Practical Engineering

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When Abandoned Mines Collapse

May 06, 2025 by Wesley Crump [请注意，本文是上面嵌入视频的文字稿。] 2024年12月，在新泽西州 Wharton 附近的 I-80 公路上出现了一个巨大的天坑，由于工作人员需要查明原因并进行修复，导致了严重的交通延误。此后，在2025年2月和3月再次发生。每次，高速公路都不得不关闭，这对于必须寻找替代路线的通勤者来说是一场噩梦。对于 DOT 来说，这也是一场噩梦，他们需要确保这条高速公路能够安全行驶，尽管它实际上正在坍塌到地下。从我们目前所知的情况来看，这不是一种自然现象，而是人为造成的。看起来所有这些问题都是一个多世纪前该地区有大量地下铁矿时埋下的隐患。这是一个非常复杂的问题，会在世界各地引起问题，我在我的车库里建造了一个小型的模拟矿井，向你展示为什么这是一个大问题。我是 Grady，这里是 Practical Engineering。 自从有人类文字记载之前，我们一直在从地球上提取物质和矿物。可以肯定地说，一切都是从地表开始的。你注意到山坡或悬崖边上有一些闪亮或颜色不同的东西，然后你把它取出来。随着时间的推移，我们积累了关于哪些材料有价值、它们存在于哪里以及如何有效地从地球中提取它们的知识。但是，当然，地表的土石是有限的。最终，你必须开始挖掘。也许你沿着金、银、铜、煤或硫矿脉向下挖掘。事情开始变得更加复杂，因为现在你在一个洞里。洞是很危险的。它们是黑暗的，充满水，它们会倒塌，它们会聚集危险气体。因此，在许多情况下，即使在今天，移除覆盖层也是有意义的——覆盖在你要找的矿物或材料之上的土壤和岩石。在地表采矿在成本和安全性方面有很多优势。 但是，在某些情况下，地表采矿并不实用。移除覆盖层是昂贵的，而且你挖得越深，成本就越高。它还会对环境产生影响，例如破坏栖息地以及污染空气和水。因此，随着技术、安全以及我们对土壤和岩石力学的理解的提高，我们直接深入地下提取矿物的能力也随之提高。 推动地下采矿的主要材料之一是煤。它通常存在于水平地层中，称为煤层，这些煤层是在大量的古生代植物被埋葬，然后在地质时期被压碎和加热时形成的。在工业革命开始时，煤迅速成为蒸汽机、炼钢和发电的主要能源。这些煤层的厚度各不相同，它们在地下深处的深度也各不相同，因此许多早期的煤矿都在地下。 在地下采矿的早期，人们没有太多的远见。有些人可能会说现在仍然如此，但几个世纪前更是如此。煤矿公司没有创建其矿井的详细地图，即使他们这样做了，也没有一个中央档案馆可以将其发送到那里。他们根本不关心资源提取后矿井的长期稳定性。重要的是从地下取出煤。矿业公司来了又走，解散或被收购，随着时间的推移，关于矿山存在地点及其状况的许多信息都丢失了。即使许多矿山位于远离主要人口中心的农村地区，但有些矿山并非如此，而且其中一些农村地区变成了主要人口中心，但他们对几十年前发生在其下方的事情一无所知。 使矿山沉降问题更加复杂的一个问题是，在许多地方，财产所有权分为两部分：地表权和矿产权。这些权利可以由不同的人拥有。因此，如果你是房主，你可能拥有你土地的地表权，而一家公司拥有在你财产下钻探或采矿的权利。这并不赋予他们破坏你财产的权利，但这确实使事情变得更加复杂，因为你并不总是有权决定地下发生的事情。 建造和运营地下矿井的方法有很多种，但特别是对于煤炭等软岩采矿而言，几十年来最主要的方法是“房柱式采矿”。这正是它的字面意思。你挖掘矿石，将材料带到地表。