第6-1章矿山开采沉陷规律及观测站设计

1、1第6章 矿山开采沉陷规律及观测站设计6.1 6.1 地下开采引起的地下开采引起的岩层移动特征岩层移动特征6.2 6.2 地下开采引起的地表移动特征地下开采引起的地表移动特征6.3 6.3 地表移动盆地内移动变形分析地表移动盆地内移动变形分析6.4 6.4 矿山开采沉陷观测站设计矿山开采沉陷观测站设计6.5 6.5 地表沉陷的一般规律地表沉陷的一般规律6.6 6.6 开采沉陷的主要影响因素开采沉陷的主要影响因素6.1 地下开采引起的岩层移动特征地下开采引起的岩层移动特征n 岩体内的应力状态岩体内的应力状态n 岩层移动基本概念岩层移动基本概念n 岩层移动影响带岩层移动影响带一、岩体内的应力状态一

2、、岩体内的应力状态地球自转地球自转 重力场重力场地壳内应力分布地壳内应力分布原岩应力场原岩应力场1 1、响岩体内应力的因素：、响岩体内应力的因素：覆岩的重量覆岩的重量物理力学性质（物理力学性质（E E，强度），强度） 构造应力、热应力构造应力、热应力2 2原岩应力计算（苏联金尼克公式）原岩应力计算（苏联金尼克公式）设想在设想在H H深处的岩体内有一立方体，在开挖前处于原始应力平深处的岩体内有一立方体，在开挖前处于原始应力平衡状态：衡状态： 式中：式中：h hi i第第i i层岩层的厚度层岩层的厚度 i i第第i i层岩层的容重层岩层的容重 k ki i第第i i层岩层的侧压系数，层岩层的侧压系

3、数， k=2543k=2543 i i第第i i层岩层的泊松比层岩层的泊松比, ,一般一般i=0.20.3向心力向心力miiizhriiiyxhrk iiik1二、岩层移动的基本概念二、岩层移动的基本概念（一）岩层移动过程（一）岩层移动过程1 1、岩层移动、岩层移动开采开采岩体应力重分布岩体应力重分布岩体移动破岩体移动破坏坏地表移动破坏地表移动破坏采空区附近上方岩体采空区附近上方岩体开采开采岩体变形岩体变形断裂、离层断裂、离层垮落垮落堆积在采空区上方。堆积在采空区上方。远离采空区的岩体：开采远离采空区的岩体：开采岩体弯曲岩体弯曲变形变形采矿引起的岩层产生移动和破坏过程采矿引起的岩层产生移动和破

4、坏过程称为称为岩层移动。岩层移动。2 2、岩层移动分区、岩层移动分区三个移动特征区：三个移动特征区：充分采动区充分采动区（减压区（减压区CODCOD）；）；、最大弯曲最大弯曲区；区；、岩石压缩区（支承压岩石压缩区（支承压力区。力区。 （1 1）充分采动区移动特征是：）充分采动区移动特征是： 1 1）下部岩体破碎成块状，）下部岩体破碎成块状，上部岩体断裂、离层、裂隙；上部岩体断裂、离层、裂隙；2 2）竖向方向受拉、横向方向受）竖向方向受拉、横向方向受压，压，3 3）层内各点的移动向量与煤层法线方向一致，在同一层）层内各点的移动向量与煤层法线方向一致，在同一层内的移动向量彼此相等；内的移动向量彼此

5、相等； 4 4）移动量最大。）移动量最大。 （2 2）岩石压缩区（支承压力区）特征：沿层面方向受拉、）岩石压缩区（支承压力区）特征：沿层面方向受拉、层面法线方向受压。层面法线方向受压。 （3 3）最大弯曲区（）最大弯曲区（、）特征：）特征：1 1）在此范围内岩层向）在此范围内岩层向下弯曲的程度（曲率）最大。下弯曲的程度（曲率）最大。2 2）在层内产生沿层面方向的拉）在层内产生沿层面方向的拉伸变形和压缩变形。伸变形和压缩变形。（二）岩层移动的形式（二）岩层移动的形式（1 1）弯曲弯曲岩体整体向下移动，不产生脱落岩体整体向下移动，不产生脱落特点：出现裂隙或断裂，但保持层状形式特点：出现裂隙或断裂，

6、但保持层状形式（2 2）岩层的垮落（或称冒落）岩层的垮落（或称冒落）岩体部分岩体部分脱落，向下移动脱落，向下移动特点：不再保持其原有的层状性。岩体体积特点：不再保持其原有的层状性。岩体体积增大。增大。（3 3）煤的挤出煤的挤出（又称片帮）（又称片帮）采空区边界矿层在支承压力作用采空区边界矿层在支承压力作用下，一部分被压碎挤向采空区，这种现象称为片帮。下，一部分被压碎挤向采空区，这种现象称为片帮。（4 4）岩石沿层面的滑移岩石沿层面的滑移在开采倾斜矿层时，岩石在自重力的在开采倾斜矿层时，岩石在自重力的作用下，除产生沿层面法线方向的弯曲外，还会产生沿层面方作用下，除产生沿层面法线方向的弯曲外，还会

7、产生沿层面方向的移动。向的移动。特点：岩层沿层面向下滑动，层间有错动。特点：岩层沿层面向下滑动，层间有错动。，滑动越明显，滑动越明显（5 5）垮落岩石的下滑垮落岩石的下滑（或滚动）（或滚动）特点：上山垮落岩石充填下山采空区，因而上山移动增加，下特点：上山垮落岩石充填下山采空区，因而上山移动增加，下山移动减小。山移动减小。（6 6）底板岩层的隆起底板岩层的隆起当底板岩层较软时，在矿层采出后，底当底板岩层较软时，在矿层采出后，底板在垂直方向减压，水平方向受压，导致底板向采空区方向隆板在垂直方向减压，水平方向受压，导致底板向采空区方向隆起。起。冲积层的移动形式是垂直弯曲，不受矿层倾角的影响。在水平冲

