特殊開采課件

開採引起的地表移動

一、地表移動和破壞的形式二、地表移動盆地的形成及特徵三、地表移動的角量參數(shù)四、地表移動的變形參數(shù)一、地表移動和破壞的形式地表移動--因地下採礦使地表產(chǎn)生移動、變形和破壞的現(xiàn)象和過程一、地表移動和破壞的形式

非連續(xù)型

:裂縫或塌陷坑

煤層埋藏較淺，采厚較大或受構(gòu)造影響連續(xù)型:地表移動盆地或下沉盆地煤層埋藏較深，采厚較小+274+24331鶴崗富力礦淺部開採引起的地表漏斗狀塌陷坑非連續(xù)型地表移動地表漏斗形塌陷坑非連續(xù)型地表移動地表臺階狀裂縫非連續(xù)型地表移動北票礦區(qū)地表塌陷漏斗急傾斜煤層開採後煤層露頭處附近漏斗狀塌陷坑

非連續(xù)型下沉地表的裂縫、臺階或塌陷坑，對位於其上的建築物、鐵路和水體危害極大，應(yīng)避免其出現(xiàn)。連續(xù)型地表移動地表移動盆地采空區(qū)上方地表形成的沉陷區(qū)域，又稱地表下沉盆地。

在時間上和空間上是連續(xù)的，漸變的，有明顯的規(guī)律，變形的基本指標(biāo)可用數(shù)學(xué)方法表示

二、地表移動盆地的形成及特徵1、地表移動盆地的形成H1W12W23W345W4W5地表移動盆地動態(tài)盆地—推進(jìn)過程中形成的地表移動盆地靜態(tài)盆地—最終地表移動盆地

地表移動盆地習(xí)慣上把開採影響開始波及到地表的開採空間寬度稱為起動距1、充分采動

把地表最大下沉值不再隨開採區(qū)域尺寸增大而增加的開採狀態(tài)稱為充分采動

特點(diǎn)：地表下沉值達(dá)到該地質(zhì)條件下應(yīng)有的最大值，此後開採範(fàn)圍再繼續(xù)擴(kuò)大時，地表的影響範(fàn)圍相應(yīng)擴(kuò)大，但地表最大下沉值不再增加

臨界開採

達(dá)到充分采動時的地表移動盆地

超充分采動

地表下沉盆地出現(xiàn)平底或有多個點(diǎn)的下沉值達(dá)到最大下沉值的采動狀態(tài)超充分采動通常采空區(qū)的長度和寬度均達(dá)到和超過1.2~1.4倍平均采深時，地表可達(dá)到充分采動非充分采動

非充分采動—地表最大下沉值隨開採區(qū)域尺寸增大而增加的開採狀態(tài)

非充分采動3、地表移動盆地特徵

主斷面—指通過盆地內(nèi)最大下沉點(diǎn)沿煤層傾向或走向的垂直剖面在主斷面內(nèi)表現(xiàn)為通過最大下沉點(diǎn)的地表下沉曲線。當(dāng)采空區(qū)為長方形時，移動盆地大致呈橢圓形。

1、近水準(zhǔn)煤層地表移動盆地

近水準(zhǔn)煤層地表移動盆地下沉曲線主斷面上的地表下沉曲線分為三段或兩段采空區(qū)上方的內(nèi)緣區(qū)下沉曲線呈凹形煤柱上方的外邊緣區(qū)下沉曲線呈凸形下沉曲線的凹凸或內(nèi)外邊緣區(qū)分界點(diǎn)稱為拐點(diǎn)

近水準(zhǔn)煤層非充分采動的地表移動盆地

緩傾斜和中傾斜煤層地表移動盆地

移動盆地在傾向方向上與采空區(qū)不對稱

盆地、最大下沉值和拐點(diǎn)均下移

急傾斜煤層地表移動盆地

非對稱性更加明顯，整個盆地及最大下沉值向采空區(qū)下邊界方向偏移，地表最大水平移動值大於最大下沉值，煤層底板巖層也移動三、地表移動的角量參數(shù)在充分采動條件下,在移動盆地主斷面上，將地表下沉曲線上的最大下沉點(diǎn)或盆地平底邊緣點(diǎn)投影在地表水平線上，該投影點(diǎn)和采空區(qū)邊界的連線與煤層底板在采空區(qū)一側(cè)的夾角叫充分采動角。1、地表移動盆地的充分采動角下山方向的充分采動角

1，上山方向的充分采動角

2走向方向的充分采動角以

3表示2、邊界角、移動角和裂隙角鬆散層移動角鬆散層:第四紀(jì)、第三紀(jì)未成巖的沖積層、洪積層和殘積層的統(tǒng)稱鬆散層移動角

邊界角邊界角—在充分或接近充分采動條件下，移動盆地主斷面上的邊界點(diǎn)和采空區(qū)邊界點(diǎn)的連線與水平線在煤壁一側(cè)的夾角下沉盆地外邊界移動盆地最外的邊界理論上：以地表移動和變形都為零的邊界點(diǎn)實(shí)際處理：一般取下沉為10mm的點(diǎn)為邊界點(diǎn)。下沉盆地邊界角基巖走向邊界角

0下山邊界角

0上山邊界角

0下沉盆地移動角在充分或接近充分采動條件下，在移動盆地的主斷面上，地表最外的臨界變形點(diǎn)和采空區(qū)邊界點(diǎn)連線與水平線在煤壁一側(cè)的夾角下沉盆地移動角臨界變形值:受保護(hù)的建築物和構(gòu)築物不需修理能保持正常使用所允許的地表最大變形值。下沉盆地移動角傾斜i=3mm/m水準(zhǔn)變形

=2mm/m曲率K=0.2mm/m2大致相當(dāng)於地表下沉值為80mm之點(diǎn)處基巖

走向移動角

；下山移動角

；上山移動角

裂隙角地表最大的一條裂縫和采空區(qū)邊界點(diǎn)與水平線在煤壁一側(cè)的夾角

走向裂縫角

上山裂縫角

下山裂縫角

急傾斜煤層邊界角、移動角、裂隙角

急傾斜煤層頂板、底板的邊界角、移動角和裂縫角。3、最大下沉角

在移動盆地傾向主斷面上，采空區(qū)中點(diǎn)和地表最大沉點(diǎn)在地表水平線上投影點(diǎn)的連線與水平線在下山方向的夾角

=90

-K

K=0.5

0.8四、地表移動和變形的主要指標(biāo)及變化規(guī)律研究方法地面點(diǎn)的運(yùn)動時間垂直移動空間水準(zhǔn)移動

空間問題平面問題在主斷面上用數(shù)學(xué)方法研究運(yùn)動橫向

縱向一點(diǎn)的移動向量是其空間位置（x、y、z）和時間（t）的函數(shù)

采厚比

(連續(xù)型地表下沉條件)常規(guī)開採條件長壁垮落理想地質(zhì)條件無大的地質(zhì)構(gòu)造（大斷層）單—煤層開採典型化和理想化條件描述地表移動盆地內(nèi)移動和變形的主要指標(biāo)下沉水準(zhǔn)移動傾斜曲率水準(zhǔn)變形扭曲和剪切變形一定傾角的煤層沿走向（水準(zhǔn)煤層）

主斷面內(nèi)移動和變形規(guī)律（充分采動）

123456789xδ0ψ3ψ3δ02′3′4′5′6′7′8′9′1′主斷面內(nèi)移動和變形規(guī)律1、下沉

主斷面內(nèi)地表移動向量的鉛直分量,用W表示。座標(biāo)

O點(diǎn):最大下沉值處的地表點(diǎn)

W坐標(biāo)軸向下為正，單位為mm

x坐標(biāo)軸向右為正，單位為m下沉變化規(guī)律W=W（x）最大下沉值在盆地中央，Wo=W5；x增加，W由零增加到最大，而後又趨於零W（-x）=W（x）；邊界點(diǎn)由

0決定；下沉曲線凹凸分界的拐點(diǎn)處，下沉值約為最大值的一半。2、傾斜傾斜是指地表單位長度內(nèi)下沉的變化，用i表示單位為mm/m，i坐標(biāo)軸向下為正傾斜傾斜是地表下沉的一階導(dǎo)數(shù)，i(x)i=tg

正負(fù)號的決定：①i=tg

下沉曲線的切線與x軸正向所夾銳角為+

時,傾斜為正;下沉曲線的切線與x軸正向所夾銳角為-

時傾斜為負(fù)。②

左側(cè)

w0

右側(cè)

w0xwoα-α傾斜的正負(fù)號

傾斜的正負(fù)號

有兩組方向不同的傾斜邊界點(diǎn)和最大下沉點(diǎn)之間的傾斜必然有正極值和負(fù)極值存在。

傾斜正負(fù)號的物理意義垂直於地表下沉曲線的桿狀物傾倒的趨向與x軸正向相同時，傾斜為正；桿狀物傾倒的趨向與x軸負(fù)向相同時傾斜為負(fù)。水準(zhǔn)移動

