地面塌陷发生的机理
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(一)矿山采空区地面塌陷的机理
矿山开采一般是在疏干地下水之后，才进行地下的掘进、回采活动，所以，采空区地面塌陷的主要原因在于地下洞巷系统和围岩的结构变化。
目前关于采空区围岩破坏和地面塌陷的机理研究有多种理论模式，如拱形冒落理论、悬臂梁理论、岩块碎胀填充理论、冒落岩块铰接理论、砌体梁理论等。这些理论大多数是围绕某种特定的平衡状态而言的。然而，采空区围岩的变形和地面塌陷是一个具有时间特征的动态过程，而且洞室的边界也随掘进、回采的进行不断变化。所以，有必要将上述理论与开采过程相联系，构建四维的(时、空变化的)形成机理。
一般来说，矿层开采造成的围岩变形可分为三个阶段。
第一阶段为掘进和回采的初期，采空区长宽尺寸较小。若长度最大者小于1/4～1/3采深时，顶板覆岩的破坏形式分为三个带，即冒落带、裂隙带和弯曲带(图5-3)。
如前所述，冒落带是洞顶和洞壁上部岩层断裂破坏并垮落的范围，它所形成的崩落物因大小混杂、块体彼此支撑而形成大量空隙，其总体积会比垮落前的原岩增大许多，即出现碎胀现象。如果矿层较薄，采厚小，碎胀的崩落物可能会把冒落带和坑道全部充满。此时，崩落物会对冒落带之上的裂隙带施以一定的支撑力，减小裂隙带的弯曲变形量。在这种情形下，地面以沉降为主，能否出现地裂缝取决于地表微地形和浅表岩土的岩性，但变形量较小，一般不会影响土地的正常耕作和房屋的安全性。
如果崩落物不能全部充满冒落带和坑道，冒落物与裂隙带之间存在“空腔”。随采空区扩大，围岩和地面变形进入第二个发展阶段(图5-4)。由于采空区长宽尺寸进一步变大，冒落带的厚度也会增大，其顶面会较第一阶段有所升高，宽度也有所加大。若采深/采厚比小于25∶1，且采空区最大长度大于1/2采深时，裂隙带的顶面有可能已接近或达到地面，此时，弯曲带消失。这个阶段，洞室的顶板如同梁受力弯曲的极限状态，裂隙带不仅裂缝增多，整体弯曲下移量也急剧增大。由于冒落带厚度大于第一阶段，崩落物会更多，当岩石碎胀使崩落物与裂隙带底部相接时，覆岩也可形成相对稳定的状态。然而由于裂隙带发育到地表，而且裂隙带整体弯曲变形大于第一阶段，地面会产生明显下沉并伴生大量的地裂缝，地裂缝的错动可形成一些塌陷槽沟。此时，地面建筑物也处于损毁较严重的阶段。
图5-3 一阶段洞室覆岩破坏示意图
图5-4 二阶段洞室覆岩破坏示意图
图5-5 三阶段洞室覆岩破坏示意图
如果在第二阶段，洞室的崩落物与裂隙带之间存在空腔，随着回采的继续，围岩和地面变形则进入第三阶段(图5-5)。由于采空区范围的扩大，采空区中心距其四周边界(非采空区)超过某一临界值时，中心点附近的覆岩将会全部折断，而外围地段覆岩的受力状况如同悬臂梁。此时，覆岩全部折断的范围，冒落带已发展到地表，地面会出现最为严重的塌陷变形，地面建筑损毁严重，有些房屋会陷落到坑中，地形基本改观。在严重塌陷区的外围地面变形状况与第二阶段相似。
对于一个特定矿区而言，是否会出现第三个阶段，何时出现，出现的范围有多大，这些问题都需要从开采深度、采厚、采空区扩大的时间过程以及岩层的组合、力学性质等多个方面的综合分析中获得答案。想了解这方面知识的读者，可参阅本书列出的相关参考文献。
(二)岩溶地面塌陷的机理
岩溶地面塌陷可分为岩溶地区矿山采空区地面塌陷和非人工采空区的岩溶地面塌陷。大量实例表明，许多岩溶矿山在地下井巷施工前的抽排水阶段，已开始出现地面塌陷，这种地面塌陷的发生机理与非人工采空区的岩溶地面塌陷相同。而地下开挖井巷、回采阶段引发的地面塌陷，即所谓的岩溶地区矿山采空区地面塌陷，在发生机理上与非岩溶地区矿山采空区塌陷相似，只是前者对大气降水、地表水的作用更加敏感。因此，岩溶矿山采空区地面塌陷的形成机理既有采空效应也有岩溶发育特点所决定的响应过程。
到目前为止，有关非采空区岩溶地面塌陷形成的机理可归纳为六种。需要注意的是，这些机理是针对近地表岩溶，特别是洞穴、溶隙上部开口处被松散的第四纪堆积物覆盖的条件下而讨论的，也可以说是围绕岩溶水饱水带与包气带之间的岩、土、水、气变化所导致的地面变形响应而展开的。其次，非采空区岩溶塌陷的形成，不一定是一种作用，而是多种效应综合的结果。
1.失托加荷效应
岩溶水由承压变为无压状态或水头下降时，岩溶水对顶板的上托力消失或减小，相当于覆岩(土)增加了附加荷载，从而使顶板破坏导致塌陷发生。
2.渗透变形效应
岩溶水位下降过程中，水流将溶洞(溶隙)中的充填物冲刷带走，形成空洞，同时上部含水层漏水或地表水下渗，使盖层发生潜蚀形成空腔。
3.土体崩解效应
岩溶水水位升降变化，会使盖层土体时干时湿，导致土体散解破坏而失稳。
4.负压效应
当盖层通气性较差，岩溶水水位下降急速时，地下空腔内的气压会因进气不足而形成负压，从而产生对盖层的吸力，使盖层破坏。
5.气爆效应
岩溶水水位快速上升，空腔内气体受压，冲破盖层，导致盖层失去其整体性而坍塌。
6.土壤液化效应
地震爆破或井下突水，饱水砂液化流入矿井或其他洞穴，从而引起地面塌陷。
