第四章開采沉陷的基本概念-修改

1、中國礦業(yè)大學(xué)1第四章 開采沉陷的基本概念4.1 4.1 巖體移動和破壞基本概念巖體移動和破壞基本概念4.2 4.2 地下開采引起的地表移動和破壞地下開采引起的地表移動和破壞4.3 4.3 地表移動盆地內(nèi)移動變形分析地表移動盆地內(nèi)移動變形分析4.1 巖體移動和破壞基本概念巖體移動和破壞基本概念n 巖體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)巖體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)n 巖體移動基本概念巖體移動基本概念n 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4.1 4.1 巖體移動概念與特征巖體移動概念與特征一、巖體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)一、巖體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)地球自轉(zhuǎn)地球自轉(zhuǎn) 重力場重力場地殼內(nèi)應(yīng)力分布地殼內(nèi)應(yīng)力分布原巖應(yīng)力場原巖應(yīng)力場1 1、響巖體內(nèi)應(yīng)

2、力的因素：、響巖體內(nèi)應(yīng)力的因素：覆巖的重量覆巖的重量物理力學(xué)性質(zhì)（物理力學(xué)性質(zhì)（E E，強(qiáng)度），強(qiáng)度） 構(gòu)造應(yīng)力、熱應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力、熱應(yīng)力2 2原巖應(yīng)力計(jì)算（蘇聯(lián)金尼克公式）原巖應(yīng)力計(jì)算（蘇聯(lián)金尼克公式）設(shè)想在設(shè)想在H H深處的巖體內(nèi)有一立方體，在開挖前處于原始應(yīng)力平深處的巖體內(nèi)有一立方體，在開挖前處于原始應(yīng)力平衡狀態(tài)：衡狀態(tài)： 式中：式中：h hi i第第i i層巖層的厚度層巖層的厚度 i i第第i i層巖層的容重層巖層的容重 k ki i第第i i層巖層的側(cè)壓系數(shù)，層巖層的側(cè)壓系數(shù)， k=2543k=2543 i i第第i i層巖層的泊松比層巖層的泊松比, ,一般一般i=0.20.3向心力向

3、心力miiizhriiiyxhrk iiik1二、巖體移動基本概念二、巖體移動基本概念（一）巖層移動過程（一）巖層移動過程1 1、巖層移動、巖層移動開采開采巖體應(yīng)力重分布巖體應(yīng)力重分布巖體移動破壞巖體移動破壞地表移動破壞地表移動破壞采空區(qū)附近上方巖體采空區(qū)附近上方巖體開采開采巖體變形巖體變形斷裂、離層斷裂、離層垮落垮落堆積在采空區(qū)上方。堆積在采空區(qū)上方。遠(yuǎn)離采空區(qū)的巖體：開采遠(yuǎn)離采空區(qū)的巖體：開采巖體彎曲變形巖體彎曲變形采礦引起的巖層產(chǎn)生移動和破壞過程稱為采礦引起的巖層產(chǎn)生移動和破壞過程稱為巖層移動。巖層移動。2 2、巖層移動分區(qū)、巖層移動分區(qū)三個(gè)移動特征區(qū)：三個(gè)移動特征區(qū)：充分采動充分采動區(qū)

4、（減壓區(qū)區(qū)（減壓區(qū)CODCOD）；）；、最大最大彎曲區(qū)；彎曲區(qū)；、巖石壓縮區(qū)巖石壓縮區(qū)（支承壓力區(qū)。（支承壓力區(qū)。M3O31NLK242GCDH3300 （1 1）充分采動區(qū)移動特征是：）充分采動區(qū)移動特征是： 1 1）下部巖體破碎成塊狀，）下部巖體破碎成塊狀，上部巖體斷裂、離層、裂隙；上部巖體斷裂、離層、裂隙；2 2）豎向方向受拉、橫向方向受）豎向方向受拉、橫向方向受壓，壓，3 3）層內(nèi)各點(diǎn)的移動向量與煤層法線方向一致，在同一層）層內(nèi)各點(diǎn)的移動向量與煤層法線方向一致，在同一層內(nèi)的移動向量彼此相等；內(nèi)的移動向量彼此相等； 4 4）移動量最大。）移動量最大。 （2 2）巖石壓縮區(qū)（支承壓力區(qū)）特

5、征：沿層面方向受拉、）巖石壓縮區(qū)（支承壓力區(qū)）特征：沿層面方向受拉、層面法線方向受壓。層面法線方向受壓。 （3 3）最大彎曲區(qū)（）最大彎曲區(qū)（、）特征：）特征：1 1）在此范圍內(nèi)巖層向）在此范圍內(nèi)巖層向下彎曲的程度（曲率）最大。下彎曲的程度（曲率）最大。2 2）在層內(nèi)產(chǎn)生沿層面方向的拉）在層內(nèi)產(chǎn)生沿層面方向的拉伸變形和壓縮變形。伸變形和壓縮變形。（二）巖層移動的形式（二）巖層移動的形式（1 1）彎曲彎曲采空區(qū)周圍采空區(qū)周圍巖體向采空區(qū)產(chǎn)生位移，不產(chǎn)生脫落巖體向采空區(qū)產(chǎn)生位移，不產(chǎn)生脫落特點(diǎn)：出現(xiàn)裂隙或斷裂，但保持層狀形式特點(diǎn)：出現(xiàn)裂隙或斷裂，但保持層狀形式（2 2）巖層的垮落（或稱冒落）巖層的

