【正文】 ...............................587 結(jié)論和展望 .............................................................59 結(jié)論 ...............................................................59 論文不足與展望 .....................................................60參考文獻(xiàn) .................................................................61致謝 .....................................................................631 / 681 緒論 問題的提出及研究意義 地下煤層被采出后，采空區(qū)周圍的巖體的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，應(yīng)力要重新分配，達(dá)到平衡。在這個過程中，巖層和地表會發(fā)生連續(xù)的下沉和移動，這種現(xiàn)象稱為“開采沉陷” （Mining subsidence） 【1】 。沉陷是井下煤田開采對土地破壞的主要形式,沉陷地面一般占井下煤田開發(fā)區(qū)總土地破壞面積的 80%以上 【2】 。我國的煤炭工業(yè)以井下開采為主,絕大多數(shù)是長壁工作面、全陷落法管理頂?shù)装?再加上開采強度開采規(guī)模的日益加大、開采方式和工作面結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化不合理、小煤礦的不規(guī)范開采等影響,致使采煤區(qū)地面沉陷比較嚴(yán)重。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計,每從地下開采 1 萬 t煤約使 1000~3000m2 的土地遭受不同程度的沉陷。全國因采礦活動形成的采空區(qū)面積約 萬公頃，引發(fā)地面沉陷面積 萬公頃， 【3】 每年增加 200km2【2】 。表 1—1是我國部分礦區(qū)不完全統(tǒng)計的采煤沉陷分布表 【4】 。表 1—1 我國部分礦區(qū)采煤沉陷分布表礦區(qū)名稱 沉陷區(qū)面積（km 2）撫順 古交 鶴壁 雞西 193濟寧 六盤水 阜新 山西（10 個礦區(qū)） 遼源 鶴崗 隨著煤礦開采范圍的擴大，越來越多的土地會受到破壞，沉陷也會對礦區(qū)的居民2 / 68生活帶來威脅。礦區(qū)大面積的土地破壞，不僅影響到居民的生命財產(chǎn)安全，也對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成極大的破壞，而且這種破壞極有可能是無法恢復(fù)的。所以對于采煤造成的地面沉陷，治理工作就顯得十分必要，這關(guān)乎到礦區(qū)居民的生產(chǎn)生活，也關(guān)乎到礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，對于煤礦的正常生產(chǎn)也十分重要。同時沉陷區(qū)的治理工作也要有章可循，要根據(jù)采空區(qū)范圍預(yù)測可能的沉陷區(qū)范圍，結(jié)合預(yù)測做好治理工作。本文將結(jié)合白家莊礦的 36703 工作面的資料，預(yù)測工作面采煤后對地面的影響，并結(jié)合預(yù)測做好沉陷區(qū)的治理與防治工作。 國內(nèi)外沉陷預(yù)測與治理研究現(xiàn)狀 國內(nèi)外沉陷預(yù)測研究現(xiàn)狀采礦沉陷預(yù)測研究的歷史僅僅有一百多年歷史，各國學(xué)者提出了一系列的預(yù)測方法。采煤沉陷的預(yù)測方法大體有三類：① 以實驗和觀測資料為依據(jù)建立的預(yù)測模型，主要是根據(jù)觀測資料和觀測結(jié)果，結(jié)合一些采煤的采掘參數(shù)所建立的模型。觀測資料來源于特定礦區(qū)，結(jié)果也只對調(diào)查區(qū)域有效。② 根據(jù)沉陷影響范圍提出的預(yù)測模型，一般是對于預(yù)測礦區(qū)進(jìn)行觀測，利用觀測資料與類似地質(zhì)條件下的自然沉陷進(jìn)行比較，得出一個比率系數(shù)，進(jìn)行沉陷預(yù)測。該預(yù)測方法應(yīng)用有限，比率系數(shù)很難確定，自然沉陷也主要受地球力學(xué)和地質(zhì)影響。③ 建立數(shù)學(xué) 物理模型，根據(jù)力學(xué)原理計算頂板變形和沉陷發(fā)展，這類模型可以給出計算結(jié)果 【5】 。