1绪论1．1开采沉陷研究的意义煤炭资源是我国的主要能源，已探明总储最在9000×10。
t以上，含煤面积达55万多平方公里，是世界上煤炭资源最丰富的国家之一。
据预测．到2050年煤炭资源仍占我国能源需求的70％眦上…，因此对地下各种赋存条件煤炭资源的开采将是一项长期的任务。
我国煤炭资源的分布也十分广泛，平原、丘陵、山区的地下蕴藏着丰富的煤炭资源，在一些建筑物下、铁路下、水体下(简称“三下”)也压着大量的煤炭资源．据原煤炭部1982年的不完全统计，我国仅统配煤矿的生产矿井“三下”压煤就达137 9×10。
t。
我国煤炭的赋存条件也千差万别．其中急倾斜或大倾角煤层的开采越来越受到人们关注，其原因有三个方面：一是在全国重点煤矿区有20处100多个矿井是急倾斜(也称“大倾角”)煤层开采，急倾斜或大倾角煤炭储量约占全国煤炭储量的15％～20％，特别是在我国的西部矿区50％阻上矿井开采的是急倾斜煤层，如主要产煤省、市、自治区有四川、重庆、云南、贵州、新疆、甘肃、宁夏等的急倾斜(大倾角)煤层是许多矿区或矿井的主呆煤层。
随着我国西部大开发战略的实施，我国矿产资源开采重点西移，煤炭资源开采已成为西部地区区域经济发展的重要支柱，加强对急倾斜(大倾角)煤层开采地表沉陷机理的研究是西部煤炭开采的重大课题。
二是东部矿区赋存条件较好的煤层越来越少．加上多年来高强度的开采，浅部赋存条件较好煤层的开采也日益枯竭，从而使急倾斜(大倾角)煤层问题迅速进入了人们的视野，引起了人们的高度重视，如山东兖州矿区、河北邢台和开滦矿区、安徽淮南与淮北矿区、江苏徐州矿区等的许多矿井不得不由条件相对优越的煤层开采转向复杂的急倾斜(大倾角)煤层开采。
很显然．要保持矿区生产的高产、高效和可持续发展．也必须加强对急倾斜(大倾角)煤层开采岩层移动与地表沉陷问题的研究。
三是对急颊斜(大倾角)煤层开采岩层移动与地表沉陷问题研究得极不充分，其研究水平远没有对水平缓倾斜煤层开采研究得深入。
在1986 年颁布的指导“三下”采煤的全国性规程_2’中，急倾斜煤层开采地表移动预计仍是空白；2000年修订的新规程中提出将概率积分法延伸到倾角a<75。
的情况Ⅲ；同时国外也没有值得借鉴的经验和参考，前苏联只给出了a<70。
时典型曲线法的预计参数”0，故急倾斜(大倾角)煤层开采中存在的一系列技术难题值得科技工作者去研究．急倾斜煤层采动覆岩移动模式及其应用地F矿产资源的开采必然引起采空区周围岩体的自然应力状态及上覆岩层内部的原始应力平衡状态受到破坏，由于岩层内部的应力经重新分布以达到新的应力平衡t从而导致上覆岩层的移动与变形．最终传递到地表，引起地表移动与沉陷。
岩层和地表产生移动、变形和破坏的现象称为矿山开采沉陷，开采沉陷学也由此产生。
它是研究地下资源开采引起岩层与地表连续与非连续移动变形现象．以及相关工程问题的一门多学科交叉学科，主要涉及采矿、地质、测量、岩石力学、统计学和计算科学等学科，是煤矿安全开采与矿区环境保护不可缺少的重要分支。
它研究的内容包括由开采引起的岩层与地表移动的规律、变形机理、观测方法、预计方法和减少开采沉陷的岩层控制与治理方法等。
开采沉陷引发了许多地表的建(构)筑物、水体、耕地、铁路、桥梁和环境破坏等，并导致了许多灾害性后果‘“：(1)农村煤矿区开采沉陷严重破坏了矿区环境，造成村庄的房屋裂缝、耕地积水、乡村道路断裂、果树木枯死、水塘干涸等，给乡村人们的日常生活、生产带来了很大的影响和损失，并且地面环境的破坏是很难恢复的。
(2)对城市的建(构)筑物、公路、铁路、桥梁、地下管网及城市的基础设施等造成破坏和潜在的威胁。