水準(zhǔn)移動-地表移動向量的水準(zhǔn)分量,用U表示，單位為mm，123456789xδ0ψ3ψ3δ02′3′4′5′6′7′8′9′1′U=U（x）,有兩組方向不同的水準(zhǔn)移動

規(guī)定:正值的水準(zhǔn)移動與x軸的正方向一致

負(fù)值的水準(zhǔn)移動與x軸的負(fù)方向一致

水準(zhǔn)移動1點(diǎn)U1=05點(diǎn)U5=09點(diǎn)U9=0U座標(biāo)向下為正Uox+-123456789xδ0ψ3ψ3δ02′3′4′5′6′7′8′9′1′邊界點(diǎn)和采空區(qū)中點(diǎn)的水準(zhǔn)移動為零；邊界點(diǎn)和采空區(qū)中點(diǎn)之間有極值。δ0ψ3δ0ψ3xw195372468oHrUox+-iox+-水準(zhǔn)移動U（x）和傾斜i（x）的變化趨勢同步水準(zhǔn)移動U（x）和傾斜i（x）Uox+-iox+-B是一個有單位的比例係數(shù)曲率

地表單位長度內(nèi)傾斜的變化，用K表示，單位為mm/m2或10-3/m。曲率坐標(biāo)軸向上為正

.Kox曲率BAΔxBAΔx數(shù)學(xué)上曲率嚴(yán)格定義

地表移動和變形得出的曲率是數(shù)學(xué)上曲率嚴(yán)格定義的近似。iox+-Kox++--正負(fù)號傾斜曲線上任意點(diǎn)的切線與x軸正向所夾銳角為+

時,曲率為正;傾斜曲線上任意點(diǎn)的切線與x軸正向所夾銳角為-

時曲率為負(fù)。大小K1=0K3=0K5=0K7=0中間必有極值K3=0K5=0K7=0K9=0曲率K1=0K3=0K5=0K7=0K9=0曲率正負(fù)號的物理意義

正曲率的物理意義是地表下沉曲線在地面方向凸起負(fù)曲率的物理意義是地表下沉曲線在地面方向下凹水準(zhǔn)變形水準(zhǔn)變形—單位長度上水平移動的變化用表示，座標(biāo)向上為正，單位：mm/m

ox水準(zhǔn)變形Uox+-

ox++--正負(fù)號用tg

，水準(zhǔn)移動曲線的切線與x軸正向所夾銳角為+

時,曲率為正;水準(zhǔn)移動曲線的切線與x軸正向所夾銳角為-

時曲率為負(fù)。大小

1=0

3=0

5=0

7=0中間必有極值

3=0

5=0

7=0

9=0水準(zhǔn)變形水準(zhǔn)變形正負(fù)號的物理意義

水準(zhǔn)變形正值的物理意義為地表受拉伸變形負(fù)值的物理意義為地表受壓縮變形。

兩個相等的正極值和兩個相等的負(fù)極值；正極值為最大拉伸值，位於邊界點(diǎn)和拐點(diǎn)之間；負(fù)極值為最大壓縮值，位於兩個拐點(diǎn)之間；盆地邊界點(diǎn)、拐點(diǎn)和中點(diǎn)處水準(zhǔn)變形為零；盆地邊緣區(qū)為拉伸區(qū)，中部為壓縮區(qū)。水準(zhǔn)變形的變化規(guī)律地表移動盆地內(nèi)五項(xiàng)指標(biāo)變化規(guī)律五項(xiàng)指標(biāo)之間的關(guān)係

非充分和超充分采動條件下水平煤層(或有一定傾角的煤層沿走向)主斷面內(nèi)地表移動與變形規(guī)律緩傾斜、中傾斜煤層沿傾向主斷面內(nèi)移動和變形規(guī)律

下沉曲線失去對稱性，上山部分的下沉曲線要陡，範(fàn)圍要小

最大下沉點(diǎn)向下山方向偏移

沿傾向主斷面內(nèi)移動和變形規(guī)律指向上山方向的水準(zhǔn)移動增加，指向下山方向的水準(zhǔn)移動減??；最大拉伸變形在下山方向，最大壓縮變形在上山方向，水準(zhǔn)變形為零的點(diǎn)與最大水平移動點(diǎn)重合；水準(zhǔn)移動曲線與傾斜曲線不相似，水準(zhǔn)變形曲線和曲率曲線不相似一、典型曲線法基於地表下沉實(shí)測資料，綜合成反映所測礦區(qū)主斷面內(nèi)下沉分佈規(guī)律的地表下沉典型曲線、數(shù)據(jù)和表格。使用條件：適用於規(guī)則采空區(qū)上方的地表移動和變形預(yù)計(jì)。製作典型（無因次）曲線所作的典型下沉曲線與采深和煤層厚度無關(guān),只與最大下沉值和位置有關(guān)采前大量佈置測點(diǎn)，實(shí)測X(m)OX1X2X3XmWx

(mm)W0W1W2W3WmY(m)0y1y2y3ymWy(mm)W0W1W2W3WmW0ψ3ψ3

0

0oX1X2X3Xm......Xm+1.WxHy1y2..典型（無因次）曲線的製作采後處理數(shù)據(jù)：O點(diǎn)為最大下沉點(diǎn)，座標(biāo)軸指向盆地邊界以X/L和Y/L為橫坐標(biāo)，座標(biāo)單位為0.1、0.2、0.3、......1.0以WX/W0和Wy/W0為縱坐標(biāo)，座標(biāo)單位為0.1、0.2、0.3、......1.0盆地半長L1、L2或L3由

0、

0、

0、、1、

2、

3確定，制做典型圖和表（無因次）典型（無因次）曲線盆地o0.20.40.60.81.0X/L30.20.40.60.81.0Wx/Wo峰峰礦區(qū)充分采動條件下主斷面內(nèi)

下沉典型曲線分佈係數(shù)x/Li（i=1，2，3）00.10.20.30.40.5W(x)/W0或W(y)/W01.0000.9740.9000.7460.4990.266x/Li（i=1，2，3）0.50.60.70.80.91.0W(x)/W0W(y)/W00.2660.1190.0590.0290.0140.000預(yù)計(jì)新開採區(qū)域地表移動與變形a、計(jì)算最大下沉值W0，（由本礦區(qū)的經(jīng)驗(yàn)）b、作主斷面圖c、確定Ld、將L十等分確定e、從表格和圖上查出：時各點(diǎn)的比值x/Li（i=1，2，3）00.10.20.30.40.5W(x)/W0或W(y)/W01.0000.9740.9000.7460.4990.266f、將WX畫到圖上連接起來作出下沉預(yù)計(jì)曲線h、i、UX=Bixj、εX=BKX

由實(shí)測資料得

B——水準(zhǔn)移動係數(shù)，峰峰礦區(qū)B=12

14m典型（無因次）曲線計(jì)算公式θ0—開採影響傳播角度

峰峰礦區(qū)典型曲線法預(yù)計(jì)所用的參數(shù)取值地表最大下沉值W0=

mcos

—地表下沉係數(shù)水準(zhǔn)移動和傾斜的比值B取為12

14，(m)各種角度：邊界角

0=58

，

0=58

-0.32

，

0=58

開採影響傳播角θ0=90

-0.6

充分采動角

1=64

-0.55

，

2=55

+0.4

，

3=58

鬆散層移動角

=56

典型（無因次）曲線法評述典型曲線法預(yù)計(jì)時誤差較小比較簡單，且比較符合實(shí)際是

較為可靠的方法之一但必須有大量的實(shí)測資料為基礎(chǔ)不足—局限於某一礦區(qū)矩形或近似矩形的地下開採區(qū)域二、概率積分法數(shù)學(xué)預(yù)計(jì)方法（1）原理認(rèn)為巖體是鬆散介質(zhì)，無群多個開採單元疊加形成地表下沉盆地，單元開採下沉盆地的下沉曲線為正態(tài)分佈密度函數(shù)

（2）正態(tài)分佈密度函數(shù)與概率積分函數(shù)μ為常數(shù)，數(shù)學(xué)期望

0常數(shù)，方差2特點(diǎn)：（1）對稱於X=μ（2）X=μ

時,

（3）x→±∞時，

f(x)為o，x軸為f(x)漸進(jìn)線

f(x)oxμ密度函數(shù)的積分—正態(tài)分佈函數(shù)f(x)oxμF(x)oxμX=μ時，F(xiàn)（x)=1/2（3）單元開採地表下沉盆地整個開採範(fàn)圍分解成無窮多個無限小的開採單元單元開採下沉盆地的下沉曲線為正態(tài)分佈密度函數(shù)

