第二章 开采沉陷基本概念

1、中国矿业大学1第二章 开采沉陷的基本概念u 地下开采引起的岩层移动地下开采引起的岩层移动 u 地下开采引起的地表移动和变形地下开采引起的地表移动和变形u 地表移动和变形的描述地表移动和变形的描述指标指标u 地表沉陷的范围和角值参数地表沉陷的范围和角值参数2.1 地下开采引起的岩层移动地下开采引起的岩层移动 岩层移动的概念和特征岩层移动的概念和特征 岩层移动的形式岩层移动的形式 移动稳定后岩层内的三带移动稳定后岩层内的三带中国矿业大学 GUOGL65126.COM3岩层移动：岩层移动：局部矿体被采出后，岩体内部形成一个局部矿体被采出后，岩体内部形成一个采空区，导致周围岩体应力状态发生变化，引起应

2、力采空区，导致周围岩体应力状态发生变化，引起应力重分布，从而使岩体产生移动变形和破坏，直至达到重分布，从而使岩体产生移动变形和破坏，直至达到新的平衡。新的平衡。 岩层移动的概念和特征岩层移动的概念和特征岩层移动示意图acdbb1a1d1c1移动特征区：移动特征区：充分采动区（减压区）；充分采动区（减压区）；、最大弯曲区；最大弯曲区；、岩石压缩区（支承压力区）。岩石压缩区（支承压力区）。岩层移动特征区示意图中国矿业大学 GUOGL65126.COM5岩层移动的形式岩层移动的形式 弯曲弯曲 岩层的垮落（或称冒落）岩层的垮落（或称冒落） 煤的挤出（又称片帮）煤的挤出（又称片帮） 岩石沿层面的滑移岩石

3、沿层面的滑移 垮落岩石的下滑（或滚动）垮落岩石的下滑（或滚动） 底板岩层的隆起底板岩层的隆起开采空间周围岩层的移动形式：开采空间周围岩层的移动形式：中国矿业大学 GUOGL65126.COM6移动稳定后采动岩层内的三带移动稳定后采动岩层内的三带移动稳定后上覆岩层按破坏程度，可分为三个不同移动稳定后上覆岩层按破坏程度，可分为三个不同的开采影响带，即的开采影响带，即垮落带、断裂带、弯曲下沉带垮落带、断裂带、弯曲下沉带。采空区上覆岩层内移动分布示意图-垮落带；-裂缝带；-弯曲带 地表移动的主要形式地表移动的主要形式 地表移动盆地的形成地表移动盆地的形成 地表移动盆地的采动程度地表移动盆地的采动程度

4、地表移动盆地主断面地表移动盆地主断面 地表移动盆地的特征地表移动盆地的特征2.2 地下开采引起的地表移动和变形地下开采引起的地表移动和变形中国矿业大学 GUOGL65126.COM8 地表移动：地表移动：在采空区面积扩大到一定的范围后，岩在采空区面积扩大到一定的范围后，岩层移动发展到地表，使地表产生移动和变形。层移动发展到地表，使地表产生移动和变形。 地表移动的主要形式地表移动的主要形式中国矿业大学 GUOGL65126.COM9 地表移动盆地地表移动盆地：开采影响波及到地表后，受采动影响开采影响波及到地表后，受采动影响的地表从原有标高向下沉降，从而在采空区上方地表形的地表从原有标高向下沉降，

5、从而在采空区上方地表形成一个比采空区面积大得多的沉陷区域，这种地表沉陷成一个比采空区面积大得多的沉陷区域，这种地表沉陷区域称为地表移动盆地，或下沉盆地。区域称为地表移动盆地，或下沉盆地。地表移动盆地形成过程示意图10地表裂缝及台阶：地表裂缝及台阶：在一定条件下，地表移动盆地在一定条件下，地表移动盆地外边缘拉伸变形区可能产生裂缝。裂缝的深度、宽度外边缘拉伸变形区可能产生裂缝。裂缝的深度、宽度与有无第四系松散层及其厚度、性质和变形值大小有与有无第四系松散层及其厚度、性质和变形值大小有关。关。塌陷坑：塌陷坑：塌陷坑多出现在急倾斜煤层开采条件下，塌陷坑多出现在急倾斜煤层开采条件下，在煤层露头处附近地表

6、呈现出严重的非连续性破坏，往在煤层露头处附近地表呈现出严重的非连续性破坏，往往也会出现漏斗状塌陷坑。往也会出现漏斗状塌陷坑。采动引起的塌陷坑采动引起的塌陷坑中国矿业大学 GUOGL65126.COM12地表移动盆地：地表移动盆地：当开采工作面自开切眼开始向前推进当开采工作面自开切眼开始向前推进的距离约为的距离约为1/41/41/2Ho1/2Ho时，开采影响即波及到地表，引时，开采影响即波及到地表，引起地表下沉。随着工作面继续向前推进，影响范围不断起地表下沉。随着工作面继续向前推进，影响范围不断扩大，在地表形成一个比开采范围大得多的下沉盆地。扩大，在地表形成一个比开采范围大得多的下沉盆地。 地表

