本发明涉及地下采矿区地表地质灾害防治与生态环境保护技术，尤其涉及一种可有效缩小采空区地表沉陷范围及地表构筑物保护的方法。
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降又是矿区最常见的矿山地质灾害类型之一。在平原矿区，地面沉陷不仅造成地面房屋、交通设施、堤坝等构筑物的破坏，同时造成矿区土地质量下降或土地资源的破坏。
根据地下开采区地表沉陷变形的特征，由于下沉的土体对外围产生牵引拉伸作用，从而对开采区地表投影以外一定范围的地表同样造成一定程度的下沉。一般情况下，开采区外围的地表沉陷区域往往大于地下实际开采范围。如图1所示，该图为地下开采工作面地表沉陷盆地沉降区平面分布示意图。图中位于工作面地表投影区两侧的沉陷区ad与eb之和远远大于de。
由开采沉陷盆地剖面图2可知，在地表下沉盆地形成过程中，位于盆地斜坡的土体在早期是遭受来自盆地中心下沉区的牵引或拉伸。盆地发展的中后期，这种牵引拉伸作用不断减弱；相反，位于斜坡上部的土体则产生自上而下的推挤作用。这时，盆地斜坡的中下部则处于挤压状态，而中上部则表现为拉张状态。因此，在盆地形成过程中，其斜坡cd与ef始终遭受牵引拉伸或挤压应力的作用。
本发明的目的就是根据工程力学的原理，将盆地沉陷范围控制在期望沉陷区cf区段。
目前，控制或降低矿区地面沉降幅度的方法主要是开采工艺方法，如矿层的非充分开采、充填开采，由此降低开采区地面沉降幅度，其次是地面关键层注浆。由于这些方法工艺复杂，成本往往较高，因此而不能被广泛采用。因而，如何提供一种方法，能够实现或接近图1中期望沉陷区的范围，是本领域技术人员急需解决的。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种缩小采空区地表沉陷范围的方法，以解决现有技术中因地下采空区对地表外围土体牵引拉伸导致沉陷范围过大的技术问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种缩小地下采矿区地表沉陷范围的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、获取地下开采工作面位置、工作面推进方向和速度、地表土层包气带深度；
步骤2、根据步骤1获取的信息预测地表沉陷范围和时间，将沉陷范围由内而外划分为地下采空直接冒落下沉区、拉张挤压下沉区、拉张下沉区；
步骤3、在地表沉陷时间点之前，在拉张挤压下沉区与拉张下沉区的连接处钻孔爆破形成隔断槽，或直接挖槽；
步骤4、在本阶段地表沉陷时间点来临后，重复上述步骤。
进一步，步骤3中钻孔爆破时钻探深度穿过地表土层包气带，钻孔间距应控制在相邻钻孔之间爆破后裂隙能够相互贯通的范围。
进一步，步骤3中直接挖槽时，槽的深度不小于地表土层包气带深度，槽的宽度不小于1m。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明提供一种缩小地下采矿区地表沉陷范围的方法，在地表沉陷时间点之前对地下工作面的地表投影的外围施工钻孔并进行控制爆破，使得开采区地表投影区与外围的土体之间发生断裂，从而在沉陷时间点到来时，应沉陷的地表投影处在下沉时，对外围土体的拉伸减弱甚至消失，从而极大的弱化了其下沉时拖动外围土体变形的影响，进而有效地降低了沉陷区的范围，可实现或接近地表在采矿区沉陷后形成图1中期望沉陷区范围的目的；降低因开采引起的地表环境毁损程度，如村庄搬迁、构筑物的破坏。降低矿区地质灾害危险程度，提高矿区土地利用效率。本发明具有技术步骤简明，操作简单，成本低廉，效果显著地特点。适用于煤矿及其他非金属、金属矿山。
附图说明
图1为采矿区地表沉陷范围和期望沉陷范围示意图。
图2为图1所示的采矿区地表沉陷范围横剖面示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中的术语“包括”，意图在于覆盖不排它的包含，例如，包含了一系列步骤的方法不必限于清楚地列出的那些步骤，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些方法固有的其它步骤。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考实施例来详细说明本申请。