（3）單元開採地表下沉盆地r—主要影響半徑（r=Hctg

）

2.半無限開採開採範(fàn)圍0+x

0的煤層全部采出，x

0的煤層全部保留ox(1)半無限開採單位厚度的煤層後x位置處A點(diǎn)的下沉變數(shù),常量?(2)半無限整層開採後ｘ位置處Ａ點(diǎn)的下沉

當(dāng)采厚為ｍ，由於上覆巖層垮落、碎脹、斷裂和離層，，地表不再能下沉ｍ，只能下沉

ｍ，受煤層傾角的影響，地表的最大下沉量為ｍ

cos

。煤層開採厚度為m，計(jì)算時的采厚只能取ｍ

cos

座標(biāo)為x的任意點(diǎn)A，整層開採引起的地表下沉值W（x）應(yīng)為單位厚度開採引起的該點(diǎn)下沉值Wd（x）的ｍ

cos

倍。令W0=ｍ

cos

s=0令

=-ud=-du這就是半無限開採在x處的下沉值xoxW(x)AX

(3）半無限整層開採後其他指標(biāo)i(x)的推導(dǎo)K(x)推導(dǎo)

00iUB=rBb=)()(xBixU=令22xr0eWBr=-pb—概率積分中的水準(zhǔn)移動係數(shù)U(x)推導(dǎo)

ε(x)推導(dǎo)

（4）半無限開採的地表移動與變形分析下沉i（x）為偶函數(shù)i（x）=i（-x）i(x)K(x)x＜0時，K（x）＞0；x＞0時，K（x）＜0K（x）為奇函數(shù)K（-x）=-K（x）求極值：

一階導(dǎo)數(shù)為零處K(x)求極值令一階導(dǎo)數(shù)為零：求K(x)極值oxK(x)W0

r2+0.4r-0.4r+1.52-1.52W0

r2求K(x)極值U（x）為偶函數(shù)U（x）=U（-x）oxU(x)BW0

rBW0

r0.0432U(x)U(x)

（x）為奇函數(shù)（-x）=-（x）求極值﹕ε(x)令一階導(dǎo)數(shù)為零求ε(x)的極值將x代入：求ε(x)的極值ox

（x）W0

r2+0.4r-0.4r+1.52B-1.52BW0

r2ε(x)ε(x)（5)半無限開採地表移動和變形預(yù)計(jì)公式簡化簡化的半無限開採地表移動和變形預(yù)計(jì)公式x/rW(-x)/W0W(x)/W0i(x)/i0U(x)/U0ε(x)/ε0K(x)/K00.000.50000.50001.00000.00001.000.00630.99370.04320.17860.400.15810.84190.60491.0000校正驗(yàn)查xoxW(x)rr

H上述分析結(jié)果表明，主要的地表移動變形集中在主要影響半徑範(fàn)圍內(nèi)。所以r稱為主要影響半徑。將x=±r的地表點(diǎn)與煤壁相連，其連線與水平線之間的夾角稱為主要影響範(fàn)圍角

：tg=H/r由於tg

不像r那樣隨H變化而變化，便於進(jìn)行不同觀測站實(shí)測參數(shù)的比較，所以一般用tg

作為概率積分法的參數(shù)。

(6)拐點(diǎn)移動距理想條件：下沉曲線的拐點(diǎn)在煤壁與采空區(qū)交界處的正上方實(shí)際條件：由於懸頂，效果相當(dāng)於實(shí)際煤壁平移了s0的一段距離，B點(diǎn)變到B

點(diǎn)s0稱為拐點(diǎn)偏移距預(yù)計(jì)地表移動與變形時，要以假想煤壁B

點(diǎn)作為采空區(qū)的計(jì)算邊界。3有限開採條件下地表移動盆地走向主斷面內(nèi)的移動與變形預(yù)計(jì)開採範(fàn)圍A—B有限長度L有限開採地表x位置處任意點(diǎn)A的下沉有限開採推導(dǎo)兩個半無限開採之差A(yù)B1）第一個半無限開採開採範(fàn)圍A+的全部煤層2）第二個半無限開採開採範(fàn)圍B+的全部煤層oW(x)xLW(x-L)理想條件下A、B之間煤層的有限開採可等效於上述兩個半無限開採之差?？紤]A、B兩點(diǎn)處的拐點(diǎn)移動距，有限開採的計(jì)算開採邊界範(fàn)圍為l=L-2s0，其引起地表下沉的運(yùn)算式為：

W0（x）=W（x）-W（x-l）——有限開採的值oxi(x)i(x-l)-i(x-l)ABloxU(x)U(x-l)-U(x-l)ABlox

(x)

(x-l)-

(x-l)lABU（x）K（x）ε(x)4、傾向主斷面內(nèi)的移動與變形預(yù)計(jì)（

15

）傾向主斷面內(nèi)預(yù)計(jì)特點(diǎn)主要影響半徑不同水準(zhǔn)移動和水準(zhǔn)變形與開採影響傳播角有關(guān)4、傾向主斷面內(nèi)的移動與變形預(yù)計(jì)（

15

）開採影響傳播角：在移動盆地傾向主斷面上，按拐點(diǎn)偏移距求得的計(jì)算開採邊界和地表下沉曲線拐點(diǎn)在地表水平線上的投影點(diǎn)的連線與水平線在下山方向的夾角。最大下沉角：在移動盆地傾向主斷面上，采空區(qū)中點(diǎn)和地表最大下沉點(diǎn)在地表水平線上投影點(diǎn)的連線與水平線在下山方向的夾角。主要影響範(fàn)圍角：將x=±r的地表點(diǎn)與煤壁相連，其連線與水平線之間的夾角稱為主要影響角

。（1）半無限開採傾向主斷面內(nèi)的移動與變形預(yù)計(jì)

W（y)、i(y)、K(y)時，用y/r2或y/r1代替x/r半無限開採傾向主斷面內(nèi)的移動與變形預(yù)計(jì)（2）有限開採傾向主斷面內(nèi)移動與變形預(yù)計(jì)

有限開採傾向主斷面內(nèi)移動與變形預(yù)計(jì)有限開採傾向主斷面內(nèi)移動與變形預(yù)計(jì)三、下沉網(wǎng)格法主要用於不規(guī)則開採區(qū)域條件下，對地表某點(diǎn)的影響1、原理1）近水準(zhǔn)煤層開採後，對地表P點(diǎn)有影響的煤層開採範(fàn)圍是一個圓，圓心在P點(diǎn)正下方，圓的半徑R=Hctg

0PR

0

0oH2）圓內(nèi)每個單元開採對P點(diǎn)均有影響，全部采完後P點(diǎn)達(dá)到最大下沉值，圓外其他單元開採對P點(diǎn)不產(chǎn)生影響，該圓叫影響圓。3）圓內(nèi)各單元對P點(diǎn)的影響程度各不相同，半徑愈小,影響愈劇烈。因而，有影響函數(shù)f（ρ）單元開採引起的P點(diǎn)下沉dW=

mf(ρ)ρdρd

oxy全部開採最大下沉部分開採下沉PR

0

0oH近水準(zhǔn)煤層中的應(yīng)用畫若干同心圓r1=0.2Rr2=0.4Rr3=0.6Rr4=0.8Rr5=1R，r6=1.2R將同心圓分成8等份，每份45

圓分成8

5=40塊分?jǐn)倷?quán):如15

835

8

Qi=35

8

24

8100011

85

840塊全采完，達(dá)到W0近水準(zhǔn)煤層中的應(yīng)用將預(yù)計(jì)點(diǎn)P與O點(diǎn)重合由不規(guī)則開採範(fàn)圍的位置確定權(quán)數(shù)o

Qi=15+35+35+24+11+5=125權(quán)的確定計(jì)算設(shè)影響函數(shù)f（

）為正態(tài)分佈密度函數(shù)

表1-6實(shí)驗(yàn)峰峰局某村莊下採煤圓半徑權(quán)1/6R52/6R303/6R554/6R155/6R106/6R10125*8=1000權(quán)的確定R=Hctg

0

傾斜煤層的應(yīng)用製作傾斜煤層下沉網(wǎng)格1）原理:下沉等影響原理從地表A點(diǎn)做兩條射線AB與AC，

BAC相當(dāng)小時，煤層厚度相同，深度不同、傾角也不同的三層煤分別開採，引起的A點(diǎn)的下沉均相同。ABC四、剖面函數(shù)法剖面函數(shù)是用某些函數(shù)來表示各種開採條件下地表下沉盆地主斷面內(nèi)典型移動和分佈情況，這些函數(shù)是典型曲線的解析表示形式。是基於實(shí)測資料憑經(jīng)驗(yàn)確定的，與典型曲線法相比，剖面函數(shù)便於進(jìn)行數(shù)學(xué)處理和電腦運(yùn)算。年局（礦）建築物開採情況結(jié)果62本溪彩屯礦三層醫(yī)院大樓重複開採（全采）維修加固後仍用64-67撫順廠房水砂充填加固采出厚20m的煤層73-74蛟河礦建築群下條帶成功78資江礦礦俱樂部全采正常使用91沛城礦縣城下抗變形建築條帶地表最大下沉81mm平均60mm83陽泉試驗(yàn)住宅全采加固後正常使用建築物下安全採煤的途徑：井下採取採礦措施，減少地面移動和變形；地面對建築物採取保護(hù)措施，采前通過設(shè)計(jì)、加固，增加抗變形能力，采後維修。第一節(jié)地表移動和變形對建築物的影響一、地表變形和移動對建築物的影響二、建築物損壞等級與允許變形