但是你留下立柱来支撑屋顶。立柱的尺寸、形状和间距由材料的强度决定。这非常重要，因为像这样的矿山有很大的固定成本：勘探、规划、进出通道、通风和运输。尽可能多地提取非常重要，而你留下的每个支撑屋顶的立柱都是你无法回收的有价值的材料。因此，这些立柱通常没有太多的余量。它们是公司认为在完成采矿之前可以使用的最小尺寸。 我在我的车库里建造了一个小型的房柱式矿井。我首先承认这个小模型并不是对实际地质构造的严格复制。我的煤层只是由纸板制成的，鲜艳的颜色只是为了好玩。但是，我希望这有助于说明与这种类型的矿山相关的挑战。我设置了一个小型的降雨模拟器，因为水在这些过程中起着重要作用。第一次降雨不一定代表现实生活，因为它实际上只是压实松散的沙子。但是它确实很好地展示了沉降是如何普遍起作用的。你可以看到随着沙子压实到位，地面表面下沉。 但是你也可以看到，当水到达矿井时，事情开始变形。在真实的矿井中，情况也是如此。周围土壤和岩石中的应力会随着时间的推移而重新分布，这是由于长期运动、提取前已在材料中积累的应力释放以及水的影响。 我运行了这个模型整整一天，打开和关闭降雨，以模拟地下一个有点自然的时间进程。到一天结束时，矿井没有倒塌，但它看起来远不如刚开始时稳定。这就是你可以从这个模型中学到的一个重要的一点——在很多情况下，这些问题不是线性发展的。它们可能以断断续续的方式发生，就像矿井屋顶上的这个小泄漏一样。你会看到少量的土壤侵蚀，但最终，会积累足够的沙子，它会自我修复，并且在一段时间内，你看不到任何在地表上发生的迹象。从本质上讲，地质通过重新分配材料和应力来吸收天坑，因此地表上没有明显的迹象表明地下发生了任何错误的事情。 在美国，直到 19 世纪末，采矿业几乎没有受到监管，即使是这些监管，也主要关注工人的安全。人们根本不关心长期稳定性。因此，一旦提取了材料，矿井就被废弃了。已经不稳定的立柱被单独留下，没有人将资源浪费在额外的支撑或支撑上。他们只是离开了。 矿井被废弃后发生的一件事是它们会被淹没。由于不再需要在内部工作，公司停止了抽水。我可以通过堵住排水口来模拟这个模型。在真实的软岩矿井中，可能存在石膏和石灰石等可溶于水的矿物。反复的干燥和湿润循环会慢慢地溶解它们。水还可以软化某些材料和土壤，降低其承受重载的机械强度，就像我的纸板模型一样。当然，水只是会引起侵蚀。它确实可以携带土壤颗粒，再次导致空隙和地下应力的重新分布。这是我之前做过的一个视频中的片段，展示了天坑是如何形成的。 矿山沉降传播到地面的方式可能会因地质和矿山深度而异。对于靠近地面的坍塌，你经常会看到清晰的天坑，其中矿井正上方的土壤直接落入空隙中。这通常是一种突然的现象。我多次淹没并排空了我的小矿井来演示这一点。在此过程中不小心几次淹没了我的小镇，但这没关系。你可以在我的模型中看到，在淹没矿井并将其排空后，屋顶发生了部分破坏，并且朝后方堆积了一堆沙子。在地面上，你只会看到一个小小的天坑。2024 年，伊利诺伊州 Alton 的一个体育中心正中央出现了一个巨大的洞。很快确定该公园下方的一个活跃的地下骨料矿的一部分已经倒塌，导致了天坑。这是这些问题的典型特征。你不知道它们会发生在哪里，你也不知道地表土壤会对地下发生的事情做出什么反应。 沉降也可能看起来像大面积的普遍而广泛的下沉和沉降。你可以在我的模型中看到，尽管它从这里开始，并且现在已经下沉到这里，因为矿井支撑已经软化和变形，但大部分表面仍然看起来非常平坦。当矿井更深时，也可能是这种情况。即使坍塌是突然的，沉降也不那么剧烈，因为地质可以移动和移动以重新分配应力。随着覆盖层沉降到新的配置中，沉降发生得更慢。在所有情况下，沉降都可以从矿井横向延伸，因此受影响的区域并不总是直接位于上方。