8、积层的移动形式是垂直弯曲，不受矿层倾角的影响。在水平矿层条件下，冲积层和基岩的移动形式是一致的。矿层条件下，冲积层和基岩的移动形式是一致的。应该指出，应该指出，以上六种移动形式不一定同时出现在某一个具体的以上六种移动形式不一定同时出现在某一个具体的移动过程中。移动过程中。（三）岩层移动的典型图式（三）岩层移动的典型图式1 1、第一种图式、第一种图式岩体只产生弯曲下沉，不产生沿层面的剪切滑移（充填开采、条岩体只产生弯曲下沉，不产生沿层面的剪切滑移（充填开采、条带开采）带开采）条件：条件：（不一定成立）（不一定成立）岩层中最软弱面上的内摩擦角岩层中最软弱面上的内摩擦角2 2、第二种图式、第二种图式

9、法向弯曲、伴有层面的剪切滑移法向弯曲、伴有层面的剪切滑移条件：条件：3 3、第三种图式、第三种图式急倾斜煤层开采条件下，在煤层的底板岩层内将产生移动急倾斜煤层开采条件下，在煤层的底板岩层内将产生移动条件：条件：4545+/2+/2岩石的内摩擦角岩石的内摩擦角对于沉积岩：对于沉积岩：=26=263636，=58=586363下盘上部沿层面移动，下盘下部沿下盘上部沿层面移动，下盘下部沿4545-/2-/2移动移动3 3、第四种图式、第四种图式开采急倾斜煤层时，位于移动盆地内的上盘以悬臂梁弯曲形式移开采急倾斜煤层时，位于移动盆地内的上盘以悬臂梁弯曲形式移动，岩层沿层面错动，在露头处形成台阶状盆地。动

10、，岩层沿层面错动，在露头处形成台阶状盆地。三、岩层移动影响带三、岩层移动影响带水体下采矿中，按破坏程度不同将上覆岩层划分为三带：水体下采矿中，按破坏程度不同将上覆岩层划分为三带：1 1）垮落带）垮落带；2 2）裂缝带）裂缝带；3 3）弯曲带）弯曲带；将底板以下岩体也分为三带：将底板以下岩体也分为三带：1 1）底板采动破坏带；）底板采动破坏带；2 2）底板阻水）底板阻水带；带；3 3）底板承压水导升带）底板承压水导升带 1 1、冒落带（垮落带）、冒落带（垮落带）垮落带是指由采矿引起的上覆岩层垮落带是指由采矿引起的上覆岩层破裂并向采空区垮落的岩层范围。破裂并向采空区垮落的岩层范围。垮落带内岩层破坏

11、特点是：垮落带内岩层破坏特点是： （1 1）分带性）分带性 （2 2）碎胀性，碎胀系数值恒大于）碎胀性，碎胀系数值恒大于1 1，一般在，一般在1.51.51.801.80之间。之间。 （3 3）可压缩性）可压缩性 （4 4）垮落带高度主要取决于采出厚度、上覆岩层的碎胀系）垮落带高度主要取决于采出厚度、上覆岩层的碎胀系数、岩性等，通常为采出厚度的数、岩性等，通常为采出厚度的3 35 5倍。薄煤层开采时垮落倍。薄煤层开采时垮落高度较小，一般为采出厚度的高度较小，一般为采出厚度的1.71.7倍左右。顶板岩石坚硬时，倍左右。顶板岩石坚硬时，垮落带高度为采出厚度的垮落带高度为采出厚度的5 56 6倍；顶

12、板软弱时，垮落带高度倍；顶板软弱时，垮落带高度为采出厚度的为采出厚度的2 24 4倍。实践中可用下式近似估算垮落带高度：倍。实践中可用下式近似估算垮落带高度：式中式中 h h垮落带高度；垮落带高度； m m采出矿层厚度；采出矿层厚度； K K岩石碎胀系数；岩石碎胀系数； 矿层倾角。矿层倾角。（5 5）形态，随倾角不同而变化）形态，随倾角不同而变化 2 2、裂缝带（断裂带）、裂缝带（断裂带）在采空区上覆岩层中产生裂缝、离层及断裂，但仍保持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。层状结构的那部分岩层称为裂缝带。特征：（特征：（1 1）岩体内裂隙多，但仍保持层

13、状结构）岩体内裂隙多，但仍保持层状结构（2 2）裂隙带高度与岩性密切相关：硬，高，软，低）裂隙带高度与岩性密切相关：硬，高，软，低冒落带冒落带+ +裂缝带裂缝带= =冒落裂缝带（导水裂隙带）冒落裂缝带（导水裂隙带） 软弱岩石：软弱岩石：9 912m12m（m m为开采厚度）；中硬岩石：为开采厚度）；中硬岩石：121218m18m；坚硬岩石：；坚硬岩石：181828m28m。cos) 1( kmh3 3、弯曲带、弯曲带弯曲带指的是裂缝带之上直至地表的整个岩系。弯曲带指的是裂缝带之上直至地表的整个岩系。特点：特点：1 1）保持整体性和层状结构，）保持整体性和层状结构，2 2）移动过程连续而有规律，

14、不存在或极少存在离层裂缝。）移动过程连续而有规律，不存在或极少存在离层裂缝。3 3）在竖直面内，各部分的移动值相差很小。）在竖直面内，各部分的移动值相差很小。4 4）H H弯弯H H裂裂（当（当H H大时）大时）三者的关系：三者的关系：从采空区往上：冒落带从采空区往上：冒落带裂缝带裂缝带弯曲带弯曲带H H小，小，m m大时，可能只有冒落带和裂缝带大时，可能只有冒落带和裂缝带条带、充填开采时，无冒落带或断裂带，只有弯曲带条带、充填开采时，无冒落带或断裂带，只有弯曲带 4 4、底板采动导水破坏带、底板采动导水破坏带 矿层底板岩层受采动影响而产生的采动导水裂隙的范围，其矿层底板岩层受采动影响而产生的