國內(nèi)較為常用的方法主要有兩種：概率積分法和典型曲線法。1 概率積分法（隨機介質(zhì)理論） 【6】概率積分法的依據(jù)是非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，將巖體看成是由無窮多個單元堆積而成，從單元隨機移動出發(fā)研究巖體的移動過程，把巖體看成完全的松散單元，又加設(shè)小單元性質(zhì)與巖體無關(guān)，從而將覆巖和地表移動與巖體本身的固有屬性分離。概率積分法沒有考慮巖體結(jié)構(gòu)的特性，且利用的預(yù)計參數(shù)沒有力學(xué)意義，巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜時誤差較大，但由于其避開了巖體的內(nèi)在特性，概率積分法適用簡便，在巖體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為簡單的層狀性質(zhì)時計算結(jié)果符合實際，在生產(chǎn)實踐中廣泛使用。3 / 682 典型曲線法 【1】典型曲線法是用無因次的典型曲線表示移動盆地主斷面上的移動和變形曲線的一種方法，它適用于矩形或近似矩形的采區(qū)的地表移動變形預(yù)計。應(yīng)用典型曲線法的步驟如下：⑴ 對實測資料進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，建立用地質(zhì)采礦數(shù)據(jù)求取預(yù)計參數(shù)和地表移動變形最大值的經(jīng)驗公式。⑵ 根據(jù)各觀測站的實測資料，建立適用各種地質(zhì)采礦條件的反映移動或變形分布情況的典型曲線。⑶ 根據(jù)要預(yù)測的開采的地質(zhì)采礦條件數(shù)據(jù)，應(yīng)用上述經(jīng)驗公式求取預(yù)測參數(shù)及各種移動變形的最大值。⑷ 根據(jù)要預(yù)測的開采的地質(zhì)采礦條件，選取適當(dāng)?shù)念A(yù)測典型曲線。⑸ 根據(jù)要預(yù)測的主斷面上的地面點的無因次橫坐標(biāo)和選定的典型曲線，求定預(yù)計點的無因次移動變形值，乘以相應(yīng)的最大值，就得到預(yù)計點的實際移動和變形值。典型曲線法由于其分布和參數(shù)均是直接基于實測資槍預(yù)計誤差較小，因此是目前所有預(yù)計方法中較為可靠的方法之一。我國也在多年的實測的基礎(chǔ)上建立了大量的典型曲線。但典型曲線也有其缺點：典型曲線針對某個礦區(qū)建立，其它礦區(qū)不能套用；需要大量的實測資料；典型曲線原則上適用于矩形或近似矩形采區(qū)的地表移動和變形預(yù)計，在形狀不規(guī)則的工作面開采時預(yù)計誤差大。近年來，國內(nèi)外學(xué)者又結(jié)合數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)方法提出了新的沉陷預(yù)測方法。如：遺傳程序設(shè)計法能有效處理復(fù)雜和非線性問題，應(yīng)用于采礦沉陷預(yù)測誤差不大于 10％，能夠滿足工程需求。 【7】 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法不需要掌握采掘頂板的地質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)，根據(jù)一些采掘參數(shù)，利用多層次的反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即可預(yù)測采礦引起的沉陷 【5】 。對未確知聚類預(yù)測法進(jìn)行優(yōu)化，并將其用于開采地面沉陷預(yù)測研究，預(yù)測結(jié)果也可達(dá)到一定精度 【8】 。以理想散體移動模型為基礎(chǔ), 提出了更具有一般統(tǒng)計意義的采動覆巖與地表下沉概率密度新函數(shù),建立了水平煤層開采地表下沉和變形的預(yù)計新體系,為礦山開采地表下沉和變形預(yù)計提供了新方法 【9】 。國內(nèi)也有一些學(xué)者認(rèn)識到概率積分法中的預(yù)計參數(shù)的不足，提出了概率積分法預(yù)計參數(shù)的求取的改進(jìn)方法。如：基于 Broyden 算法的概4 / 68率積分法預(yù)計參數(shù)求取方法，改進(jìn)了預(yù)計參數(shù)計算的不足，具有以一定的優(yōu)越性 【10】 。 國內(nèi)外沉陷治理研究現(xiàn)狀對于采煤沉陷治理方法，主要分為兩類。第一類主要是地表治理，也是末端治理，主要方式即土地復(fù)墾。