矿井越深，沉降范围就越广。 我让我的小矿井演示运行了很多湿循环和干循环，只是想看看情况会变得多么糟糕。我承认我在最后使用了一点敲击来加快速度。假设这是对废弃矿井的地震模拟。[停顿] 你可以看到，到最后，这个东西基本上已经倒塌了。 现在看看地表。你肯定有一些定义明确的天坑。而且你也有普遍的沉降——曾经水平的倾斜和波浪形的区域。你可以想象这会造成的问题。建筑物很容易因差异沉降而损坏。管道破裂。地基移动和破裂。即使水也可以以不同于以前的方式流动，导致积水，甚至改变大片区域的河流和溪流的流向。即使没有建筑物，沉降也会破坏高价值的农田，扰乱道路，破坏栖息地等等。 在许多情况下，造成所有损害的公司早已消失。从本质上讲，他们在地底下设置了一颗定时炸弹，没有人知道它何时会爆炸。没有人对此负责，业主几乎没有追索权。典型的财产保险明确排除了矿山沉降造成的损失。因此，在一些这种威胁是真实存在的地区，已经建立了政府补贴的保险计划。美国有八个州，即煤矿开采最广泛的州，设立了保险池。在其中一些州，拥有财产是必须的。美国联邦政府还向煤矿收取费用，这些费用将用于资助帮助支付 1977 年法律生效前废弃矿井的复垦成本。 联邦矿业法还要求现代矿山使用防止沉降或控制其影响的方法，因为这不仅仅是历史遗留的废弃矿井的问题。一些现代地下软岩开采不使用房柱式采矿法，而是使用一种称为长壁采矿的工艺。像采矿中的所有事情一样，有很多方法可以做到这一点。但是这是基本方法：液压千斤顶支撑矿井的屋顶成一条长线。一台名为剪切机的机器沿着煤层表面移动，并带有切割滚筒。切割下来的煤掉落在传送带上，并被运送到地表。屋顶支撑向前移动到新创建的空腔中，有意地允许其后面的屋顶倒塌。这是一种非常高效的采矿形式，你可以获得整个煤层，而不是留下立柱来支撑屋顶。但是，显然，在这种方法中，地表沉降几乎是不可避免的。 最大限度地减少沉降造成的危害首先要预测其范围和大小。而且，仅仅看看我的模型，我认为你可以猜到解决这个问题并不容易。工程师使用经验信息的组合，例如来自类似过去采矿作业的数据、岩土工程数据、简化的关系，以及在某些情况下，详细的数值建模，该建模考虑了地质和水随时间的推移而移动。但是你不仅必须预测它。你还必须测量它，看看你的预测是否正确。因此，矿业公司使用倾斜仪和伸长计等仪器在地下矿井上方跟踪它们如何影响地表。如果你想了解更多，我有一个关于这种仪器的完整视频。 最后一部分是复垦——修复或减轻已造成的损害。这可能会因矿井的位置、上方的物体以及发生的沉降量而有很大差异。它可以像填充和整理已经沉降的土地一样简单，一直到在开始提取之前对矿井上方的建筑物进行广泛的结构改造。天坑通常通过用不同尺寸的材料分层回填来修复，从底部的大尺寸到顶部的小尺寸。这创建了一个过滤器，以防止土壤继续向下侵蚀到空隙中。较大的空隙可以用灌浆甚至聚氨酯泡沫填充，以稳定上方的地面，从而减少将来倒塌的机会。 我知道煤炭——以及一般的采矿——可能是一个敏感的话题。我们大多数人都没有充分接触到现代生活成为可能所需的原材料的获取过程。我们所看到和听到的通常是不好的事情，例如负面的环境影响或沉降。但我真的认为沉降的故事不仅仅是“采矿是不好的”，而是“采矿曾经是不好的，现在好多了，但仍然有挑战需要克服。”我想这就是工程学中很多事情的故事——解决我们过去只是忽略的困难。这个视频不是为了制造恐慌。这是一个真实的问题，今天造成了实际的损害，但它也是许多人投入了大量的思考、努力和最终资源的问题，以便我们可以在保护财产和环境免受损害与获取我们都依赖的资源之间取得平衡。 May 06, 2025 /Wesley Crump