和损失,并且地面环境的破坏是很难恢复的。
(2)对城市的建(构)筑物、公路、铁路、桥梁、地下管网及城市的基础设施等造
成破坏和潜在的威胁。
(3)地表沉陷破坏地下的潜水位及地下水系,形成大面积的低洼区和积水区.
甚至形成沼泽地,使之既不能栽种植物,又不能养殖,成为荒地;地下术系破坏和地
下水的流失.也是不可恢复的。
(4)对天然的森林、草原、天然植被、山体等造成的破坏,影响了生态平衡。
(5)地表沉陷激化企业与地方及居民之间的矛盾。导致社会不稳定因素的
加剧。
(6)地表沉陷的治理与恢复耗资巨大。一般矿区的万吨采煤塌陷率
(hmV。10‘t)一般变化在2 8~6 75之间,仅就耕地而言,复垦一亩塌陷区平均耗资3000元人民币.而我国每年煤矿行业开采导致土地的塌骼达40万亩左右。所需要的费用就达12亿元人民币。
辽宁工程技术大学学者杨伦教授通过大量数据证明[“:矿山开采沉陷对环境
的损害比地震严重。因此,加强对开采沉陷特别是急倾斜(大倾角)煤层开采沉陷
变形机理的研究。有利于探索其内部固有的客观规律,为地表沉陷的预计、控制、治理、复垦、恢复提供理论依据,对我国煤炭工业的发展、社会的稳定和谐、生态环境的保护具有重大的现实意义和深远的社会意义,也是保证我国西部能源战略实麓、煤炭工业可持续发展不容忽视的重大研究课题。
l绪论
1.2开采沉陷研究的历史沿革与现状
开采沉陷研究方向是矿山测量研究的一个重要领域.涉及大地测量、矿山测
量、采矿、地质、岩石力学、统计学和计算机科学等学科,是一个交叉学科,也是大地
测量学与测量工程专业的一个重要研究方向,在我国矿业类高等院校都设有该
学科。
早在19世纪中叶,人们就开始重视因采矿引起地表沉陷,以及地表沉陷给地
面建(构)筑物和农业带来的严重损害等问题。采矿企业的研究人员从20世纪初
开始建立地面观测站,对地表移动与变形进行系统的观测,通过对地表移动观测成
果的综合分析和地表移动规律研究,产生了新的学科领域——开采沉陷学。开采沉陷学最早来自德文Berg~hadenkuⅡde和英文MlnlW subsidence,而俄文称之为
c.~.BHbKeHMe mp㈣ⅡopⅡH 3eblHOn n∞0px帕H——矿山岩层与地表移动。1931年
德国高等学校的矿业学院开始讲授“开采沉陷学”这门课程,1949年德国学者Niemezyk出版了开采沉陷的第一本有代表性的著作&r删n出”kunde"】。20世纪30年代.苏联开始矿山岩层与地表移动实地观测工作,1936年成立了矿山测量研究所,后来扩大规模改称全苏矿山测量研究院(简称BFIMSSd&),统一组织和领导全苏各矿区的宴地观测和研究工作。波兰也十分重视开采沉陷研究工作.20世纪50年代先后提出了三种地表移动变形预计方法。我国的开采沉陷研究工作从
中华人民共和国成立后才开始,1953年北京矿貌矿山测量教研室聘请苏联专家哥尔地克首次为青年教师和研究生讲授“岩层与地表移动”课程,1955年“岩层与地表移动”作为一门专业课程正式为我国第一届矿山测量专业大学生而开设.1954 年在开滦矿务局林西矿设立了我国第一个地表移动观测站,1956年成立的开滦煤炭研究所(现煤炭科学研究院唐山分院)矿山测量研究室积极开展岩层与地表移动
的实地观测研究工作,1959年煤炭科学研究院北京开采所矿压室(现特采室)开始专门从事开采沉陷及防护的研究试验工作,1960年开始研究岩层与地表移动规律及建筑物下采煤的试验工作。此后,我国的开采沉陷研究工作得到了较快的发展.取得了许多研究成果.为煤炭工业的发展和国民经济建设作出了贡献【“。
可见.国内外对开采沉陷的研究由来巳久,人们从不同的角度、按照不同的标准、依据不同的理论和方法进行了大量开采沉陷问题的研究.经历了从实地观测、理论分析到沉陷控制与治理的研究过程.由对地表移动规律性分析到深入研究岩层与地表移动的变形机理.取得了很多研究成果。因此,成果按其所依据的原理不