15、采动导水裂隙的范围，其深度为从矿层底板至采动破坏带最深处的法线距离。该带的厚度深度为从矿层底板至采动破坏带最深处的法线距离。该带的厚度即为即为“底板导水破坏带深度底板导水破坏带深度”。 底板导水破坏带主要与回采工作面尺寸、开采方法和顶板管底板导水破坏带主要与回采工作面尺寸、开采方法和顶板管理方法，煤层厚度及倾角、岩体结构有关。理方法，煤层厚度及倾角、岩体结构有关。 5 5、底板阻水带、底板阻水带 矿层底板采动破坏带以下，底部含水体或底板承压导升带以矿层底板采动破坏带以下，底部含水体或底板承压导升带以上的隔水层在底部含水体水压力的作用下不发生破坏的最小厚度，上的隔水层在底部含水体水压力的作用下不

16、发生破坏的最小厚度，也称为保护层带和完整岩层带。也称为保护层带和完整岩层带。 6 6、底板承压水导升带、底板承压水导升带 底板承压水导升带为矿层底板承压含水层的水在水压力和矿底板承压水导升带为矿层底板承压含水层的水在水压力和矿压作用下上升到顶板岩层中的范围。压作用下上升到顶板岩层中的范围。支承压力区，支承压力区，压力减小区，压力减小区，压力恢复区压力恢复区1 1底板采动破坏带；底板采动破坏带；2 2底板阻水带；底板阻水带；3 3底板承压水导升带底板承压水导升带6.2 地下开采引起的地表移动特征地下开采引起的地表移动特征n 地表移动的基本形式地表移动的基本形式n 地表移动盆地的形成及特征地表移动

17、盆地的形成及特征一、地表移动的基本形式一、地表移动的基本形式H H、采煤方法、顶板管理方法、岩性及岩层产状、地质构造、采煤方法、顶板管理方法、岩性及岩层产状、地质构造地表移动形式不同地表移动形式不同分为两种形式：（分为两种形式：（1 1）连续的；）连续的；（2 2）非连续的（裂缝、台阶、塌陷漏斗等）非连续的（裂缝、台阶、塌陷漏斗等）1 1、地表移动盆地地表移动盆地开采影响到达地表后，使地表原有标高下降，在采空区上方形开采影响到达地表后，使地表原有标高下降，在采空区上方形成一个比采空区大得多的沉陷区域，这种地表沉陷区叫成一个比采空区大得多的沉陷区域，这种地表沉陷区叫特点：特点：1 1）范围大于采

18、空区范围）范围大于采空区范围2 2）水平或近水平煤层：椭圆；）水平或近水平煤层：椭圆；倾斜煤层：偏向下山方向，非对称椭圆倾斜煤层：偏向下山方向，非对称椭圆主要影响因素：主要影响因素：1 1）倾角）倾角 2 2）采空区形状、大小）采空区形状、大小2 2、地表裂缝、地表裂缝1 1）出现条件：地表拉伸变形）出现条件：地表拉伸变形2 23mm/m3mm/m时，出现裂缝时，出现裂缝2 2）形状：楔形，上口大，愈往深处越小）形状：楔形，上口大，愈往深处越小3 3）位置和方向：工作面推进过程中，工作）位置和方向：工作面推进过程中，工作面前方可能产生裂缝，工作面推过后闭合面前方可能产生裂缝，工作面推过后闭合在

19、煤柱上方形成环状裂缝在煤柱上方形成环状裂缝方向：平行于工作面边界发展方向：平行于工作面边界发展4 4）深度：一般）深度：一般2 23m3m，最大，最大10m10m，基岩出露可达几十米，基岩出露可达几十米3 3、台阶状塌陷盆地、台阶状塌陷盆地开采急倾斜煤层，当开采急倾斜煤层，当H/mH/m太小时，冒落裂缝带直达地表（太小时，冒落裂缝带直达地表（H H裂裂=9=92828倍采厚），地表可能出现台阶状塌陷盆地，如淮南九倍采厚），地表可能出现台阶状塌陷盆地，如淮南九龙岗、大通两矿，采深龙岗、大通两矿，采深800800900m900m，开采煤层，开采煤层1010多个多个台阶一般出现在盆地的边缘或断层露头

20、处，台阶数、落差大台阶一般出现在盆地的边缘或断层露头处，台阶数、落差大小与地表采矿条件有关小与地表采矿条件有关底板比顶板的台阶落差大、边坡陡、台阶数少底板比顶板的台阶落差大、边坡陡、台阶数少出现条件：出现条件：1 1）急倾斜开采）急倾斜开采 2 2）断层）断层 3 3）浅部或重复开采）浅部或重复开采4 4、塌陷坑、塌陷坑（1 1）漏斗状塌陷坑）漏斗状塌陷坑1 1）形式：漏斗式、井式、坛式）形式：漏斗式、井式、坛式其形式取决于松散层的岩性和厚度其形式取决于松散层的岩性和厚度2 2）出现条件：）出现条件：a a、急倾斜煤层浅部开采，煤层露头处、急倾斜煤层浅部开采，煤层露头处b b、浅部开采厚度大的

21、煤层，采用房柱式、浅部开采厚度大的煤层，采用房柱式或水力采煤时，由于开采厚度不均匀，或水力采煤时，由于开采厚度不均匀，导致覆岩破坏高度不同，使地表产生漏导致覆岩破坏高度不同，使地表产生漏斗状塌陷坑。斗状塌陷坑。淮南谢二矿淮南谢二矿1962196219631963采用水力采煤法采用水力采煤法开采浅部煤层，在地表出现漏斗状塌陷开采浅部煤层，在地表出现漏斗状塌陷坑；坑； C C、在含水砂层下采煤时，开滦唐家庄矿采用水力采煤法，、在含水砂层下采煤时，开滦唐家庄矿采用水力采煤法，开采厚度开采厚度3.13.13.5m3.5m厚煤层，设计开采上边界距松散层垂高厚煤层，设计开采上边界距松散层垂高18m18m，

