矿区开采沉陷控制理论与应用技术进展
第一讲 开采沉陷灾害控制理论与技术现状
一、采矿沉陷研究得发展历程
矿山开采损害理论研究概括分为以下几个时期： （1）对开采损害的认识和初步研究时期
l838年比利时工程师哥诺特(Gonot)提出开采损害预计的第一个理论“垂线理论”。克诺特及法国工程师陶里兹 “法线理论”。依琴斯凯(Jicinsky,1876)提出了“二等分理论”等等，这些理论为以后深入研究开采损害预计理论奠定了基础；
（2）二战--80年代末期，属于开采损害预计理论研究的形成时期 形成了几何积分理论、概率计分法、典型剖面法、固体力学理论等。 （3）90年代进入第三阶段—开采损害新理论形成
大量研究揭示出天然岩体是非连续、非均质、非弹性、各向异性的介质，而且具有时效性，并存在初始地质构造应力，而以往的开采损害预计理论是没有综合考虑天然岩体的这些属性，因此需要发展一些新的开采损害预计理论。由于岩体和土的复杂性，需要发展一些全新的思想和方法，形成开采—覆岩损伤破坏—地表沉陷灾害—地面防护的综合理论方法。
二、研究开采沉陷灾害控制与治理的体系：
（1）预计理论：概率积分法；几何积分理论；典型剖面法。
（2）实验方法：物理模拟（解决的问题和存在的问题---模型比例、配比、观测方法）；数值计算模拟分析（岩土条件的复杂性、非均匀性、受地质构造和沉积过程影响）
（3）观测方法：
（a）传统的观测方法—经纬仪、水准仪和全站仪
该法通过定期对边坡控制网点进行大地坐标测量，每次测量后都把坐标值与
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上期测量结果进行比较，从而得出边坡位移的方向、大小和快慢，此法能确定边坡地表变形范围，量程不受限制，能观测到边坡坡体的绝对位移量，但各点测量不能同时进行，工作量大，测量周期长，数据的读取和记录比较麻烦，连续观测能力较差。
（b）现代观测方法—GPS定位系统
GPS测量法是在边坡各监测点处固定GPS天线，并且将GPS接收机固定在边坡以外某稳定区域处，通过GPS卫星发送导航定位信号进行空间后方交汇测量，从而对天线所在点进行位移监控。该法能全天候工作，不受测点间通视限制，能准确同时测出各监控点的三维坐标，精度可达毫米级
（c）3D动态沉陷区激光监测系统
（d）GPS实时监测技术
（4）防护方法：保护物加固、岩层加固
（5）控制开采方法：减损开采方法、减沉开采方法。
应用于“三下”开采评价体系、特殊开采体系、开采引起地质灾害防治。
第二讲 西部矿区开采沉陷灾害特点及控制方法（结合ppt）
1、西部矿区地质、地形及采矿条件的复杂性 地形地质
（1）山区丘陵地表、基岩裸露?滑坡区、坍塌、裂缝?泥石流、滑坡灾害 （2）黄土沟壑?厚、湿陷性、沟壑、植被条件差、水土流失严重?滑坡、坍 塌、崩塌、塌陷坑、裂缝，衍生损害严重。
（3）浅埋煤层?薄基岩、厚松散层?覆岩整体切落?塌陷坑、台阶裂缝 采矿条件
（1）近距离煤层群、重复采动影响地表破坏严重 （2）厚煤层?放顶煤开采?塌陷坑、裂缝、冲击地压
（3）急倾斜煤层?持续影响?塌陷坑、台阶裂缝，灾害的突发性、不可预测性、隐蔽性
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2、西部矿区生态环境的脆弱性
戈壁、荒漠、黄土沟壑、干旱少雨多风、植被覆盖稀少，生态环境脆弱
3、西部矿区开采损害的类型与特点 4、控制开采沉陷灾害的方法 5、开采沉陷灾害的预计评价方法 特点：
1、连续移动变形破坏；非连续移动变形破坏
2、影响因素：覆岩岩性、开采方法（顶板管理方法）、开采深度、开采高度、
开采速度、时间、地形、松散层、含水层等、地质构造。
3、稳定沉陷区、稳态沉陷区、非稳态沉陷区、临时稳定沉陷区
（1）非稳态采空区
非稳态采空区是指在长壁全垮管理顶板的开采方法中，煤层开采后，煤层顶板及其覆岩移动破坏正在发生，对应地表的移动变形正在发生过程中，地表任意点连续6个月的下沉累加值大于30mm；在房柱式或条带开采体系中，采空区留设的用于支撑顶板的煤柱不具备足够的强度和长期的稳定性的采空区。
（2）临时稳定采空区
