第二章 開采沉陷基本概念

1、中國礦業(yè)大學(xué)1第二章 開采沉陷的基本概念u 地下開采引起的巖層移動地下開采引起的巖層移動 u 地下開采引起的地表移動和變形地下開采引起的地表移動和變形u 地表移動和變形的描述地表移動和變形的描述指標指標u 地表沉陷的范圍和角值參數(shù)地表沉陷的范圍和角值參數(shù)2.1 地下開采引起的巖層移動地下開采引起的巖層移動 巖層移動的概念和特征巖層移動的概念和特征 巖層移動的形式巖層移動的形式 移動穩(wěn)定后巖層內(nèi)的三帶移動穩(wěn)定后巖層內(nèi)的三帶中國礦業(yè)大學(xué) GUOGL65126.COM3巖層移動：巖層移動：局部礦體被采出后，巖體內(nèi)部形成一個局部礦體被采出后，巖體內(nèi)部形成一個采空區(qū)，導(dǎo)致周圍巖體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，引起應(yīng)

2、力采空區(qū)，導(dǎo)致周圍巖體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，引起應(yīng)力重分布，從而使巖體產(chǎn)生移動變形和破壞，直至達到重分布，從而使巖體產(chǎn)生移動變形和破壞，直至達到新的平衡。新的平衡。 巖層移動的概念和特征巖層移動的概念和特征巖層移動示意圖acdbb1a1d1c1移動特征區(qū)：移動特征區(qū)：充分采動區(qū)（減壓區(qū)）；充分采動區(qū)（減壓區(qū)）；、最大彎曲區(qū)；最大彎曲區(qū)；、巖石壓縮區(qū)（支承壓力區(qū)）。巖石壓縮區(qū)（支承壓力區(qū)）。巖層移動特征區(qū)示意圖中國礦業(yè)大學(xué) GUOGL65126.COM5巖層移動的形式巖層移動的形式 彎曲彎曲 巖層的垮落（或稱冒落）巖層的垮落（或稱冒落） 煤的擠出（又稱片幫）煤的擠出（又稱片幫） 巖石沿層面的滑移巖石

3、沿層面的滑移 垮落巖石的下滑（或滾動）垮落巖石的下滑（或滾動） 底板巖層的隆起底板巖層的隆起開采空間周圍巖層的移動形式：開采空間周圍巖層的移動形式：中國礦業(yè)大學(xué) GUOGL65126.COM6移動穩(wěn)定后采動巖層內(nèi)的三帶移動穩(wěn)定后采動巖層內(nèi)的三帶移動穩(wěn)定后上覆巖層按破壞程度，可分為三個不同移動穩(wěn)定后上覆巖層按破壞程度，可分為三個不同的開采影響帶，即的開采影響帶，即垮落帶、斷裂帶、彎曲下沉帶垮落帶、斷裂帶、彎曲下沉帶。采空區(qū)上覆巖層內(nèi)移動分布示意圖-垮落帶；-裂縫帶；-彎曲帶 地表移動的主要形式地表移動的主要形式 地表移動盆地的形成地表移動盆地的形成 地表移動盆地的采動程度地表移動盆地的采動程度

4、地表移動盆地主斷面地表移動盆地主斷面 地表移動盆地的特征地表移動盆地的特征2.2 地下開采引起的地表移動和變形地下開采引起的地表移動和變形中國礦業(yè)大學(xué) GUOGL65126.COM8 地表移動：地表移動：在采空區(qū)面積擴大到一定的范圍后，巖在采空區(qū)面積擴大到一定的范圍后，巖層移動發(fā)展到地表，使地表產(chǎn)生移動和變形。層移動發(fā)展到地表，使地表產(chǎn)生移動和變形。 地表移動的主要形式地表移動的主要形式中國礦業(yè)大學(xué) GUOGL65126.COM9 地表移動盆地地表移動盆地：開采影響波及到地表后，受采動影響開采影響波及到地表后，受采動影響的地表從原有標高向下沉降，從而在采空區(qū)上方地表形的地表從原有標高向下沉降，