土地復(fù)墾是目前采煤沉陷治理最主要的方法，也是國內(nèi)運用較為成熟的方法，提出了一系列的土地復(fù)墾技術(shù)方法，且治理費用較低。第二類主要是地下治理，也是源頭治理，即要防止采空區(qū)地面下沉。主要方法就是要在采煤過程中，要采用開采沉陷控制技術(shù)、井下回填或工程技術(shù)方法，防止采空區(qū)大幅度下沉的發(fā)生。1 礦區(qū)土地復(fù)墾礦區(qū)土地復(fù)墾工程是按照土地利用原理，結(jié)合礦山開采后土地破壞的特點，對控根、塌陷、壓占的土地采取工程和生物措施，恢復(fù)土地的生產(chǎn)力和礦區(qū)生態(tài)平衡的活動 【11】 。土地復(fù)墾后有多種利用方式，根據(jù)利用方式土地復(fù)墾形式又可分為： 【12】⑴ 恢復(fù)農(nóng)業(yè)用地，如耕地、牧場、草地、果園及菜地等；⑵ 恢復(fù)林業(yè)用地．如種植各種用途的綠色植物等；⑶ 建設(shè)生活和生產(chǎn)用的蓄水池塘．養(yǎng)魚及水籬．游泳池等；⑷ 恢復(fù)民用和工業(yè)建筑用地；⑸ 建設(shè)文化娛樂和休養(yǎng)場所。2 沉陷控制⑴ 礦山開采沉陷控制技術(shù)礦山開采沉陷控制技術(shù)可分為四類：以充填體為核心的巖層控制技術(shù)、以部分支撐礦柱為核心的開采技術(shù)、以協(xié)調(diào)開采為核心的變形控制技術(shù)和以建筑物為核心的保安煤柱設(shè)計技術(shù) 【13】 。具體見下圖 1—1 所示：5 / 68圖 11 礦區(qū)開采沉陷控制技術(shù)⑵ 井下回填和采空區(qū)灌漿處置煤層開采完以后，可以把采煤過程中產(chǎn)生的廢棄物如矸石和采煤剝離物回填采空區(qū)，這樣不僅可防止了采空區(qū)塌陷，也實現(xiàn)了廢物不外排。對于一些采空區(qū)，必要時采取灌漿處置，對于防止塌陷有良好的效果。開采沉陷是造成礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害的直接原因，有效控制和減輕地面沉陷程度是避免開采沉陷環(huán)境災(zāi)害的基本途徑，充填采煤法是減少地表下沉效果最好的方法之一。這種方法可使采場沒有或減少垮落帶，能更好的減少地表下沉 【14】 。地下回填需要大量廢物，而我國又有大量的城市垃圾和工業(yè)廢料，僅 1998 年全國城市生活垃圾就達(dá) 1. 2 億噸以上，如果能把采礦終了后的地下采空區(qū)回填治理與城市生活垃圾中固體廢棄物的填埋處理結(jié)合起來 【15】 ，既可解決我國的垃圾處理問題，也為采空區(qū)治理提出了一個新的思路。由于采空區(qū)情況復(fù)雜，勘察和施工時有時難以發(fā)現(xiàn)，可能會造成部分已建建筑物傾斜、開裂或路基的塌陷。針對這一特殊情況，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牟牧瞎?yīng)情況和施工條件,一般采用注漿法進(jìn)行處理 【16】 。注漿材料一般為選用既經(jīng)濟又便宜的工業(yè)廢料——電廠粉煤灰作為主要充填材料，利用水泥的粘結(jié)性和粉煤灰按比例拌和，改善了粉煤灰粘結(jié)性差的弱點，提高其結(jié)石體強度，抑制了其振動液化；同時充分利用粉煤灰流體性好的特點，充填地下采空區(qū)裂隙或空洞。注漿后形成的結(jié)石不僅起到充填作用，而且起支撐作用，從而保證建筑物的安全使用 【17】 。這些技術(shù)不僅能徹底治理采煤沉陷6 / 68區(qū)，還可解決用地緊張的矛盾。 沉陷治理存在的問題沉陷治理后土地的用途不同，所以治理方法也應(yīng)有所區(qū)別。沉陷治理要做好規(guī)劃，根據(jù)治理區(qū)的規(guī)劃用途，選擇合適的治理技術(shù)方法，不能對于所有的治理區(qū)都選擇一樣的方法，同時也要考慮治理的經(jīng)濟成本，選擇可行的治理方式。例如，對于規(guī)劃為林地或耕地的沉陷區(qū)，就應(yīng)采用土地復(fù)墾的辦法，平整土地或修建梯田（對于山區(qū)丘陵地區(qū)） ；對于規(guī)劃為生活或生產(chǎn)用的蓄水池或魚塘的沉陷區(qū)，就應(yīng)采用深挖的辦法；對于規(guī)劃為民用或工業(yè)建筑用地的沉陷區(qū)，治理工作就不能采用土地復(fù)墾方法，而應(yīng)采用井下回填或工程注漿，以滿足建筑對地基承載的要求。沉陷治理應(yīng)根據(jù)沉陷預(yù)測做出相應(yīng)的不同治理手段，根據(jù)采煤的開采速度、開采時間和一些其他條件，可以預(yù)測出哪些區(qū)域已是穩(wěn)定的沉陷區(qū)，哪些區(qū)域為非穩(wěn)定的沉陷區(qū)。