7、移动盆地的形成地表移动盆地的形成 动态移动盆地：动态移动盆地：在工作面推进过程中形成，如在工作面推进过程中形成，如W W1 1、W W2 2、W W3 3和和W W4 4 静态移动盆地：静态移动盆地：地表移动稳定后最终的移动盆地，如地表移动稳定后最终的移动盆地，如W W5 5地表移动盆地形成过程充分采动充分采动（Critical MiningCritical Mining）：地表最大下沉值不）：地表最大下沉值不随采空区尺寸增大而增加的临界开采状态。此时形成的随采空区尺寸增大而增加的临界开采状态。此时形成的地表移动盆地称为地表移动盆地称为充分采动下沉盆地充分采动下沉盆地（Critical Cri

8、tical Subsidence BasinSubsidence Basin），盆地内只有），盆地内只有一个点一个点的下沉值达到的下沉值达到该地质采矿条件下应有的最大下沉值。该地质采矿条件下应有的最大下沉值。 地表移动盆地的采动程度地表移动盆地的采动程度充分采动地表移动盆地 A、B地表移动盆的的边缘O地表移动盆地的最大下沉点W0地表移动盆地最大下沉值0走边界角3走向充分采动角 非充分采动非充分采动（Subcritical MiningSubcritical Mining）：地表最）：地表最大下沉值随采空区尺寸增大而增加的开采状态。此大下沉值随采空区尺寸增大而增加的开采状态。此时形成的地表移动盆

9、地称为时形成的地表移动盆地称为非充分采动下沉盆地非充分采动下沉盆地（Subcritical Subsidence BasinSubcritical Subsidence Basin），采空区的尺寸），采空区的尺寸小于该地质采矿条件下的临界开采尺寸，地表任意小于该地质采矿条件下的临界开采尺寸，地表任意点的下沉值均点的下沉值均未达到未达到该地质采矿条件下应有的最大该地质采矿条件下应有的最大值。值。 非充分采动地表移动盆地 超充分采动超充分采动（Supercritical MiningSupercritical Mining）：地表最大下）：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，

10、又沉值不随采区尺寸增大而增加且超出临界开采的状态，又称超临界开采。此时形成的地表移动盆地为超充分采动下称超临界开采。此时形成的地表移动盆地为超充分采动下沉盆地（沉盆地（Supercritical Subsidence BasinSupercritical Subsidence Basin），盆地中央），盆地中央出现平底，平底区域点的下沉值均达到最大下沉值。出现平底，平底区域点的下沉值均达到最大下沉值。超充分采动地表移动盆地中国矿业大学 GUOGL65126.COM20 充分采动角充分采动角（以（以表示表示 ）：在充分采动条件下）：在充分采动条件下，地表移动盆地的主断面上，移动盆地平底边缘（在，

11、地表移动盆地的主断面上，移动盆地平底边缘（在地表水平线上的投影点）和同侧采空区边界连线与煤地表水平线上的投影点）和同侧采空区边界连线与煤层在采空区一侧的夹角。层在采空区一侧的夹角。充分采动地表移动盆地超充分采动地表移动盆地 地表移动盆地的主断面地表移动盆地的主断面主断面：主断面：通过地表移通过地表移动盆地最大下沉点沿煤层动盆地最大下沉点沿煤层倾向或走向的垂直断面。倾向或走向的垂直断面。主断面个数与采动程度有关。主断面个数与采动程度有关。槽型盆地示意图AB:走向主断面 CD:倾向主断面主断面的特征：主断面的特征： 主断面上地表移动盆地的范围最大；主断面上地表移动盆地的范围最大； 主断面上地表移动

12、最充分，移动变形量最大；主断面上地表移动最充分，移动变形量最大； 主断面上的点，通常不产生垂直于主断面方主断面上的点，通常不产生垂直于主断面方向的水平移动。向的水平移动。 主断面的位置主断面的位置：与：与采动程度采动程度和和煤层倾角煤层倾角有关。有关。最大下沉角：最大下沉角：倾斜煤层倾斜煤层开采时，地表移动盆地主开采时，地表移动盆地主断面上，采空区中点和地断面上，采空区中点和地表最大下沉点在地表投影表最大下沉点在地表投影点（在非充分采动条件下）点（在非充分采动条件下）或覆岩充分采动区界线延或覆岩充分采动区界线延长线交点（充分采动条件长线交点（充分采动条件下）的连线与水平线在下下）的连线与水平线

13、在下山方向的夹角。山方向的夹角。 最大下沉角的确定跟开采影响传播角加以区分跟开采影响传播角加以区分 移动盆地的中间区域移动盆地的中间区域（中性区域）；（中性区域）； 移动盆地的内边缘区移动盆地的内边缘区（压缩区域）；（压缩区域）； 移动盆地的外边缘区移动盆地的外边缘区（拉伸区域）。（拉伸区域）。 地表移动盆地特征地表移动盆地特征地表移动盆地的三个区域25 水平煤层充分开采水平煤层充分开采地表移动地表移动 盆地盆地特征：特征： 地表移动盆地位于采空区的地表移动盆地位于采空区的正上方；正上方； 地表移动盆地的形状与采空地表移动盆地的形状与采空区对称；区对称； 移动盆地内外边缘区的分界移动盆地内外边