22、由于超限开采，水砂溃入井下，使地面出现直径，由于超限开采，水砂溃入井下，使地面出现直径30m30m，深度深度111113m13m的塌陷坑。的塌陷坑。D D、开采影响老窑、溶洞等、开采影响老窑、溶洞等湖南恩口煤矿湖南恩口煤矿61006100丰城矿务局丰城矿务局202202湖南斗笠山矿湖南斗笠山矿220220广西西湾煤矿广西西湾煤矿118118湖南煤炭坝矿湖南煤炭坝矿500500（2 2）槽形塌陷坑）槽形塌陷坑急倾斜煤层条件下，开采厚及特厚煤层形成连续的塌陷坑而急倾斜煤层条件下，开采厚及特厚煤层形成连续的塌陷坑而形成塌陷槽形成塌陷槽 二、地表移动盆地的形成及特征二、地表移动盆地的形成及特征（一）地

23、表移动盆地的形成（一）地表移动盆地的形成（1 1）地下开采）地下开采岩层冒落、断裂、岩层冒落、断裂、弯曲、离层弯曲、离层地表移动盆地地表移动盆地（2 2）工作面开采）工作面开采( (宽度宽度=1/2=1/21/4H1/4H0 0)地表开始移动（地表开始移动（下沉下沉10mm10mm）（工作面（工作面）移动量和范围）移动量和范围（工作面（工作面）地表移动达到该）地表移动达到该地质采矿条件下最大值（充分采动）地质采矿条件下最大值（充分采动）（工作面（工作面）移动量不变，）移动量不变，盆地范围盆地范围（工作面停止）移动量和范围（工作面停止）移动量和范围（二）几个概念（二）几个概念下沉下沉地表移动向量

24、的垂直分量称为下沉，用地表移动向量的垂直分量称为下沉，用w w表示表示水平移动水平移动地表移动向量的水平分量称为水平移动，用地表移动向量的水平分量称为水平移动，用u u表表示示地表充分采动地表充分采动（Critical MiningCritical Mining）使使地表下沉值地表下沉值达到该达到该地质采矿技术条件下应有的地质采矿技术条件下应有的最大值最大值的采空区面积为临界开采，的采空区面积为临界开采，此时的地表采动影响称为充分采动此时的地表采动影响称为充分采动地表非充分采动地表非充分采动（Subcritical MiningSubcritical Mining）采空区面积未达采空区面积未达

25、到临界开采面积时的地表采动影响称为非充分采动。到临界开采面积时的地表采动影响称为非充分采动。超充分采动（超充分采动（Supercritical MiningSupercritical Mining）地表最大下沉值不地表最大下沉值不随采区尺寸增大而增加且超出临界开采的状态，又称超临界开随采区尺寸增大而增加且超出临界开采的状态，又称超临界开采。此时形成的地表移动盆地为超充分采动下沉盆地采。此时形成的地表移动盆地为超充分采动下沉盆地（Supercritical Subsidence BasinSupercritical Subsidence Basin），），盆地中央出现平底盆地中央出现平底，平底区

26、域点的下沉值均达到最大下沉值平底区域点的下沉值均达到最大下沉值。（三）地表移动盆地的特征（三）地表移动盆地的特征特征：特征：移动范围大于采空区范围；形状与倾角有关移动范围大于采空区范围；形状与倾角有关1 1、移动盆地的分区、移动盆地的分区1 1）中间区）中间区 2 2）内边缘区（压缩区）内边缘区（压缩区） 3 3）外边缘区（拉伸）外边缘区（拉伸）（1 1）中间区特点：下沉均匀、下沉值最大，各处下沉近于相同，）中间区特点：下沉均匀、下沉值最大，各处下沉近于相同，有挤压鼓起，变形值为零，一般无裂缝有挤压鼓起，变形值为零，一般无裂缝（2 2）内边缘区：地表下沉不等，地面向盆地中心方向倾斜，呈）内边缘

27、区：地表下沉不等，地面向盆地中心方向倾斜，呈凹形，产生压缩变形，一般不出现裂缝凹形，产生压缩变形，一般不出现裂缝（3 3）外边缘区：地表下沉不）外边缘区：地表下沉不等，地面向盆地中心方向倾斜，等，地面向盆地中心方向倾斜，呈凸形，产生拉伸变形，当拉呈凸形，产生拉伸变形，当拉伸变形超过一定值后，地面出伸变形超过一定值后，地面出现裂缝现裂缝拐点拐点内外边缘区的分界点内外边缘区的分界点称为，或下沉曲线的凹凸变称为，或下沉曲线的凹凸变化点叫化点叫2 2、水平煤层充分采动时，地表移动盆地的特征：、水平煤层充分采动时，地表移动盆地的特征：（1 1）移动盆地位于采空区上方，以采空区中央对称）移动盆地位于采空区

28、上方，以采空区中央对称（2 2）移动盆地的之平底位于采空区中央上方）移动盆地的之平底位于采空区中央上方（3 3）拐点位于开采边界正上方或偏向采空区一侧一段距离）拐点位于开采边界正上方或偏向采空区一侧一段距离3 3、水平煤层非充分采动时，地表移动盆地的特征：、水平煤层非充分采动时，地表移动盆地的特征：与充分采动区不同点：与充分采动区不同点：（1 1）移动盆地没有形成平底，而）移动盆地没有形成平底，而只有一点只有一点取得最大下沉值，取得最大下沉值，且且不是不是该地质采矿技术条件下的该地质采矿技术条件下的最大下沉值最大下沉值（2 2）最大下沉点位于采空区中央）最大下沉点位于采空区中央充分采动充分采动