5、從而在采空區(qū)上方地表形成一個比采空區(qū)面積大得多的沉陷區(qū)域，這種地表沉陷成一個比采空區(qū)面積大得多的沉陷區(qū)域，這種地表沉陷區(qū)域稱為地表移動盆地，或下沉盆地。區(qū)域稱為地表移動盆地，或下沉盆地。地表移動盆地形成過程示意圖10地表裂縫及臺階：地表裂縫及臺階：在一定條件下，地表移動盆地在一定條件下，地表移動盆地外邊緣拉伸變形區(qū)可能產(chǎn)生裂縫。裂縫的深度、寬度外邊緣拉伸變形區(qū)可能產(chǎn)生裂縫。裂縫的深度、寬度與有無第四系松散層及其厚度、性質(zhì)和變形值大小有與有無第四系松散層及其厚度、性質(zhì)和變形值大小有關(guān)。關(guān)。塌陷坑：塌陷坑：塌陷坑多出現(xiàn)在急傾斜煤層開采條件下，塌陷坑多出現(xiàn)在急傾斜煤層開采條件下，在煤層露頭處附近地表

6、呈現(xiàn)出嚴重的非連續(xù)性破壞，往在煤層露頭處附近地表呈現(xiàn)出嚴重的非連續(xù)性破壞，往往也會出現(xiàn)漏斗狀塌陷坑。往也會出現(xiàn)漏斗狀塌陷坑。采動引起的塌陷坑采動引起的塌陷坑中國礦業(yè)大學(xué) GUOGL65126.COM12地表移動盆地：地表移動盆地：當(dāng)開采工作面自開切眼開始向前推進當(dāng)開采工作面自開切眼開始向前推進的距離約為的距離約為1/41/41/2Ho1/2Ho時，開采影響即波及到地表，引時，開采影響即波及到地表，引起地表下沉。隨著工作面繼續(xù)向前推進，影響范圍不斷起地表下沉。隨著工作面繼續(xù)向前推進，影響范圍不斷擴大，在地表形成一個比開采范圍大得多的下沉盆地。擴大，在地表形成一個比開采范圍大得多的下沉盆地。 地表

7、移動盆地的形成地表移動盆地的形成 動態(tài)移動盆地：動態(tài)移動盆地：在工作面推進過程中形成，如在工作面推進過程中形成，如W W1 1、W W2 2、W W3 3和和W W4 4 靜態(tài)移動盆地：靜態(tài)移動盆地：地表移動穩(wěn)定后最終的移動盆地，如地表移動穩(wěn)定后最終的移動盆地，如W W5 5地表移動盆地形成過程充分采動充分采動（Critical MiningCritical Mining）：地表最大下沉值不）：地表最大下沉值不隨采空區(qū)尺寸增大而增加的臨界開采狀態(tài)。此時形成的隨采空區(qū)尺寸增大而增加的臨界開采狀態(tài)。此時形成的地表移動盆地稱為地表移動盆地稱為充分采動下沉盆地充分采動下沉盆地（Critical Cri

8、tical Subsidence BasinSubsidence Basin），盆地內(nèi)只有），盆地內(nèi)只有一個點一個點的下沉值達到的下沉值達到該地質(zhì)采礦條件下應(yīng)有的最大下沉值。該地質(zhì)采礦條件下應(yīng)有的最大下沉值。 地表移動盆地的采動程度地表移動盆地的采動程度充分采動地表移動盆地 A、B地表移動盆的的邊緣O地表移動盆地的最大下沉點W0地表移動盆地最大下沉值0走邊界角3走向充分采動角 非充分采動非充分采動（Subcritical MiningSubcritical Mining）：地表最）：地表最大下沉值隨采空區(qū)尺寸增大而增加的開采狀態(tài)。此大下沉值隨采空區(qū)尺寸增大而增加的開采狀態(tài)。此時形成的地表移動盆