6、垮落（或稱冒落）巖體部分巖體部分脫落，向下移動脫落，向下移動特點(diǎn)：不再保持層狀性。巖體體積增大。特點(diǎn)：不再保持層狀性。巖體體積增大。（3 3）煤的擠出煤的擠出（又稱片幫）（又稱片幫）采空區(qū)邊界礦層在支承壓力作用采空區(qū)邊界礦層在支承壓力作用下，一部分被壓碎擠向采空區(qū)，這種現(xiàn)象稱為片幫。下，一部分被壓碎擠向采空區(qū)，這種現(xiàn)象稱為片幫。（4 4）巖石沿層面的滑移巖石沿層面的滑移在開采傾斜礦層時(shí)，巖石在自重力的在開采傾斜礦層時(shí)，巖石在自重力的作用下，除產(chǎn)生沿層面法線方向的彎曲外，還會產(chǎn)生沿層面方作用下，除產(chǎn)生沿層面法線方向的彎曲外，還會產(chǎn)生沿層面方向的移動。向的移動。特點(diǎn)：巖層沿層面向下滑動，層間有錯(cuò)動

7、。特點(diǎn)：巖層沿層面向下滑動，層間有錯(cuò)動。，滑動越明顯，滑動越明顯（5 5）垮落巖石的下滑垮落巖石的下滑（或滾動）（或滾動）特點(diǎn)：上山垮落巖石充填下山采空區(qū)，因而上山移動增加，下特點(diǎn)：上山垮落巖石充填下山采空區(qū)，因而上山移動增加，下山移動減小。山移動減小。（6 6）底板巖層的隆起底板巖層的隆起當(dāng)?shù)装鍘r層較軟時(shí)，在礦層采出后，底當(dāng)?shù)装鍘r層較軟時(shí)，在礦層采出后，底板在垂直方向減壓，水平方向受壓，導(dǎo)致底板向采空區(qū)方向隆板在垂直方向減壓，水平方向受壓，導(dǎo)致底板向采空區(qū)方向隆起。起。沖積層的移動形式是垂直彎曲，不受礦層傾角的影響。在水平?jīng)_積層的移動形式是垂直彎曲，不受礦層傾角的影響。在水平礦層條件下，沖積

8、層和基巖的移動形式是一致的。礦層條件下，沖積層和基巖的移動形式是一致的。應(yīng)該指出，以上六種移動形式不一定同時(shí)出現(xiàn)在某一個(gè)具體的應(yīng)該指出，以上六種移動形式不一定同時(shí)出現(xiàn)在某一個(gè)具體的移動過程中。移動過程中。（三）巖層移動的典型圖式（三）巖層移動的典型圖式1 1、第一種圖式、第一種圖式巖體只產(chǎn)生彎曲下沉，不產(chǎn)生沿層面的剪切滑移（充填開采、條巖體只產(chǎn)生彎曲下沉，不產(chǎn)生沿層面的剪切滑移（充填開采、條帶開采）帶開采）條件：條件：（不一定成立）（不一定成立）巖層中最軟弱面上的內(nèi)摩擦角巖層中最軟弱面上的內(nèi)摩擦角2 2、第二種圖式、第二種圖式法向彎曲、伴有層面的剪切滑移法向彎曲、伴有層面的剪切滑移條件：條件：

9、3 3、第三種圖式、第三種圖式急傾斜煤層開采條件下，在煤層的底板巖層內(nèi)將產(chǎn)生移動急傾斜煤層開采條件下，在煤層的底板巖層內(nèi)將產(chǎn)生移動條件：條件：4545+/2+/2巖石的內(nèi)摩擦角巖石的內(nèi)摩擦角對于沉積巖：對于沉積巖：=26=263636，=58=586363下盤上部沿層面移動，下盤下部沿下盤上部沿層面移動，下盤下部沿4545-/2-/2移動移動3 3、第四種圖式、第四種圖式開采急傾斜煤層時(shí)，位于移動盆地內(nèi)的上盤以懸臂梁彎曲形式移開采急傾斜煤層時(shí)，位于移動盆地內(nèi)的上盤以懸臂梁彎曲形式移動，巖層沿層面錯(cuò)動，在露頭處形成臺階狀盆地。動，巖層沿層面錯(cuò)動，在露頭處形成臺階狀盆地。三、巖層開采影響帶三、巖層

10、開采影響帶水體下采礦中，按破壞程度不同將上覆巖層劃分為三帶：水體下采礦中，按破壞程度不同將上覆巖層劃分為三帶：1 1）垮落帶）垮落帶；2 2）斷裂帶）斷裂帶；3 3）彎曲帶）彎曲帶；將底板以下巖體也分為三帶：將底板以下巖體也分為三帶：1 1）底板采動破壞帶）底板采動破壞帶1 1；2 2）底板阻）底板阻水帶水帶2 2；3 3）底板承壓水導(dǎo)升帶）底板承壓水導(dǎo)升帶3 3 1 1、冒落帶（垮落帶）、冒落帶（垮落帶）垮落帶是指由采礦引起的上覆巖層垮落帶是指由采礦引起的上覆巖層破裂并向采空區(qū)垮落的巖層范圍。破裂并向采空區(qū)垮落的巖層范圍?？迓鋷?nèi)巖層破壞特點(diǎn)是：垮落帶內(nèi)巖層破壞特點(diǎn)是： （1 1）分帶性）分

