矿山开采沉陷观测课件

第十四章矿山开采沉陷观测§14.1开采过程中的移动和变形§14.2地表移动观测站的设计§14.3地表移动观测和资料整理§14.4岩层移动及破坏检测技术§14.5”三下”采煤观测概述§14.6保护煤柱的留设§14.7保护煤柱设计实例

第十四章矿山开采沉陷观测§14-1地表与岩层移动的几个基本概念一、岩层移动的几种形式

由于开采地下矿产资源引起的地表与上覆岩层的岩体遭到破坏而产生的移动与变形统称为地表与岩层移动。地表与岩层移动的形式主要有以下六种。

1弯曲当地下煤层被采出后，从其直接顶到地表将沿其层理的法线方向，向采空区方向弯曲。在整个弯曲过程中，岩层整体上保持其连续性和层状结构。第十四章矿山开采沉陷观测2冒落煤层被采出后，其上覆岩层最初的弯曲达到一定限度后，其直接顶板岩层将与整体分开，破碎成小的岩块而落下来充填采空区，这种移动形式称为冒落。3片帮煤层采出后，采空区顶板岩层内出现悬空，其压力便转移到煤壁上，形成增压区，煤壁在附加载荷的作用下，一部分被压碎并垮向采空区，这种现象称为片帮。第十四章矿山开采沉陷观测6

底板岩层的隆起(又称底鼓)如果煤层底板岩石很软且倾角较大，在煤层采出后，底板在垂直方向减压，水平方向受压，造成底板向采空区方向隆起的现象，称为底鼓。第十四章矿山开采沉陷观测二、移动稳定后采动岩层内的三带煤层采出后，所产生的地表与岩层移动过程较为复杂，为了满足采矿工程的需要，将移动稳定后的采动岩层按其破坏程度不同，分为三个不同的开采影响带，即冒落带、断裂带和弯曲带。第十四章矿山开采沉陷观测1

冒落带冒落带是指采用全部垮落法管理顶板时，回采工作面放顶后引起煤层直接顶板产生破坏的范围。其特点是顶板岩石发生破碎，而且越是靠近煤层的岩石破坏愈严重。冒落带的高度主要取决于采出煤层的厚度和上覆岩石的碎胀系数，一般为采出煤层厚度的3-5倍。第十四章矿山开采沉陷观测3弯曲带断裂带之上直至地表都属于弯曲带。在弯曲带内，岩层在自重力作用下产生沿层面法线方向的弯曲，但仍保持其原有的层状结构；岩层的移动是连续而有规律的。弯曲带的高度主要受开采深度的影响，当采深很大时，弯曲带的高度将很大，但地表的移动和变形相对较平缓。第十四章矿山开采沉陷观测三、地表移动盆地当开采影响波及到地表之后，受采动影响的地表从原有标高向下沉降，从而在采空区上方形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。地表移动盆地是在工作面的推进过程中逐步形成的，地表移动盆地的大小和形状主要与煤层倾角、采空区的大小和采深是否达到充分采动有关。第十四章矿山开采沉陷观测第十四章矿山开采沉陷观测四、移动盆地的主断面通常情况下，通过采空区中心与煤层走向平行或垂直的断面上的地表移动值最大，我们将该断面称为移动盆地的主断面。在主断面上不仅移动量最大，而且地表移动盆地的范围也是最大的。主断面的位置一般在采空区中间，但与采动情况和煤层倾角有关。在非充分采动情况下，通过采空区中心所作的平行于煤层倾向的垂直断面，即为移动盆地的倾斜主断面。走向主断面的位置则需要通过倾斜主断面上的最大下沉点，按最大移动角θ确定(所谓最大下沉角是指采空区的中点和地表移动盆地的最大下沉点的连线，与水平线之间在煤层下山方向一侧的夹角)。第十四章矿山开采沉陷观测第十四章矿山开采沉陷观测五、地表移动和变形对建筑物的影响1地表下沉和水平移动对建筑物的影响地表大面积的均匀下沉和水平移动，只会引起建筑物整体的移动，不会导致建筑物的破坏。但当移动值很大、地下水位很浅时，地表移动盆地积水，不仅会使建筑物淹没在水中，而且易使地基强度降低，严重时可造成建筑物的倒塌。非均匀的下沉和水平移动对建筑物和交通线路等都有严重的不利影响。第十四章矿山开采沉陷观测3