29、 非充分采动非充分采动0BB012W0O3030W0AAABB采空区AW01020W03 030BB采 空 区ABBaabbAAA4 4、倾斜煤层非充分采动时，地表移动盆地的特征：、倾斜煤层非充分采动时，地表移动盆地的特征：与水平煤层非充分采动相比的不同点与水平煤层非充分采动相比的不同点（1 1）移动盆地不与采空区中央对称，工作面上山方向盆）移动盆地不与采空区中央对称，工作面上山方向盆地比下山方向陡，开采影响范围小，整个盆地偏向下山方地比下山方向陡，开采影响范围小，整个盆地偏向下山方向向（2 2）最大下沉点偏向下山方向）最大下沉点偏向下山方向（3 3）移动盆地在走向方向上对称于倾斜中心线）移动

30、盆地在走向方向上对称于倾斜中心线0BB012W0O3030W0AAABB采空区A（4 4）上山方向盆地拐点偏向采）上山方向盆地拐点偏向采空区内侧，下山方向盆地拐点偏空区内侧，下山方向盆地拐点偏向采空区外侧向采空区外侧倾斜煤层充分采动与非充分采动倾斜煤层充分采动与非充分采动比较：比较：（1 1）地表移动变形达到最大值）地表移动变形达到最大值 （2 2）拐点处下沉为最大下沉的）拐点处下沉为最大下沉的一半一半5 5、开采急倾斜煤层时，地表移动盆地的特征：、开采急倾斜煤层时，地表移动盆地的特征：（1 1）地表移动盆地非对称性增加）地表移动盆地非对称性增加（2 2）最大下沉值偏向下山方向）最大下沉值偏向

31、下山方向（3 3）地表最大水平移动可能大于最大下沉）地表最大水平移动可能大于最大下沉采空区AB（四）地表移动盆地的（四）地表移动盆地的主断面主断面通过地表移动盆地通过地表移动盆地最大下沉点最大下沉点所作的所作的沿煤层走向和倾向的沿煤层走向和倾向的垂直断面垂直断面称为称为地表移动盆地主断面地表移动盆地主断面，走向：走向主断面，走向：走向主断面，倾向：倾向主断面倾向：倾向主断面非充分采动：只有一个主断面，超充分采动有无数个主断非充分采动：只有一个主断面，超充分采动有无数个主断面面00时，主断面过采空区中央，时，主断面过采空区中央，0 0时，倾斜主断面过采空区中央，时，倾斜主断面过采空区中央， 走向

32、主断面偏向下走向主断面偏向下山方向山方向AB:AB:走向主断面走向主断面 CD:CD:倾向主断面倾向主断面特征：特征：（1 1）在主断面上地表移动盆地的范围最大；）在主断面上地表移动盆地的范围最大；（2 2）在主断面上地表移动量最大；）在主断面上地表移动量最大；（3 3）在主断面上，不存在垂直于主断面方向的水平移动）在主断面上，不存在垂直于主断面方向的水平移动充分采动角充分采动角在在充分采动充分采动条件下，地表移动盆地条件下，地表移动盆地主断面主断面上，上，移动盆地移动盆地平底的边缘平底的边缘（在地表水平线上的投影点）和同侧采空（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

33、的夹角称为充分采动角。走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。走向向3 3、下山、下山1 1、上山、上山2 2。W01020W03 030BB采 空 区ABBaabbAAA最大下沉角最大下沉角在在倾斜主断面倾斜主断面上，上，最大下沉点最大下沉点（或（或盆地平底中心盆地平底中心点点）同回采工作面几何中心连线与）同回采工作面几何中心连线与水平线在下山方向水平线在下山方向的夹角称的夹角称为，用为，用表示表示注意：当松散层厚度注意：当松散层厚度h0.1Hh0.1H时，先将最大下沉点垂直投影到基岩时，先将最大下沉点垂直投影到基岩面上，然后再与采空区中央连线面上，然后再与采空区中央连线影响传

34、播角影响传播角在在充分采动或接近充分采动条件下充分采动或接近充分采动条件下，倾斜主断面倾斜主断面上开采边界（上开采边界（考虑了拐点偏移距考虑了拐点偏移距后）和后）和下沉曲线拐点下沉曲线拐点的连线与水的连线与水平线之间在下山方向的夹角称为，用平线之间在下山方向的夹角称为，用表示表示现场实测表明，最大下沉角现场实测表明，最大下沉角与覆岩岩性和矿层倾角与覆岩岩性和矿层倾角有关，有关，规程规程给出了给出了50500 0时，时，的经验公式的经验公式：)6 . 05 . 0(90)7 . 06 . 0(90)8 . 07 . 0(90000软弱覆层中硬覆层坚硬覆岩L00L/2dABWfmH0o（a）6.3

35、 地表移动盆地内移动变形分析地表移动盆地内移动变形分析n点的移动分析点的移动分析n主断面内地表移动与变形分析主断面内地表移动与变形分析n地表移动变形对建筑物的影响地表移动变形对建筑物的影响n地表移动盆地边界的确定地表移动盆地边界的确定一、点的移动分析一、点的移动分析1 1）点的移动向量大小、方向随工作面推进而变化，推进结束后）点的移动向量大小、方向随工作面推进而变化，推进结束后均指向采空区中央均指向采空区中央2 2）移动稳定后点的移动向量是三维空间向量）移动稳定后点的移动向量是三维空间向量二、主断面内地表移动与变形分析二、主断面内地表移动与变形分析1 1、主断面内点的移动特点、主断面内点的移动

36、特点）各点移动向量不等、方向不同）各点移动向量不等、方向不同）移动向量最终指向采空区中央（不含推进过程中），若只研）移动向量最终指向采空区中央（不含推进过程中），若只研究最终移动可看成一条直线究最终移动可看成一条直线2 2、移动变形计算、移动变形计算 1 1）下沉）下沉 地表点的沉降叫下沉，用地表点的沉降叫下沉，用w w表示，以本次与首次观测点的标高表示，以本次与首次观测点的标高差表示，即差表示，即 wn=Hn0-Hnm式中，式中，wn地表地表n号点的下沉，号点的下沉，mm； Hn0、Hnm表示地表表示地表n点首点首次和次和m次观测时的高程，次观测时的高程，mm。 “+”表示测点下沉，表示测点

