国内矿山开采沉陷的主要研究方法及应用情况

国内矿山开采沉陷的主要研究方法及应用情况

刘占魁3,刘冰蕾,王瑞智,张　朋

(内蒙古科技大学矿业学院,内蒙古包头014000)

摘　要:简要地介绍了当前国内矿山开采沉陷研究的主要方法(弹、塑性连续介质法、随机介质理论———概率积分法、统计类比法、损伤力学法、三维地形可视化法、相似材料法、数值模拟法、神经网络法和白、黑、灰箱法),分析了各自的特点并重点阐述了各方法在国内目前的应用情况。

关键词:矿山开采;沉陷;研究方法

中图分类号:TD327　文献标识码:B　文章编号:1004—5716(2011)01—0176—03

矿体被采出后,采空区周围岩体的自然应力状态受到破坏,岩层和地表产生移动、变形和破坏,这种现象称为矿山开采沉陷。矿山开采沉陷学是研究开采沉陷及相关工程问题的一门学科,是整个采矿学科中不可缺少的重要分支。开采沉陷作为一个单独学科而被系统研究是从20世纪20年代开始的,尤其是二战以后,发展更为迅速。俄罗斯、波兰、乌克兰、前西德、澳大利亚、英国、加拿大、美国、日本等国家,都曾对开采沉陷的理论和应用技术进行了深入的研究。我国对开采沉陷理论的研究是从建国后开始的,经过大半个世纪几代矿业工程技术人员的努力,在积累了大批丰富的实地观测资料、借鉴国外先进理论、技术和经验的基础上,经过技术上的吸收、创新和理论上的发展,逐渐形成了一套具有中国特色的并基本符合我国实际的一套开采沉陷理论。我国矿山开采沉陷研究水平目前已达到世界先进水平。1　主要研究方法简介

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。

2　主要研究方法及国内应用情况

弹、塑性连续介质法是将岩体概化为连续体,认为岩体的变形是连续的,多以板或梁为假设,从而利用弹性、塑性力学的方法来研究该问题。我国学者也曾用弹性力学理论分别得出下沉盆地的平衡型和非平衡型方程,如刘宝琛和邹友峰把上覆岩体视为粘弹性介质组成的弯曲梁,利用粘弹性理论,求得地表下沉曲线;李增琪在探讨三维状态下地表移动变形计算问题时,把开采工程岩体概化为由分层宏观各向同性线弹性岩层组成的空间体,满足层间接触条件和开挖条件,采用二重Fourier积分变换,获得了地表和岩层内部移动变形空间问题的解。

随机介质理论———概率积分法。随机介质理论最初由波兰学者Litwiniszyny20世纪50年代提出,后由我国学者刘宝琛、廖国华等发展为概率积分法,目前已成为我国较为成熟的、应用最为广泛的预计方法之一。概率积分法属于影响函数法,该方法认为开采引起的岩层和地表移动的规律与作为随机介质的颗粒体介质模型所描述的规律在宏观上相似,通过对单元开采下沉盆地进行积分即可求取工作面开采地表移动与变形值。但是由于概率积分法在应用中也存在着由于达不到充分采动、具体地质构造和本身理论缺陷导致的模型误差和由于参数反演或选取使预计参数不准确而导致的参数误差,在实际应用中还存在着一些问题。我国学者目前已提出一系列修正方案:郭增长、戴华阳、王金庄等提出修正预计参数,采用下沉率替代下沉系数进行沉陷预计来修正达不到充分采动的误差;针对具体地质构造引起的误差,李永树、张向东、余华中等分别建立了背斜构

671 西部探矿工程 2011年第1期3收稿日期:2010204216

第一作者简介:刘占魁(19522),男(汉族),内蒙古包头人,教授,硕士研究生导师,研究方向:岩石力学与数据挖掘的教学和研究工作。

造情况下沉陷预计模型、厚冲积层下地表沉陷预计模型和厚松散层下开采沉陷预计模型来加以改进;针对模型理论缺陷导致的误差,吴侃提出采用多项式修正方法对水平移动曲线、充分采动区内水平移动和水平变形曲线进行修正;针对参数选取误差,郭文兵、邓喀中、邹友峰、麻凤海、张庆松等学者利用人工神经网络进行沉陷预计参数的选取,收到了很好的效果。