一、地表變形和移動對建築物的影響移動下沉水準(zhǔn)移動

傾斜曲率水準(zhǔn)變形拉伸壓縮圍巖運(yùn)動變形均勻下沉對建築物本身不會產(chǎn)生破壞影響管線：水管、氣管、電話線、電線水位上升降低了地基的強(qiáng)度，影響建築物的使用下沉水準(zhǔn)移動均勻水準(zhǔn)移動對建築物本身不會產(chǎn)生破壞但影響管線實(shí)際是非均勻的使建築物重心偏移，增加了附加力，影響穩(wěn)定性。危害程度與建築物高度成正比。煙囪、水塔、電桿一般平房影響不大。傾斜平面

曲面，在正負(fù)曲率作用下，應(yīng)力重新分佈平面狀態(tài)：建築物的作用力和地基的反作用力平衡

曲率正曲率建築物頂部開裂負(fù)曲率建築物底部開裂使建築物受拉或受壓拉伸變形危害最大[

拉]

[

壓]幾倍—幾十倍拉伸變形大於1mm/m，磚石結(jié)構(gòu)出現(xiàn)細(xì)小的豎向裂隙。水準(zhǔn)變形拉伸變形壓縮變形壓縮變形較大時，牆壁壓碎，地板鼓起，圍牆褶曲五項(xiàng)指標(biāo)對建築物影響分析水準(zhǔn)變形和曲率對建築物影響最大傾斜對高度大，底面積小的建築物影響大二、建築物的破壞等級及允許變形1、建築物的破壞等級根據(jù)建築物破壞程度對建築物的破壞進(jìn)行分級建築物的破壞程度取決於：地表變形大小本身抵抗變形的能力

磚石結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土層數(shù)、高度、寬高比一定的建築物其抵抗變形的能力是一定的，允許變形也是一定的。實(shí)際變形超過允許變形時，建築物一定程度破壞，超過愈多，建築物破壞愈嚴(yán)重。磚石結(jié)構(gòu)建築物破壞等級磚混結(jié)構(gòu)建築物破壞等級（＜20m)破壞等級傾斜mm/m曲率10-3/m水準(zhǔn)變形mm/m處理方式Ⅰ≤3.0≤0.2≤2.0不修簡修Ⅱ≤6.0≤0.4≤4.0小修Ⅲ≤10.0≤0.6≤6.0中修Ⅳ＞10.0＞0.6＞6.0大修重建下沉盆地主剖面上移動角外邊界i=3mm/m，K=0.2

10-3/m，

=2mm/m2、建築物的保護(hù)等級保護(hù)等級建築物名稱Ⅰ明令保護(hù)的文物，Ⅰ級火車站，發(fā)電廠主廠房，重要堤壩，采動後可能重大生產(chǎn)、傷亡事故的構(gòu)築物，工業(yè)場地等Ⅱ高爐、22萬伏高壓線鐵塔、礦區(qū)總變電所、Ⅱ級火車站、三層以上住宅，辦公樓、醫(yī)院、劇院、學(xué)校、百貸大樓、電視塔，輸水管幹線等ⅢⅢ、Ⅳ級火車站，磚瓦平房，二層樓房，村莊民房，鋼瓦斯管道，高壓線鐵塔等Ⅳ農(nóng)村木結(jié)構(gòu)房屋，簡易倉庫，臨時建築物根據(jù)重要性、用途、破壞後可能的後果1）在緩傾斜和傾斜厚煤層淺部,採用傾斜分層2）急傾斜煤層（淺部）採用分層間歇式採煤法嚴(yán)禁無限制地放煤煤層頂板堅(jiān)硬不易冒落時要人工強(qiáng)制放頂。煤層露頭處應(yīng)保留足夠高度的煤柱3）若建築物位於煤層露頭附近或其下方有淺部煤層或煤層上方覆巖為石灰?guī)r地層，需查明建築物下方是否有老窯、廢巷、巖溶、老井以及他們被充填的程度一、防止地表突然下沉和塌陷,二、既能減少地表下沉又能減少地表變形的井下開採技術(shù)措施

地表移動和變形的各項(xiàng)指標(biāo)均與最大下沉值成正比

1、充填法處理采空區(qū)充填法處理采空區(qū)水砂充填風(fēng)力充填矸石自溜充填水砂充填法,地表最大下沉值僅為采厚的8

15%，專門的充填設(shè)備和設(shè)施，充填材料，噸煤成本中增加充填費(fèi)用水砂充填採煤法1—行人斜井；2—砂倉；3—注砂室；4—斜井；5—地面清水池；6—注砂管；7—流水上山；8—流水道；9—沉澱池；10—排泥罐；11—水倉；12—水泵；13—排泥礦車；14—吸水井；15—排水管；16—運(yùn)砂礦車；17—供水管；18—已充填的采空區(qū)2、條帶採煤法

煤層劃分為若干條帶，各條帶相間開採，采出條帶采出後，由保留條帶支撐上覆巖層重量。條帶採煤法能夠有效地減少地表變形，減少地表下沉量可達(dá)80

90%主要缺點(diǎn)是采出率低，采出率小於50%，巷道掘進(jìn)多，工作面效率低ba大同白洞居民村下徐州韓橋、徐州沛城城下棗莊、撫順阜新平安礦建築物下蛟河礦奶子山鎮(zhèn)下四川南桐隧道下鶴壁九礦工人村下峰峰礦區(qū)條帶+充填

—0.02

0.05條帶+垮落

—0.05

0.15條帶採煤法

通過地面鑽孔向開採後正在離層的巖層縫隙中進(jìn)行高壓注漿，使巖體進(jìn)一步碎裂可減少下沉80年代撫順局老虎臺礦減少下沉56.9

65.2%增加成本3、采空區(qū)離層帶中高壓注漿

離層帶高壓注漿效果

注漿效果撫順老虎臺大屯徐莊兗州東灘漿液占採煤量(%)4.8760.0219.26粉煤灰占採煤量%1.550.951.91減少下沉(%)56.9

65.23554注漿效果開灤唐山新汶華豐南桐東林漿液占採煤量(%)24.59—14粉煤灰占採煤量%1.46—1.32減少下沉(%)8.43.691三、減少地表變形的井下開採技術(shù)措施

能減少地表變形但不能明顯減少地表下沉1、限厚開採（微分層開採）建築物允許的水準(zhǔn)變形為[

]開採後地表最大的水準(zhǔn)拉伸變形為

max

max

[

]一次采出厚度由最大允許水準(zhǔn)變形值

max來決定限厚開採1限厚開採舉例取[

]=1.5mm/mH=500m

=10

b=0.3

=0.8tg

=2則m

1043mm。

實(shí)際中開採上有困難2、消除或減少開採引起的地表變形不利疊加，利用地表變形有利疊加近距離煤層群

厚煤層分層拉伸變形與拉伸變形疊加

拉伸變形與壓縮變形疊加停采線

開採邊界（1）上下分層或上下煤層間歇開採在先采的煤層或分層引起的地表移動穩(wěn)定後再繼續(xù)開採相鄰的分層或煤層

限制了同時開採的采厚

消除上下煤層或分層開採影響相互疊加問題：工作面接替不利於巷道維護(hù)時間長集中生產(chǎn)（2）儘量實(shí)行無煤柱開採，避免在建築物下殘留尺寸不當(dāng)?shù)拿褐A段、水準(zhǔn)、大巷、上下山和區(qū)段煤柱，以及斷層煤柱。LrLr,工程意義上的地表變形不疊加+-

+-L＞4rrab

a

bL=2r時，地表變形疊加，但峰值比原來的最大值略大

a+

b略大於

max+-+-L=2rrab

a

bL=2r+-+-L=0.8r0.4rab

a

b0.4rL=0.8r時,地表變形峰值疊加

a+

b=2

max因此建築物不宜佈置在這類煤柱上L=0.8r2

max

采空區(qū)內(nèi)殘留的煤柱對地表水平變形的影響

煤柱寬度煤柱寬度小於10

15mm壓酥（不會對地表產(chǎn)生不利影響）煤柱寬度大於15

20mm,對地表產(chǎn)生不利影響,建築物應(yīng)避開（3）佈置較長的工作面，使建築物僅受動態(tài)變形超充分采動盆地中央W=W0、i=0，K=0、

=0，U=0+-

+-r使建築物位於盆地中央利用上下煤層或上下分層同時開採所產(chǎn)生的地表拉伸變形與壓縮變形相互抵消,減少開採對地表的影響上下煤層或上下分層協(xié)調(diào)開採同一煤層相鄰工作面協(xié)調(diào)開採（4）工作面協(xié)調(diào)開採Harmonicmining上下工作面協(xié)調(diào)開採+-0.4r1m1

