煤礦開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)理論與方法研究評(píng)述

李春濤

冀中能源股份有限公司邢臺(tái)礦綜采一隊(duì) 河北邢臺(tái) 054000

大量的技術(shù)研究成果表明，開(kāi)采沉陷發(fā)生程度的預(yù)測(cè)和分析不僅是科學(xué)有效地評(píng)價(jià)和分析開(kāi)采損害事件發(fā)生程度、選擇和確定開(kāi)采損害事件控制措施的前提，也是進(jìn)行煤炭開(kāi)采生產(chǎn)方案設(shè)計(jì)優(yōu)化、土地復(fù)墾和地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)過(guò)程中需要依賴的基本條件[1]。

1 開(kāi)采沉陷的影響因素

（1）過(guò)冷層的力學(xué)性能與巖層相結(jié)合，由此產(chǎn)生的巖層關(guān)鍵層損壞控制巖層的運(yùn)動(dòng)，使巖層關(guān)鍵層與地面成對(duì)，產(chǎn)生了沉積層。

（2）礦區(qū)松散層的厚度影響曲面運(yùn)動(dòng)。如果位于反向斷裂帶的含水層在采礦區(qū)內(nèi)會(huì)引起淤積現(xiàn)象，漏水后的含水層會(huì)固結(jié)并引起淤積。

（3）煤層傾角的頻繁變化將影響地表運(yùn)動(dòng)、過(guò)載運(yùn)動(dòng)模型、失效場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。

（4）采礦的厚度和深度不均勻，不科學(xué)。一般而言，巖層和巖層表面的移動(dòng)和變形與采礦厚度直接相關(guān)，與采礦深度成反比。深度比通常用作測(cè)量采礦條件對(duì)地表沉降影響的估計(jì)指標(biāo)。深度比越高，曲面運(yùn)動(dòng)和變形就越平滑。當(dāng)深度比非常低（小于30）時(shí)，大量裂縫、臺(tái)階、溝渠和其他不連續(xù)變形將出現(xiàn)在曲面上。

（5）采空區(qū)的大小會(huì)影響采空區(qū)的開(kāi)采程度，通常以寬度/深度比率表示。當(dāng)長(zhǎng)寬比小于1.2至1.4時(shí)，表面未充分利用；當(dāng)長(zhǎng)寬比等于1.2至1.4時(shí)，表面已充分利用；大于1、2至1、4的區(qū)域應(yīng)充分利用；完成采礦后，工作面的大小對(duì)地表移動(dòng)和變形影響不大。

（6）反復(fù)采礦改變了地表移動(dòng)的特征和變形參數(shù)，其移動(dòng)法變化不均勻。動(dòng)作的程度太明顯了，沉船會(huì)變得越來(lái)越嚴(yán)重

（7）采礦和屋頂管理方法。提取方法確定超負(fù)荷和表面移動(dòng)的形狀、順序和方向，屋頂管理方法確定移動(dòng)空間的大小，然后確定損壞的程度以及超負(fù)荷和表面移動(dòng)的數(shù)量。

2 開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)的方法

（1）典型的曲線方法。這是一種用典型的無(wú)量綱曲線表示移動(dòng)盆地主斷面運(yùn)動(dòng)變形曲線的方法，適用于預(yù)測(cè)矩形或接近矩形礦區(qū)表面運(yùn)動(dòng)變形。由于該方法的分布和參數(shù)直接基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因此其預(yù)測(cè)誤差較低。但是典型的曲線是為某個(gè)礦區(qū)建立的。由于每個(gè)礦區(qū)的地質(zhì)條件不同，其他礦區(qū)不能偶爾適用；典型的曲線需要從觀測(cè)站獲得大量的測(cè)量數(shù)據(jù)，這種方法不適用于測(cè)量數(shù)據(jù)不足的地區(qū)；此外，這種方法原則上只適用于預(yù)測(cè)矩形或準(zhǔn)矩形采礦區(qū)的地表移動(dòng)和變形，當(dāng)非正規(guī)采礦面臨工作面時(shí)，預(yù)測(cè)誤差很大。所有這些因素限制了典型曲線方法的應(yīng)用與推廣。

（2）截面特征方法。該方法使用一定的函數(shù)來(lái)表示各種采礦條件下流域主要部分的典型運(yùn)動(dòng)和分布。這些函數(shù)是典型曲線的分析表達(dá)式，它們是根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的。與典型的曲線方法相比，零件特征便于數(shù)學(xué)處理和計(jì)算機(jī)操作。但是，由于函數(shù)形狀的限制，其函數(shù)值可能與每個(gè)點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量所確定的典型曲線值不一致，并且得到的參數(shù)可能與實(shí)際值不同。

3 預(yù)計(jì)方法理論知識(shí)

