一种缩小平原矿区地下开采引发地表沉陷范围的方法

本发明涉及地下采矿区地表地质灾害预防与保护技术，尤其涉及一种缩小平原矿区地下开采引发地表沉陷范围的方法。

背景技术：

我国的矿山地质灾情十分严重，地下开采引起的地面沉陷又是矿区最严重的矿山地质灾害类型之一。众所周知，地面沉陷可直接破坏地表构筑物，如铁路、堤坝、村庄和其它工业与民用建筑。此外，开采沉陷亦常伴生大量的地表拉张裂隙，加剧水土流失进而降低土壤质量，甚至引发矿区生态环境破坏等诸多环境地质问题。

平原矿区单个工作面采煤引起的地面沉陷范围往往大于地下实际开采范围。如图1，采空区上方地表平坦、达到超充分采动、采动影响范围内没有大地质构造的条件下，最终形成的沉陷盆地一般可划分为三个区域，即中间区域(dd’)、压缩区域(cd、c’d’)和拉伸区域(ac、a’c’)。其中，中间区域指沉陷盆地的中间部位，此区域内一般不出现明显裂缝；压缩区域一般位于采空区边界附近到最大下沉点之间，此区域地面变形向盆地中心方向倾斜，呈凹形，产生压缩变形，一般不出现裂缝；拉伸区域一般位于采空区边界到盆地边界，此区域内地面变形向盆地中心方向倾斜，呈凸形，产生拉伸变形，地面伴有拉伸裂缝。此外，地表沉陷盆地的边界记为a(或a’)，则根据沉陷内最外侧的裂缝圈定的边界b(或b’)即为盆地的裂缝边界。

两淮平原矿区开采实践表明，单个工作面采煤形成的地面沉陷范围往往要达到甚至超过2～3倍的开采面积。例如，淮北某采区地下开采单个工作面宽度200m，采高3m，其采空区两侧外围地表沉陷(拉伸区域)范围均超过200m，沉陷盆地最大下沉量约2m。因此，由于平原矿区地下开采引起的地面沉陷范围往往大于地下实际开采范围，长期以来矿业企业不得不投入巨大的资金进行地面建筑物的保护或对矿区内村庄的搬迁。

国内外现有地下开采引起地面沉陷的防控技术存在一定不足。目前，国内外开采沉陷防控技术主要集中在开采技术工艺的研究，如条带开采技术、充填开采技术、注浆减沉技术等。然而，这些技术或存在矿产资源开采不充分、开采工艺复杂、开采效率低等不足，无法被普遍采用。

综上所述，矿产资源地下开采引起地面沉陷造成严重矿山地质灾害；尤其平原矿区，开采沉陷范围往往大于地下实际开采范围。然而，现有开采沉陷防控技术主要集中于开采工艺研究，且存在一定不足。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明结合平原矿区地表沉陷演化机制，提出一种缩小平原矿区地下开采引发地表沉陷范围的方法。

实现本发明目的所采用的技术方案为：

一种缩小平原矿区地下开采引发地表沉陷范围的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、将沉陷盆地划分为延伸方向与工作面推进方向平行的三块沉陷整体，具体为地下采空区投影所在的中部沉陷整体和处于中部沉陷整体两侧的两个拉张沉陷整体；

步骤2、令每个拉张沉陷整体的底部所在界面为变形边界，将每个变形边界沿工作面推进方向延伸，延伸的部分为欲变形边界，其上的岩土体为欲拉张沉陷整体；

步骤3、在欲拉张沉陷整体发生变形前，于其内布设延伸方向与工作面推进方向相同的支挡构筑物，且支挡构筑物底端插入欲拉张沉陷整体下方的岩土体内，支挡构筑物不变形不位移。

进一步，步骤2中变形边界和欲变形边界的获取方法具体为：

步骤2.1、在沉陷盆地发生沉陷前，于其中部所在地表布设与工作面推进方向垂直的测线，同时测线的两端处于已有沉陷盆地所在范围向工作面推进方向延伸所得范围之外；

步骤2.2、在测线上均匀布设测点，每个测点在竖直方向上向下钻孔，钻孔深度不低于地下工作面所在深度，在每个钻孔内自上而下的均匀安装可监测自身三维形态数据的监测装置；