1

2+m20.4r2H1H2l兩層煤錯開的距離l結(jié)果：少受一次拉伸變形當(dāng)上煤層較薄下煤層較厚時，使最大拉伸變形減少。+-0.4r1m1

1

2+m20.4r2H1H2l上下工作面協(xié)調(diào)開採+-0.4r

1

2+0.4rHl建築物僅承受初采工作面最大拉變形和最終工作面的壓縮變形問題：採掘接替和巷道佈置有特定的要求，我國未廣泛應(yīng)用。上下工作面協(xié)調(diào)開採同煤層相鄰工作面協(xié)調(diào)開採鋸齒形工作面臺階形工作面原理：先采的部分為非充分采動，變形量??；讓後采的工作面的拉伸變形與先采工作面的壓縮變形抵消一部分。++-+--臺階形工作面+-+-同煤層相鄰工作面協(xié)調(diào)開採問題：管理困難(5)合理佈置各煤層或上下分層的開採邊界避免建築物位於開採影響邊界避免建築物承受拉伸變形尤其是避免最大拉伸變形，即避開0.4r處。+-0.4r合理佈置各煤層或上下分層的開採邊界停采線位置對建築物的影響

（a）建築物受雙倍拉伸變形；（b）建築物受雙倍壓縮變形；（c）建築物受最大傾斜作用；（d）建築物受最大剪切變形

矩形建築物長軸方向抗變形能力較小短軸方向抗變形能力較大位於區(qū)段內(nèi)時，工作面應(yīng)平行於建築物長軸佈置推進(jìn)方向?yàn)槌浞植蓜?，變形值最大，建築物短軸方向抗變形能力較大。合理確定建築物與開採區(qū)域的相對位置建築物位於區(qū)段外時，工作面應(yīng)垂直建築物長軸方向佈置

0.4r側(cè)邊拉伸變形最大，讓抗變形能力較大的短軸方向垂直於區(qū)段的長軸方向。合理確定建築物與開採區(qū)域的相對位置避免工作面與建築物長軸斜交，承受長期拉變形工作面應(yīng)以主要或大多數(shù)建築物的長軸方向?yàn)闇?zhǔn)來佈置推進(jìn)方向4、對稱背向開採保護(hù)孤立的建築物建築物抗壓縮變形能力大，[

壓]＞[

拉]開切眼位位於建築物正下方，使建築物不承受拉伸變形，而承受疊加後較大的壓縮變形。U=0，W=W0為避免建築物承受較大的壓縮變形，在建築物下方r/2處開切眼，建築物承受少量拉伸變形和少量壓縮變形++++r/2開採邊界處理

原則上建築物應(yīng)避開開採邊界當(dāng)不可避免地位於開採邊界位置處時，邊界要處理上下煤層和上下分層合理邊界位置+-0.4r1m1

1

2+m20.4r2+-一、條帶採煤法的適用條件地面為密集建築群、結(jié)構(gòu)複雜的或紀(jì)念性的建築物；難搬遷的村莊；鐵路橋梁、隧道或鐵路幹線下；水體下的煤層及受巖溶承壓水威脅的上方煤層；地面排水困難。條帶採煤法開採的理想地質(zhì)條件：煤層埋深小於400

500m，單一煤層，厚度比較穩(wěn)定，頂?shù)装鍘r層和煤層較硬二、條帶劃分的類型以條帶面推進(jìn)方向走向條帶搬家少

穩(wěn)定性差

傾斜條帶搬家多穩(wěn)定性好以采空區(qū)處理方法充填條帶減少變形下沉增加穩(wěn)定性垮落條帶ba三、條帶開採的巖層移動和變形特點(diǎn)

工作面礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)斷裂帶高度降低，工作面基本頂來壓現(xiàn)象減弱或消失，對底板破壞減弱，巷道礦壓顯現(xiàn)不明顯

地表移動和變形特點(diǎn)

地表下沉係數(shù)小η隨采出率降低而減小，C在50%左右時，η一般在0.15以下。地表下沉的組成：保留條帶壓入底板保留條帶自身被壓縮保留條帶上方的巖柱被壓縮主要影響角

小，主要影響半徑大r

tg

礦全采條帶蛟河礦1.91.5阜新平安礦2.011.26峰峰一礦

2.01.45

1.57鶴壁九礦

3.21.06

1.22地表移動和變形特點(diǎn)

地表移動和變形特點(diǎn)水準(zhǔn)移動係數(shù)隨采深增加變小b條=(1.29-0.0026H)b全地表移動期短T條

(0.4

0.5)T全采地表多次下沉受相鄰條帶或鄰近煤層條帶開採影響長壁開採無此影響

主控參數(shù)：采出條帶寬度b保留條帶寬度a采出率C四、條帶尺寸設(shè)計(jì)1、采出率C

C一般為40

60%ba正規(guī)條帶採煤法地表下沉係數(shù)與采出率的關(guān)係

采出率（%）堅(jiān)硬覆巖中硬覆巖軟弱覆巖700.14

0.170.21

0.270.27

0.33600.09

0.110.13

0.170.17

0.21500.05

0.060.08

0.100.10

0.12400.026

0.0320.03

0.050.05

0.06300.011

0.0140.016

0.0220.022

0.026地表要避免出現(xiàn)波浪形下沉盆地采寬等於或大於三分之一埋深時，地表就要出現(xiàn)波浪形的下沉盆地。2、采出條帶寬度bb應(yīng)等於或小於（1/10

1/4）H我國已有的采出條帶寬度多在10

50m采出條帶寬度b取決於保留條帶的寬度和采出率

baC=Constant，b

a

當(dāng)采出率恒定時，采出煤柱寬度增加時，保留條帶寬度也增加，煤柱穩(wěn)定性也增加。采出條帶寬度b取決於保留條帶的寬度和采出率3、保留條帶寬度a（1)穩(wěn)定性要求寬高比要求

ah充填條帶垮落條帶（2)強(qiáng)度要求單向受力狀態(tài)的計(jì)算所受的垂直應(yīng)力

≤[

]γHahH[σ]的確定σm—立方體試塊單向抗壓強(qiáng)度，MPaA、B—係數(shù)美國A=0.778,B=0.222南非A=0.64,B=0.36h—保留條帶高度，m；w(a)—保留條帶度度，m。保留條帶的強(qiáng)度隨試樣寬度變化單向應(yīng)力狀態(tài)的強(qiáng)度要求保留條帶能夠承受的極限載荷

A．H．Ｗilson兩區(qū)約束理論假設(shè)周邊是塑性區(qū)，中部是柱核區(qū)，受塑性區(qū)約束，柱核區(qū)處於三向應(yīng)力狀態(tài)，強(qiáng)度有一定程度提高

三向應(yīng)力狀態(tài)的強(qiáng)度要求保留條帶能夠承受的極限載荷柱核區(qū)的強(qiáng)度：

=

0+

3tg

0—單向抗壓強(qiáng)度

3—煤柱上的側(cè)向壓力；tg

—三向應(yīng)力係數(shù)τσσ1σ30σ1+σ322θ

C

=

0+

3tg

當(dāng)

取36

時，tg

4。則

=

0+4

3保留條帶能夠承受的極限載荷設(shè)煤柱穩(wěn)定的極限：柱核區(qū)平均應(yīng)力

達(dá)到4H塑性區(qū)寬度X0

4.92

10-3Hh,m保留條帶塑性區(qū)寬度

b—煤柱周邊的抗壓強(qiáng)度，取0.007MPaK—應(yīng)力集中係數(shù)，取4h—煤層厚度或采高，mH—采深，mP極限=4

H（a-4.92Hh

10-3）X0

4.92

10-3Hh,m保留條帶能夠承受的極限載荷保留條帶應(yīng)滿足①和②①保留條帶中部應(yīng)保證有一個彈性區(qū)存在②能夠承受的極限強(qiáng)度（載荷）要大於實(shí)際承受的載荷a

2Xo+B(m）B(1～2)h保留條帶三向應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度要求保留條帶實(shí)際承受的載荷

實(shí)測：距煤壁0.3H的水準(zhǔn)距離處，上覆巖層的載荷就能完全被采空區(qū)冒落的矸石支撐保留條帶僅承受一部分采出條帶上方的巖層重量,其餘部分由采出條帶采空區(qū)的矸石支撐aaabbH

H0.3H0.3H0.3H保留條帶實(shí)際承受的載荷保留條帶實(shí)際承受的載荷P實(shí)際=(a+0.3H)

H采空區(qū)實(shí)際承受的載荷P實(shí)際=(b-0.3H)

HaabH

H0.3H0.3H保留條帶實(shí)際承受的載荷這意味著采出條帶寬度大於0.6H時，地表將達(dá)到最大下沉值，這是與條帶採煤法開採的目的是相背的。

b0.6H時保留條帶實(shí)際承受的載荷分為三部分aabH

Hb/2b0.6H時保留條帶實(shí)際承受的載荷aabH

Hb/2ob/2

0.3H

?

Hθb0.6H時ob/2

0.3H

?