(3)地表沉陷破坏地下的潜水位及地下水系，形成大面积的低洼区和积水区．甚至形成沼泽地，使之既不能栽种植物，又不能养殖，成为荒地；地下术系破坏和地下水的流失．也是不可恢复的。
(4)对天然的森林、草原、天然植被、山体等造成的破坏，影响了生态平衡。
(5)地表沉陷激化企业与地方及居民之间的矛盾。
导致社会不稳定因素的加剧。
(6)地表沉陷的治理与恢复耗资巨大。
一般矿区的万吨采煤塌陷率(hmV。
10‘t)一般变化在2 8～6 75之间，仅就耕地而言，复垦一亩塌陷区平均耗资3000元人民币．而我国每年煤矿行业开采导致土地的塌骼达40万亩左右。
所需要的费用就达12亿元人民币。
辽宁工程技术大学学者杨伦教授通过大量数据证明[“：矿山开采沉陷对环境的损害比地震严重。
因此，加强对开采沉陷特别是急倾斜(大倾角)煤层开采沉陷变形机理的研究。
有利于探索其内部固有的客观规律，为地表沉陷的预计、控制、治理、复垦、恢复提供理论依据，对我国煤炭工业的发展、社会的稳定和谐、生态环境的保护具有重大的现实意义和深远的社会意义，也是保证我国西部能源战略实麓、煤炭工业可持续发展不容忽视的重大研究课题。
l绪论1．2开采沉陷研究的历史沿革与现状开采沉陷研究方向是矿山测量研究的一个重要领域．涉及大地测量、矿山测量、采矿、地质、岩石力学、统计学和计算机科学等学科，是一个交叉学科，也是大地测量学与测量工程专业的一个重要研究方向，在我国矿业类高等院校都设有该学科。
早在19世纪中叶，人们就开始重视因采矿引起地表沉陷，以及地表沉陷给地面建(构)筑物和农业带来的严重损害等问题。
采矿企业的研究人员从20世纪初开始建立地面观测站，对地表移动与变形进行系统的观测，通过对地表移动观测成果的综合分析和地表移动规律研究，产生了新的学科领域——开采沉陷学。
开采沉陷学最早来自德文Berg~hadenkuⅡde和英文MlnlW subsidence，而俄文称之为c．~．BHbKeHMe mp㈣ⅡopⅡH 3eblHOn n∞0px帕H——矿山岩层与地表移动。
1931年德国高等学校的矿业学院开始讲授“开采沉陷学”这门课程，1949年德国学者Niemezyk出版了开采沉陷的第一本有代表性的著作＆r删n出”kunde"】。
20世纪30年代．苏联开始矿山岩层与地表移动实地观测工作，1936年成立了矿山测量研究所，后来扩大规模改称全苏矿山测量研究院(简称BFIMSSd&)，统一组织和领导全苏各矿区的宴地观测和研究工作。
波兰也十分重视开采沉陷研究工作．20世纪50年代先后提出了三种地表移动变形预计方法。
我国的开采沉陷研究工作从中华人民共和国成立后才开始，1953年北京矿貌矿山测量教研室聘请苏联专家哥尔地克首次为青年教师和研究生讲授“岩层与地表移动”课程，1955年“岩层与地表移动”作为一门专业课程正式为我国第一届矿山测量专业大学生而开设．1954 年在开滦矿务局林西矿设立了我国第一个地表移动观测站，1956年成立的开滦煤炭研究所(现煤炭科学研究院唐山分院)矿山测量研究室积极开展岩层与地表移动的实地观测研究工作，1959年煤炭科学研究院北京开采所矿压室(现特采室)开始专门从事开采沉陷及防护的研究试验工作，1960年开始研究岩层与地表移动规律及建筑物下采煤的试验工作。
此后，我国的开采沉陷研究工作得到了较快的发展．取得了许多研究成果．为煤炭工业的发展和国民经济建设作出了贡献【“。