步骤2.3、在沉陷盆地发生沉陷至稳定后的期间内，持续获取每个钻孔内所有监测装置的三维形态数据；

步骤2.4、根据每个钻孔内获取的所有三维形态数据获取该测点对应地下岩土体发生变形的最大埋深数据；

步骤2.5、将每个测点所得最大埋深数据连线，获得地下开采引发的岩土体变形下边线，变形下边线在工作面推进方向上前后延伸，可获得沉陷盆地底部边界；

步骤2.6、令沉陷盆地底部边界中处于拉张沉陷整体底部的为变形边界，变形边界沿工作面推进方向上延伸获得欲变形边界。

进一步，所述支挡构筑物具体为悬臂式桩板挡墙或锚拉式桩板挡墙。

进一步，步骤3之后还包括在拉张沉陷整体发生沉陷并稳定后，将支挡构筑物回收再利用。

进一步，步骤3中支挡构筑物的布设方法为挖槽后构筑或由外部动力装置压入。

进一步，所述支挡构筑物为竖直或倾斜布设，倾斜时，其底端朝向地下开采工作面地表投影。

本发明的有益效果是：通过确定初期沉陷盆地底部的变形边界，获取欲变形边界，并在欲拉张沉陷整体上布设与工作面推进方向平行的支挡构筑物，并令其底端穿入欲变形边界下方，可有效阻挡欲拉沉陷整体中布设点外围岩土体的沉陷变形；另外，考虑到盆地最大沉降量通常为采高的1倍左右，沉陷盆地变形稳定后，布设点内外两侧高差较小，支挡构筑物可拆除取出以重复利用，可有效降低施工成本。

本发明将采煤沉陷治理由传统的采后治理提至采前，通过采取地表工程措施，有效缩小拟采空沉陷盆地拉伸区域面积，尤其适用于单个工作面采煤沉陷盆地拉伸区域有古建筑、铁路、水库等重要构筑物的情况。同时，支挡构筑物可拆除取出以重复利用更提升了治理效率并节约成本。

附图说明

图1为平原矿区地下开采引起地表沉陷盆地剖面示意图；

图2为实施例中平原矿区地下开采引起地表沉陷范围及测线布设平面示意图；

图3为实施例中测线及研究点布设示意图；

图4为实施例中钻孔变形前后对比确定研究点pi′处岩土体发生变形的最大埋深hi示意图；

图5为实施例中沉陷盆地变形边界示意图；

图6为实施例中mm’布设位置示意图；

图7为实施例中支挡构筑物布设前后分析示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本实施例提供一种缩小平原矿区地下开采引发地表沉陷范围的方法，包括以下步骤(结合附图1-7)：

步骤1、将沉陷盆地划分为延伸方向与工作面推进方向平行的三块沉陷整体，具体为地下采空区投影所在的中部沉陷整体和处于中部沉陷整体两侧的两个拉张沉陷整体；

具体的，本步骤的目的在于将能够进行缩小的沉陷范围和不能进行缩小的沉陷范围进行划分；结合附图1，采空区地表投影的范围必然会发生剧烈的形变或下沉，因此，对采空区地表投影范围内进行治理没有意义，而本发明的目的在于缩小图1中ac、a’c’的范围；划分的方式具体为：将地下采空区在工作面推进方向上两侧的边界在地表上的投影为分界线，沉陷盆地中两分界线之内的部分为中部沉陷整体，两分界线外侧的部分为拉张沉陷整体；然后进行步骤2。

步骤2、令每个拉张沉陷整体的底部所在界面为变形边界，将每个变形边界沿工作面推进方向延伸，延伸的部分为欲变形边界，其上的岩土体为欲拉张沉陷整体；

具体的，令每个拉沉陷整体的底部所在界面为变形边界，可有效获取地下开采后采空区上覆岩土体沉陷对其两侧岩土体的影响范围；结合图1，采空区两侧的岩土体，受影响的主要部分为变形边界以上，变形边界以下不受沉陷的影响或影响可以忽略；

