第六章 矿山开采沉陷规律及观测站设计.docx

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第六章矿山开采沉陷规律及观测站设计

第6章矿山开采沉陷规律及观测站设计

开采沉陷规律：

地下开采引起的地表移动变形的大小、空间分布形态及其与地质采矿条件的关系

岩层移动分区

三个移动特征区：

Ⅰ—充分采动区（减压区COD）；Ⅱ、Ⅱ’—最大弯曲区；Ⅲ、Ⅲ’—岩石压缩区（支承压力区）GKMC、HLND

岩层移动和破坏的形式

（1）弯曲

（2）垮落（冒落）

（3）滚动（垮落岩石的下滑）

（4）片帮（挤出）

（5）岩石沿层面的滑移

（6）底板岩层的隆起

岩层移动和破坏形成的“三带”

根据岩层移动破坏的不同，把采动岩层分为三个部分，即岩层移动的“三带”：

1）垮落带Ⅰ；2）裂缝带Ⅱ；3）弯曲带Ⅲ；

在水体上采煤时，将采动岩体底板也分为三带：

1）底板采动破坏带；2）底板阻水带；3）底板承压水导升带

1、垮落带

指工作面开采达到一定宽度时引起上覆岩层顶板垮落的岩层移动区域

垮落带内岩层破坏特点是：

（1）分区性：

不规则垮落带和规则垮落带

（2）碎胀性，碎胀系数值恒大于1，一般在1.5～1.80之间。

（3）可压缩性

（4）垮落带高度主要取决于采出厚度和上覆岩层的碎胀系数、岩性等，通常为采出厚度的3～5倍

2、裂缝带

在采空区上覆岩层中产生裂缝、离层及断裂，但仍保持层状结构的那部分岩层称为裂缝带

特征：

（1）岩体内裂隙多，但仍保持层状结构

（2）导水裂隙带高度与岩性密切相关

3、弯曲带

指裂缝带以上至地表的区域

特点：

1）保持整体性和层状结构，隔水性能好

2）移动过程连续而有规律，不存在或极少存在离层裂缝

3）在竖直面内，各部分的移动值相差很小

4）当开采深度大时，H弯＞＞H裂

地表移动：

指地下采空区面积扩大到一定范围后，岩层移动发展到地表，使地表产生移动与变形，在矿山开采沉陷的研究中称这一过程和现象为地表移动

分为两种形式：

（1）连续的移动与变形；

（2）非连续的破坏

地表移动主要的三种形式：

（1）地表移动盆地

当地下开采达到一定范围后，开采影响波及到地表，受波及影响的地表从原有的标高向下沉降，从而在采空区上方形成一个比采空区范围大得多的沉陷区域，称为地表移动盆地

（2）裂缝及台阶

（3）塌陷坑

下沉：

地表移动向量的垂直分量称为下沉，用w表示

水平移动：

地表移动向量的水平分量称为水平移动，用u表示

充分采动：

使地表下沉值达到该地质采矿技术条件下应有的最大值的采空区面积为临界开采面积，此时的地表采动影响称为充分采动

非充分采动:

当采空区尺寸小于该地质采矿条件下的临界开采尺寸时，地表最大下沉值未达到该地质采矿条件下应有的最大值，称这种采动程度为非充分采动

超充分采动：

当地表达到充分采动后，开采工作面继续推进时，地表酱油多个点的下沉值达到该地质采矿条件下应有的最大下沉值，此时的采动称为超充分采动

地表移动盆地的特征

特征：

移动范围大于采空区范围；形状与倾角有关

移动盆地的分区

1）中间区；2）内边缘区（压缩区）；3）外边缘区（拉伸）

拐点：

内外边缘区的分界点称为或下沉曲线的凹凸变化点

地表移动盆地的主断面

通过地表移动盆地最大下沉点所作的沿煤层走向和倾向的垂直断面称为地表移动盆地主断面

当地表非充分采动或者充分采动时，沿一个方向的主断面只有一个；当地表达到超充分采动时，垂直于充分采动方向的主断面有无数个

地表移动盆地主断面具有以下特征：

（1）在主断面上地表移动盆地的范围最大

（2）在主断面上地表移动最充分，移动量最大

（3）在主断面上，不存在垂直于主断面方向的水平移动

描述地表移动盆地内移动和变形的主要指标：

下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形

地表移动盆地主要角量参数

描述地表移动盆地形态和范围的角量参数主要是边界角、移动角、裂缝角、充分采动角和最大下沉角

（1）边界角

在充分采动或接近充分采动的条件下，地表移动盆地主断面上盆地边界点（下沉为10mm）至采空区边界的连线与水平线在矿柱一侧的夹角称为边界角

走向δ0、下山β0、上山γ0、急倾斜矿层底板λ0

以下沉10mm作为移动盆地最外边界点，以这些点圈定的边界称为移动盆地最外边界

（2）移动角

在充分采动或接近充分采动的条件下，地表移动盆地主断面上三个临界变形中最外边的一个临界变形值点至采空区边界的连线与水平线在矿柱一侧的夹角称为移动角

走向δ、下山β、上山γ、急倾斜矿层底板λ，表土移动角用φ表示，φ与α无关

对建筑物有影响的变形主要有：

倾斜、曲率、水平变形

临界变形值：

不需要维修能保证建筑物正常使用所允许的地表最大变形值称为临界变形值

（3）裂缝角

在充分采动或接近充分采动的条件下，地表移动盆地主断面上，移动盆地最外侧的地表裂缝至采空区边界的连线与水平线在矿柱一侧的夹角称为裂缝角

走向δ〃、下山β〃、上山γ〃、急倾斜矿层底板λ〃

（4）充分采动角

在充分采动条件下，在地表移动盆地主断面上，移动盆地平底的边缘在地表水平线上的投影点和同侧采空区边界的连线与煤层在采空区一侧的夹角称为充分采动角

走向ψ3、下山ψ1、上山ψ2

（5）最大下沉角

在倾斜主断面上，由采空区的中点和地表移动盆地最大下沉点（非充分或充分采动）或地表移动盆地平底中心点（超充分采动）在地表水平上投影点的连线与水平线之间在煤层下山方向一侧的夹角，用θ表示

观测站：

开采进行之前，在开采影响范围内的地表，按照一定要求设置的一系列互相联系的观测点

观测站的任务

（1）研究地质采矿条件与移动变形的关系，获得开采沉陷参数与地质采矿条件的关系

（2）获得地表与岩层内部的移动变形规律

（3）获得移动变形与建筑物破坏关系，确定临界变形值

（4）获得岩体内部破坏规律

观测站设计的原则

①观测线应布设在地表移动盆地的主断面上

②设站地区在观测期间不受邻近开采的影响

③观测线的长度要大于地表移动盆地的范围

④观测线上的测点应有一定的密度

⑤观测站的控制点要设在移动盆地范围以外，埋设要牢固。

在冻土地区，控制点底面应在冻土线0.5m以下

⑥测点埋设要牢固，设在移动范围内的观测点与地表同步移动

观测站的布设形式

观测线一般由走向线和倾向线组成，两条线相互垂直。

有时由于条件限制，只能设置一条或者半条观测线

观测设计包括设计说明书和绘制设计图两部分工作

设计说明书包括：

①建立观测站的目的和任务

②设站地区的地形、地物及地质采矿条件

③观测站设计时所采用的开采沉陷参数

④观测线位置及长度的确定，测点及控制点数目，位置及其编号

⑤工作测点和控制点的构造及其埋设方法

⑥观测内容及其所用仪器，与矿区控制网的连测的方法和精度要求，连测的起始数据、观测时间、方法及精度要求

⑦观测站成果整理与分析的方法和要求，所要获得的成果

⑧经费估算：

包括观测站所需材料、占地、人工等费用的预算

观测站设计图包括观测站设计平面图和剖面图

剖面线装观测站的设计方法

观测站设计包括观测站的位置、观测线长度、观测点数目及其密度确定的

（1）观测线位置确定（实际上是确定主断面位置）

1）倾向观测线位置确定方法

1）当地表非充分采动时，设在采空区中央

2）当地表超充分采动时：

当有充分采动角ψ3时，用ψ3确定

倾斜观测R1R3到开切眼的距离D1应为:

式中：

ψ3——走向充分采动角；H0——平均采深，H0=（H1+H2）/2D3——倾斜观测线距工作面边界的距离

无充分采动角ψ3，取

（ψ3=55°）

当邻近有已采区时，观测线应不受前采空区的影响：

式中，δ——走向移动角；Δδ——调整值取20°；h——表土厚度；φ——表土移动角

在推进过程中设站，应考虑工作面在设站后推过的距离：

式中：

c——工作面推进速度，m/日；t——设站至第一次观测的时间间隔；

2）走向观测线位置确定方法

倾向非充分采动

a、有θ时，用θ确定；

b、无θ时，按下式求θ

倾向方向充分采动时，采动充分采动角或用θ确定

（2）观测线长度确定

1）倾斜观测线长度确定—实际上是确定移动盆地边界

式中：

L——工作面倾斜长度；γ，β——上山和下山移动角；Δγ——上山移动角修正值，一般Δγ=20°；Δβ——下山移动角修正值；h——表土厚度，φ——表土移动角

2）走向观测线的长度

①全走向观测线长度

②半走向观测线长度

式中：

l——走向工作面长度；d——超出倾斜线的长度；一般为（3~5）个测点间距

（3）观测点数目及其密度

控制点数

1）当观测线两端均可设控制点时，各端至少设两个控制点

2）当只有一端可设控制点时，则不少于三个控制点

地表移动观测站的观测工作主要包括：

连接测量、全面观测、日常观测等

（1）连接测量

目的是确定观测站与开采工作面之间的位置关系

注意：

独立进行两次分类：

平面连接测量、高程连接测量

（2）全面观测

目的是确定观测点的初始位置和高程

①高程测量；②平面位置测量

（3）日常观测

日常观测工作是指首次和末次全面观测之间适当增加的水准测量工作

观测成果的整理工作包括计算和绘图两部分

绘图点的确定一般按下列原则进行：

①下沉、水平移动直接绘在点的上方

②倾斜、水平变形绘在线段的中点

③曲率绘在两线段的中点

一个地表移动观测站的成果：

（1）地表移动盆地的范围、形状、大小，以及各种角值参数（边界角、移动角、裂缝角、最大下沉角、充分采动角）等；

（2）地表移动盆地主断面上的移动变形分布及其特征，移动变形最大值及其位置；

（3）工作面推进过程中移动变形的发展过程及其相应地表移动动态参数（起动距、超前影响距、超前影响角、滞后距、滞后角等）；

（4）地表移动过程中，地表移动速度的变化及与工作面的相应关系；

（5）地表移动各个阶段（初始阶段、活跃阶段、衰退阶段）的延续时间及地表移动延续总时间；

（6）工作面开始回采到地表开始下沉的时间；

（7）地表移动预测参数（下沉系数、水平移动系数、影响传播角、拐点偏距等）等

地表沉陷规律：

是指地下开采引起的地表移动和变形的大小、空间分布形态及其与地质采矿条件的关系

地表下沉曲线的特征点

1）盆地边界点A、B

2）最大下沉点O

3）拐点E：

移动盆地主断面上下沉曲线凹凸变化的分界点，即曲率为零的点

①水平煤层非充分采动时主断面内地表移动变形规律

②水平煤层充分采动时主断面内地表移动变形规律

③倾斜煤层非充分采动时主断面内地表移动变形规律

起动距：

通常把地表开始移动（下沉为10mm）时的工作面推进距离称为起动距

一般在初次开采时，起动距为（1/4~1/2）H0（平均采深）

超前影响：

在工作面推进过程中，工作面前方的地表受采动影响下沉

超前影响角：

将工作面前方地表开始下沉（w＝10mm）的点和当时工作面边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称超前影响角，用ω表示

超前影响距：

工作面前方开始移动的点到工作面的水平距离l称为超前影响距，用l表示

式中：

l——超前影响距；H0——平均采深

影响超前影响角ω的因素

1）当地表为非充分采动时，随工作面长度↑，ω↓。

达到充分采动后，ω为一定值，当开采结束后，ω等于边界角

2）推进速度c↑，ω↑

滞后距：

地表达到或接近充分采动时，地表最大下沉速度点距工作面的距离称为滞后距，用L表示。

滞后角：

把地表最大下沉速度点与相应的采煤工作面连线和煤层水平线在采空区一侧的夹角称为滞后角,用φ表示

式中：

L——滞后距；H0——平均采深

影响最大下沉速度滞后角的因素

岩性、采深H0和工作面推进速度

地表点移动持续时间（或移动延续时间、移动总时间）

在充分采动或接近充分采动的情况下，下沉值最大的地表点从移动开始到移动稳定所持续的时间

按下沉速度的大小及对建筑物的影响程度，将地表点整个移动过程分为三个阶段：

开始阶段、活跃阶段和衰退阶段

基本地址采矿因素对开采沉陷的影响：

① 覆岩力学性质，岩层层位的影响

② 松散层对地表移动特征的影响

③煤层倾角的影响

④开采厚度和开采深度的影响

⑤采区尺寸大小的影响

⑥重复采动的影响

⑦采煤方法及顶板管理方法的影响

采煤方法及顶板管理方法的影响

（1）对移动变形量的影响

（2）对覆岩破坏的影响

（3）对地表移动盆地的影响