2-1-开采引起的地表沉陷规律课件

2减沉开采技术2-1开采引起的地表沉陷规律2-2开采沉陷对地面建筑物的影响2-3减少开采沉陷影响的技术措施2-4条带开采技术2-5充填开采技术2-6部分充填开采技术2-1

开采引起的地表沉陷规律一、地表移动和破坏的形式二、地表移动盆地的形成及特征三、地表移动的角量参数四、地表移动变形参数与分布规律五、关键层运动对开采沉陷的影响六、开采沉陷预计方法一、地表移动和破坏的形式地表移动盆地地表裂缝及台阶煤层露头处附近漏斗状塌陷坑

二、地表移动盆地的形成及特征1、地表移动盆地的形成H1W12W23W345W4W52、充分采动与非充分采动

充分采动—地表最大下沉值不再随开采区域尺寸增大而增加.非充分采动—地表最大下沉值随开采区域尺寸增大而增加.非充分采动时的地表移动盆地

临界充分采动时的地表移动盆地

临界开采尺寸,1.2～1.4倍采深超充分采动时的地表移动盆地

3、地表移动盆地特征

主断面—通过盆地内最大下沉点沿煤层倾向或走向的垂直剖面〔1〕近水平煤层地表移动盆地倾向临界充分采动

非充分采动下沉曲线特征主断面上的地表下沉曲线分为三段.采空区上方的内缘区下沉曲线呈凹形煤柱上方的外边缘区下沉曲线呈凸形下沉曲线的凹凸或内外边缘区分界点称为拐点.拐点偏移距.〔2〕缓倾斜和倾斜煤层地表移动盆地移动盆地在倾向方向上与采空区不对称.盆地、最大下沉值和拐点均下移.〔3〕急倾斜煤层地表移动盆地非对称性更加明显,整个盆地及最大下沉值向采空区下边界方向偏移,地表最大水平移动值大于最大下沉值,煤层底板岩层也移动在移动盆地主断面上,将地表下沉曲线上的最大下沉点或盆地平底边缘点投影在地表水平线上,该投影点和采空区边界的连线与煤层底板在采空区一侧的夹角叫充分采动角.下山方向的充分采动角1上山方向的充分采动角2走向方向的充分采动角3三、地表移动的角量参数1、充分采动角3、最大下沉角

在移动盆地倾向主断面上,采空区中点和地表最大下沉点在地表水平线上投影点的连线与水平线在下山方向的夹角=90-K

K=0.50.82、边界角、移动角和裂隙角移动盆地的最外边界一般取下沉为10mm的点为边界点ACBD移动盆地危险边界倾斜i=3mm/m水平变形=2mm/m曲率K=0.2mm/m2A'C'B'D'移动盆地裂缝边界A"C"B"D"松散层移动角松散层第四纪、第三纪未成岩的冲积层、洪积层和残积层的统称松散层移动角,一般取45°.当有松散层时,应先以松散层移动角将边界点投影到基岩面,再与开采边界连线确定移动角.急倾斜煤层边界角、移动角、裂隙角

急倾斜煤层的顶板、底板边界角移动角和裂隙角四、地表移动的变形参数空间问题平面问题在主断面上用数学方法研究任意一点的向量横向〔X〕

纵向〔y〕开采引起的地表移动是复杂的时间-空间现象.一点的移动矢量是空间位置〔x、y、z〕和时间〔t〕的函数.垂直移动〔Z〕水平移动描述地表移动盆地内移动和变形的主要指标下沉水平移动倾斜曲率水平变形1、下沉W主断面内地表移动向量的铅直分量W=W〔x〕最大下沉值在盆地中央下沉曲线凹凸分界的拐点处,下沉值约为最大值的一半.2、水平移动U地表移动向量的水平分量123456789xδ0ψ3ψ3δ02′3′4′5′6′7′8′9′1′U=U〔x〕,有两组方向不同的水平移动