特别的，为了能够有效获取变形边界和欲变形边界的数据，在本实施例中，具体操作为(结合附图)：

步骤2.1、在沉陷盆地发生沉陷前(称其为欲沉陷盆地)，于其中部所在地表布设与工作面推进方向垂直的测线，同时测线的两端处于已有沉陷盆地所在范围向工作面推进方向延伸所得范围之外(结合图2和图3，即在工作面地表投影前方一定距离q1-，沿垂直于工作面推进方向布设测线l，此时测线的端部处于前期已沉陷的沉陷盆地所在范围向工作面推进方向延伸所得范围之外)；

步骤2.2、在测线上均匀布设测点，每个测点在竖直方向上向下钻孔，钻孔深度不低于地下工作面所在深度，在每个钻孔内自上而下的均匀安装可监测自身三维形态数据的监测装置(结合附图，具体的为每间隔一定距离d布设一个测点，记为pi(i＝1,2,3.....)，处于中部沉陷整体的测线上可不布设测点，仅针对欲拉张沉陷整体；监测装置的组成可为形态监测传感器，每个钻孔内的监测装置组成一个监测系统，所有监测系统相连接构成监测网络)；

步骤2.3、在欲沉陷盆地发生沉陷至稳定后的期间内，持续获取每个钻孔内所有监测装置的三维形态数据，可几天采集一次；

步骤2.4、根据每个钻孔内获取的所有三维形态数据获取该测点对应地下岩土体发生变形的最大埋深数据hi(即根据获取的三维形态数据可获得对应测点下方岩土体中发生变形的部分底部的位置，即最大埋深数据hi)；

步骤2.5、将每个测点所得最大埋深数据hi连线，获得地下开采引发的岩土体变形下边线l，变形下边线在工作面推进方向上前后延伸，可获得欲沉陷盆地沉陷后的底部边界(结合图4和5)；

步骤2.6、令沉陷盆地底部边界中处于拉张沉陷整体底部的为变形边界，变形边界沿工作面推进方向上延伸获得欲变形边界(当中部沉陷整体上不布设测点时，两侧的数据分为两部分，分别为一个拉张沉陷整体对应的数据，步骤2.5获取的为拉张沉陷整体的底部边界，向工作面推进方向延伸即可获得对应欲变形边界)。

通过步骤2.1-6，可有效获取欲沉陷盆地发生沉陷后的底部边界，从而确定拉张沉陷整体底部的变形边界，经变形边界向工作面推进方向延伸后可获取对应的欲变形边界和欲拉张沉陷整体，获取之后进行步骤3。

步骤3、在欲拉张沉陷整体发生变形前，于其内布设延伸方向与工作面推进方向相同的支挡构筑物，且支挡构筑物底端插入欲拉张沉陷整体下方的岩土体内，并满足欲沉陷整体发生沉陷时，支挡构筑物不变形不位移(本实施例中不变形是指构筑物不发生破坏，而其受力发生一定量的变形是可以忽略的；而不位移是指其整体位置不发生变化或变化范围较小可以忽略)。

具体的，由欲变形边界可确定欲拉张沉陷整体的位置，然后在其内确定需要缩小范围的边界，如图6中m点的位置，并施工布设在欲拉张沉陷整体内m点处的支挡构筑物，支挡构筑物为墙体式结构，延伸方向与工作面推进方向相同；结合图6和图7，ma’所在的范围为希望保护的范围，即缩小的区域；支挡构筑物的底端插入欲变形边界以下的岩土体内；

结合图7，只需要支挡构筑物的底端能够被欲拉张沉陷整体下方的岩土体有效夹持，令其强度和受力能够保证在欲沉陷整体发生沉陷时其整体不发生变形和位移，便可有效挡住mm’、ma’和m’a’三者围成空间内的岩土体，避免其发生变形和水平位移)，从而达到缩小沉陷范围的目的；

支挡构筑物的布设形式可为竖直布设或倾斜布设，倾斜布设时其底端朝向地下开采工作面地表投影，便于被动土压力抵消主动土压力。

在欲沉陷盆地沉陷稳定后，可将支挡构筑物拆除取出以备重复利用，必要时，对mm’处进行裂隙充填、放坡等处理。

本实施例采用库仑公式计算主动土压力，采用朗金公式计算被动士压力；支挡构筑物形式采取悬臂式桩板挡墙结构，材料多以可重复利用的金属材料为主，其具体设计依据土力学理论、岩体力学理论及《建筑地基基础设计规范》、《建筑边坡工程技术规范》等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。