9、地稱為時形成的地表移動盆地稱為非充分采動下沉盆地非充分采動下沉盆地（Subcritical Subsidence BasinSubcritical Subsidence Basin），采空區(qū)的尺寸），采空區(qū)的尺寸小于該地質(zhì)采礦條件下的臨界開采尺寸，地表任意小于該地質(zhì)采礦條件下的臨界開采尺寸，地表任意點的下沉值均點的下沉值均未達到未達到該地質(zhì)采礦條件下應(yīng)有的最大該地質(zhì)采礦條件下應(yīng)有的最大值。值。 非充分采動地表移動盆地 超充分采動超充分采動（Supercritical MiningSupercritical Mining）：地表最大下）：地表最大下沉值不隨采區(qū)尺寸增大而增加且超出臨界開采的狀態(tài)，

10、又沉值不隨采區(qū)尺寸增大而增加且超出臨界開采的狀態(tài)，又稱超臨界開采。此時形成的地表移動盆地為超充分采動下稱超臨界開采。此時形成的地表移動盆地為超充分采動下沉盆地（沉盆地（Supercritical Subsidence BasinSupercritical Subsidence Basin），盆地中央），盆地中央出現(xiàn)平底，平底區(qū)域點的下沉值均達到最大下沉值。出現(xiàn)平底，平底區(qū)域點的下沉值均達到最大下沉值。超充分采動地表移動盆地中國礦業(yè)大學(xué) GUOGL65126.COM20 充分采動角充分采動角（以（以表示表示 ）：在充分采動條件下）：在充分采動條件下，地表移動盆地的主斷面上，移動盆地平底邊緣（在，

11、地表移動盆地的主斷面上，移動盆地平底邊緣（在地表水平線上的投影點）和同側(cè)采空區(qū)邊界連線與煤地表水平線上的投影點）和同側(cè)采空區(qū)邊界連線與煤層在采空區(qū)一側(cè)的夾角。層在采空區(qū)一側(cè)的夾角。充分采動地表移動盆地超充分采動地表移動盆地 地表移動盆地的主斷面地表移動盆地的主斷面主斷面：主斷面：通過地表移通過地表移動盆地最大下沉點沿煤層動盆地最大下沉點沿煤層傾向或走向的垂直斷面。傾向或走向的垂直斷面。主斷面?zhèn)€數(shù)與采動程度有關(guān)。主斷面?zhèn)€數(shù)與采動程度有關(guān)。槽型盆地示意圖AB:走向主斷面 CD:傾向主斷面主斷面的特征：主斷面的特征： 主斷面上地表移動盆地的范圍最大；主斷面上地表移動盆地的范圍最大； 主斷面上地表移動

12、最充分，移動變形量最大；主斷面上地表移動最充分，移動變形量最大； 主斷面上的點，通常不產(chǎn)生垂直于主斷面方主斷面上的點，通常不產(chǎn)生垂直于主斷面方向的水平移動。向的水平移動。 主斷面的位置主斷面的位置：與：與采動程度采動程度和和煤層傾角煤層傾角有關(guān)。有關(guān)。最大下沉角：最大下沉角：傾斜煤層傾斜煤層開采時，地表移動盆地主開采時，地表移動盆地主斷面上，采空區(qū)中點和地斷面上，采空區(qū)中點和地表最大下沉點在地表投影表最大下沉點在地表投影點（在非充分采動條件下）點（在非充分采動條件下）或覆巖充分采動區(qū)界線延或覆巖充分采動區(qū)界線延長線交點（充分采動條件長線交點（充分采動條件下）的連線與水平線在下下）的連線與水平線