实施例
参考图1和图2可以看出，现有技术中，地下工作面开采后的地面沉陷的面积比实际开采面积要大得多。即使开采区的地表是无建筑物的耕地，地表同样也会遭受拉裂而导致土壤质量下降和生态环境的破坏。正因为如此，为了更大限度的开采地下矿产资源，矿业企业不得不耗费大量资金进行村庄搬迁或重要的构筑物的保护，或采取充填开采等技术，这就大大的增加了开采成本。
综上所述，在本实施例中，为了能够缩小开采引起的沉陷范围，使开采后安全沉陷范围达到或接近期望沉陷区的范围，通过以下方法进行：
一种缩小地下采矿区地表沉陷范围的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、获取地下开采工作面位置、工作面推进方向和速度、地表土层包气带深度；
步骤2、根据步骤1获取的信息预测地表沉陷范围和时间，将沉陷范围由内而外划分为采空直接冒落下沉区、拉张挤压下沉区、拉张下沉区；
步骤3、在地表沉陷时间点之前，在拉张挤压下沉区与拉张下沉区的连接处钻孔爆破形成隔断槽，或直接挖槽；
步骤4、在阶段次地表沉陷时间点来临后，重复上述步骤。
步骤3中钻孔爆破时钻探深度穿过地表土层包气带，钻孔间距应控制在相邻钻孔之间爆破后裂隙能够相互贯通的范围。
步骤3中直接挖槽时，槽的深度不小于地表土层包气带深度，槽的宽度不小于1m
其中：步骤1中地下开采工作面的位置、推进方向和速度、地表包气带的深度，以及工作面投影区外围地表沉陷影响范围均由调查进行确定；
由地下开采工作面位置可确定其地表投影的位置和沉陷范围，以及根据工作面推进方向和推进速度可确定地表沉陷时间点。通过矿区前期开采资料或根据开采地质条件资料计算并辅于地面调查获取拉张下沉区与挤压拉张下沉区的分布范围；
确定了地下开采范围后，可同步测试沉陷范围内土壤物理力学性质。若沉陷范围内地表存在岩体等可同步分析其物理力学性质，为后期爆破参数设定做准备。
地表沉陷取决于地下开采的速度且表现为周期性向前发展。因此，在沉陷作用发生前对将要沉陷区域施行钻孔爆破或开槽，有效地切断沉陷范围内的土体(即图1中的期望沉陷区内的土体cf)与外围控制区土体(即图1中ac、fb)之间的拖拽或牵引力的作用。此举相当于对外围土体相对隔离，从而在沉陷时间点来临时控制了外围土体的变形，进而实现缩小沉陷范围的目的。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点。其目的在于让熟悉此项技术的人员了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
本发明不限于以上对实施例的描述，本领域技术人员根据本发明揭示的内容，在本发明基础上不必经过创造性劳动所进行的改进和修改，都应该在本发明的保护范围之内。
1.一种缩小地下采矿区地表沉陷范围的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、获取地下开采工作面位置、工作面推进方向和速度、地表土层包气带深度；
步骤2、根据步骤1获取的信息预测地表沉陷范围和时间，将沉陷范围由内而外划分为采空直接冒落下沉区、拉张挤压下沉区、拉张下沉区；
步骤3、在地表沉陷时间点之前，在拉张挤压下沉区与拉张下沉区的连接处钻孔爆破形成隔断槽，或直接挖槽；
步骤4、在本阶段地表沉陷时间点来临后，重复上述步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中钻孔爆破时钻探深度穿过地表土层包气带，钻孔间距应控制在相邻钻孔之间爆破后裂隙能够相互贯通的范围。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤3中直接挖槽时，槽的深度不小于地表土层包气带深度，槽的宽度不小于1m。
技术总结