37、下沉，“-”表表示测点上升。示测点上升。2 2）水平移动）水平移动 地表下沉盆地中某点沿某一水平方向的位移叫水平移地表下沉盆地中某点沿某一水平方向的位移叫水平移动，用动，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点的水平移动，点的水平移动，mmmm； L Ln0n0、L Lnmnm分别表示分别表示首次首次和和m m次观测时地表次观测时地表n n点到观测线点到观测线控制点控制点R R间的水平距离，间的水平距离，mmmm。符号规定：在倾斜断面上，指向上山为符号规定：在倾斜断面上，指向上山为“+ +”，下山为，下山为“- -”；在走向断面

38、上，指向走向为在走向断面上，指向走向为“+ +”，逆向走向为，逆向走向为“- -”。3 3）倾斜）倾斜 地表倾斜是指相邻两点在竖直方向的下沉差与其水平地表倾斜是指相邻两点在竖直方向的下沉差与其水平距离的比值，它反映了地表移动盆地沿某一方向的坡度，距离的比值，它反映了地表移动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为为m m、n n两点的平均倾斜变形，两点的平均倾斜变形，mm/mmm/m； nmnmmnmnnmlwlwwil lm-nm-n地表地表m m、n n点间的水平距离（点间的水平距离（首次观测首次观测），），m m； w wm m、w wn

39、n分别为地表分别为地表m m、n n点的下沉值，点的下沉值，mmmm。倾斜实际是两点间的倾斜实际是两点间的平均斜率平均斜率。倾斜的正负号规定为：与水平移动相同。倾斜的正负号规定为：与水平移动相同。4 4）曲率）曲率 地表曲率是两相邻线段的倾斜差与两线段中点间的水平距离的地表曲率是两相邻线段的倾斜差与两线段中点间的水平距离的比值，它反映了观测线断面上的弯曲程度。由下式计算比值，它反映了观测线断面上的弯曲程度。由下式计算 式中式中 i im-nm-n、i in-pn-p分别表示地表分别表示地表m-nm-n和和n-pn-p点间的平均斜率，点间的平均斜率，mm/mmm/m； l lm-nm-n、l l

40、n-pn-p分别表示地表分别表示地表m-nm-n和和n-pn-p点间的点间的初始水平距离初始水平距离，m m k km-n-pm-n-p为为m-nm-n、n-pn-p线段的平均曲率，线段的平均曲率，mm/mmm/m2 2。 符号规定：符号规定：“+ +”上凸，上凸，“- -”下凹。下凹。为了使用方便，曲率变形有时以曲率半径为了使用方便，曲率变形有时以曲率半径R R表示，即：表示，即： )(21pnnmnmpnpnmlliikkR15 5）水平变形）水平变形 地表水平变形是指相邻两点的水平移动差与两点间水平地表水平变形是指相邻两点的水平移动差与两点间水平距离的比值，通常用距离的比值，通常用表示。

41、由下式计算表示。由下式计算 式中式中 u un n、u um m分别为分别为m m、n n点的水平移动，点的水平移动，mmmm； l lm-nm-n分别为分别为m m、n n点的点的初始水平距离初始水平距离，m m； m-nm-n为为m m、n n点的水平变形，点的水平变形，mm/mmm/m。 符号规定：符号规定：“+ +”拉伸，拉伸，“- -”压缩。压缩。对于扭曲和剪切变形，由于用得较少，本书不介绍对于扭曲和剪切变形，由于用得较少，本书不介绍三、地表移动变形对建筑物的影响三、地表移动变形对建筑物的影响1 1、下沉、下沉地下潜水位低时，均匀下沉对建筑物无影响地下潜水位低时，均匀下沉对建筑物无影

42、响地下潜水位高时，对建筑物有影响地下潜水位高时，对建筑物有影响nmmnnmmnnmluluu2 2、倾斜、倾斜（1 1）对高而底面积小的建筑物影响大）对高而底面积小的建筑物影响大建筑物内应力重分布建筑物内应力重分布建筑物破坏、倒塌建筑物破坏、倒塌（2 2）使排水系统坡度变化）使排水系统坡度变化（3 3）使公路、铁路坡度变化）使公路、铁路坡度变化3 3、曲率、曲率正曲率：顶部开裂，裂缝上宽下窄，倒八字裂缝正曲率：顶部开裂，裂缝上宽下窄，倒八字裂缝负曲率：底部开裂，裂缝下宽上窄，正八字裂缝和水平裂缝负曲率：底部开裂，裂缝下宽上窄，正八字裂缝和水平裂缝4 4、地表水平变形、地表水平变形使建筑物基础受

43、拉或受压使建筑物基础受拉或受压5 5、建筑物临界变形值、建筑物临界变形值对建筑物有影响的变形主要有：倾斜、曲率、水平变形对建筑物有影响的变形主要有：倾斜、曲率、水平变形根据长期的观测得到：根据长期的观测得到：i=3mm/m k=0.2mm/mi=3mm/m k=0.2mm/m2 2 =2mm/m =2mm/m 作为标作为标准，大于这些值，建筑物损害，小于这些值，建筑物不损害，因准，大于这些值，建筑物损害，小于这些值，建筑物不损害，因而称为临界变形值。而称为临界变形值。临界变形值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最大变形值

44、称为四、地表移动盆地边界的确定四、地表移动盆地边界的确定1 1、移动盆地最外边界、移动盆地最外边界以下沉以下沉10mm10mm作为移动盆地最外边界点，以这些点圈定的边作为移动盆地最外边界点，以这些点圈定的边界称为界称为边界角边界角在在充分采动或接近充分采动充分采动或接近充分采动的条件下，地表移的条件下，地表移动盆地动盆地主断面上主断面上盆地盆地边界点边界点（下沉为（下沉为10mm10mm）至）至采空区边界采空区边界的连线与的连线与水平线水平线在在矿柱一侧矿柱一侧的夹角称为边界角。当有松散的夹角称为边界角。当有松散层存在时，应先从盆地边界点用松散层移动角划线和基岩层存在时，应先从盆地边界点用松散

