第四讲 开采沉陷实验室

1、第四节第四节 地表移动与变形参数分析地表移动与变形参数分析一、最大下沉值一、最大下沉值1、充分采动的地表最大下沉、充分采动的地表最大下沉值值煤层开采后，煤层开采后，顶板直接顶最大下沉顶板直接顶最大下沉 mcos 地表最大下沉地表最大下沉 mcos W0= mcos 地表下沉系数地表下沉系数m采高；采高； 煤层倾角煤层倾角m =f（顶板管理方顶板管理方法，岩性，采动次法，岩性，采动次数，采深，采出率）数，采深，采出率）上覆岩层岩性与上覆岩层岩性与 岩性岩性坚硬坚硬中硬中硬软弱软弱下沉系数下沉系数 0.27 0.540.55 0.850.86 1.00部分煤矿实测的地表下沉系数变化范围部分煤矿实测

2、的地表下沉系数变化范围 采空区处理方法与采空区处理方法与 采空区处理方法采空区处理方法下沉系数下沉系数 全部垮落法全部垮落法0.4 0.95带状充填法带状充填法(外来材料外来材料)0.55 0.70干式全部充填法干式全部充填法(外来材料外来材料)0.4 0.50风力充填法风力充填法0.30 0.40水砂充填法水砂充填法0.06 0.20采空区处理方法与采空区处理方法与 矿区矿区下沉系数下沉系数 淮南淮南0.7峰峰峰峰0.8本溪本溪0.7阜新阜新0.65-0.70鹤岗鹤岗0.65-0.7平顶山平顶山0.65-0.77枣庄枣庄0.59-0.7注注:全部垮落法全部垮落法不同矿区地表下沉系数不同矿区地

3、表下沉系数 岩性和采动次数岩性和采动次数综合评价系数综合评价系数P =0.5(0.9+P) （ 全部垮落法条件）全部垮落法条件）mii分层法线厚度分层法线厚度m；Qii分层岩层评价系数。分层岩层评价系数。iiimQmP分层岩性评价系数分层岩性评价系数岩性岩性单向抗压单向抗压强度强度（MPa）岩石名称岩石名称初次采初次采动动Q0重复采动重复采动Q1Q2坚硬坚硬60不硬的花岗岩不硬的花岗岩0.10.30.6中硬中硬4030普通砂岩、铁矿石普通砂岩、铁矿石砂质页岩、片状砂岩砂质页岩、片状砂岩0.40.80.70.90.951.0岩层愈坚硬岩层愈坚硬，Qi愈小，愈小， 愈小愈小同样岩层，采动次数愈多同

4、样岩层，采动次数愈多,Qi愈大，愈大， 愈大愈大采深和采出率对采深和采出率对 的影响的影响 采深小采深小 , 较大较大局H（m） 平顶山局801401402000.770.65枣庄局1001000.70.59采出率大，采出率大， 大大2 2、非充分采动条件下地表最大下沉值、非充分采动条件下地表最大下沉值 W0=mcos 确定确定的方法的方法确定确定的方法的方法1(a)(b)olcl33LoL1c2l0/lc或或L0/Lc0.10.20.30.40.5/ 0.000.480.640.770.85l0/lc或或L0/Lc0.60.70.80.91.0/ 0.940.970.980.991.00开采

5、充分程度开采充分程度(l0/lc)或或(L0/Lc)与与(/ )的关系的关系 0.20.00.4 0.6 0.8LL1.00c0.20.40.80.6o1.0三、四分层二分层一分层确定确定的方法的方法2中0.60.20.00.20.40.81.00.60.4/软1.4H01.00.8L1.21.81.62.0硬确定确定的方法的方法2L为开采区域长为开采区域长度或宽度按开采影度或宽度按开采影响传播角响传播角0向地向地面的投影长度面的投影长度 H0为平均采深为平均采深 00L拐点DH2 L HA1拐点 二、主要影响半径和主要影响角二、主要影响半径和主要影响角（开采影响范围）开采影响范围）r0.16

6、W0r0.5W0.4r W(x)0.4r o00.84W000.99WxtgHr 主要影响半径主要影响半径x= r处的地表移动和变形处的地表移动和变形x W（x）i （x）K（x）-r0.0062W00.0432i00.178K0r0.9938W00.0432i0-0.178K0r0.16W0r0.5W0.4r W(x)0.4r o00.84W000.99Wx主要影响角主要影响角主要影响角：开采边主要影响角：开采边界点与主要影响半径界点与主要影响半径边界点的连线与水平边界点的连线与水平线所夹的锐角线所夹的锐角（与下山方向岩层移动（与下山方向岩层移动角含义不同）角含义不同） r ，影响范围变影响