Hθ保留條帶實(shí)際承受的載荷保留條帶實(shí)際承受的載荷P極限=4

H（a-4.92Hh

10-3）五、條帶開採注意的問題

上行開採順序有利於保留條帶基本不再受重複采動影響。當(dāng)煤層間距較小時上下煤層或上下分層的煤柱要對齊。保留條帶中儘量不開掘巷道或少開掘巷道不得隨意擴(kuò)大采出條帶寬度和縮小保留條帶寬度?；貟裣锏罀裼缅^桿支護(hù)能起到加固保留條帶的作用。第五節(jié)

村莊下採煤

村莊下壓煤量一般占礦井儲量的10

30%村莊民房建築品質(zhì)參差不齊煤礦與房主之間的關(guān)係是公私關(guān)係一、不遷村全采，采後維修和補(bǔ)償二、不遷村條帶開採

不遷村全采，采後維修和補(bǔ)償

理論基礎(chǔ)：臨界安全開採深厚比（采深H與采厚之比）臨界安全開採深度H臨界安全開採深厚比[

]=2mm/m，b=0.3，

=0.8，tg

=2，α=10°H/M=359，M=2m時，臨界安全開採深度為718m；

不遷村長壁垮落開採，采後維修和補(bǔ)償隨著采深度加大，我國棗莊和新汶礦區(qū)在村莊下較早地實(shí)行了不遷村長壁垮落開採。通過對沉陷區(qū)民房損壞調(diào)查後認(rèn)為：當(dāng)

0=4mm/m左右時，沉陷區(qū)內(nèi)80

94%的民房僅產(chǎn)生Ⅰ級損壞，採用采後維修和補(bǔ)償?shù)霓k法比較經(jīng)濟(jì)與實(shí)用。地表最大水平變形與民房損壞率礦區(qū)水準(zhǔn)變形

0（mm/m）Ⅰ級（%）Ⅱ級（%）III級（%）Ⅳ級（%）棗莊6.628.237.924.29.14.579.75.64.610.1新汶3.994.33.91.8

水準(zhǔn)變形小於4mm/m要制定好和損壞等級與之對應(yīng)的賠償標(biāo)準(zhǔn)

保護(hù)煤柱是指專門留在井下不予采出的、旨在保護(hù)其上方巖層內(nèi)部和地表的上述保護(hù)對象不受開採影響的那部分煤炭。留設(shè)保護(hù)煤柱是保護(hù)巖層內(nèi)部和地表建築物、構(gòu)築物免受開採影響的一種比較可靠的方法。缺點(diǎn)：1、有一部份煤炭留在地下暫時或永遠(yuǎn)不能采出，造成大量煤炭資源的損失，縮短礦井生產(chǎn)年限；2、由於留設(shè)保護(hù)煤柱，是採掘工作複雜化和採掘工程量增大，還會導(dǎo)致局部礦壓集中，給礦井生產(chǎn)造成危害。工業(yè)場地建築物和構(gòu)築物，礦井主要通風(fēng)機(jī)房及其風(fēng)道等設(shè)施。國務(wù)院明令保護(hù)的文物、紀(jì)念性建（構(gòu)）築物。採用不搬遷或就地重建採煤在技術(shù)上不可能或經(jīng)濟(jì)上不合理，搬遷又無法實(shí)現(xiàn)或在經(jīng)濟(jì)上嚴(yán)重不合理的建築物或構(gòu)築物。需要留設(shè)保護(hù)煤柱的地面建築物需要留設(shè)保護(hù)煤柱的地面建築物采後重要建築物或構(gòu)築物所在的地表可能產(chǎn)生抽冒、切冒、滑坡等形式的塌陷漏斗坑、突然下沉或滑動崩塌，造成對重要建（構(gòu)）築物地基嚴(yán)重破壞的。建（構(gòu)）築物所在的地表下麵潛水位較高，采後因地表下沉導(dǎo)致建（構(gòu)）築物及其附近地面積水，又不能自流排泄或採用人工排泄方法經(jīng)濟(jì)上不合理的。需要留設(shè)保護(hù)煤柱的地面建築物重要河（湖、海）堤、庫（河）壩、船閘、洩洪閘、泄水隧道和水電站等大型水工建築工程。高速公路、機(jī)場跑道?！督êB物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開採規(guī)程》中華人民共和國國家煤炭工業(yè)局，2000.6保護(hù)煤柱留設(shè)原理在保護(hù)對象的下方留一部分煤炭不開採，使其周圍的煤炭開採對保護(hù)對象不產(chǎn)生危險性的移動和變形。建築物受保護(hù)面積

地面建築物本身的面積建築物周圍增加了圍護(hù)帶後擴(kuò)展的面積增加圍護(hù)帶的目的：抵消留設(shè)保護(hù)煤柱時移動角的誤差抵消井上下位置關(guān)係確定不準(zhǔn)確誤差

建（構(gòu)）築物保護(hù)等級與圍護(hù)帶寬度

建築物保護(hù)等級ⅠⅡIIIⅣ圍護(hù)帶寬度(m)2015105圍護(hù)帶尺寸取決於建築物的重要性和破壞後的後果。工業(yè)廣場煤柱；風(fēng)井煤柱；鐵路煤柱；村莊煤柱。畢業(yè)設(shè)計(jì)為保護(hù)地面建築物需留設(shè)的煤柱保護(hù)煤柱留設(shè)參數(shù)1）移動角巖層（基巖）移動角

、

、

煤層傾角α<50時，

==煤層傾角α>50時,=,

=-0.5α黃土層

=55

鬆散層移動角

風(fēng)化堆積物

=45

富水坡積物或砂層

=35

h

h

采深不同，煤柱留設(shè)寬度不同，采深愈大，煤柱留設(shè)寬度愈大。沖積層愈厚，煤柱留設(shè)寬度愈大2）圍護(hù)帶保護(hù)面積=建築物本身+圍護(hù)帶圍護(hù)帶的：抵消移動角的誤差測量中井上下位置不準(zhǔn)確誤差圍護(hù)帶尺寸取決於建築物的重要性和破壞後的後果。保護(hù)等級ⅠⅡⅢⅣ寬度(m)2015105三、垂直剖面法設(shè)計(jì)保護(hù)煤柱作圖法:沿煤層走向和傾向作剖面，在剖面上由巖層移動角確定煤柱寬度，並投影到平面圖上，得到保護(hù)煤柱邊界。所需資料：移動角煤層底板等高線井田地質(zhì)剖面井上下對照圖結(jié)果為對稱的梯形。注意的問題：梯形上下邊與煤層走向平行。作圖法比較簡單，但增大了煤柱尺寸，煤柱損失較大。垂直剖面法煤柱尺寸的計(jì)算傾向剖面上4、垂線法（計(jì)算法）設(shè)計(jì)保護(hù)煤柱

計(jì)算從保護(hù)邊界所做的垂線長度s=hctg

垂線計(jì)算過a、b、c、d角點(diǎn)，分別作垂直ab、bc、cd和ad直線的垂線，la1和lb，qb和qc1，qc2和qd，la2和ld涉及單獨(dú)線條的保護(hù)對於每條線來說，只有偽傾斜上山方向的移動角

或偽傾斜下山方向的移動角

；埋深變化，垂線長度不同垂線法設(shè)計(jì)保護(hù)煤柱分析

鐵路保護(hù)煤柱留設(shè)以下情況需要留設(shè)鐵路保護(hù)煤柱：1、國家一級、二級鐵路；2、國家三級鐵路：薄及中厚煤層H/M≤60

厚煤層及煤層群H/M≤80；3、工礦專用鐵路：薄及中厚煤層H/M≤40

厚煤層及煤層群H/M≤60；4、鐵路隧道：全長大於20m的鐵路橋，一、二級鐵路線上的一、二級鐵路車站；5、採用其他方法處理，技術(shù)上不可能或經(jīng)濟(jì)上不合理的鐵路及其建築物；6、有嚴(yán)重滑坡危險又難以處理的鐵路線；鐵路保護(hù)煤柱留設(shè)以鐵路保護(hù)煤柱為例推導(dǎo)任意剖面處垂線長度已知條件:鐵路與煤層斜交，交角為θ表土層厚h，移動角

，基巖移動角為

，

和

煤層各點(diǎn)的埋深Hi和真傾角

鐵路路基和其兩側(cè)圍護(hù)帶寬度之和為T鐵路保護(hù)煤柱留設(shè)鐵路直線段保護(hù)煤柱總寬度W=T+2S+l+qS=hctg

鐵路保護(hù)煤柱留設(shè)鐵

路

保

護(hù)