规定:正值的水平移动与x轴的正方向一致

负值的水平移动与x轴的负方向一致水平移动1点U1=05点U5=09点U9=0U坐标向下为正Uox+-123456789xδ0ψ3ψ3δ02′3′4′5′6′7′8′9′1′边界点和采空区中点的水平移动为零；边界点和采空区中点之间有极值.3、倾斜i倾斜是指地表单位长度内下沉的变化,单位为mm/m,i坐标轴向下为正123456789xδ0ψ3ψ3δ02′3′4′5′6′7′8′9′1′倾斜是地表下沉的一阶导数倾斜的正负号

有两组方向不同的倾斜边界点和最大下沉点之间的倾斜必然有正极值和负极值存在.倾斜的正负号的物理意义垂直于地表下沉曲线的杆状物倾倒的趋向与x轴正向相同时,倾斜为正；杆状物倾倒的趋向与x轴负向相同时倾斜为负.δ0ψ3δ0ψ3xw195372468oHrUox+-iox+-水平移动U〔x〕和倾斜i〔x〕的变化趋势同步水平移动U〔x〕和倾斜i〔x〕Uox+-iox+-B一个有单位的比例系数4、曲率K

地表单位长度内倾斜的变化,单位为mm/m2或10-3/m.曲率坐标轴向上为正.曲率BAΔxBAΔxiox+-Kox++--K1=0K3=0K5=0K7=0K9=0曲率δ0ψ3δ0ψ3xw195372468oHr倾斜曲率正负号的物理意义

正曲率的物理意义是地表下沉曲线在地面方向凸起或在煤层方向下凹负曲率的物理意义是地表下沉曲线在地面方向下凹或在煤层方向凸起

5、水平变形

单位长度上水平移动的变化,单位：mm/m坐标向上为正iox+-Kox++--水平变形δ0ψ3δ0ψ3xw195372468oHr水平

移动

1=0

3=0

5=07=09=0水平变形正负号的物理意义

水平变形正值的物理意义为地表受拉伸变形负值的物理意义为地表受压缩变形.两个相等的正极值和两个相等的负极值正极值为最大拉伸值,位于边界点和拐点之间；负极值为最大压缩值,位于两个拐点之间；盆地边界点、拐点和中点处水平变形为零；盆地边缘区为拉伸区,中部为压缩区水平变形的变化规律地表移动盆地内五项指标变化规律五项指标之间的关系

()()()()()2222dxWdBxdxdWBxUdxWdxKdxdWxixWW=====e非充分和超充分采动条件下水平煤层<或有一定倾角的煤层沿走向>主断面内地表移动与变形规律倾斜煤层移动与变形规律1-下沉

2-倾斜

3-曲率

4-水平移动

5-水平变形1、上山部分的下沉曲线比下山部分的下沉曲线要陡,范围要小；最大下沉点偏向下山方向.2、水平移动曲线和倾斜曲线不相似,水平变形曲线和曲率曲线不相似.3、指向上山方向的水平移动大于指向下山方向的水平移动.4、最大拉伸变形在下山方向,最大压缩变形在上山方向.地表移动与变形的影响因素1、煤层地质条件煤层厚度、倾角、埋深2、覆岩与地层条件岩性、厚度与组合关系,关键层特征,山地、地下水3、开采技术条件重复开采、采空区处理、开采速度覆岩移动的动态过程

五、关键层运动对开采沉陷的影响

关键层对地表下沉的控制作用实验及实测研究结果都证明,主关键层对地表移动过程起控制作用,主关键层的破断将导致地表快速下沉,地表下沉速度随主关键层周期性破断而呈现跳跃性变化.theobservationschemeaboutrockstratamovementandsurfacesubsidenceofface70310inYangQuanColliery1stTheprimarykeystratumthesubsidencevelocitycurveoftheprimarykeystratumandthecorrespondingsurface6.023.3