11、帶性 （2 2）碎脹性，碎脹系數(shù)值恒大于）碎脹性，碎脹系數(shù)值恒大于1 1，一般在，一般在1.51.51.801.80之間。之間。 （3 3）可壓縮性）可壓縮性 （4 4）垮落帶高度主要取決于采出厚度、上覆巖層的碎脹系）垮落帶高度主要取決于采出厚度、上覆巖層的碎脹系數(shù)、巖性等，通常為采出厚度的數(shù)、巖性等，通常為采出厚度的3 35 5倍。薄煤層開采時(shí)垮落倍。薄煤層開采時(shí)垮落高度較小，一般為采出厚度的高度較小，一般為采出厚度的1.71.7倍左右。頂板巖石堅(jiān)硬時(shí)，倍左右。頂板巖石堅(jiān)硬時(shí)，垮落帶高度為采出厚度的垮落帶高度為采出厚度的5 56 6倍；頂板軟弱時(shí)，垮落帶高度倍；頂板軟弱時(shí)，垮落帶高度為采出厚

12、度的為采出厚度的2 24 4倍。實(shí)踐中可用下式近似估算垮落帶高度：倍。實(shí)踐中可用下式近似估算垮落帶高度：式中式中 h h垮落帶高度；垮落帶高度； m m采出礦層厚度；采出礦層厚度； K K巖石碎脹系數(shù)；巖石碎脹系數(shù)； 礦層傾角。礦層傾角。（5 5）形態(tài)，隨傾角不同而變化）形態(tài)，隨傾角不同而變化（6 6）導(dǎo)水、導(dǎo)砂）導(dǎo)水、導(dǎo)砂 2 2、斷裂帶（裂縫帶）、斷裂帶（裂縫帶）在采空區(qū)上覆巖層中產(chǎn)生裂縫、離層及斷裂，但仍保持層狀結(jié)構(gòu)在采空區(qū)上覆巖層中產(chǎn)生裂縫、離層及斷裂，但仍保持層狀結(jié)構(gòu)的那部分巖層稱為裂縫帶。的那部分巖層稱為裂縫帶。特征：（特征：（1 1）巖體內(nèi)裂隙多，但仍保持層狀結(jié)構(gòu)，）巖體內(nèi)裂隙多

13、，但仍保持層狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)水不導(dǎo)砂導(dǎo)水不導(dǎo)砂。（2 2）裂隙帶高度與巖性密切相關(guān)：硬，高，軟，低）裂隙帶高度與巖性密切相關(guān)：硬，高，軟，低冒落帶冒落帶+ +裂縫帶裂縫帶= =冒落裂縫帶（導(dǎo)水裂隙帶）冒落裂縫帶（導(dǎo)水裂隙帶） 軟弱巖石：軟弱巖石：9 912m12m（m m為開采厚度）；中硬巖石：為開采厚度）；中硬巖石：121218m18m；堅(jiān)硬巖石：堅(jiān)硬巖石：181828m28m。cos) 1( kmh3 3、彎曲帶、彎曲帶彎曲帶指的是裂縫帶之上直至地表的整個(gè)巖系。彎曲帶指的是裂縫帶之上直至地表的整個(gè)巖系。特點(diǎn)：特點(diǎn)：1 1）保持整體性和層狀結(jié)構(gòu)，不導(dǎo)水、不導(dǎo)砂；）保持整體性和層狀結(jié)構(gòu)，不導(dǎo)水、不導(dǎo)

14、砂；2 2）移動過程連續(xù)而有規(guī)律，不存在或極少存在離層裂縫。）移動過程連續(xù)而有規(guī)律，不存在或極少存在離層裂縫。3 3）在豎直面內(nèi)，各部分的移動值相差很小。）在豎直面內(nèi)，各部分的移動值相差很小。4 4）H H彎彎H H裂裂（當(dāng)（當(dāng)H H大時(shí)）大時(shí)）三者的關(guān)系：三者的關(guān)系：從采空區(qū)往上：冒落帶從采空區(qū)往上：冒落帶裂縫帶裂縫帶彎曲帶彎曲帶H H小，小，m m大時(shí)，可能只有冒落帶和裂縫帶大時(shí)，可能只有冒落帶和裂縫帶充填開采時(shí)，無冒落帶或斷裂帶，只有彎曲帶充填開采時(shí)，無冒落帶或斷裂帶，只有彎曲帶 4 4、底板采動導(dǎo)水破壞帶、底板采動導(dǎo)水破壞帶 礦層底板巖層受采動影響而產(chǎn)生的采動導(dǎo)水裂隙的范圍，其礦層底板

15、巖層受采動影響而產(chǎn)生的采動導(dǎo)水裂隙的范圍，其深度為從礦層底板至采動破壞帶最深處的法線距離。該帶的厚度深度為從礦層底板至采動破壞帶最深處的法線距離。該帶的厚度即為即為“底板導(dǎo)水破壞帶深度底板導(dǎo)水破壞帶深度”。 底板導(dǎo)水破壞帶主要與回采工作面尺寸、開采方法和頂板管底板導(dǎo)水破壞帶主要與回采工作面尺寸、開采方法和頂板管理方法，煤層厚度及傾角、巖體結(jié)構(gòu)有關(guān)。理方法，煤層厚度及傾角、巖體結(jié)構(gòu)有關(guān)。 5 5、底板阻水帶、底板阻水帶 礦層底板采動破壞帶以下，底部含水體或底板承壓導(dǎo)升帶以礦層底板采動破壞帶以下，底部含水體或底板承壓導(dǎo)升帶以上的隔水層在底部含水體水壓力的作用下不發(fā)生破壞的最小厚度，上的隔水層在底部