45、层移动角划线和基岩与松散层交接面相交，此交点至采空区边界的连线与水平与松散层交接面相交，此交点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。线在矿柱一侧的夹角称为边界角。走向走向0 0、下山、下山0 0、上山、上山0 0、急倾斜矿层底板急倾斜矿层底板0 0 2 2危险移动边界危险移动边界用临界变形值所确定的边界用临界变形值所确定的边界移动角移动角在在充分采动或接近充分采动充分采动或接近充分采动的条件下，地表移动盆地的条件下，地表移动盆地主断面主断面上上三个临界变形中最外边的一个临界变形值点三个临界变形中最外边的一个临界变形值点至采空区边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

46、角。界的连线与水平线在矿柱一侧的夹角称为移动角。当有松散层存在时，应从最外边的临界变形值点用松散层移动当有松散层存在时，应从最外边的临界变形值点用松散层移动角划线和基岩与松散层交接面相交，此交点至采空区边界的连线角划线和基岩与松散层交接面相交，此交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。走向与水平线在矿柱一侧的夹角称为移动角。走向、下山、下山、上山、上山、急倾斜矿层底板、急倾斜矿层底板，表土移动角用，表土移动角用表示，表示，与与无关无关3 3裂缝角裂缝角在充分采动或接近充分采动的条件下，在地表移动盆地主断在充分采动或接近充分采动的条件下，在地表移动盆地主断面上，移动盆地最外侧的

47、地表裂缝至采空区边界的连线与水面上，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。走向平线在矿柱一侧的夹角称为裂缝角。走向、下山、下山、上山上山、急倾斜矿层底板、急倾斜矿层底板 4 4松散层移动角松散层移动角松散层移动以松散层移动以表示。它不受矿层倾角的影响，主要与松散表示。它不受矿层倾角的影响，主要与松散层的特性有关。层的特性有关。6.4 矿山开采沉陷观测站设计矿山开采沉陷观测站设计6.4.16.4.1 概述概述6.4.26.4.2 地表移动观测站的设计地表移动观测站的设计6.4.36.4.3 地表移动观测站的观测工作地表移动观测站的观测工作6.4.46.4.

48、4 观测成果的数据处理观测成果的数据处理6.4.5 GPS6.4.5 GPS技术在矿区变形监测中的应用技术在矿区变形监测中的应用6.4.66.4.6 岩层移动变形监测方法岩层移动变形监测方法6.4.1 概述概述n 观测站的概念观测站的概念n 观测站的任务观测站的任务n 观测站的种类观测站的种类 观测站观测站(Observation Station(Observation Station）：开采进开采进行之前，在开采影响范围内的地表，按照一定行之前，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要求设置的一系列互相联系的观测点。 通过定期地对这些观测点进行监测，确定通过定期地对

49、这些观测点进行监测，确定其空间位置及其相对位置的变化，从而掌握地其空间位置及其相对位置的变化，从而掌握地表移动变形规律。表移动变形规律。一、观测站的概念一、观测站的概念二、观测站的任务二、观测站的任务研究地质采矿条件与移动变形的关系，获得开采沉陷参数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；与地质采矿条件的关系；获得地表与岩层内部的移动变形规律；获得地表与岩层内部的移动变形规律；获得移动变形与建筑物破坏关系，确定临界变形值；获得移动变形与建筑物破坏关系，确定临界变形值；获得岩体内部破坏规律。获得岩体内部破坏规律。 按观测站设置的地点：按观测站设置的地点： 地表移动

50、观测站地表移动观测站 岩层内部观测站岩层内部观测站 专门观测站专门观测站按照观测的时间：按照观测的时间： 普通观测站普通观测站 短期观测站短期观测站按照布设的形式：按照布设的形式： 网状观测站网状观测站 剖面线观测站剖面线观测站三、观测站的种类三、观测站的种类机巷轨巷回采工作面R6R5IHGFECD网状观测站布设示意图网状观测站布设示意图沿煤层走向布设一条观测线沿煤层倾向布设一条观测线沿煤层走向、倾向（上山方向）各布设半条观测线沿煤层走向、倾向、各布设一条观测线沿煤层倾向布设两条观测线沿煤层走向布设半条观测线沿煤层走向、倾向（下山方向）各布设半条观测线剖面观测站布设示意图剖面观测站布设示意图6

51、.4.2 地表移动观测站的设计地表移动观测站的设计n 观测站设计的原则观测站设计的原则及内容及内容n 地表移动观测线位置和长度的确定地表移动观测线位置和长度的确定一、一、观测站设计的原则观测站设计的原则及内容及内容u 资料准备资料准备 图纸资料（采掘工程平面图、井上下对照图、图纸资料（采掘工程平面图、井上下对照图、钻孔柱状图、剖面图等）钻孔柱状图、剖面图等） 采矿资料（开采工作面设计图、采掘进度计采矿资料（开采工作面设计图、采掘进度计划、周围工作面开采情况等）划、周围工作面开采情况等） 地质资料（采区及工作面地质说明书、地质地质资料（采区及工作面地质说明书、地质地形图等）地形图等） 测绘资料（

52、矿区控制点、已有的地表移动观测绘资料（矿区控制点、已有的地表移动观测资料及参数等）测资料及参数等） 观测线观测线应布设在地表移动盆地的主断面上；应布设在地表移动盆地的主断面上； 设站设站地区在观测期间不受邻近开采的影响；地区在观测期间不受邻近开采的影响； 观测观测线的长度要大于地表移动盆地的范围；线的长度要大于地表移动盆地的范围； 观测观测线上的测点应有一定的密度线上的测点应有一定的密度； 观测站的控制点要设在移动盆地范围以外，埋观测站的控制点要设在移动盆地范围以外，埋设要牢固设要牢固。在冻土地区，控制点底面应在冻土在冻土地区，控制点底面应在冻土线线0.5m0.5m以下；以下； 测点埋设要牢固

