第二章開采沉陷基本概念

1、中國(guó)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(dòng)地下開采引起的巖層移動(dòng) u 地下開采引起的地表移動(dòng)和變形地下開采引起的地表移動(dòng)和變形u 地表移動(dòng)和變形的描述地表移動(dòng)和變形的描述指標(biāo)指標(biāo)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(dòng)地下開采引起的巖層移動(dòng) 巖層移動(dòng)的概念和特征巖層移動(dòng)的概念和特征 巖層移動(dòng)的形式巖層移動(dòng)的形式 移動(dòng)穩(wěn)定后巖層內(nèi)的三帶移動(dòng)穩(wěn)定后巖層內(nèi)的三帶中國(guó)礦業(yè)大學(xué) GUOGL65126.COM3巖層移動(dòng)：巖層移動(dòng)：局部礦體被采出后，巖體內(nèi)部形成一個(gè)局部礦體被采出后，巖體內(nèi)部形成一個(gè)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(dòng)變形和破壞，直至達(dá)到重分布，從而使巖體產(chǎn)生移動(dòng)變形和破壞，直至達(dá)到新的平衡。新的平衡。 巖層移動(dòng)的概念和特征巖層移動(dòng)的概念和特征巖層移動(dòng)示意圖acdbb1a1d1c1移動(dòng)特征區(qū)：移動(dòng)特征區(qū)：充分采動(dòng)區(qū)（減壓區(qū)）；充分采動(dòng)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(dòng)特征區(qū)示意圖中國(guó)礦業(yè)大學(xué) GUOGL65126.COM5巖層移動(dòng)的形式巖層移動(dòng)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(dòng)）垮落巖石的下滑（或滾動(dòng)） 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(dòng)形式：開采空間周圍巖層的移動(dòng)形式：中國(guó)礦業(yè)大學(xué) GUOGL65126.COM6移動(dòng)穩(wěn)定后采動(dòng)巖層內(nèi)的三帶移動(dòng)穩(wěn)定后采動(dòng)巖層內(nèi)的三帶移動(dòng)穩(wěn)定后上覆巖層按破壞程度，可分為三個(gè)不同移動(dòng)穩(wěn)定后上覆巖層按破壞程度，可分為三個(gè)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(dòng)分布示意圖-垮落帶；-裂縫帶；-彎曲帶 地表移動(dòng)的主要形式地表移動(dòng)的主要形式 地表移動(dòng)盆地的形成地表移動(dòng)盆地的形成 地表移動(dòng)盆地的采動(dòng)程度地表移動(dòng)盆地的采動(dòng)程度

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

5、從而在采空區(qū)上方地表形成一個(gè)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(gè)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(dòng)盆地，或下沉盆地。區(qū)域稱為地表移動(dòng)盆地，或下沉盆地。地表移動(dòng)盆地形成過(guò)程示意圖10地表裂縫及臺(tái)階：地表裂縫及臺(tái)階：在一定條件下，地表移動(dòng)盆地在一定條件下，地表移動(dòng)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(wú)第四系松散層及其厚度、性質(zhì)和變形值大小有與有無(wú)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(yán)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(yán)重的非連續(xù)性破壞，往往也會(huì)出現(xiàn)漏斗狀塌陷坑。往也會(huì)出現(xiàn)漏斗狀塌陷坑。采動(dòng)引起的塌陷坑采動(dòng)引起的塌陷坑中國(guó)礦業(yè)大學(xué) GUOGL65126.COM12地表移動(dòng)盆地：地表移動(dòng)盆地：當(dāng)開采工作面自開切眼開始向前推進(jìn)當(dāng)開采工作面自開切眼開始向前推進(jìn)的距離約為的距離約為1/41/41/2Ho1/2Ho時(shí)，開采影響即波及到地表，引時(shí)，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(jìn)，影響范圍不斷起地表下沉。隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，影響范圍不斷擴(kuò)大，在地表形成一個(gè)比開采范圍大得多的下沉盆地。擴(kuò)大，在地表形成一個(gè)比開采范圍大得多的下沉盆地。 地表

7、移動(dòng)盆地的形成地表移動(dòng)盆地的形成 動(dòng)態(tài)移動(dòng)盆地：動(dòng)態(tài)移動(dòng)盆地：在工作面推進(jìn)過(guò)程中形成，如在工作面推進(jìn)過(guò)程中形成，如W W1 1、W W2 2、W W3 3和和W W4 4 靜態(tài)移動(dòng)盆地：靜態(tài)移動(dòng)盆地：地表移動(dòng)穩(wěn)定后最終的移動(dòng)盆地，如地表移動(dòng)穩(wěn)定后最終的移動(dòng)盆地，如W W5 5地表移動(dòng)盆地形成過(guò)程充分采動(dòng)充分采動(dòng)（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(shí)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(shí)形成的地表移動(dòng)盆地稱為地表移動(dòng)盆地稱為充分采動(dòng)下沉盆地充分采動(dòng)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(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)的下沉值達(dá)到的下沉值達(dá)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(dòng)盆地的采動(dòng)程度地表移動(dòng)盆地的采動(dòng)程度充分采動(dòng)地表移動(dòng)盆地 A、B地表移動(dòng)盆的的邊緣O地表移動(dòng)盆地的最大下沉點(diǎn)W0地表移動(dòng)盆地最大下沉值0走邊界角3走向充分采動(dòng)角 非充分采動(dòng)非充分采動(dòng)（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(shí)形成的地表移動(dòng)盆