13、在下山方向的夾角。山方向的夾角。 最大下沉角的確定跟開采影響傳播角加以區(qū)分跟開采影響傳播角加以區(qū)分 移動盆地的中間區(qū)域移動盆地的中間區(qū)域（中性區(qū)域）；（中性區(qū)域）； 移動盆地的內(nèi)邊緣區(qū)移動盆地的內(nèi)邊緣區(qū)（壓縮區(qū)域）；（壓縮區(qū)域）； 移動盆地的外邊緣區(qū)移動盆地的外邊緣區(qū)（拉伸區(qū)域）。（拉伸區(qū)域）。 地表移動盆地特征地表移動盆地特征地表移動盆地的三個區(qū)域25 水平煤層充分開采水平煤層充分開采地表移動地表移動 盆地盆地特征：特征： 地表移動盆地位于采空區(qū)的地表移動盆地位于采空區(qū)的正上方；正上方； 地表移動盆地的形狀與采空地表移動盆地的形狀與采空區(qū)對稱；區(qū)對稱； 移動盆地內(nèi)外邊緣區(qū)的分界移動盆地內(nèi)外邊

14、緣區(qū)的分界點，大致位于采空區(qū)邊界的點，大致位于采空區(qū)邊界的正上方。正上方。W01020W03 030BB采 空 區(qū)ABBaabbAAA水平煤層超充分采動地表移動盆地示意圖26 傾斜煤層非充分采動傾斜煤層非充分采動地表移動地表移動盆地盆地特征：特征：傾斜方向上，移動盆地的最大傾斜方向上，移動盆地的最大下沉點偏向采空區(qū)的下山方向；下沉點偏向采空區(qū)的下山方向；盆地與采空區(qū)的相對位置，在盆地與采空區(qū)的相對位置，在走向方向上對稱于傾斜中心線；走向方向上對稱于傾斜中心線；而在傾斜方向上不對稱；而在傾斜方向上不對稱；盆地的上山方向較陡，移動范盆地的上山方向較陡，移動范圍??；下山方向較平緩，移動圍??；下山方向

15、較平緩，移動范圍大。范圍大。0BB012W0O3030W0AAABB采空區(qū)A傾斜煤層非充分開采傾斜煤層非充分開采地表移動盆地地表移動盆地示意圖示意圖27急傾斜煤層開采急傾斜煤層開采地表移動盆地表移動盆地地特征特征: :整個移動盆地明顯偏向下山整個移動盆地明顯偏向下山方向。方向。下沉點不出現(xiàn)在采空區(qū)中心下沉點不出現(xiàn)在采空區(qū)中心上方，而是大致位于采空區(qū)上方，而是大致位于采空區(qū)下邊界上方。下邊界上方。最大水平移動值可能大于最最大水平移動值可能大于最大下沉值，不出現(xiàn)充分采動大下沉值，不出現(xiàn)充分采動情況。情況。 采空區(qū)AB急傾斜煤層開采地表移動盆地示意圖2.3 地表移動和變形的描述指標地表移動和變形的描

16、述指標 下沉（下沉（SubsidenceSubsidence） 傾斜（傾斜（SlopeSlope） 曲率（曲率（CurvatureCurvature） 水平移動（水平移動（DisplacementDisplacement） 水平變形（水平變形（Horizontal StrainHorizontal Strain） 下沉下沉：地表點的沉降叫下沉，用：地表點的沉降叫下沉，用W W表示，是地表移動表示，是地表移動向量的垂直分量，以本次與首次觀測點的標高差表向量的垂直分量，以本次與首次觀測點的標高差表示示 , ,即即 W Wn n=H=Hn0n0-H-Hnmnm 式中式中 W Wn n地表點的下沉，地

17、表點的下沉，mmmm； H Hn0n0、H Hnmnm表示地表表示地表n n點首次和點首次和m m次觀測時的次觀測時的高程，高程，mmmm。正值表示測點下沉正值表示測點下沉，負值表示測點上升負值表示測點上升，它反映了一個測點不同時間在垂直方向的變化量。它反映了一個測點不同時間在垂直方向的變化量。 水平移動：水平移動：地表下沉盆地中某點沿某一水平方向的位地表下沉盆地中某點沿某一水平方向的位移叫水平移動，用移叫水平移動，用U U表示。以本次與首次測得的從該表示。以本次與首次測得的從該點至控制點水平距離差表示，即點至控制點水平距離差表示，即 U Un n=L=Lnmnm-L-Ln0n0 式中式中 U