TheresearchofnumericalsimulationTable1thecharacteristicsandmechanicsparametersofstratainthenumericalmodelCutFig.3thenumericalsimulationschemeabouttheinfluenceoftheprimarykeystratumonthesurfacesubsidenceFig.5

thesubsidencespeedcurveofasurfacepointawayfromstartingcut96mThe2ndbreakofPKSThe1stbreakofPKSPKSSKSSurfaceFig.6thevarietyofsurfacemovementboundaryrespondtothebreakprocessofPKS<subsidenceboundary10mm>TheinitialbreakageofPKSThe1stperiodicbreakageofPKSThe2ndperiodicbreakageofPKS75°71°74°72°65°64°TheresearchofphysicalsimulationPKSSurfaceSoilFig.7thephysicalsimulationschemeabouttheinfluenceoftheprimarykeystratumonthesurfaceactivesubsidencePlain-stressmodel:5m×3m×0.3m

Geometrysimilarratio:1:50

PKSSurfaceSoilBeforethebreakofPKSPKSSurfaceSoilAfterthebreakofPKS50mfromcutinitial4th2nd1st3rd90mfromcutinitial4th2nd1st3rd地表移动速度和持续时间地面观测间隔周期对地表下沉速度曲线形态有较大影响.传统观测方法中两次观测间隔时间过长,会均化下沉速度,往往会捕捉不到主关键层周期破断对地表下沉动态的影响,也捕捉不到地表最大下沉速度,观测间隔周期短时则能捕捉到下沉速度的周期跳跃性变化.浅部与深部开采地表下沉盆地范围对比采深增加意味：覆岩关键层层数增多；主关键层位置的改变徐州某矿覆岩关键层随采深增大的变化<a>淮北矿区某矿淮北某矿覆岩关键层随采深增大的变化

<a>1022工作面<b>Ⅱ1022工作面工作面地质采矿条件工作面面长/m煤厚/m平均采深/m表土厚度/m基岩厚度/m采动充分程度n1022面Ⅱ1022面1402202.52.5310611240240703710.380.36实测地表移动变形最大值工作面下沉量W/m下沉系数q倾斜I/mm/m曲率K/mm/m2水平位移U/m水平变形ε/mm/m1022面1.8300.7329.860.1000.4104.05Ⅱ1022面0.2100.080.880.0130.0940.36习惯上用采动充分程度n来评价地表沉陷程度

n=D/H

D是采宽

H是采深

工作面地质采矿条件工作面面长/m煤厚/m平均采深/m表土厚度/m基岩厚度/m采动充分程度n1022面Ⅱ1022面1402202.52.5310611240240703710.380.36实测地表移动变形最大值工作面下沉量W/m下沉系数q倾斜I/mm/m曲率K/mm/m2水平位移U/m水平变形ε/mm/m1022面1.8300.7329.860.1000.4104.05Ⅱ1022面0.2100.080.880.0130.0940.36