9、地稱為時(shí)形成的地表移動(dòng)盆地稱為非充分采動(dòng)下沉盆地非充分采動(dòng)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(diǎn)的下沉值均點(diǎn)的下沉值均未達(dá)到未達(dá)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(dòng)地表移動(dòng)盆地 超充分采動(dòng)超充分采動(dòng)（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(shí)形成的地表移動(dòng)盆地為超充分采動(dòng)下稱超臨界開采。此時(shí)形成的地表移動(dòng)盆地為超充分采動(dòng)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(diǎn)的下沉值均達(dá)到最大下沉值。出現(xiàn)平底，平底區(qū)域點(diǎn)的下沉值均達(dá)到最大下沉值。超充分采動(dòng)地表移動(dòng)盆地中國(guó)礦業(yè)大學(xué) GUOGL65126.COM20 充分采動(dòng)角充分采動(dòng)角（以（以表示表示 ）：在充分采動(dòng)條件下）：在充分采動(dòng)條件下，地表移動(dòng)盆地的主斷面上，移動(dòng)盆地平底邊緣（在，

11、地表移動(dòng)盆地的主斷面上，移動(dòng)盆地平底邊緣（在地表水平線上的投影點(diǎn)）和同側(cè)采空區(qū)邊界連線與煤地表水平線上的投影點(diǎn)）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(dòng)地表移動(dòng)盆地超充分采動(dòng)地表移動(dòng)盆地 地表移動(dòng)盆地的主斷面地表移動(dòng)盆地的主斷面主斷面：主斷面：通過(guò)地表移通過(guò)地表移動(dòng)盆地最大下沉點(diǎn)沿煤層動(dòng)盆地最大下沉點(diǎn)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(dòng)程度有關(guān)。主斷面?zhèn)€數(shù)與采動(dòng)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(dòng)盆地的范圍最大；主斷面上地表移動(dòng)盆地的范圍最大； 主斷面上地表移動(dòng)

12、最充分，移動(dòng)變形量最大；主斷面上地表移動(dòng)最充分，移動(dòng)變形量最大； 主斷面上的點(diǎn)，通常不產(chǎn)生垂直于主斷面方主斷面上的點(diǎn)，通常不產(chǎn)生垂直于主斷面方向的水平移動(dòng)。向的水平移動(dòng)。 主斷面的位置主斷面的位置：與：與采動(dòng)程度采動(dòng)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(shí)，地表移動(dòng)盆地主開采時(shí)，地表移動(dòng)盆地主斷面上，采空區(qū)中點(diǎn)和地?cái)嗝嫔希煽諈^(qū)中點(diǎn)和地表最大下沉點(diǎn)在地表投影表最大下沉點(diǎn)在地表投影點(diǎn)（在非充分采動(dòng)條件下）點(diǎn)（在非充分采動(dòng)條件下）或覆巖充分采動(dòng)區(qū)界線延或覆巖充分采動(dòng)區(qū)界線延長(zhǎng)線交點(diǎn)（充分采動(dòng)條件長(zhǎng)線交點(diǎn)（充分采動(dòng)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(dòng)盆地的中間區(qū)域移動(dòng)盆地的中間區(qū)域（中性區(qū)域）；（中性區(qū)域）； 移動(dòng)盆地的內(nèi)邊緣區(qū)移動(dòng)盆地的內(nèi)邊緣區(qū)（壓縮區(qū)域）；（壓縮區(qū)域）； 移動(dòng)盆地的外邊緣區(qū)移動(dòng)盆地的外邊緣區(qū)（拉伸區(qū)域）。（拉伸區(qū)域）。 地表移動(dòng)盆地特征地表移動(dòng)盆地特征地表移動(dòng)盆地的三個(gè)區(qū)域25 水平煤層充分開采水平煤層充分開采地表移動(dòng)地表移動(dòng) 盆地盆地特征：特征： 地表移動(dòng)盆地位于采空區(qū)的地表移動(dòng)盆地位于采空區(qū)的正上方；正上方； 地表移動(dòng)盆地的形狀與采空地表移動(dòng)盆地的形狀與采空區(qū)對(duì)稱；區(qū)對(duì)稱； 移動(dòng)盆地內(nèi)外邊緣區(qū)的分界移動(dòng)盆地內(nèi)外邊