可见．国内外对开采沉陷的研究由来巳久，人们从不同的角度、按照不同的标准、依据不同的理论和方法进行了大量开采沉陷问题的研究．经历了从实地观测、理论分析到沉陷控制与治理的研究过程．由对地表移动规律性分析到深入研究岩层与地表移动的变形机理．取得了很多研究成果。
因此，成果按其所依据的原理不同可分为三类：(1)几何方法类几何方法类主要是指地表沉陷预计方法的研究，是以岩移观测数据为依据而逐渐建立起来的，这类方法便于实际应用，常用的方法有概率积分法、典型曲线法和负指数函数法。
几何方法是在开采沉陷学领域内研究最早的方法．早在1838年，多里斯提出的垂线理论，1858年被比利时学者Gonot发展为“法线理论”，又被D…nt进行修正，提出了下沉量的计算模式W=悯n。
后来有一系列的理论和假设被相继提出·如德国人Jlcinsky的“二等分线理论”(1876～1884)，Oesterr于1882年提出的“自然斜面理论”，法国人Fayol于1885年提出的“圆拱理论”，H。
sse的“二分带理--论”(1895 1897)~，这些早期的研究主要对覆岩变形移动与地表下沉关系进行了研究”。
，建立了相关的几何理论模型。
到20世纪中叶·开采沉陷几何模型方面的研究得到了较快的发展。
1958年苏联的BHtlMH出版了专著c曲“掀w“e zopn~x Ho砷H 3魄H0d^D8P肚删“(矿山岩层与地表移动)[‘…，首次提出了采空区上方岩层移动的形式——垮落带、断裂带和整体弯曲带的“三带理论”。
并提出了苏联全国通用的地表移动变形计算方法——典型曲线法，BHHMH的主要研究学者有阿维尔申、柯洛特科夫、柯尔宾科夫“及卡查柯夫斯基等。
1950年波兰科学院岩石力学研究院的学者Bud，vk和Knothe~了几何理论…]，得出了正态分布的影响函数，后来称为B。
drvk．Knothe方法；克拉克夫矿业学院的学者柯赫曼斯基提出了图解法。
SehimIzxi等研究了开采影响的作用面积及其分带．形成了影响函数的概念。
1954年波兰科学院岩石力学研究院的学者Litwiniszyn提出了随机介质理论，把岩石视为不连续介质，首次把随机介质理论引入到岩层移动的研究中，将岩层移动视为一随机过程。
联邦德国学者Kratzseh总结概括了煤矿开采沉陷的预测方法，并出版Mi。
f”gs“曲i出n卯Engineering一书““；Brauner提出了水平移动的影响函数，并发展了圆形积分网格法计算出地表移动““。
此外，波兰科学院岩石力学研究院的学者沙武斯托维奇，克拉克夫矿业学院的学者科伐尔契克和克伦恰尔，德国学者坎因霍斯特、巴尔斯、聂姆契克、洛依贝尔特、派茨和弗莱申特幕盖尔，英国学者瓦尔德、奥尔恰德、贝利和哈克特等也为开采沉陷研究做了大量的工作。
这一时期是开采沉陷理论大发展的阶段，建立了许多系统的理论，从各个不同的观点出发，研究了开采影响下岩层移动的规律，尤其是地表移动空间和时间的规律，特别是以水平煤层开采的问题研究得比较多。
形成了比较著名的学派如Budryk Knothe代表的几何学耀，ABep肌Ⅲ及Salustowiez代表的连续介质力学学派，以及李特维尼申代表的随机介质学褫等。
我国自20世纪60年代开始从事岩层与地表移动方面的研究．在几何方法方面也有不少成果。
刘宝垛、廖国华出版了专著<煤矿地表移动的基本规律)_】“．将概率积分法全面引入我国，至今已成为预计开采沉陷的主要方法。
刘天泉等对水平煤层、缓倾斜煤层、急倾斜煤层开采引起的覆岩破坏规律与地表移动规律作了深入的研究““，提出丁导水裂隙带概念，建立了垮落带与导水裂隙带计算公式，为提高煤层开采上限、减少煤层资源损失做出了很大贡献。