53、，设在移动范围内的观测点与测点埋设要牢固，设在移动范围内的观测点与地表同步移动。地表同步移动。u 观测站设计的原则观测站设计的原则n观测站设计的内容观测站设计的内容 设计说明书设计说明书：建立观测站的目的和任务；建立观测站的目的和任务；设站地区的地形、地物及地质采矿条件（设站地区的地形、地物及地质采矿条件（m m，H H，采空区，采空区大小，岩性，构造，开拓方式，顶板管理方法）；大小，岩性，构造，开拓方式，顶板管理方法）；地表移动已有观测成果和设计所用参数（移动角，边界角，地表移动已有观测成果和设计所用参数（移动角，边界角，最大下沉角最大下沉角）观测站的设计内容观测站的设计内容：观测线的形式、

54、位置及长度的确定，观观测线的形式、位置及长度的确定，观测点数目、间距和控制点位置、数目的确定；测点数目、间距和控制点位置、数目的确定；观测站的实际标定方法和埋设方法；观测站的实际标定方法和埋设方法；观测站观测的内容：包括观测所用的仪器，与矿区控观测站观测的内容：包括观测所用的仪器，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；测时间、方法及精度要求；观测站成果整理与分析的方法和要求，所要获得的成观测站成果整理与分析的方法和要求，所要获得的成果；果；经费估算：包括观测站所需材料、占地、人工等费用经费估算：包括观测站所需

55、材料、占地、人工等费用的预算。的预算。 绘制设计图：绘制设计图：1 1）测站附近井上、下对照图，采掘）测站附近井上、下对照图，采掘工程平面图；工程平面图；2 2）观测站附近的岩层柱状图；）观测站附近的岩层柱状图；3 3）已有的和设计的采掘巷道位置；）已有的和设计的采掘巷道位置；4 4）已有的和设计的保护煤柱；）已有的和设计的保护煤柱；5 5）沿观测线的断面图（测点位置，）沿观测线的断面图（测点位置，覆盖岩层柱状，地质构造，煤层覆盖岩层柱状，地质构造，煤层产状，开采位置及其它条件）产状，开采位置及其它条件） 比例尺的大小比例尺的大小 图纸的内容图纸的内容注意：注意：151015202530354

56、0423943 455055606568 70758085909313011301130213032006年撤 架 通 道2007年撤 架 通 道2007年薄 煤 区2008年晋城赵庄矿晋城赵庄矿13011301观测站观测站某矿某矿观测线布设线路影像示意图观测线布设线路影像示意图二、二、地表移动观测线位置和长度的确定地表移动观测线位置和长度的确定观测线一般布设为直线状并与煤层走向垂观测线一般布设为直线状并与煤层走向垂直或平行直或平行观测线应设置在移动盆地的主断面上，而观测线应设置在移动盆地的主断面上，而且不受邻近采区开采的影响。且不受邻近采区开采的影响。n剖面线状观测线布设要求：剖面线状观测线

57、布设要求：n观测线位置的确定观测线位置的确定L-H1H2开切眼MEGFR7R8R9R4CR1AAR1OBR2R3DR5R6BR2R3GEHhH0KR9R8R7F1234D1D2D3通风巷运输巷（a）（b）（c）-控制点工作测点- 倾斜观测线倾斜观测线 走向观测线走向观测线地表移动观测站示意图地表移动观测站示意图（a a）观测站平面图）观测站平面图 ( (b b）倾斜断面图（）倾斜断面图（c c）走向断面图）走向断面图实际上是确定主断实际上是确定主断面位置面位置 倾斜观测线位置确定倾斜观测线位置确定1 1）当地表非充分采动时，设在采空区中央）当地表非充分采动时，设在采空区中央2 2）当地表超充分

58、采动时：）当地表超充分采动时：当有充分采动角当有充分采动角3 3时，用时，用3 3确定：确定：倾斜观测倾斜观测R R1 1R R3 3到开切眼的距离到开切眼的距离D D1 1应为应为: :303ctgHD 式中：式中：3 3走向充分采动角；走向充分采动角； H H0 0平均采深，平均采深，H H0 0= =（H H1 1+H+H2 2）/2/2D D3 3倾斜观测线距工作面边界倾斜观测线距工作面边界 的距离的距离b b）无充分采动角）无充分采动角3 3，取，取 （3 3=55=55）1 1）当邻近有已采区时，观测线应不受前采空区的影响）当邻近有已采区时，观测线应不受前采空区的影响 式中，式中，

59、走向移动角；走向移动角； 调整值取调整值取2020 h h表土厚度；表土厚度； 表土移动角。表土移动角。在推进过程中设站，应考虑工作面在推进过程中设站，应考虑工作面在设站后推过的距离在设站后推过的距离式中：式中：c c工作面推进速度，工作面推进速度，m/m/日；日； t t设站至第一次观测的时间间隔；设站至第一次观测的时间间隔；037 . 0HD hctgctghHD)()(01移动角代替边界角差地质采矿条件差观测数据误差)3)2) 1ctDD11 走向观测线位置的确定走向观测线位置的确定1)1)非充分采动非充分采动 a a、有、有时，用时，用确定；确定； b b、无、无时，按下式求时，按下式

60、求 时，时， 时时, ,规程给出的值：规程给出的值：坚硬：坚硬：中硬：中硬：软弱：软弱：2 2）充分采动时，）充分采动时，a a）用）用确定；确定；b b）用充分采动角确定。）用充分采动角确定。2 2、观测线长度的确定、观测线长度的确定 （1 1）倾斜观测线长度确定）倾斜观测线长度确定实际上是确定移动盆地边界实际上是确定移动盆地边界455.090)8 . 07 . 0(90 )7 . 06 . 0(90 )6 . 05 . 0(90 45)2 . 04 . 0(90 cos)()()()(221LctghHctghHhctgAB式中：式中：L L工作面倾斜长度；工作面倾斜长度；，上山和下山移动