煤

柱

留

設(shè)偽傾斜角

、真傾斜角

和

角的關(guān)係EF=CEtg

，EF=EDtg

′，CE/ED=cos

CEtg

=EDtg

′，tg

=cos

tg

鐵路保護(hù)煤柱留設(shè)鐵路保護(hù)煤柱留設(shè)鐵路直線段保護(hù)柱煤柱總寬度W=T+2S+l+qS=hctg

ctg2

=ctg2

cos2

+ctg2

sin2

ctg2

=ctg2

cos2

+ctg2

sin2

3、偽傾斜基巖移動角和真傾斜基巖移動角的關(guān)係

、

、

—下山、上山和走向移動角

—保護(hù)面積邊界線與煤層走向所夾的銳角，單元開採下沉盆地

下半部分橢圓方程處斜率橢圓切點(diǎn)微分直線的方程還可寫為：xcos

+ysin

=p將x1,y1代入橢圓方程YXbbc··app′oCCKLM(x1,y1)θ(x1,y1)滿足橢圓方程Ctg2

=ctg2

cos2

+ctg2

sin2

Ctg2

=ctg2

cos2

+ctg2

sin2

=0=為下山移動角；=為上山移動角=90，=，=為走向移動角

角的討論

1）在緩傾斜和傾斜厚煤層淺部開採,採用傾斜分層2）急傾斜煤層開採採用分層間歇式採煤法嚴(yán)禁無限制地放煤煤層頂板堅(jiān)硬不易冒落時要人工強(qiáng)制放頂。煤層露頭處應(yīng)保留足夠高度的煤柱3）若建築物位於煤層露頭附近或其下方有淺部煤層或煤層上方覆巖為石灰?guī)r地層，需查明建築物下方是否有老窯、廢巷、巖溶、老井以及他們被充填的程度一、防止地表突然下沉和塌陷,二、既能減少地表下沉又能減少地表變形的井下開採技術(shù)措施

地表移動和變形的各項(xiàng)指標(biāo)均與最大下沉值成正比

1、充填法處理采空區(qū)充填法處理采空區(qū)水砂充填風(fēng)力充填矸石自溜充填水砂充填法,地表最大下沉值僅為采厚的8

15%，專門的充填設(shè)備和設(shè)施，充足的充填材料，噸煤成本中增加充填費(fèi)用水力充填系統(tǒng):材料加工及選運(yùn)系統(tǒng)、貯砂及水砂混合系統(tǒng)、輸砂管路系統(tǒng)和供水及廢水處理系統(tǒng)。1—行人斜井；2—砂倉；3—注砂室；4—斜井；5—地面清水池；6—注砂管；7—流水上山；8—流水道；9—沉澱池；10—排泥罐；11—水倉；12—水泵；13—排泥礦車；14—吸水井；15—排水管；16—運(yùn)砂礦車；17—供水管；18—已充填的采空區(qū)2、條帶採煤法

煤層劃分為若干條帶，各條帶相間開採，采出條帶采出後，由保留條帶支撐上覆巖層重量。條帶採煤法能夠有效地減少地表變形，減少地表下沉量可達(dá)80

90%主要缺點(diǎn)是采出率低，采出率小於50%，巷道掘進(jìn)率高，工作面效率低。ba大同白洞居民村下徐州韓橋、徐州沛城城下棗莊、撫順阜新平安礦建築物下蛟河礦奶子山鎮(zhèn)下四川南桐隧道下鶴壁九礦工人村下峰峰礦區(qū)條帶+充填

—0.02

0.05條帶+垮落

—0.05

0.15條帶採煤法

通過地面鑽孔向開採後已形成離層但還沒有閉合的巖層縫隙中進(jìn)行高壓注漿，可有效減少地表下沉。80年代撫順局老虎臺礦減少下沉56.9

65.2%增加成本3、采空區(qū)離層帶中高壓注漿

離層帶高壓注漿效果

注漿效果撫順老虎臺大屯徐莊兗州東灘漿液占採煤量(%)4.8760.0219.26粉煤灰占採煤量%1.550.951.91減少下沉(%)56.9

65.23554注漿效果開灤唐山新汶華豐南桐東林漿液占採煤量(%)24.59—14粉煤灰占採煤量%1.46—1.32減少下沉(%)8.43.691三、減少地表變形的井下開採技術(shù)措施

能減少地表變形但不能明顯減少地表下沉1、限厚開採（微分層開採）建築物允許的水準(zhǔn)變形為[

]開採後地表最大的水準(zhǔn)拉伸變形為

max

max

[

]一次采出厚度由最大允許水準(zhǔn)變形值

max來決定限厚開採1限厚開採舉例取[

]=1.5mm/mH=500m

=10

b=0.3

=0.8tg

=2則m

1043mm。簡述在村莊下採煤時，采深加大後可以不遷村採用長壁垮落開採的原理。

實(shí)際開採有困難2、消除或減少開採引起的地表變形不利疊加，利用地表變形有利疊加近距離煤層群

厚煤層分層拉伸變形與拉伸變形疊加

拉伸變形與壓縮變形疊加停采線

開採邊界（1）上下分層或上下煤層間歇開採在先采的煤層或分層引起的地表移動穩(wěn)定後再繼續(xù)開採相鄰的分層或煤層

限制了同時開採的采厚

消除上下煤層或分層開採影響相互疊加問題：工作面接替不利於巷道維護(hù)時間長集中生產(chǎn)（2）儘量實(shí)行無煤柱開採，避免在建築物下殘留尺寸不當(dāng)?shù)拿褐A段、水準(zhǔn)、大巷、上下山和區(qū)段煤柱，以及斷層煤柱。LrLr,工程意義上的地表變形不疊加+-

+-L＞4rrab

a

b+-+-L=0.8r0.4rab

a

b0.4rL=0.8r時,地表變形峰值疊加

a+

b=2

max因此建築物不宜佈置在這類煤柱上L=0.8r2

max

（3）佈置較長的工作面，使建築物僅受動態(tài)變形超充分采動盆地中央W=W0、i=0，K=0、

=0，U=0+-

+-r使建築物位於盆地中央利用上下煤層或上下分層同時開採所產(chǎn)生的地表拉伸變形與壓縮變形相互抵消,減少開採對地表的影響上下煤層或上下分層協(xié)調(diào)開採同一煤層相鄰工作面協(xié)調(diào)開採（4）工作面協(xié)調(diào)開採Harmonicmining上下工作面協(xié)調(diào)開採+-0.4r1m1

1

2+m20.4r2H1H2l兩層煤錯開的距離l：結(jié)果：少受一次拉伸變形當(dāng)上煤層較薄下煤層較厚時，使最大拉伸變形減少。+-0.4r1m1

1

2+m20.4r2H1H2l上下工作面協(xié)調(diào)開採同煤層相鄰工作面協(xié)調(diào)開採鋸齒形工作面臺階形工作面原理：先采的部分為非充分采動，變形量?。蛔屷岵傻墓ぷ髅娴睦熳冃闻c先采工作面的壓縮變形抵消一部分。++-+--臺階形工作面+-+-同煤層相鄰工作面協(xié)調(diào)開採問題：管理困難(5)合理佈置各煤層或上下分層的開採邊界避免建築物位於開採影響邊界避免建築物承受拉伸變形尤其是避免最大拉伸變形，即避開0.4r處。+-0.4r合理佈置各煤層或上下分層的開採邊界簡述在建築物下採煤時，兩層煤之間採用協(xié)調(diào)開採的原理。矩形建築物長軸方向抗變形能力較小短軸方向抗變形能力較大位於區(qū)段內(nèi)時，工作面應(yīng)平行於建築物長軸佈置推進(jìn)方向?yàn)槌浞植蓜?，變形值最大，建築物短軸方向抗變形能力較大。合理確定建築物與開採區(qū)域的相對位置建築物位於區(qū)段外時，工作面應(yīng)垂直建築物長軸方向佈置

0.4r側(cè)邊拉伸變形最大，讓抗變形能力較大的短軸方向垂直於區(qū)段的長軸方向。合理確定建築物與開採區(qū)域的相對位置避免工作面與建築物長軸斜交，承受長期拉變形工作面應(yīng)以主要的或大多數(shù)建築物的長軸方向?yàn)闇?zhǔn)來佈置推進(jìn)方向4、對稱背向開採保護(hù)孤立的建築物建築物抗壓縮變形能力大，[

壓]＞[

拉]開切眼位位於建築物正下方，使建築物不承受拉伸變形，而承受疊加後較大的壓縮變形。U=0，W=W0為避免建築物承受較大的壓縮變形，在建築物下方r/2處開切眼，建築物承受少量拉伸變形和少量壓縮變形++++r/2開採邊界處理

原則上建築物應(yīng)避開開採邊界當(dāng)不可避免地位於開採邊界位置處時，邊界要處理上下煤層和上下分層合理邊界位置邊界充填

矸石充填

水砂

粉煤灰連續(xù)型地表移動路基的移動和變形與地表是一致的

非連續(xù)型地表移動地表產(chǎn)生急劇下沉、開裂，甚至突然塌陷采深與采厚之比達(dá)到一定值後，地表移動和變形是連續(xù)型的，在一定的地表下沉速度下，可以通過及時維修來保證行車安全。鐵路下採煤的依據(jù)鐵路下採煤的特點(diǎn)列車重量大，速度快、線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格國家鐵路幹線是國民經(jīng)濟(jì)的動脈，安全上比一般建築物要求高鐵路線路的移動和變形較為複雜線路可以通過維修消除移動和變形

