有用矿物被采出以后,开采区域周围的岩体的原始应力平衡状态受到破坏,应力重新分布,达到新的平衡。在此过程中,使岩层和地表产生连续的移动、变形和非连续的破坏(开裂、冒落等),这种现象称为“开采沉陷”(Miring subsidence)。
广义上说,有用矿物的开采可以是井工方法开采,也可以是露天方法开采,开采的有用矿物可以是层状的也可以是非层状的。由于本书是为煤炭系统高校学生编写的教材,因而书中提及的有用矿物的开采,主要指的是层状有用矿物(特别是煤层〉的井工开采,“开采沉陷”也是特指煤层地下开采后产生的开采沉陷。但是,本书所介绍的一些方法(如模拟方法),也适用于非层状的其他矿物开采(包括露天开采)的研究。
岩体本身是--种非常复杂的介质,它不仅是由各种不同性质的岩层组成,而且还由于各种地质作用(如褶皱、断层、开裂、火成岩侵入、陷落柱等)而产生了大量的不连续面。岩体在受到各种不同开采方法的开采影响时,产生的开采沉陷是一个在时间和空间上都是非常复杂的过程。在时间上来说,在移动过程中,开采沉陷的形式和大小在不同的时间是不同的,也就是说,此时的开采沉陷是“动态的”﹔随着时间的推移,开采沉陷的形式和大小逐渐趋向于稳定,开采沉陷变成“静态的”或“最终的”。从空间上来说,若地下开采的范围较小、开采的矿物的埋藏深度较大,则开采沉陷波及的范围往往只局限于开采区域周围的岩体,若开采范围较大、开采矿物的埋藏深度较小,则开采沉陷波及的范围就会从岩体发展到地表,引起“地表移动”(Ground movement)。由于人类的生产和生活活动大部分都是在地表进行,所以地表移动对人类的影响更为普谊。
从研究史上来说,开采沉陷曾经用过“矿山岩层和地表移动”这个名称,有些国家(如苏联)目前仍沿用这一名称。由于开采沉陷的力学机制(不仅仅是“移动”)正在越来越受到广大开采沉陷工作者的重视,研究领域也越来越宽(如开采沉陷的模拟、开采沉陷对环境的影响等都被作为研究内容),所以,应用许多国家通用的“开采沉陷”这一-名称更为合适。1986年,在江苏省苏州市召开的全国开采沉陷学术讨论会上已就这一点取得了较为--致的意见。
开采沉陷的研究对国民经济的发展和人民生活的提高都有着重要的意义。为了进行现代化建设,需要开采大量的有用矿物,但是开采这些有用矿物产生的开采沉陷,又反过来影响和破坏岩体内和地面上的一些生产和生活设施,影响生产的发展和人民生活的提高。要解决好这个矛盾,只有依靠对开采沉陷的深入研究。仅仅从我国“三下”(建筑物?'、水体下和铁路下)压煤的情况来看,就可以显示出开采沉陷研究的重要性:据1982年底的不完全统计,我国生产矿井“三下”压煤量总计达到133.48亿吨,其中建筑物下78.18亿吨、水体下(包括承压灰岩水上)36.39亿吨、铁路下18.91亿吨。如果通过开采沉陷的研·究,能将我国“三下”压煤哪怕只“解放”出来--半,就可供66个年产100万吨的大型矿并生产100年。但是,到目前为止,我国从“三下”采出的煤炭尚不足7亿吨,只占整个:“三下”压煤量的5%左右。由此可见,开采沉陷的研究现状还远远不能满足生产和我国现代化建设的需要。
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。但由于开采沉陷研究不够,在本世纪初以前,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,由于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,1916年日本海下采煤时,海水沿着由于开采而扩大的构造裂缝溃入井下,使得矿井全部淹没,237人死亡。
由于开采沉陷研究的重要性,各国矿山工程技术人员投入了越来越多的时间、技术和装备来进行此项研究。苏联、波兰、联邦德国、澳大利亚、英国、加拿大、日本和美国等国家,对开采沉陷的理论和“三下”开采技术都进行了深入的研究,并取得了丰硕的成果。我国对开采沉陷的研究工作是从新中国成立以后开始的。50年代起,在我国的-一-些主要矿区,如淮南、开滦、抚顺、阜新、峰峰、大同、鹤岗、新汶、阳泉、本溪等,先后建立了地表观测站,开展了开采沉陷观测工作。经过近40年的努力,我国不仅积累了上千条观测线的实测资料,并由此对开采沉陷的基本规律有了进一步的认识,而且还提出了具有我国特.色的预计方法,在“三下”开采实践中,也取得了很大的成绩,积累了较为丰富的经验。
长期的开采沉陷理论研究和生产实践表明,开采沉陷研究涉及测量、采矿、力学、电子计算机、建筑、地质等许多学科的知识。近二三十年来,这些学科的新成果不断被引进到开采沉陷研究中来,使开采沉陷的研究得到了飞速的发展。目前开采沉陷已经发展成为一门独立的、边缘性的学科。但是,和生产发展及现代化建设的要求相比,目前的开采沉陷研究还显得很不够。这就要求我们在学习前人经验的基础上,不断探索,努力在开采沉陷的理论研究、科学试验、应用技术开发和模拟、测试技术研究上多做工作,为实现我国社会主义现代化而努力奋斗。
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