（1）沉降數(shù)值模擬預(yù)測(cè)理論。以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的典型曲線法理論是基礎(chǔ)理論：科學(xué)地降低開(kāi)采巖層比例，用同樣的材料建立模型，模擬開(kāi)采，觀察開(kāi)采全過(guò)程，收集分析地表移動(dòng)，與原地表結(jié)構(gòu)對(duì)比，計(jì)算巖層的變形函數(shù)。該方法具有成本低、精度高、周期短、表面直觀等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是模型的相似性不能得到絕對(duì)保證，因此該方法還處于有限的發(fā)展階段。力學(xué)模型和數(shù)值模擬預(yù)測(cè)方法可以有效地計(jì)算變形范圍、變形程度和變形規(guī)律[2]。地表巖石和構(gòu)造的變形發(fā)展方向和時(shí)空演化。從計(jì)算結(jié)果中得到相應(yīng)的解，限制了沉降因素的干擾，防止了沉降的進(jìn)一步發(fā)展。

（2）數(shù)學(xué)力學(xué)沉降預(yù)測(cè)理論。以數(shù)學(xué)力學(xué)為基礎(chǔ)，分析預(yù)測(cè)理論，研究礦井地表移動(dòng)變形，掌握移動(dòng)變形的原因，預(yù)測(cè)應(yīng)力場(chǎng)、破壞場(chǎng)等因素。影響。由于數(shù)學(xué)力學(xué)理論的應(yīng)用，求解條件相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)際數(shù)據(jù)來(lái)源不完整，在實(shí)用性、真實(shí)性和準(zhǔn)確性上存在一定偏差。

4 開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)的誤差

（1）預(yù)測(cè)模型或方法不完善引起的偏差。目前，影響函數(shù)是對(duì)稱的，但下料與最終工作線的沉降曲線可能是不對(duì)稱的，拐點(diǎn)處的沉降可能不是反對(duì)稱的，可能有偏差；預(yù)測(cè)是平穩(wěn)的，繼續(xù)進(jìn)行。在實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)出現(xiàn)裂紋、臺(tái)階等不連續(xù)變形。即使采用數(shù)值模擬方法，選定的本構(gòu)方程或破壞準(zhǔn)則也可能與實(shí)際情況不符。

（2）參數(shù)誤差引起的估計(jì)誤差典型。一般采用類比選擇參數(shù)，可能與區(qū)域條件不符，導(dǎo)致預(yù)測(cè)偏差，針對(duì)不同礦區(qū)不同的地質(zhì)條件和開(kāi)采條件，導(dǎo)致參數(shù)的代表性誤差，分析了預(yù)測(cè)參數(shù)誤差對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響，并對(duì)地表沉陷值的增減進(jìn)行了預(yù)測(cè)，為了減小這種誤差，有必要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的研究參數(shù)變化規(guī)律及其與地質(zhì)條件的關(guān)系。

（3）觀測(cè)錯(cuò)誤導(dǎo)致的預(yù)測(cè)參數(shù)偏差。土地租賃預(yù)測(cè)參數(shù)是通過(guò)建立地面觀測(cè)站、使用某些儀器收集觀測(cè)數(shù)據(jù)以及處理和分析數(shù)據(jù)來(lái)確定的。由于觀測(cè)儀器的精度、外部環(huán)境的影響和觀測(cè)者技術(shù)水平的限制，觀測(cè)誤差導(dǎo)致預(yù)測(cè)參數(shù)偏離；雖然存在觀測(cè)誤差，但它不是影響曲面運(yùn)動(dòng)法研究的主要因素。

（4）與預(yù)期地質(zhì)和采礦條件的偏差。雖然在全面調(diào)查、調(diào)查和生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行了勘探和地震活動(dòng)，但并非所有地質(zhì)條件都得到充分掌握，導(dǎo)致地質(zhì)采礦條件發(fā)生變化。注意預(yù)測(cè)誤差和調(diào)整誤差之間的差異。裝配錯(cuò)誤是使用測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算參數(shù)的結(jié)果，然后使用得到的參數(shù)預(yù)測(cè)參數(shù)，再進(jìn)行比較[3]。安裝錯(cuò)誤不包括參數(shù)錯(cuò)誤。預(yù)測(cè)誤差基于結(jié)算預(yù)測(cè)參數(shù)的選擇，并將預(yù)測(cè)結(jié)果與開(kāi)采后的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。預(yù)測(cè)結(jié)果包括參數(shù)錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤起著重要作用。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，選取開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)方法的分類和開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)方法的理論基礎(chǔ)，從二個(gè)具體方面進(jìn)行簡(jiǎn)要的闡述和分析，旨在為中國(guó)現(xiàn)代煤炭開(kāi)采生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)領(lǐng)域的研究人員和相關(guān)人員創(chuàng)造和提供扎實(shí)有效的技術(shù)工作經(jīng)驗(yàn)參考支撐條件。積極采取相應(yīng)措施做好煤礦開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)工作，對(duì)支撐和保障我國(guó)煤礦開(kāi)采及生產(chǎn)相關(guān)活動(dòng)安全、優(yōu)質(zhì)、有序組織起著重要作用。