16、含水體水壓力的作用下不發(fā)生破壞的最小厚度，也稱為保護(hù)層帶和完整巖層帶。也稱為保護(hù)層帶和完整巖層帶。 6 6、底板承壓水導(dǎo)升帶、底板承壓水導(dǎo)升帶 底板承壓水導(dǎo)升帶為礦層底板承壓含水層的水在水壓力和礦底板承壓水導(dǎo)升帶為礦層底板承壓含水層的水在水壓力和礦壓作用下上升到頂板巖層中的范圍。壓作用下上升到頂板巖層中的范圍。3241段段段 支承壓力區(qū)，支承壓力區(qū)，壓力減小區(qū)，壓力減小區(qū)，壓力恢復(fù)區(qū)壓力恢復(fù)區(qū)1 1底板采動破壞帶；底板采動破壞帶；2 2底板阻水帶；底板阻水帶；3 3底板承壓水導(dǎo)升帶底板承壓水導(dǎo)升帶4.2 地下開采引起的地表移動和破壞地下開采引起的地表移動和破壞n 地表移動的基本形式地表移動的基

17、本形式n 地表移動盆地的形成及特征地表移動盆地的形成及特征4.2 4.2 地下開采引起的地表移動和破壞地下開采引起的地表移動和破壞一、地表移動的基本形式一、地表移動的基本形式H H、采煤方法、頂板管理方法、巖性及巖層產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造、采煤方法、頂板管理方法、巖性及巖層產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造地表移動形式不同地表移動形式不同分為兩種形式：（分為兩種形式：（1 1）連續(xù)的；）連續(xù)的；（2 2）非連續(xù)的（裂縫、臺階、塌陷漏斗等）非連續(xù)的（裂縫、臺階、塌陷漏斗等）1 1、地表移動盆地地表移動盆地開采影響到達(dá)地表后，使地表原有標(biāo)高下降，在采空區(qū)上方形開采影響到達(dá)地表后，使地表原有標(biāo)高下降，在采空區(qū)上方形成一個(gè)比采空

18、區(qū)大得多的沉陷區(qū)域，這種地表沉陷區(qū)叫成一個(gè)比采空區(qū)大得多的沉陷區(qū)域，這種地表沉陷區(qū)叫特點(diǎn)：特點(diǎn)：1 1）范圍大于采空區(qū)范圍）范圍大于采空區(qū)范圍2 2）水平或近水平煤層：橢圓；）水平或近水平煤層：橢圓；傾斜煤層：偏向下山方向，非對稱橢圓傾斜煤層：偏向下山方向，非對稱橢圓主要影響因素：主要影響因素：1 1）傾角）傾角 2 2）采空區(qū)形狀、大?。┎煽諈^(qū)形狀、大小2 2、地表裂縫、地表裂縫1 1）出現(xiàn)條件：地表拉伸變形）出現(xiàn)條件：地表拉伸變形2 23mm/m3mm/m時(shí)，出現(xiàn)裂縫時(shí)，出現(xiàn)裂縫2 2）形狀：楔形，上口大，愈往深處越?。┬螤睿盒ㄐ危峡诖?，愈往深處越小3 3）位置和方向：工作面推進(jìn)過程中，

19、工作）位置和方向：工作面推進(jìn)過程中，工作面前方可能產(chǎn)生裂縫，工作面推過后閉合面前方可能產(chǎn)生裂縫，工作面推過后閉合在煤柱上方形成環(huán)狀裂縫在煤柱上方形成環(huán)狀裂縫方向：平行于工作面邊界發(fā)展方向：平行于工作面邊界發(fā)展4 4）深度：一般）深度：一般2 23m3m，最大，最大10m10m，基巖出露可達(dá)幾十米，基巖出露可達(dá)幾十米3 3、臺階狀塌陷盆地、臺階狀塌陷盆地開采急傾斜煤層，當(dāng)開采急傾斜煤層，當(dāng)H/mH/m太小時(shí)，冒落裂縫帶直達(dá)地表（太小時(shí)，冒落裂縫帶直達(dá)地表（H H裂裂=9=92828倍采厚），地表可能出現(xiàn)臺階狀塌陷盆地，如淮南九倍采厚），地表可能出現(xiàn)臺階狀塌陷盆地，如淮南九龍崗、大通兩礦，采深龍崗

20、、大通兩礦，采深800800900m900m，開采煤層，開采煤層1010多個(gè)多個(gè)臺階一般出現(xiàn)在盆地的邊緣或斷層露頭處，臺階數(shù)、落差大臺階一般出現(xiàn)在盆地的邊緣或斷層露頭處，臺階數(shù)、落差大小與地表采礦條件有關(guān)小與地表采礦條件有關(guān)底板比頂板的臺階落差大、邊坡陡、臺階數(shù)少底板比頂板的臺階落差大、邊坡陡、臺階數(shù)少出現(xiàn)條件：出現(xiàn)條件：1 1）急傾斜開采）急傾斜開采 2 2）斷層）斷層 3 3）淺部或重復(fù)開采）淺部或重復(fù)開采4 4、塌陷坑、塌陷坑（1 1）漏斗狀塌陷坑）漏斗狀塌陷坑1 1）形式：漏斗式、井式、壇式）形式：漏斗式、井式、壇式其形式取決于松散層的巖性和厚度其形式取決于松散層的巖性和厚度2 2）出

