张雁飞
华晋焦煤有限责任公司沙曲矿 山西吕梁 033300
摘要：开采沉陷预计是矿山开采沉陷学科的核心内容之一,它对开采沉陷的理论研究和生产实践都有重要意义。本文详细分析了煤矿开采沉陷预计理论与方法。
关键词：开采沉陷；预计方法；影响因素；预计误差
开采沉陷预计理论和方法是认识采动地表移动变形规律、明确沉陷移动机理、开展采动损害评价和责任认定及采动损害控制技术研究的基础，也是开采优化设计的先决条件之一。
一、开采沉陷的预计方法
1、剖面函数法。根据不同开采条件下地表下沉盆地剖面形状,确定不同的剖面函数来描述下沉盆地,作为预计地表移动和变形的公式,这种预计地表移动和变形的方法统称为剖面函数法。它的优点是使用方便且直观；利用数学公式便于进行数学分析和使用计算机解算；利用较少的实测资料就可以确定预报公式的参数值。但剖面函数不一定符合实际下沉盆地的形状,特别是预报特征点变形值时可能出现较大的偏差。该方法仅适合于相同地质采矿条件下的矩形工作面上方的地表移动变形预计。因此,这种方法没有被广泛使用。
2、影响函数法。目前，此法所用的参数常根据实测资料求定，可适用于任意形状的工作面，任意开采程度、地表任意点及岩层的移动和变形预计，相比剖面函数法应用范围较广，但没有剖面函数法精度高。目前已成为我国较成熟的、应用最为广泛的预计方法之一。
3、典型曲线法。通过建立在研究区域的观测站观测地表移动情况，把观测值绘制成无因次曲线，来表示移动盆地主断面上的变形曲线方法，称为典型曲线法。该方法虽然预计精度比较高，但需要大量的实测数据，由于很多区域数据不足，造成这种方法局限性比较大，并未被广泛使用。
二、预计方法理论知识
1、数值模拟沉陷预计理论。以实测数据为手段的典型曲线法为基础理论，对矿区层进行科学的比例缩小，利用同等质材建立模型，并进行开采模拟，对开采进行全程观测，对地表异动情况进行数据收集、分析，与原地表结构进行比对，推算出岩层的变形函数。该种方法优点是成本低、准确率高、周期较短、直观地表；缺点是对模型的相似程度不能给予绝对保证，因此该方法还存在受限发展的状态。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆数值模拟预计方法与传统的力学模型预计方法相比较，对岩层、地表等结构的移动范围及变形程度、变形规则、变形发展取向、离层时空发育情况进行有效计算，通过计算结果能做出相应的应对方案，克制沉陷因素的干扰，防止沉陷继续发展。
2、数学力学沉陷预计理论。以数学力学为基础，进行预计理论分析，对矿区的地表移动、变形等进行研究，掌握引起移动变形的原因，对其影响因素进行预计。数学力学理论在应用中，求解条件比较简单，实际数据资源不够全面，导致实际性、真实性、准确性上的误差偏高。矿区地质的条件复杂特点没有绝对的统一性，因此不同矿区复杂程度也会不同，对极为复杂的矿区，数值模拟方法略优胜一筹，计精确度与破坏准则、材料物理力学参数之间的关系非常密切。
三、开采沉陷的影响因素
1、覆岩力学性质与岩层相结合，覆岩关键层破断现象对岩层移动有控制作用，进而使关键层与地表成耦合作用发展，发生沉陷。
2、矿区松散层厚度对地表移动产生影响，若上覆含水层处于倒水裂隙带内，会造成矿区内冲水现象，而失水后的含水层会出现固结状态，进而会容易发生沉陷。
3、煤层倾角变化过于频繁，使地表移动、覆岩运动形式、破坏场、应力场都会受到影响。
4、开采厚度与开采深度。通常，岩层与地表移动变形量与开采厚度成正比，与开采深度成反比；一般用深厚比作为衡量开采条件对地表沉陷影响的估计指标，深厚比越大，地表移动变形越平缓；当深厚比很小(小于30)时，地表可能出现大量的裂缝、台阶、塌陷坑等非连续变形。
5、采空区尺寸。采空区尺寸影响采动程度，采动程度一般用宽深比表示，宽深比小于1.2～1.4时地表为非充分采动，等于1.2～1.4时为充分采动，大于1.2～1.4时为超充分采动；达到充分采动后，工作面尺寸大小对地表移动变形量大小几乎无影响。