浅部与深部开采地表移动变形最大值的数值模拟结果面长下沉量W/m倾斜I/mm/m曲率K/mm/m2水平位移U/m水平变形ε/mm/m采动充分程度n150m采深300m-0.140-0.9890.0240.0390.1550.5采深800m-0.137-0.3370.0080.0320.1160.19450m采深300m-2.735-20.2170.6540.7066.2661.5采深800m-2.46-8.5300.1770.6212.8600.56典型曲线法剖面函数法概率积分法数值模拟法六、开采沉陷预计方法典型曲线法典型曲线法是将矿区开采沉陷大量实测资料转化为移动盆地主断面内移动和变形分布规律的无因次曲线,据此对该矿区类似条件下的地表移动和变形作出预计.典型曲线法适用于矩形或近似矩形开采区域的地表移动和变形预计.峰峰矿区曾总结出了该矿区的下沉典型曲线.六、开采沉陷预计方法剖面函数法剖面函数法是以一定的函数表示下沉盆地主剖面,从而通过函数的运算对开采沉陷进行预计的方法.我国最常用的负指数函数法,它是用负指数函数表示下沉盆地主剖面方程的方法.剖面函数法适用于矩形或近似矩形开采区域的地表移动和变形预计.六、开采沉陷预计方法概率积分法概率积分法是我国学者刘宝琛、廖国华在波兰学者李特威尼申〔Litwiniszyn〕创立的岩层移动的随机介质理论基础上发展而来的.任意开采条件下都可以将整个开采分解为无限多个微小单元的开采,整个开采对地表的影响等于所有开采单元的影响叠加之和.观测表明：在近水平煤层开采条件下,或沿煤层走向的主断面内,下沉盆地的下沉曲线基本呈正态分布,且与正态分布的概率密度分布基本一致.因此,整个开采引起的下沉盆地的剖面方程式可表示为概率密度函数的积分表达式.概率积分法适用于水平和倾斜煤层任意形状开采区域和任意点的地表移动和变形预计.六、开采沉陷预计方法概率积分法〔1〕基本原理〔2〕正态分布密度函数与概率积分函数μ为常数,数学期望0常数,方差2特点：〔1〕对称于X=μ〔2〕X=μ时,

〔3〕f〔x〕为ox轴为渐进线f(x)oxμ〔3〕单元开采地表下沉盆地r—主要影响半径〔r=Hctg〕〔4〕半无限开采下沉开采范围0+x0的煤层全部采出,x0的煤层全部保留ox半无限开采单位厚度的煤层后x位置处A点的下沉简化的半无限开采地表移动和变形预计公式半无限开采倾向主断面内的移动与变形预计〔5〕概率积分法的预计参数下沉系数q

水平移动系数b

主要影响半径r与主要影响角正切tanβ

拐点偏移距s

下沉系数与覆岩岩性有关

下沉系数与采空区处理方法有关

下沉系数与重复采动有关

下沉系数与采深有关下沉系数q

q——地表下沉系数；

W0——地表最大下沉值,m；

m——采高,m；

α——煤层倾角,<°>.

岩性坚硬中硬软弱下沉系数0.270.540.550.850.861.00部分煤矿实测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下沉系数全部垮落法0.40.95带状充填法(外来材料)0.550.70干式全部充填法(外来材料)0.40.50风力充填法0.300.40水砂充填法0.060.20采空区处理方法与矿区初次采动下沉系数重复采动下沉系数淮南0.70.9峰峰0.80.9-1.0本溪0.70.8阜新0.65-0.70鹤岗0.65-0.7平顶山0.65-0.77枣庄0.59-0.7重复采动对地表下沉系数影响水平移动系数水平煤层一般b=0.3,变化范围大致在0.20.4倾斜煤层bαbα=b<1+0.0086α>主要影响半径r与主要影响角正切tanβ

主要影响半径x=r处的地表移动和变形xW（x）i（x）K（x）-r0.0062W00.0432i00.178K0r0.9938W00.0432i0-0.178K0主要影响角主要影响角：开采边界点与主要影响半径边界点的连线与水平线所夹的锐角r,影响范围变小r影响范围变大主要影响角正切tg取值tg常见值为1.3~2.5,一般为2大小主要决定于上覆岩层的岩性,岩层坚硬时,tg较小,岩层软弱时,tg较大.一般情况下,坚硬岩层的tg为1.2~1.91,中硬岩层为1.92~2.4,软弱岩层为2.41~3.54.拐点偏移距拐点处下沉为最大下沉的一半,倾斜和水平移动值最大,曲率和水平变形值为零.覆岩越硬,拐点偏移距越大.采深越大,拐点偏移距越大.CollectthesurfacesubsidencedatainpastDisplacementback-analysisbynumericalsimulationDefinethemechanicsparametersofstrataTheminingsubsidencepredictionbynumericalsimulationDiagramofminingsubsidencepr