穩(wěn)定沉陷區(qū)和非穩(wěn)定沉陷區(qū)的治理手段應(yīng)是不同的，應(yīng)根據(jù)各個礦區(qū)的地形和多煤層重復(fù)開采的地表塌陷特點，對穩(wěn)定沉陷地和不穩(wěn)定沉陷地應(yīng)分別采用簡易復(fù)墾和最終復(fù)墾兩種方案 【18】 。 本次研究采用的理論和主要研究內(nèi)容本次研究主要采用概率積分法和 FLAC3D 數(shù)值模擬，對采煤沉陷區(qū)進(jìn)行沉陷預(yù)測；治理方法也主要選擇土地復(fù)墾的方式。本文研究的主要內(nèi)容：① 介紹概率積分法的基本理論及在采煤沉陷中的應(yīng)用；② 介紹沉陷區(qū)治理的主要理論方法（土地復(fù)墾）和技術(shù)手段；③ 利用概率積分法分析白家莊礦的沉陷范圍及各種沉陷特征，繪制出采空區(qū)的下沉等值線和各類剖面圖，發(fā)現(xiàn)移動變形規(guī)律；④ 利用 FLAC3D 模擬煤層開采過程，并以此根據(jù)計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)采煤過程中的地表移動變形規(guī)律；⑤ 根據(jù)沉陷預(yù)測，合理規(guī)劃沉陷區(qū)的土地復(fù)墾。7 / 682 沉陷預(yù)測方法——概率積分法 概率積分法 【1】 概率積分法是因其所用的移動和變形預(yù)計公式中合有概率積分(或其導(dǎo)數(shù))而得名。由于這種方法的基礎(chǔ)是隨機介質(zhì)理論，所以又叫隨機介質(zhì)理論法。 隨機介質(zhì)理論首先由波蘭學(xué)者李特威尼申(J． Litwiniszyn)于 50 年代引入巖層移動研究，后由我國學(xué)者劉寶琛、廖國華等發(fā)展為概率積分法。經(jīng)過我國開采沉陷工作者20 多年的研究，目前已成為我國較成熟的、應(yīng)用最為廣泛的預(yù)計方法之一 【1】 。 隨機介質(zhì)理論基本原理 作為開采沉陷研究主體的巖體可以用兩種完全不同的介質(zhì)模型來模擬：一種是連續(xù)介質(zhì)模型，一種是非連續(xù)介質(zhì)模型。連續(xù)介質(zhì)模型認(rèn)為：在移動過程中，介質(zhì)始終保持其連續(xù)性，介質(zhì)單元之間的聯(lián)系關(guān)系保持不變；非連續(xù)介質(zhì)模型則認(rèn)為：在移動過程中，介質(zhì)的連續(xù)性受到破壞，介質(zhì)單元之間原有的聯(lián)系關(guān)系發(fā)生變化，單元互相分離并發(fā)生相對運動。由于巖體中有一系列原生的和開采引起的裂隙面和其他非連續(xù)面，所以用非連續(xù)介質(zhì)模型研究開采沉陷問題是適當(dāng)?shù)摹? J．李特咸尼申等應(yīng)用非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中的顆粒體介質(zhì)力學(xué)來研究巖層及地表移動問題，認(rèn)為開采引起的巖層和地表移動的規(guī)律與作為隨機介質(zhì)的顆粒體介質(zhì)模型所描述的規(guī)律在宏觀上相似。作為隨機介質(zhì)的顆粒體介質(zhì)，在研究其移動規(guī)律時可抽象為圖 2—1 所示的理論模型。該理論模型認(rèn)為，介質(zhì)是由類似于砂?；蛳鄬碚f很小的巖塊這樣的介質(zhì)顆粒組成的。顆粒之間完全失去聯(lián)系，可以相對運動。顆粒介質(zhì)的運動用顆粒的隨機移動來表征，并把大量的顆粒介質(zhì)的移動看作是隨機過程。8 / 68圖 2—1 顆粒體介質(zhì)的理論模型在圖 2—1 的理論模型中，假設(shè)這些介質(zhì)顆粒是一些大小相同、質(zhì)量均一的小球，并被裝在大小相同的均勻排列的方格內(nèi)。一個方格內(nèi)的小球被移走時，由于重力作用，上一層的兩個相鄰方格內(nèi)的小球之中的一個將滾入此方格。假設(shè)此方格上一層的兩個相鄰方格中的哪一個小球滾入此方格完全是隨機的(所以稱為“隨機介質(zhì)”)，井具有相同的概率 1／2。若圖 2—la 中的 a1 格內(nèi)的小球技移走后是 a2 格內(nèi)的小球族入 a1 格，則 a2 格將被一個從第 3 分層的 a3 或 b3 格族來的小球所占據(jù)；同樣，若是 b2 格內(nèi)的小球族入 a1 格，則 b2 格將被一個第 3 分層的 b3 或 c3 格接來的小球所占據(jù)。根據(jù)概串相乘和相加定理，a1 格小球的放出排空 a b2 或 c3 格這三個事件發(fā)生的概率分別為 41?? ；同理，排空第 4 分層 ab c 4 或 d4 格這四個事件發(fā)生42???1的概率分別為 l／3／3／