国外矿山开采沉陷的发展及主要研究方法

【摘要】矿山开采沉陷的研究对地下资源的合理开发和利用具有重要的理论和实践意义。对国外开采沉陷研究的历史发展过程进行了整理和总结，并简单介绍了地表沉陷常用的研究方法及其发展状况。

【关键词】开采沉陷；研究历史；研究方法

1 概述

地下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，岩层内部的应力经重新分布以达到新的应力平衡，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。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，它是一门交叉学科，主要涉及采矿、地质、测量、岩石力学、统计学和计算科学等诸多学科。

2 国内外矿山开采沉陷的发展

开采沉陷对人类生产和生活的影响早已被人们所认识。早在15至16世纪，在比利时曾经发布过一项法令，对因进行开采而使列日城的水源（含水层）受到破坏的责任者处以死刑。在20世纪以前，因为地下开采使铁路、房屋遭到破坏，井下透水造成人员死亡的惨案时有发生。1875年德国的约汉·载梅尔矿，因地表塌陷使铁路的钢轨悬空、影响列车运行；1895年德国柏留克城地面突然塌陷、毁坏了31所房屋。由此，引起了人们对开采沉陷问题的高度重视，并进行了一些专门的研究工作。采矿企业的研究人员从二十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Bergschadenkunde和英文Mining Subsidence——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.O出版了开采沉陷的第一本有代表性的著作Bergschadenkunde。二十世纪30年代，原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ВНИМИ），统一组织和领导全苏各矿区的实地观测和研究工作。波兰也十分重视开采沉陷研究工作，二十世纪50年代先后提出了三种地表移动变形预计方法。

可见，国外对开采沉陷的研究由来已久，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。

3 开采沉陷研究方法

（1）几何方法类：

几何方法类主要是指地表沉陷预计方法的研究，它是以岩移观测数据为依据而逐渐建立起来的，这类方法便于实际应用，常用的方法有概率积分法、典型曲线法和负指数函数法。

几何方法是在开采沉陷学领域内研究最早的方法，早在1838年，多里斯提出的垂线理论，以后被比利时学者哥诺发展为“法线理论”（1858），又被Dumont进行修正，提出了下沉量的计算模式W=mcosα。后来有一系列的理论和假设被相继提出，这些早期的研究主要对覆岩变形移动与地表下沉关系进行了研究，建立了相关的几何理论模型。

到二十世纪中叶，开采沉陷几何模型方面的研究得到了较快的发展。1958年前苏联的ВНИМИ首次提出了采空区上方岩层移动的形式——垮落带、断裂带和整体弯曲带的“三带理论”，并提出了全苏联通用的地表移动变形计算方法——典型曲线法。1950年波兰科学院岩石力学研究院的学者Budryk和Knothe提出了几何理论，得出了正态分布的影响函数；克拉克夫矿业学院的学者柯赫曼斯基提出了图解法。Schimizx等研究了开采影响的作用面积及其分带，形成了影响函数的概念。1954年波兰科学院岩石力学研究院的学者李特维尼申提出了随机介质理论，把岩石视为不连续介质，首次把随机介质理论引入到岩层移动的研究中，将岩层移动视为一随机过程。西德学者克拉茨总结概括了煤矿开采沉陷的预测方法；勃劳纳提出了水平移动的影响函数，并发展了圆形积分网格法计算出地表移动（1961）。

（2）力学方法类：

力学方法类主要是基于力学原理对岩层移动变形的力学机理进行研究，主要包括弹塑性力学、岩石力学、结构力学、损伤断裂力学等力学原理，把采动上覆岩层假定为岩梁、岩板或拱结构。力学方法类还包括以力学原理为基础的相似材料模拟、数值模拟等方法，其中数值模拟方法包括有限元、离散元、边界元等。力学方法类的研究成果有：

从十九世纪末到第二次世界大战，人们开始提出了有关岩石移动规律的一些初步的力学结构假设。前苏联学者B.里特捷尔提出了拱假设（1879）；M.M.普罗托季亚科诺夫提出了普氏平衡拱（1907）；法国人Fayol提出了岩梁假设，并对岩梁的变形力学机制进行研究（1885）；Halbaum将采空区上方岩层作为悬臂梁，推导出地表应变与曲率半径成反比的理论；Fckardt把岩层移动过程视为各岩层逐层弯曲的结论；Lehmann认为地表沉陷类似于一个褶皱的过程；1947年前苏联学者阿威尔辛应用塑性力学理论研究地表移动规律，确立了地表移动矢量在垂直方向和水平方向间的微分关系式，即水平移动与地表倾斜成正比的著名论点，提出了下沉剖面方程呈指数函数形式；南非的沙拉蒙（Salamon）应用弹性理论提出了面元原理，将连续介质力学与影响函数法相结合，为现在的边界单元法奠定了基础（1960）；同时数值模拟方法也被应用到开采沉陷领域。

（3）其它方法类

主要包括模糊数学、灰色理论、神经网络、分形理论、非线性理论在开采沉陷中的应用，这些对研究岩层与地表移动的复杂问题提供了新的研究手段。

4 结束语

随着多学科交叉研究的深入以及计算机技术的飞速发展，矿山开采引起的地表沉陷预测方法和手段将更为先进，预测结果也会更加可靠，为矿山开采沉陷灾害的预测和防治提供了更强有力的保证。

参考文献：

[1]刘占魁，刘冰蕾，王瑞智，张朋.国内矿山开采沉陷的主要研究方法及应用情况[J].西部探矿工程.2011（1）：176-178

[2]韩光胜，程健维，易光旺.国外矿山开采沉陷预计技术研究及应用概述[J].中国安全生产科学技术.2011（7）：41-45

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