鐵路的分級幹線大動脈、運(yùn)量大、速度快、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求高，車輛密度大、間歇時間短，開採困難。京滬、京山、京廣支線支脈、運(yùn)量小、速度慢、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求低、間歇時間長，較容易開採。徐沛礦區(qū)專用線只為礦區(qū)服務(wù)，多數(shù)僅運(yùn)煤，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)低，容易開採。鐵路等級和保護(hù)等級

保護(hù)等級鐵路等級圍護(hù)帶寬度（m）Ⅰ國家一級20Ⅱ國家二級15Ⅲ國家三級10Ⅳ工礦企業(yè)專用（一、二和三級）5我國鐵路下開採的情況主要在礦區(qū)專用線或支線下開採

峰峰、鶴崗、北票、阜新、平頂山、開灤、棗莊也有一、二和三級鐵路一級

沈丹線（瀋陽彩屯）二級

林（囗）密（山）線（雞西麻山、滴道）三級大張線（準(zhǔn)南、李一）薛棗線、馬磁線

第二節(jié)

地表移動和變形對線路的影響

連續(xù)的、平緩的、漸變的地表下沉和移動是鐵路下安全採煤的先決條件。鐵路下採煤不容許出現(xiàn)非連續(xù)型的、突然的和局部的地表塌陷。

地表移動和變形的影響鐵路線路由鋼軌、軌枕、道床、路基、聯(lián)結(jié)件及道岔等組成道床和路基是柔性的，一般能適應(yīng)地表變形連續(xù)型地表移動和變形對線路的影響傾斜—改變了線路的坡度上坡—增加阻力，使?fàn)恳Σ蛔恪Ｏ缕隆怪苿恿Σ蛔?。橫向傾斜—使列車重心偏移x連續(xù)型地表移動和變形對線路的影響曲率—改變了線路的豎曲線半徑x水準(zhǔn)移動和變形橫向使直線段彎曲，彎曲段半徑增大或縮小縱向使線路拉伸或壓縮連續(xù)型地表移動和變形對線路的影響拉伸使軌縫增大，可能拉斷魚尾板或切斷聯(lián)結(jié)螺栓；壓縮使軌縫縮小或閉合，使鋼軌接頭處或鋼軌產(chǎn)生附加應(yīng)力。

線路的方向與採煤工作面推進(jìn)方向一致線路的方向與採煤工作面推進(jìn)方向一致，橫向水準(zhǔn)移動較小

x線路的方向與採煤工作面推進(jìn)方向正交橫向水準(zhǔn)移動總是指向採煤工作面

線路與採煤工作面推進(jìn)方向斜交

線路將由直線形變?yōu)镾形第三節(jié)鐵路下採煤的技術(shù)一、鐵路下開採的技術(shù)措施1、滿足一定的采深與采厚比（H/M）

長壁垮落法開採鐵路壓煤時采深與采厚比（H/M）的規(guī)定

鐵路等級進(jìn)行開採（H/M）薄及中厚煤層厚煤層或煤層群國鐵一級

國鐵二級

國鐵三級≥60≥80工礦企業(yè)專用線≥40≥60注：對於薄及中厚煤層指單層采厚，對於厚煤層或煤層群指分層采厚。長壁垮落法開採鐵路壓煤時采深與采厚比（H/M）的規(guī)定鐵路等級進(jìn)行試采（H/M）薄及中厚煤層厚煤層或煤層群國鐵一級≥150≥200國鐵二級≥100≥150國鐵三級≥40，＜60≥60，＜80工礦企業(yè)專用線≥20，＜40≥40，＜60注：對於薄及中厚煤層指單層采厚，對於厚煤層或煤層群指分層采厚。

2、防止地表突然下沉或塌陷地面可能突然塌陷的條件淺部的近水準(zhǔn)、緩斜或中傾斜煤層；頂板堅(jiān)硬、煤層露頭附近的急傾斜煤層；淺部有采空區(qū)積水、巖溶和充水裂隙帶空間，礦井深部疏水後。

防止地表突然下沉或塌陷開採淺部的近水準(zhǔn)、緩傾斜和中傾斜厚煤層時，應(yīng)採用分層採煤法，並適當(dāng)減少第一和第二分層開採厚度；開採急傾斜煤層時，在露頭附近，當(dāng)煤層頂板堅(jiān)硬，不易冒落時要採用人工強(qiáng)制放頂，並要留有足夠尺寸的煤柱對於淺部有采空區(qū)積水，或煤層上方覆巖為石灰?guī)r含水層或充水裂隙帶空間時，要防止采動時疏幹淺部積水造成地表突然塌陷。3、減少地表下沉

全部充填法採用條帶採煤法

4、消除和減輕地表變形的疊加影響減少一次采出厚度間隔開採協(xié)調(diào)開採時，因幾個工作面同采，使地表下沉速度增大，對鐵路有危害

5、合理佈置工作面

將開採區(qū)域佈置在鐵路的正下方，使線路處於移動盆地的主斷面上，且工作面推進(jìn)方向與鐵路線路平行，以減少線路的橫向水準(zhǔn)移動和變形

x二、留設(shè)好鐵路煤柱

采深與采厚之比不能滿足要求的鐵路線路或煤層。有嚴(yán)重滑坡危險而又難以處理的鐵路線路。目前條件下採用改道或不留設(shè)煤柱方法處理在技術(shù)上不可能或在經(jīng)濟(jì)上不合理的鐵路線路。一、二級鐵路線上的一、二等鐵路車站。鐵路隧道。全長大於20m的鐵路橋。

開灤林西礦時間湧水量Q（t/min）Qmax（t/min）1906-19072.5192815.5196128-341977.637.391977.7.282301983-199840.5(2430t/h)特大湧水礦井張雙樓礦礦井湧水量963m3/h礦井湧水量示例第一節(jié)

影響水體下安全開採的因素地表水體：積聚在江、海、河、湖、水庫、沼澤、水渠、坑、塘和塌陷區(qū)中的水

地下水體：積聚在巖石和鬆散層空隙中的水

鬆散層水體第四紀(jì)和第三紀(jì)鬆散層中的含水

基巖含水層水體砂巖、礫巖、砂礫巖及石灰?guī)r巖溶含水層水體

采空區(qū)積水孔隙水、裂隙水及巖溶水一、水體的類型隔水層—導(dǎo)水性能很差的巖層導(dǎo)水層含水層隔水性和導(dǎo)水性能取決於顆粒大小和礦物成份（主要取決於粘土的含量）顆粒愈細(xì)，隔水性能愈好

粉土0.005mm

砂0.05～2mm

礫＞2mm二、煤巖的隔水和導(dǎo)水性能

煤巖的隔水和導(dǎo)水性能

隔水性粘土的含量（%）良好

30弱11

30差

10巖層膠結(jié)物開採前開採後矽質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)隔水層(強(qiáng)度大、不易風(fēng)化和泥化)導(dǎo)水層鐵質(zhì)膠結(jié)蒙托石鋁土高嶺土伊利石隔水層(強(qiáng)度小、易風(fēng)化、泥化)受壓後性能恢復(fù)為隔水層煤巖的隔水和導(dǎo)水性能

砂礫含水且導(dǎo)水，導(dǎo)水性能好節(jié)理裂隙含水且導(dǎo)水

斷層、陷落柱導(dǎo)水或不導(dǎo)水垮落帶、裂隙帶導(dǎo)水煤開採前為隔水層，開採後不易風(fēng)化、泥化，是導(dǎo)水層或弱導(dǎo)水層煤巖的隔水和導(dǎo)水性能

三、地表水、地下水湧入開採空間的機(jī)理

充水通道開採使上覆巖層移動和破壞，形成充水通道，使水體滲透或潰入井下。影響程度使礦井的湧水量增加（水體的水量少或補(bǔ)給不足）淹井（充水通道溝通的是地表水、采空區(qū)水、溶洞水或地下暗河等大型水體，井下排水能力難以滿足）水體下開採需要瞭解的問題水體的類型（水源、水量）煤巖的隔水性能、是導(dǎo)水層還是隔水層可能的水力聯(lián)繫四、水體下採煤的理論依據(jù)1、“三帶”理論對於地面水體、鬆散層底部和基巖中的強(qiáng)、中含水層水體、要求保護(hù)的水源等水體，不容許導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р?；對於鬆散層底部的弱含水層水體，允許導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р?；對於厚鬆散層底部為極弱含水層或可以疏幹的含水層，允許導(dǎo)水?dāng)嗔褞нM(jìn)入，同時允許垮落帶波及。

水體下採煤的理論依據(jù)2、隔水層理論水體底面與煤層之間應(yīng)有相應(yīng)厚度的隔水層，才能實(shí)現(xiàn)水體下安全採煤。一定厚度的泥巖和粘土層是水體下安全採煤的良好隔水層。

五、水體下的採煤方式

1、頂水採煤對水體不處理，直接在水體下方採煤，水體與煤層之間保留一定厚度或垂高的安全煤巖柱。頂水採煤適應(yīng)條件：水量大、補(bǔ)給充足、水體距開採煤層較遠(yuǎn)