21、現(xiàn)條件：）出現(xiàn)條件：a a、急傾斜煤層淺部開采，煤層露頭處、急傾斜煤層淺部開采，煤層露頭處b b、淺部開采厚度大的煤層，采用房柱式、淺部開采厚度大的煤層，采用房柱式或水力采煤時(shí)，由于開采厚度不均勻，或水力采煤時(shí)，由于開采厚度不均勻，導(dǎo)致覆巖破壞高度不同，使地表產(chǎn)生漏導(dǎo)致覆巖破壞高度不同，使地表產(chǎn)生漏斗狀塌陷坑。斗狀塌陷坑?；茨现x二礦淮南謝二礦1962196219631963采用水力采煤法采用水力采煤法開采淺部煤層，在地表出現(xiàn)漏斗狀塌陷開采淺部煤層，在地表出現(xiàn)漏斗狀塌陷坑；坑； C C、在含水砂層下采煤時(shí)，開灤唐家莊礦采用水力采煤法，、在含水砂層下采煤時(shí)，開灤唐家莊礦采用水力采煤法，開采厚度開采

22、厚度3.13.13.5m3.5m厚煤層，設(shè)計(jì)開采上邊界距松散層垂高厚煤層，設(shè)計(jì)開采上邊界距松散層垂高18m18m，由于超限開采，水砂潰入井下，使地面出現(xiàn)直徑，由于超限開采，水砂潰入井下，使地面出現(xiàn)直徑30m30m，深度深度111113m13m的塌陷坑。的塌陷坑。D D、開采影響老窯、溶洞等、開采影響老窯、溶洞等湖南恩口煤礦湖南恩口煤礦61006100豐城礦務(wù)局豐城礦務(wù)局202202湖南斗笠山礦湖南斗笠山礦220220廣西西灣煤礦廣西西灣煤礦118118湖南煤炭壩礦湖南煤炭壩礦500500（2 2）槽形塌陷坑）槽形塌陷坑急傾斜煤層條件下，開采厚及特厚煤層形成連續(xù)的塌陷坑而急傾斜煤層條件下，開采厚

23、及特厚煤層形成連續(xù)的塌陷坑而形成塌陷槽形成塌陷槽 二、地表移動盆地的形成及特征二、地表移動盆地的形成及特征（一）地表移動盆地的形成（一）地表移動盆地的形成（1 1）地下開采）地下開采巖層冒落、斷裂、巖層冒落、斷裂、彎曲、離層彎曲、離層地表移動盆地地表移動盆地（2 2）工作面開采）工作面開采( (寬度寬度=1/2=1/21/4H1/4H0 0)地表開始移動（下沉地表開始移動（下沉10mm10mm）（工作面（工作面）移動量和范圍）移動量和范圍（工作面（工作面）地表下沉達(dá)到該）地表下沉達(dá)到該地質(zhì)采礦條件下最大值（充分采動）地質(zhì)采礦條件下最大值（充分采動）（工作面（工作面）最大下沉值）最大下沉值不變，

24、盆地范圍不變，盆地范圍（工作面停止）移動量和范圍（工作面停止）移動量和范圍（二）幾個(gè)概念（二）幾個(gè)概念下沉下沉地表移動向量的垂直分量稱為下沉，用地表移動向量的垂直分量稱為下沉，用w w表示表示水平移動水平移動地表移動向量的水平分量稱為水平移動，用地表移動向量的水平分量稱為水平移動，用u u表表示示地表充分采動地表充分采動（Critical MiningCritical Mining）使地表下沉值達(dá)到該使地表下沉值達(dá)到該地質(zhì)采礦技術(shù)條件下應(yīng)有的最大值的采空區(qū)面積為臨界開采，地質(zhì)采礦技術(shù)條件下應(yīng)有的最大值的采空區(qū)面積為臨界開采，此時(shí)的地表采動影響稱為充分采動此時(shí)的地表采動影響稱為充分采動地表非充分

25、采動（地表非充分采動（Subcritical MiningSubcritical Mining）采空區(qū)面積未達(dá)采空區(qū)面積未達(dá)到臨界開采面積時(shí)的地表采動影響稱為非充分采動。到臨界開采面積時(shí)的地表采動影響稱為非充分采動。超充分采動（超充分采動（Supercritical MiningSupercritical Mining）地表最大下沉值不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)，又稱超臨界開隨采區(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)形成的地表移動盆地為超充分采動下沉盆地采。此時(shí)形成的地表移動盆地為超充分采動下沉盆地（Supercritical Subsiden