14、緣區(qū)的分界點(diǎn)，大致位于采空區(qū)邊界的點(diǎn)，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(dòng)地表移動(dòng)盆地示意圖26 傾斜煤層非充分采動(dòng)傾斜煤層非充分采動(dòng)地表移動(dòng)地表移動(dòng)盆地盆地特征：特征：傾斜方向上，移動(dòng)盆地的最大傾斜方向上，移動(dòng)盆地的最大下沉點(diǎn)偏向采空區(qū)的下山方向；下沉點(diǎn)偏向采空區(qū)的下山方向；盆地與采空區(qū)的相對(duì)位置，在盆地與采空區(qū)的相對(duì)位置，在走向方向上對(duì)稱于傾斜中心線；走向方向上對(duì)稱于傾斜中心線；而在傾斜方向上不對(duì)稱；而在傾斜方向上不對(duì)稱；盆地的上山方向較陡，移動(dòng)范盆地的上山方向較陡，移動(dòng)范圍??；下山方向較平緩，移動(dòng)圍?。幌律椒较?/p>

15、較平緩，移動(dòng)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(dòng)盆地地表移動(dòng)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(dòng)盆地表移動(dòng)盆地地特征特征: :整個(gè)移動(dòng)盆地明顯偏向下山整個(gè)移動(dòng)盆地明顯偏向下山方向。方向。下沉點(diǎn)不出現(xiàn)在采空區(qū)中心下沉點(diǎn)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(dòng)值可能大于最最大水平移動(dòng)值可能大于最大下沉值，不出現(xiàn)充分采動(dòng)大下沉值，不出現(xiàn)充分采動(dòng)情況。情況。 采空區(qū)AB急傾斜煤層開采地表移動(dòng)盆地示意圖2.3 地表移動(dòng)和變形的描述指標(biāo)地表移動(dòng)和變形的描

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

17、表點(diǎn)的下沉，mmmm； H Hn0n0、H Hnmnm表示地表表示地表n n點(diǎn)首次和點(diǎn)首次和m m次觀測(cè)時(shí)的次觀測(cè)時(shí)的高程，高程，mmmm。正值表示測(cè)點(diǎn)下沉正值表示測(cè)點(diǎn)下沉，負(fù)值表示測(cè)點(diǎn)上升負(fù)值表示測(cè)點(diǎn)上升，它反映了一個(gè)測(cè)點(diǎn)不同時(shí)間在垂直方向的變化量。它反映了一個(gè)測(cè)點(diǎn)不同時(shí)間在垂直方向的變化量。 水平移動(dòng)：水平移動(dòng)：地表下沉盆地中某點(diǎn)沿某一水平方向的位地表下沉盆地中某點(diǎn)沿某一水平方向的位移叫水平移動(dòng)，用移叫水平移動(dòng)，用U U表示。以本次與首次測(cè)得的從該表示。以本次與首次測(cè)得的從該點(diǎn)至控制點(diǎn)水平距離差表示，即點(diǎn)至控制點(diǎn)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(diǎn)的水平移動(dòng)，點(diǎn)的水平移動(dòng)，mmmm； L Ln0n0、L Lnmnm分別表示首次和分別表示首次和m m次觀測(cè)時(shí)地表次觀測(cè)時(shí)地表n n點(diǎn)到觀點(diǎn)到觀測(cè)線控制點(diǎn)測(cè)線控制點(diǎn)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(diǎn)在豎直方向的下沉差與地表傾斜是指相鄰兩點(diǎn)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(dòng)盆地沿某一方其水平距離的比值，它反映了地表移動(dòng)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(diǎn)的平均傾斜變形，兩點(diǎn)的平均傾斜變形，mm/mmm/m； l lm-nm-n

19、地表地表m m、n n點(diǎn)間的水平距離，點(diǎn)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(diǎn)的下沉值，點(diǎn)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(diǎn)間地表曲率是兩相鄰線段的傾斜差與兩線段中點(diǎn)間的水平距離的比值，由下式計(jì)算：的水平距離的比值，由下式計(jì)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(diǎn)間的平均斜點(diǎn)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(diǎn)間的水平

20、距點(diǎn)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(diǎn)的水平移動(dòng)差與兩點(diǎn)間水平距離相鄰兩點(diǎn)的水平移動(dòng)差與兩點(diǎn)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(diǎn)的水平移動(dòng)，點(diǎn)的水平移動(dòng)，mmmm； l lm-nm-n分別為分別為m m、n n點(diǎn)的水平距離，點(diǎn)的水平距離，m m； m-nm-n為為m m、n n點(diǎn)的水平變形，點(diǎn)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(fù)正值表示拉伸，負(fù)值表示壓縮變形。值表示壓縮變形。 nmmnnmmnnmluluu2.4 地表移動(dòng)盆地范圍及確定方法地表移動(dòng)盆地范圍及確定方法 移動(dòng)盆地邊界的劃分移動(dòng)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(guó)礦業(yè)大學(xué) GUOGL65126.COM35移動(dòng)盆地邊界劃分移動(dòng)盆地邊界劃分 最外邊界：最外邊界：以地表移動(dòng)變形以地表移動(dòng)變形為零的盆地邊界點(diǎn)所圈定的為零的盆地邊界點(diǎn)所圈定的邊界。邊界。 危險(xiǎn)移動(dòng)邊界：危險(xiǎn)移動(dòng)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(dòng)盆地內(nèi)根據(jù)移動(dòng)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