14、缘区的分界点，大致位于采空区边界的点，大致位于采空区边界的正上方。正上方。W01020W03 030BB采 空 区ABBaabbAAA水平煤层超充分采动地表移动盆地示意图26 倾斜煤层非充分采动倾斜煤层非充分采动地表移动地表移动盆地盆地特征：特征：倾斜方向上，移动盆地的最大倾斜方向上，移动盆地的最大下沉点偏向采空区的下山方向；下沉点偏向采空区的下山方向；盆地与采空区的相对位置，在盆地与采空区的相对位置，在走向方向上对称于倾斜中心线；走向方向上对称于倾斜中心线；而在倾斜方向上不对称；而在倾斜方向上不对称；盆地的上山方向较陡，移动范盆地的上山方向较陡，移动范围小；下山方向较平缓，移动围小；下山方向

15、较平缓，移动范围大。范围大。0BB012W0O3030W0AAABB采空区A倾斜煤层非充分开采倾斜煤层非充分开采地表移动盆地地表移动盆地示意图示意图27急倾斜煤层开采急倾斜煤层开采地表移动盆地表移动盆地地特征特征: :整个移动盆地明显偏向下山整个移动盆地明显偏向下山方向。方向。下沉点不出现在采空区中心下沉点不出现在采空区中心上方，而是大致位于采空区上方，而是大致位于采空区下边界上方。下边界上方。最大水平移动值可能大于最最大水平移动值可能大于最大下沉值，不出现充分采动大下沉值，不出现充分采动情况。情况。 采空区AB急倾斜煤层开采地表移动盆地示意图2.3 地表移动和变形的描述指标地表移动和变形的描

16、述指标 下沉（下沉（SubsidenceSubsidence） 倾斜（倾斜（SlopeSlope） 曲率（曲率（CurvatureCurvature） 水平移动（水平移动（DisplacementDisplacement） 水平变形（水平变形（Horizontal StrainHorizontal Strain） 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，是地表移动表示，是地表移动向量的垂直分量，以本次与首次观测点的标高差表向量的垂直分量，以本次与首次观测点的标高差表示示 , ,即即 W Wn n=H=Hn0n0-H-Hnmnm 式中式中 W Wn n地表点的下沉，地

17、表点的下沉，mmmm； H Hn0n0、H Hnmnm表示地表表示地表n n点首次和点首次和m m次观测时的次观测时的高程，高程，mmmm。正值表示测点下沉正值表示测点下沉，负值表示测点上升负值表示测点上升，它反映了一个测点不同时间在垂直方向的变化量。它反映了一个测点不同时间在垂直方向的变化量。 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，用移叫水平移动，用U U表示。以本次与首次测得的从该表示。以本次与首次测得的从该点至控制点水平距离差表示，即点至控制点水平距离差表示，即 U Un n=L=Lnmnm-L-Ln0n0 式中式中 U

18、 Un n地表地表n n点的水平移动，点的水平移动，mmmm； L Ln0n0、L Lnmnm分别表示首次和分别表示首次和m m次观测时地表次观测时地表n n点到观点到观测线控制点测线控制点R R间的水平距离，间的水平距离，mmmm。 倾斜：倾斜：地表倾斜是指相邻两点在竖直方向的下沉差与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，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； l lm-nm-n

19、地表地表m m、n n点间的水平距离，点间的水平距离，m m； w wm m、w wn 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。 nmnmmnmnnmlwlwwi 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，由下式计算：的水平距离的比值，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点间的平均斜点间的平均斜率，率，mm/mmm/m； l lm-nm-n、l ln-pn-p分别表示地表分别表示地表m-nm-n和和n-pn-p点间的水平

20、距点间的水平距离，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。)(21pnnmnmpnpnmlliik 水平变形水平变形 ：相邻两点的水平移动差与两点间水平距离相邻两点的水平移动差与两点间水平距离的比值，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点的水平距离，点的水平距离，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。 水平变形代表了线段

21、的拉伸和压缩，水平变形代表了线段的拉伸和压缩，正值表示拉伸，负正值表示拉伸，负值表示压缩变形。值表示压缩变形。 nmmnnmmnnmluluu2.4 地表移动盆地范围及确定方法地表移动盆地范围及确定方法 移动盆地边界的划分移动盆地边界的划分 确定盆地边界的角值参数确定盆地边界的角值参数 中国矿业大学 GUOGL65126.COM35移动盆地边界划分移动盆地边界划分 最外边界：最外边界：以地表移动变形以地表移动变形为零的盆地边界点所圈定的为零的盆地边界点所圈定的边界。边界。 危险移动边界：危险移动边界：以建筑物临以建筑物临界变形值确定的边界。界变形值确定的边界。 裂缝边界：裂缝边界：根据移动盆地内根据移动盆地内最外侧的地表裂缝圈定的边最外侧的地表裂缝圈定的边界。界。A200C2C1C3D1D2D3B3B2B1A3A1采空区A2A3A1B3B2B1C2C1C3D1D2D30