26、ce BasinSupercritical Subsidence Basin），盆地中央出現(xiàn)平底，），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。平底區(qū)域點(diǎn)的下沉值均達(dá)到最大下沉值。（三）地表移動盆地的特征（三）地表移動盆地的特征特征：移動范圍大于采空區(qū)范圍；形狀與傾角有關(guān)特征：移動范圍大于采空區(qū)范圍；形狀與傾角有關(guān)1 1、移動盆地的分區(qū)、移動盆地的分區(qū)1 1）中間區(qū)）中間區(qū) 2 2）內(nèi)邊緣區(qū)（壓縮區(qū)）內(nèi)邊緣區(qū)（壓縮區(qū)） 3 3）外邊緣區(qū)（拉伸）外邊緣區(qū)（拉伸）（1 1）中間區(qū)特點(diǎn)：下沉均勻、下沉值最大，各處下沉近于相同，）中間區(qū)特點(diǎn)：下沉均勻、下沉值最大，各處下沉近于相同，變形值為

27、零，一般無裂縫變形值為零，一般無裂縫（2 2）內(nèi)邊緣區(qū)：地表下沉不等，地面向盆地中心方向傾斜，呈）內(nèi)邊緣區(qū)：地表下沉不等，地面向盆地中心方向傾斜，呈凹形，產(chǎn)生壓縮變形，一般不出現(xiàn)裂縫凹形，產(chǎn)生壓縮變形，一般不出現(xiàn)裂縫（3 3）外邊緣區(qū)：地表下沉不）外邊緣區(qū)：地表下沉不等，地面向盆地中心方向傾斜，等，地面向盆地中心方向傾斜，呈凸形，產(chǎn)生拉伸變形，當(dāng)拉呈凸形，產(chǎn)生拉伸變形，當(dāng)拉伸變形超過一定值后，地面出伸變形超過一定值后，地面出現(xiàn)裂縫現(xiàn)裂縫拐點(diǎn)拐點(diǎn)內(nèi)外邊緣區(qū)的分界點(diǎn)內(nèi)外邊緣區(qū)的分界點(diǎn)稱為，或下沉曲線的凹凸變稱為，或下沉曲線的凹凸變化點(diǎn)叫化點(diǎn)叫2 2、水平煤層充分采動時(shí)，地表移動盆地的特征：、水平煤

28、層充分采動時(shí)，地表移動盆地的特征：（1 1）移動盆地位于采空區(qū)上方，以采空區(qū)中央對稱）移動盆地位于采空區(qū)上方，以采空區(qū)中央對稱（2 2）移動盆地的之平底位于采空區(qū)中央上方）移動盆地的之平底位于采空區(qū)中央上方（3 3）拐點(diǎn)位于開采邊界正上方或偏向采空區(qū)一側(cè)一段距離）拐點(diǎn)位于開采邊界正上方或偏向采空區(qū)一側(cè)一段距離3 3、水平煤層非充分采動時(shí)，地表移動盆地的特征：、水平煤層非充分采動時(shí)，地表移動盆地的特征：與充分采動區(qū)不同點(diǎn)：與充分采動區(qū)不同點(diǎn)：（1 1）移動盆地沒有形成平底，而只有一點(diǎn)取得最大值，且不）移動盆地沒有形成平底，而只有一點(diǎn)取得最大值，且不是該地質(zhì)采礦技術(shù)條件下的最大值是該地質(zhì)采礦技術(shù)條

29、件下的最大值（2 2）最大下沉點(diǎn)位于采空區(qū)中央）最大下沉點(diǎn)位于采空區(qū)中央充分采動充分采動 非充分采動非充分采動W01020W03 030BB采 空 區(qū)ABBaabbAAA4 4、傾斜煤層非充分采動時(shí)，地表移動盆地的特征：、傾斜煤層非充分采動時(shí)，地表移動盆地的特征：與水平煤層非充分采動相比的不同點(diǎn)與水平煤層非充分采動相比的不同點(diǎn)（1 1）移動盆地不與采空區(qū)中央對稱，工作面上山方向盆）移動盆地不與采空區(qū)中央對稱，工作面上山方向盆地比下山方向陡，開采影響范圍小，整個(gè)盆地偏向下山方地比下山方向陡，開采影響范圍小，整個(gè)盆地偏向下山方向向（2 2）最大下沉點(diǎn)偏向下山方向）最大下沉點(diǎn)偏向下山方向（3 3）移

30、動盆地在走向方向上對稱于傾斜中心線）移動盆地在走向方向上對稱于傾斜中心線0BB012W0O3030W0AAABB采空區(qū)A（4 4）上山方向盆地拐點(diǎn)偏向采）上山方向盆地拐點(diǎn)偏向采空區(qū)內(nèi)側(cè)，下山方向盆地拐點(diǎn)偏空區(qū)內(nèi)側(cè)，下山方向盆地拐點(diǎn)偏向采空區(qū)外側(cè)向采空區(qū)外側(cè)傾斜煤層充分采動與非充分采動傾斜煤層充分采動與非充分采動比較：比較：（1 1）地表移動變形達(dá)到最大值）地表移動變形達(dá)到最大值 （2 2）拐點(diǎn)處下沉為最大下沉的）拐點(diǎn)處下沉為最大下沉的一半一半5 5、開采急傾斜煤層時(shí)，地表移動盆地的特征：、開采急傾斜煤層時(shí)，地表移動盆地的特征：（1 1）地表移動盆地非對稱性增加）地表移動盆地非對稱性增加（2 2