在短壁、房柱式、刀柱式、巷柱式开采形成的采空区及远久时期浅部开采形成的小（古）窑采空区，采空区中留设的煤柱是专门用于采场安全留设的，这些煤柱不具备支撑顶板的足够的强度，长期稳定性极差，随着时间的发展，采空区中的煤柱随时可能破坏失稳，地表移动变形表现为突发性、多次性、不可预测性等特点；在急倾斜煤层开采中，由于煤层产状陡立，只要煤层深部继续开采，地表就永远处于临时稳定或非稳定状态，即使开采停止煤层开采后，顶底板间断裂可能形成一定形式的临时稳定结构、采空区内孔洞、空隙也较多，在这种条件下采空区的稳定可能会持续相当长的时间。
（3）稳态采空区
稳态采空区是指在长壁全垮管理顶板的开采方法中，煤层开采后，煤层顶板及其覆岩移动破坏活动已经基本结束，对应地表任意点连续6个月的下沉累加值不大于30mm；在房柱式或条带开采体系中，采空区留设的用于支撑顶板的煤柱具备足够的强度和长期的稳定性的采空区。
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（4）稳定采空区
稳定采空区是指采空区上覆岩层空隙已经经长期的重力作用得到充分的下沉，残余沉陷量已经已经趋近于零。这类采空区与地表位于未开采区没有多大区别，对地表任何保护建筑设施都没有影响。
危害：
1、建筑设施；2、村庄；3、铁路、公路、管线；4、水资源；5、土地；6、植被生态。
第三讲 现代开采沉陷损害控制理论与方法
一、理论体系（介绍这些理论的应用和发展情况）
（1）影响函数理论（概率积分法、几何积分理论、三次曲线理论等） （2）经验理论（剖面法、典型曲线法） （3）固体力学、随机介质理论 （4）断裂损伤力学、分形力学 （5）神经网络、灰色理论 （6）关键层理论、煤柱强度理论 （7）剩余移动变形理论
二、控制方法
（1）充填开采方法（水力、风力、自溜）（介绍巡场煤矿矸石自溜充填实例） （2）部分开采方法（条带开采、房柱式开采）（介绍西固镇变条带开采实例）
（3）限高开采方法（厚煤层分层开采、特厚煤层分层，从开采方法分析介绍）
（4）协调开采方法（工作面布局、开采顺序、方向，开采中协调、边界协调）（介绍德窝河下开采实例、达竹柏林煤矿建筑物滑坡区下开采实例）
（5）间歇开采（空间间歇、时间间歇）
三、实验模拟方法
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（1）相似材料模拟方法（二维、三维、固液耦合）重点实验室情况介绍。（定
性模拟、定量模拟和存在的问题）
（2）数值计算模拟方法
有限元（Finite Element Method，简称FEM）、边界元法（Boundary Element Method，简称BEM）、离散元法（Discrete Element Method，简称DEM） FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）由美国Itasca公司开发的。FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions）是一个三维有限差分程序，目前已发展到V4.0版本
Flac、Adina、Marc、Sap5、Ncap-1l等介绍
（3）数值实验方法F-RFPA2D
RFPA2D（Rock Failure Process Analysis）系统是1995年东北大学岩石破裂与失稳研究中心（CRISR）唐春安等人提出的基于有限元基本理论的一种数值计算系统，该系统充分考虑了岩石破裂过程中伴随的非线性、非均匀性和各向异性等特点的新的数值模拟方法，在全面解决复杂的岩土工程问题，例如岩土材料的非线性问题、岩体中节理、裂隙等不连续面对分析计算的影响、分步开挖与充填施工作业对围岩稳定性的影响等等方面起到了重要的作用。 四、地表沉陷观测方法
（1）传统观测方法（经纬仪、水准仪） （2）全站仪观测方法 （3）GPS观测方法。
（4）3S技术在开采沉陷中的应用
全球定位系统（Global Positioning System）、遥感（Remote Sensing）、地理信
息系统（Geographic Information System）是当代地球科学发展的新技术，因其英文名称中最后一个单词均含有“S”，这三种技术被习惯称之为“3S”技术。
第四讲 覆岩破坏程度观测方法（结合ppt讲）
目前国内外对于裂缝带采用的探测方法主要有:(1)钻孔冲洗液法;(2)钻孔电视法;(3)钻孔深部基点法;(4)超声成像及数字测井法; (5)超声波穿透法;(6)钻孔ＣＴ及电法;(7)井下仰孔注水测漏法等。
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开采沉陷控制理论与应用技术进展