18、 Un n地表地表n n點的水平移動，點的水平移動，mmmm； L Ln0n0、L Lnmnm分別表示首次和分別表示首次和m m次觀測時地表次觀測時地表n n點到觀點到觀測線控制點測線控制點R R間的水平距離，間的水平距離，mmmm。 傾斜：傾斜：地表傾斜是指相鄰兩點在豎直方向的下沉差與地表傾斜是指相鄰兩點在豎直方向的下沉差與其水平距離的比值，它反映了地表移動盆地沿某一方其水平距離的比值，它反映了地表移動盆地沿某一方向的坡度，通常以向的坡度，通常以i i表示。即表示。即 式中式中 i im-nm-n為為m m、n n兩點的平均傾斜變形，兩點的平均傾斜變形，mm/mmm/m； l lm-nm-n

19、地表地表m m、n n點間的水平距離，點間的水平距離，m m； w wm m、w wn n分別為地表分別為地表m m、n n點的下沉值，點的下沉值，mmmm。 nmnmmnmnnmlwlwwi 曲率：曲率：地表曲率是兩相鄰線段的傾斜差與兩線段中點間地表曲率是兩相鄰線段的傾斜差與兩線段中點間的水平距離的比值，由下式計算：的水平距離的比值，由下式計算：式中式中i im-nm-n、i in-pn-p分別表示地表分別表示地表m-nm-n和和n-pn-p點間的平均斜點間的平均斜率，率，mm/mmm/m； l lm-nm-n、l ln-pn-p分別表示地表分別表示地表m-nm-n和和n-pn-p點間的水平

20、距點間的水平距離，離，m m； k km-n-pm-n-p為為m-nm-n、n-pn-p線段的平均曲率，線段的平均曲率，mm/mmm/m2 2。)(21pnnmnmpnpnmlliik 水平變形水平變形 ：相鄰兩點的水平移動差與兩點間水平距離相鄰兩點的水平移動差與兩點間水平距離的比值，通常用的比值，通常用表示：表示： 式中式中 u un n、u um m分別為分別為m m、n n點的水平移動，點的水平移動，mmmm； l lm-nm-n分別為分別為m m、n n點的水平距離，點的水平距離，m m； m-nm-n為為m m、n n點的水平變形，點的水平變形，mm/mmm/m。 水平變形代表了線段

21、的拉伸和壓縮，水平變形代表了線段的拉伸和壓縮，正值表示拉伸，負正值表示拉伸，負值表示壓縮變形。值表示壓縮變形。 nmmnnmmnnmluluu2.4 地表移動盆地范圍及確定方法地表移動盆地范圍及確定方法 移動盆地邊界的劃分移動盆地邊界的劃分 確定盆地邊界的角值參數(shù)確定盆地邊界的角值參數(shù) 中國礦業(yè)大學(xué) GUOGL65126.COM35移動盆地邊界劃分移動盆地邊界劃分 最外邊界：最外邊界：以地表移動變形以地表移動變形為零的盆地邊界點所圈定的為零的盆地邊界點所圈定的邊界。邊界。 危險移動邊界：危險移動邊界：以建筑物臨以建筑物臨界變形值確定的邊界。界變形值確定的邊界。 裂縫邊界：裂縫邊界：根據(jù)移動盆地內(nèi)根據(jù)移動盆地內(nèi)最外側(cè)的地表裂縫圈定的邊最外側(cè)的地表裂縫圈定的邊界。界。A200C2C1C3D1D2D3B3B2B1A3A1采空區(qū)A2A3A1B3B2B1C2C1C3D1D2D30