6、重复采动。重复采动时地表移动特点、地表移动变形参数与初次采动相比有显著变化，移动过程剧烈，地表下沉速度增大，地表移动速度加大，非连续破坏增加。
7、开采方法与顶板管理方法。采煤方法决定覆岩与地表移动的形式、先后顺序和方向，顶板管理方法决定移动空间大小，进而决定覆岩和地表破坏的程度和移动量的大小。我国目前主要的采煤方法是走向长壁开采、垮落法管理顶板，煤厚条件允许时采用高效综采放顶煤技术。
8、工作面推进速度。地表移动变形与工作面推进速度和位置密切相关，若工作面推进速度变化显著，会在地表产生明显的动态变形波动和差异沉降，一般要求工作面匀速推进。
9、地形地貌。山区地表移动变形分布不同于平地，呈现复杂多变的分布形态，不同的地形地貌表现出不同的移动变形分布。地形地貌的影响因素包括地表倾角、倾向、微地貌特征和松散层结构特性，而采动坡体的稳定性还与采动程度、坡体形态、岩土性质、浅层构造、弱面位置、状态及坡向与工作面位置关系等有关。
10、断层和褶曲等特殊地质构造。矿山开采中断层等弱面普遍存在，采动断层的活化有可能引起沿断层面的滑移，不仅改变了地表移动变形范围，同时由于断层露头地表的变形集中而形成塌陷台阶，增大地表采动损害程度。
四、开采沉陷的预计误差
1、模型或预计方法不完善引起的偏差。目前，采用的影响函数都具有对称性，但开切眼与终采线处的下沉曲线未必对称，拐点处下沉也未必反对称，而可能呈现偏态；预计曲线是光滑连续的，而实际可能有裂缝、台阶等非连续变形。即使采用数值模拟方法，所选择的本构方程或破坏准则也未必与实际相符等。模型和预计方法的不完善引起的预计偏差在实际工作中不可避免，随着预计模型和方法的完善及研究程度的提高，该类偏差会逐步减小。
2、参数代表性误差引起的预计偏差。一般参照规程采用类比法选取参数，由于选取参数可能不符合本地区条 件而引起预计偏差；即使本地区有实测资料，但不同开采区域的地质采矿条件也不尽相同，由此也会产生参数的代表性误差。预计参数按0.5％的步距增大和减小后分别预计地表下沉值，以分析预计参数的误差对预计结果的影响。需要进一步研究参数的变化规律及其与地质采矿条件的关系，以期减小该类误差。
3、观测误差引起的预计参数偏差。地表沉陷预计参数都是通过建立地表观测站，采用一定的仪器获得观测数据，经数据处理分析后获得。由于观测仪器精度、外界环境的影响和观测者技术水平的限制，导致了观测误差的存在，使分析所得的预计参数产生偏差；观测误差尽管存在，但不是主要影响因素，也不影响地表移动规律的研究。
4、预计时提供的地质采矿条件偏差。尽管普查、详查和生产过程中进行了勘探、地震等工作，还不能完全掌握所有的地质状况，导致地质采矿条件偏差。应注意区分预计误差和拟合误差的区别，拟合误差是用实测数据求参数，再用求得的参数进行预计，进而比较两者的结果，拟合误差不包括参数误差。预计误差是通过选取参数进行沉陷预计，并将预计结果与开采后的观测结果进行比较，预计结果中包括了参数误差，且参数误差发挥了主要作用。
五、结语
在矿区开采中，开采沉陷的预计是一个重要的课题，对开采沉陷的理论和实践都有重要意义。煤矿开采在推动国民经济发展的同时，也给环境带来了很多负面影响。因此，应做好沉陷预计，同时各煤矿企业应根据自身的实际情况，选择绿色环保的开采方式进行煤矿开采，利用土地复垦技术，对已破坏的土地实现再利用，这样才能实现环境、经济效益的统一。
参考文献：
[1]MJ/T2014-0001.煤矿开采沉陷预计方法[S]．
[2]周新鹤.煤矿开采沉陷预测模块研发及在钱家营矿的应用[D].东北大学，2015．
[3]魏振宏.大柳矿井开采地表沉陷预测及影响分析[D].兰州大学，2015．
论文作者:张雁飞
论文发表刊物:《防护工程》2018年第13期
论文发表时间:2018/10/15
标签：地表论文; 误差论文; 方法论文; 参数论文; 工作面论文; 偏差论文; 矿区论文; 《防护工程》2018年第13期论文;