31、）最大下沉值偏向下山方向）最大下沉值偏向下山方向（3 3）地表最大水平移動可能大于最大下沉）地表最大水平移動可能大于最大下沉采空區(qū)AB（四）地表移動盆地的（四）地表移動盆地的主斷面主斷面通過地表移動盆地通過地表移動盆地最大下沉點(diǎn)最大下沉點(diǎn)所作的所作的沿煤層走向和傾向的沿煤層走向和傾向的垂直斷面垂直斷面稱為稱為地表移動盆地主斷面地表移動盆地主斷面，走向：走向主斷面，走向：走向主斷面，傾向：傾向主斷面傾向：傾向主斷面非充分采動：只有一個(gè)主斷面，超充分采動有無數(shù)個(gè)主斷非充分采動：只有一個(gè)主斷面，超充分采動有無數(shù)個(gè)主斷面面00時(shí)，主斷面過采空區(qū)中央，時(shí)，主斷面過采空區(qū)中央，0 0時(shí)，傾斜主斷面過采空區(qū)

32、中央，時(shí)，傾斜主斷面過采空區(qū)中央， 走向主斷面偏向下走向主斷面偏向下山方向山方向AB:AB:走向主斷面走向主斷面 CD:CD:傾向主斷面傾向主斷面特征：特征：（1 1）在主斷面上地表移動盆地的范圍最大；）在主斷面上地表移動盆地的范圍最大；（2 2）在主斷面上地表移動量最大；）在主斷面上地表移動量最大；（3 3）在主斷面上，不存在垂直于主斷面方向的水平移動）在主斷面上，不存在垂直于主斷面方向的水平移動充分采動角充分采動角在在充分采動充分采動條件下，地表移動盆地條件下，地表移動盆地主斷面主斷面上，上，移動盆地移動盆地平底的邊緣平底的邊緣（在地表水平線上的投影點(diǎn)）和同側(cè)采空（在地表水平線上的投影點(diǎn)）

33、和同側(cè)采空區(qū)邊界的連線與煤層在采空區(qū)一側(cè)的夾角稱為充分采動角。走區(qū)邊界的連線與煤層在采空區(qū)一側(cè)的夾角稱為充分采動角。走向向3 3、下山、下山1 1、上山、上山2 2。W01020W03 030BB采 空 區(qū)ABBaabbAAA最大下沉角最大下沉角在在傾斜主斷面傾斜主斷面上，上，最大下沉點(diǎn)最大下沉點(diǎn)（或（或盆地平底中心盆地平底中心點(diǎn)點(diǎn)）同回采工作面幾何中心連線與）同回采工作面幾何中心連線與水平線在下山方向水平線在下山方向的夾角稱的夾角稱為，用為，用表示表示注意：當(dāng)松散層厚度注意：當(dāng)松散層厚度h0.1Hh0.1H時(shí)，先將最大下沉點(diǎn)垂直投影到基巖時(shí)，先將最大下沉點(diǎn)垂直投影到基巖面上，然后再與采空區(qū)中

34、央連線面上，然后再與采空區(qū)中央連線影響傳播角影響傳播角在在充分采動或接近充分采動條件下充分采動或接近充分采動條件下，傾斜主斷面傾斜主斷面上開采邊界（上開采邊界（考慮了拐點(diǎn)偏移距考慮了拐點(diǎn)偏移距后）和后）和下沉曲線拐點(diǎn)下沉曲線拐點(diǎn)的連線與水的連線與水平線之間在下山方向的夾角稱為，用平線之間在下山方向的夾角稱為，用表示表示現(xiàn)場實(shí)測表明，最大下沉角現(xiàn)場實(shí)測表明，最大下沉角與覆巖巖性和礦層傾角與覆巖巖性和礦層傾角有關(guān)，有關(guān)，規(guī)程規(guī)程給出了給出了50500 0時(shí)，時(shí)，的經(jīng)驗(yàn)公式的經(jīng)驗(yàn)公式：)6 . 05 . 0(90)7 . 06 . 0(90)8 . 07 . 0(90000軟弱覆層中硬覆層堅(jiān)硬覆巖L

35、00L/2dABWfmH0o（a）4.3地表移動盆地內(nèi)移動變形分析地表移動盆地內(nèi)移動變形分析n點(diǎn)的移動分析點(diǎn)的移動分析n主斷面內(nèi)地表移動與變形分析主斷面內(nèi)地表移動與變形分析n地表移動變形對建筑物的影響地表移動變形對建筑物的影響n地表移動盆地邊界的確定地表移動盆地邊界的確定4.3 4.3 地表移動盆地內(nèi)移動變形分析地表移動盆地內(nèi)移動變形分析一、點(diǎn)的移動分析一、點(diǎn)的移動分析1 1）點(diǎn)的移動向量大小、方向隨工作面推進(jìn)而變化，推進(jìn)結(jié)束后）點(diǎn)的移動向量大小、方向隨工作面推進(jìn)而變化，推進(jìn)結(jié)束后均指向采空區(qū)中央均指向采空區(qū)中央2 2）移動穩(wěn)定后點(diǎn)的移動向量是三維空間向量）移動穩(wěn)定后點(diǎn)的移動向量是三維空間向量