地表曲率变形对建筑物的影响曲率变形是反映地表弯曲程度的指标，分正曲率(地表上凸)和负曲率(地表下凹)两种。负曲率变形使建筑物中间受力小，两端受力大，乃至中央部分处于悬空状态，使建筑物产生八字形的裂缝。4地表水平变形对建筑物的影响水平变形也分为正负两种：正值表示拉伸变形；负值表示压缩变形。水平变形是引起建筑物破坏的重要因素，尤其是拉伸变形。第十四章地表与岩层移动简介六、地表移动盆地的边界角、移动角和裂缝角在地表移动盆地内不同区域移动和变形的程度不同，人们根据地表移动和变形的程度和实际需要，将移动盆地划分为三个边界。1移动盆地的最外边界以地表移动和变形都为零的点圈出的边界，称为移动盆地的最新边界。实际工作中是以下沉10mm的点圈定边界。在移动盆地主断面上盆地的边界点(或松散岩层与岩层交面上的边界点)和采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角，称为边界角。边界角分为走向边界角(δ０）下山边界角(β０）和上山边界角(γ０)，以及急倾斜煤层底板边界角(λ０)。第十四章矿山开采沉陷观测2危险移动边界危险移动边界是以地表移动与变形对建筑物有无危害而划分的边界。由于不同建筑物所承受最大变形的能力不同，我国现采用的是以砖木结构的建筑物能承受的最大变形值来作为确定危险边界的标准，地表移动盆地主断面上地表危险移动边界点（有松散层时，则为松散层与基岩交面上的危险边界点）和采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角，称为移动角。移动角也分为走向移动角、下山移动角、上山移动角和急倾斜煤层的底板移动角，分别以δ、β、γ和λ表示。松散岩层的移动角以φ表示。第十四章矿山开采沉陷观测§14-2地表移动的观测

研究地表与岩层移动的方法主要有实地观测法、理论研究法和相似材料模型法。目前最主要的方法仍是实地观测法。一、地表移动观测站的设计第十四章矿山开采沉陷观测1需要收集的资料2观测站的设计方法(1)倾斜观测线位置及其长度的确定倾斜观测线一般设置在移动盆地的倾斜主断面上。倾斜观测线的长度，应保证线的两端在不受开采影响的范围内。倾斜观测线的长度是在移动盆地的倾斜主断面上确定的。lＡＢ＝２hcotφ+(Ｈ１－h)cot（β－Δβ）＋（Ｈ２－h)cot（γ－Δγ）＋Ｌcosα第十四章矿山开采沉陷观测(2)走向观测线位置及其长度的确定走向观测线应设置在移动盆地的走向主断面上。走向观测线的位置是在倾斜主断面上确定的，从采空区中心按最大下沉角θ划线与地面相交于O点，通过O点作垂直于煤层倾向的垂直断面即为移动盆地的走向主断面，因此，该断面与地面的交线即为走向观测线的位置。走向观测线的长度是在走向主断面上确定的。第十四章矿山开采沉陷观测二、地表移动观测站的设置和观测观测站的设置就是将设计好的观测点标定到实地上去。标定方法是:首先利用矿区控制点标定出观测站的控制点，再根据观测站控制点标定出观测点和另一观测线与该观测线的交点，然后再在交点上安置仪器标定另一观测线上的控制点和观测点。地表移动观测站观测工作的基本内容是：在采动过程中，定期、重复测定观测线上各测点在不同时期内空间位置的变化情况。具体可分为观测站的连接测量、全面观测、单独进行的水准测量、地表破坏的测定和编录。第十四章矿山开采沉陷观测1连接测量根据矿区控制网测定出某个测站控制点的平面位置和高程，再根据该控制点来测定其他观测点和控制点的位置，以便确定观测线与回采工作面间的相互位置关系。第十四章矿山开采沉陷观测三、地表移动观测站观测成果的整理与分析包括计算和绘图两部分。1观测成果的计算根据外业成果首先计算出各观测点的高程及相邻点间的水平距离在观测线方向上的投影长度，然后再按测线计算各种移动与变形值。(1)

观测点高程的计算观测点高程的计算首先应根据水准测量成果进行平差，然后再按一般水准路线的计算方法计算出各观测点的高程。(2)

计算各相邻测点沿观测线方向的距离第十四章矿山开采沉陷观测(3)

计算各种移动和变形值①计算下沉值W②计算相邻两点间的倾斜i③计算曲率K④计算水平移动U⑤计算水平变形ε⑥计算下沉速率v第十四章地表与岩层移动简介2观测成果图的绘制

绘制移动和变形曲线图时，水平比例尺一般与观测站平面图一致，竖直比例尺的选取应以绘制的曲线能够清楚反映出移动和变形的分布规律为原则。曲线图和观测线的断面图应绘制在一起，以便于分析各种地质采矿条件对移动和变形分布形态的影响(如下图)。第十四章矿山开采沉陷观测第十四章矿山开采沉陷观测§14-3保护煤柱的留设

保护煤柱是指了为保护煤层上方的岩层和地表的保护对象(如水体、建筑物等)不受开采的影响，而在井下留设的不予开采的部分煤层。一、保护煤柱的留设方法确定保护煤柱边界的方法有垂直剖面法、垂线法和数字标高投影法等。这里以常用的垂直剖面法为例来介绍留设保护煤柱的过程。第十四章矿山开采沉陷观测1确定受护边界保持受护边界线与煤层走向平行或垂直，因此当受护边界与煤层走向斜交时应沿受护边界点作与煤层走向平行或垂直的直线来确定受护边界线。2确定围护带的宽度在受护对象边界外还应预留出一定的宽度第十四章矿山开采沉陷观测3确定保护煤柱的边界确定出受护范围后，通过受护范围的中心分别作沿煤层走向和倾向的垂直剖面；在倾向垂直剖面上，松散层内从地面边界点以松散层移动角φ向外画两条斜线与基岩面相交，再分别从上山和下山方向的交点以下山移动角β和上山移动角γ向外作斜线交煤层面于n′k′点；将n′k′投影到平面图上即得保护煤柱倾向