统计类比法就是利用某几个矿区的实测沉陷资料研究成果来预计其它矿区开采沉陷情况的方法。主要包括影响函数法、剖面函数法典型曲线法。

影响函数法。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(以影响函数法表示),把整个开采对岩层和地表的影响看作采区内所有微小单元开采影响的总和,并据此计算整个开采引起的岩层与地表移动变形。其主要优点在于它能够预报任意形状工作面开采条件下的地表任意点的沉陷量。影响函数法主要有概率积分法、巴尔斯法、别耶尔法、扎恩法和埃尔哈尔特—佐埃尔法等,我国目前应用比较成熟的影响函数法是概率积分法。

剖面函数法是以剖面函数来表示各种开采条件下的主断面内的典型移动和分布情况。与典型曲线法相比,剖面函数便于进行数学处理和用电子计算机进行计算。剖面函数的形式是直接根据实测资料选定的,更适用于矩形或近似矩形的工作面开采时的预计。在预计矩形工作面开采的地表移动时,剖面函数法的精度更高。目前我国采矿工程常用的剖面函数法主要包括负指数函数法、双曲函数法、典型曲线法及威布尔法等。

典型曲线法是用无因次的典型曲线表示移动盆地主断面上的移动和变形曲线的一种方法,它适用于矩形或近似矩形的采区的地表移动变形预计。目前国内主要应用的典型曲线有峰峰矿区典型曲线、平顶山矿区典型曲线等。但是由于其不便于数学处理和不同矿区之间的地质条件差异很大,不能将已有矿区典型曲线随便套用在另一矿区,这样便限制了典型曲线法在我国的进一步推广和应用。

损伤力学法是研究岩石材料在各种加载条件下,其中损伤随变形而演化发展并最终导致破坏的过程的方法。于广明等将损伤力学和分形等现代非线性科学应用与开采沉陷学科领域,在现有的开采沉陷理论基础上,进一步揭示了岩体开采沉陷的更深层次的机理、特征和规律。

三维地形可视化技术是指在计算机上对数字地形模型(Digital Terrain Model,D TM)中的地形数据进行逼真的三维显示、模拟仿真、简化、多分辨率表达和网络传输等内容的一种技术。目前国内主要应用的可视化技术有地理信息系统(GIS)、数字地面模型(DIM)等。

相似材料法是用与原型的物理力学性质相似的人工材料,将原形缩制成一定比例的模型,在保证原形与模型的初始状态和边界条件相似的情况下,对模型进行模拟开采,观测模型上“岩层”的移动和破坏情况,并以此分析、推测实地岩层发生的情况的方法。在本方法中相似材料的选择对模型试验的成功与否起着决定性作用。传统的选择方法是进行大量反复的逼近试验,试验的人财物的消耗大、周期长且数据的可靠性低。最新的选择方法是采用正交选择,用正交法选择模拟材料缩短了试验周期和材料消耗,降低了试验成本,且选择出来的配比的各性能参数的误差较小,各测试值的离散性较小,表现出了良好的方向性。

数值模拟法。数值模拟法主要用于研究岩土工程活动和自然环境变化过程中岩体及其加固结构的力学行为和工程活动对周围环境的影响。其优点是能够利用各种优秀的数值模拟软件来进行数值模拟计算以代替繁杂的手工计算和昂贵的现场原型试验。国内应用于矿山开采沉陷研究的数值模拟方法主要包括有限差分法、有限单元法、离散元法和边界元法。

有限差分法是将问题的基本方程和边界条件以简单、直观的差分形式来表述,先从物理现象引出相应的微分方程,再经离散化得出差分方程,由参数的差分方式求解微分方程。FLAC和FL AC3D是目前功能最强大的有限差分法数值分析软件,能够模拟采矿过程中有断层存在时引起地表塌陷的形成过程。

有限单元法是将求解域看成是由许多成为有限元的小的互连子域组成,对每一单元假定一个合适的近似解,然后推导求解这个域总的满足条件,从而得到问题的解。但这个解不是准确解,而是近似解,因为实际问题被较简单的问题所代替。有限元法精度高,还能适应各种复杂形状,是一种有效的工程分析手段。采矿工程领域常用的有限元法软件有ANAS YS、RFPA、2D-σ等。杨伦、麻凤海等学者使用该法和ANAS YS软件得到了地下开挖引起的地表变形动态全过程;锹乾生、疏开生应用非线性三维有限元模拟了开采沉陷的岩层移动。

离散元法由P A Cundall于1971年提出的分析裂隙块状岩体稳定性的一种数值方法。它是将非连续性力学介质离散为多边形块体单元,块与块之间没有变形协调的约束,只需要满足平衡方程。基于牛顿第二定律

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2011年第1期 西部探矿工程