36、二、主斷面內(nèi)地表移動與變形分析二、主斷面內(nèi)地表移動與變形分析1 1、主斷面內(nèi)點(diǎn)的移動特點(diǎn)、主斷面內(nèi)點(diǎn)的移動特點(diǎn)）各點(diǎn)移動向量不等、方向不同）各點(diǎn)移動向量不等、方向不同）移動向量最終指向采空區(qū)中央（不含推進(jìn)過程中），若只研）移動向量最終指向采空區(qū)中央（不含推進(jìn)過程中），若只研究最終移動可看成一條直線究最終移動可看成一條直線2 2、移動變形計(jì)算、移動變形計(jì)算 1 1）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，以本次與首次觀測點(diǎn)的標(biāo)高表示，以本次與首次觀測點(diǎn)的標(biāo)高差表示，即差表示，即 wn=Hn0-Hnm式中，式中，wn地表點(diǎn)的下沉，地表點(diǎn)的下沉，mm； Hn0、Hnm表示

37、地表表示地表n點(diǎn)首點(diǎn)首次和次和m次觀測時(shí)的高程，次觀測時(shí)的高程，mm。 “+”表示測點(diǎn)下沉，表示測點(diǎn)下沉，“-”表表示測點(diǎn)上升。示測點(diǎn)上升。2 2）水平移動）水平移動 地表下沉盆地中某點(diǎn)沿某一水平方向的位移叫水平移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，用動，用u u表示。即表示。即u un n=L=Lnmnm-L-Ln0n0式中式中 u un n地表地表n n點(diǎn)的水平移動，點(diǎn)的水平移動，mmmm； L Ln0n0、L Lnmnm分別表示分別表示首次首次和和m m次觀測時(shí)地表次觀測時(shí)地表n n點(diǎn)到觀測線點(diǎn)到觀測線控制點(diǎn)控制點(diǎn)R R間的水平距離，間的水平距離，mmmm。符號規(guī)定：在傾斜

38、斷面上，指向上山為符號規(guī)定：在傾斜斷面上，指向上山為“+ +”，下山為，下山為“- -”；在走向斷面上，指向走向?yàn)樵谧呦驍嗝嫔希赶蜃呦驗(yàn)椤? +”，逆向走向?yàn)?，逆向走向?yàn)椤? -”。3 3）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其水平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，它反映了地表移動盆地沿某一方向的坡度，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； nmnmmnmnnmlwlwwil lm-nm-n地表地表m

39、m、n n點(diǎn)間的水平距離（點(diǎn)間的水平距離（首次觀測首次觀測），），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。傾斜實(shí)際是兩點(diǎn)間的平均斜率。傾斜實(shí)際是兩點(diǎn)間的平均斜率。傾斜的正負(fù)號規(guī)定為：與水平移動相同。傾斜的正負(fù)號規(guī)定為：與水平移動相同。4 4）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)間的水平距離的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，它反映了觀測線斷面上的彎曲程度。由下式計(jì)算比值，它反映了觀測線斷面上的彎曲程度。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-

40、nm-n和和n-pn-p點(diǎn)間的平均斜率，點(diǎn)間的平均斜率，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)間的點(diǎn)間的初始水平距離初始水平距離，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。 符號規(guī)定：符號規(guī)定：“+ +”上凸，上凸，“- -”下凹。下凹。為了使用方便，曲率變形有時(shí)以曲率半徑為了使用方便，曲率變形有時(shí)以曲率半徑R R表示，即：表示，即： )(21pnnmnmpnpnmlliikkR15 5）水平變形）水平變形 地表水平變形是指相鄰兩點(diǎn)的水平移動差

41、與兩點(diǎn)間水平地表水平變形是指相鄰兩點(diǎn)的水平移動差與兩點(diǎn)間水平距離的比值，通常用距離的比值，通常用表示。由下式計(jì)算表示。由下式計(jì)算 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，點(diǎn)的水平移動，mmmm； l lm-nm-n分別為分別為m m、n n點(diǎn)的點(diǎn)的初始水平距離初始水平距離，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。 符號規(guī)定：符號規(guī)定：“+ +”拉伸，拉伸，“- -”壓縮。壓縮。對于扭曲和剪切變形，由于用得較少，本書不介紹對于扭曲和剪切變形，由于用得較少，本書不介紹三、地表移動變形對建筑物的影響三、地表移動變形對建

42、筑物的影響1 1、下沉、下沉地下潛水位低時(shí)，均勻下沉對建筑物無影響地下潛水位低時(shí)，均勻下沉對建筑物無影響地下潛水位高時(shí)，對建筑物有影響地下潛水位高時(shí)，對建筑物有影響nmmnnmmnnmluluu2 2、傾斜、傾斜（1 1）對高而底面積小的建筑物影響大）對高而底面積小的建筑物影響大建筑物內(nèi)應(yīng)力重分布建筑物內(nèi)應(yīng)力重分布建筑物破壞、倒塌建筑物破壞、倒塌（2 2）使排水系統(tǒng)坡度變化）使排水系統(tǒng)坡度變化（3 3）使公路、鐵路坡度變化）使公路、鐵路坡度變化3 3、曲率、曲率正曲率：頂部開裂，裂縫上寬下窄，倒八字裂縫正曲率：頂部開裂，裂縫上寬下窄，倒八字裂縫負(fù)曲率：底部開裂，裂縫下寬上窄，正八字裂縫和水平裂縫負(fù)曲率：底部開裂，裂縫下寬上窄，正八字裂縫和水平裂縫4 4、地表水平變形、地表水平變形使建筑物基礎(chǔ)受拉或受壓使建筑物基礎(chǔ)受拉或受壓5 5、建筑物臨界變形值、建筑物臨界變形值對建筑物有影響的變形主要有：傾斜、曲