7、范围变小小 r 影响范围变大影响范围变大rHtgr0.16W0r0.5W0.4r W(x)0.4r o00.84W000.99Wx主要影响角正切主要影响角正切tg 取取值值tg 常见值为常见值为1.32.5，一般为，一般为2大小主要决定于上覆岩层的岩性，岩层大小主要决定于上覆岩层的岩性，岩层坚硬时，坚硬时，tg 较小，岩层软弱时，较小，岩层软弱时，tg 较较大。大。一般情况下，坚硬岩层的一般情况下，坚硬岩层的tg 为为1.21.91，中硬岩层为中硬岩层为1.922.4，软弱岩层为，软弱岩层为2.413.54。rWBxU0)(rBb令bWU00U0=bW0三、水平移动系数三、水平移动系数rWBU

8、00U(x)=Bi(x)220)(rxerWBxU水平移动系数水平移动系数水平煤层水平煤层一般一般b=0.3，变化范围大致在变化范围大致在0.2 0.4倾斜煤层倾斜煤层bb=b(1+0.0086) 四、四、拐点偏移距拐点偏移距拐点偏移距：过地表下沉曲线拐点在地表水拐点偏移距：过地表下沉曲线拐点在地表水平线上的投影点，按开采影响传播角作直线平线上的投影点，按开采影响传播角作直线与煤层相交，该交点与采空区边界沿煤层方与煤层相交，该交点与采空区边界沿煤层方向的距离向的距离 HA1拐点oS 下 0SB下0L拐点SCD上H2上Sol1水平煤层或沿煤层水平煤层或沿煤层走向方向剖面，则走向方向剖面，则为水平

9、距离为水平距离拐点偏移距拐点偏移距下沉曲线的拐点特征：下沉曲线的拐点特征：下沉值为最大下沉值的一半，倾斜和水平下沉值为最大下沉值的一半，倾斜和水平移动值最大，曲率值和水平变形值为零移动值最大，曲率值和水平变形值为零 充分采动条件下拐点移动距充分采动条件下拐点移动距坚硬坚硬 S坚硬坚硬=0.029H中硬中硬 S中硬中硬=0.177H软弱软弱S软弱软弱=0.358H 走向主断面为平均采深，走向主断面为平均采深，下山一侧为下山边界采深下山一侧为下山边界采深上山一侧为上山边界采深上山一侧为上山边界采深五、开采影响传播角五、开采影响传播角 HA1拐点oS 下 0SB下0L拐点SCD上H2上Sol1随倾角

10、增大而减小，随倾角增大而减小，以以45o 为极限，为极限，而后随倾角增大而而后随倾角增大而增大增大 45 o时，时， 0=90o-0.68 45 o 时，时， 0=28.8o+0.68举例举例某工作面开采某工作面开采,倾向已达充分采动倾向已达充分采动,走向长度已足走向长度已足够长够长,可认为是半无限开采可认为是半无限开采,走向主断面处开采深走向主断面处开采深度度H=310m,采厚采厚m=2m m=1.45m,煤层倾角煤层倾角 =12 ,覆岩中硬覆岩中硬,全部垮落法管理顶板全部垮落法管理顶板,已知经验已知经验值值 =0.76，tg =2.2， S0=0.1H， b=0.36预计沿地表移动盆地走向

11、断面上的最大移动和预计沿地表移动盆地走向断面上的最大移动和变形值变形值.S0=0.1H=0.1 310=31(m)mtgHr1412.2310W0=m cos=1.4510000.76cos12=1078mmmrWK/10082. 0)1411078(52. 1)(52. 132200mmbWUmmmrwi388107836.0/56.714110780000mmmrbW/18. 4141107836. 052. 152. 100六六 地表移动速度和持续时间地表移动速度和持续时间岩层移动变形岩层移动变形 在在 空间空间 时间时间剧烈程度剧烈程度下沉速度反映下沉速度反映 地表设测点地表设测点AA

12、 地表移动速度和持续时间地表移动速度和持续时间p1-54V(mm/日)5001000010402030W(mm)123456789W(t)10V(t)l(t)1.7mm/日t(月)l(m)-100-80-60-40-201112020406080l (m)地表下沉速度变化规律地表下沉速度变化规律 W(mm) V(mm/d) 开开(初）始阶段初）始阶段 10 1.7 活跃阶段活跃阶段 85%W0 1.7 衰减阶段衰减阶段 30(6个月个月）速度变化规律速度变化规律 小小 大大 小小最大下沉速度在工作面后方最大下沉速度在工作面后方活跃阶段对建筑物危害最大，也称为变形危险活跃阶段对建筑物危害最大，也称为变形危险期期岩性愈软、采深愈小、采厚愈大、岩性愈软、采深愈小、采厚愈大、推进愈快，地表下沉速度愈大推进愈快，地表下沉速度愈大顶板管理顶板管理方法方法矿区矿区地表移动延续时间（月）地表移动延续时间（月）总时间总时间开始阶开始阶段段活跃阶活跃阶段段衰退阶段衰退阶段 垮落法垮落法枣庄枣庄8152焦作焦作8152开滦开滦191108阜新阜新132.563充填法充填