《矿山测量》 课件 单元十一　岩层与地表移动

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知识目标：1、理解岩层与地表移动现象；2、了解地表移动对建筑物的影响；3、掌握保护煤柱的留设的方法。

技能目标：1、能正确划分地表移动盆地边界；2、能正确确定岩层移动角；3、能正确留设保护煤柱。

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地下煤层被大面积采空后，其周围的岩层便失去了原有的力学平衡状态，由于地质和采矿条件不同，岩层的移动与变形的形式和大小也不相同。（一）、岩层移动的形式

1．弯曲

2．岩层的垮落（或称冒落）

3．煤的挤出（又称片帮）

4．岩石沿层面的滑移

5．垮落岩石的下滑（或滚动）

6．底板岩层的隆起一、岩层与地表移动的概念3二、岩层移动稳定后采动岩层内的三带分布采空区上覆岩层内移动分带I-冒落带Ⅱ-裂缝带Ⅲ-弯曲带4（一）地表移动的概念

所谓地表移动，是指采空区面积扩大到移动范围后，岩层移动发展到地表，使地表产生移动和变形的现象。（二）地表移动的形式1、地表移动盆地2、裂缝及台阶3、塌陷坑三、地表移动5四、地表移动盆地的主断面地表移动盆地主断面有下列特征1．在主断面上地表移动盆地的范围最大；2．在主断面上地表移动最充分，移动量最大。6五、地表移动盆地边界（一）移动盆地的最外边界如图ABCD（二）移动盆地的危险移动边界如图A′B′C′D′（三）移动盆地的裂缝边界如图A″B″C″D″

7六、圈定边界的角值参数通常用角值参数圈定移动盆地边界。角值参数主要是:

1、边界角

2、移动角

3、裂缝角

4、松散层移动角

8一、确定移动角的方法(一)、用实测法确定移动角值实测法是在采空区上方的地面上建立地表移动观测站，测定各点高程和点间距的变化情况，再根据观测资料确定移动角值(二)、用类比法确定移动角类比法就是将本矿区的地质采矿条件与已有移动角值的矿区作比较，选取与本矿区地质采矿条件相近的矿区的移动角值。9一、保护煤柱设计原理

保护煤柱留设的原理是在保护对象的下方留出一部分煤炭不开采，使其周围煤炭的开采对保护对象不产生有危险性的移动和变形。在设计煤柱时，就是从受护对象的边界，沿走向主断面、倾向主断面，按移动角分别作出保护面，这些保护面在煤层内圈定的范围，就是需要留设的煤柱。

10二、保护煤柱留设所用参数

（一）围护带宽度建筑物受护面积包括两个部分：一部分是地面建筑物本身，即受护对象，另一部分为建筑物周围的受保护范围，称为围护带。（二）移动角及松散层移动角

11三、保护煤柱留设方法

（一）垂直剖面法12（二）垂线法13（三）数字标高投影法14四、保护煤柱留设实例

现以房屋为例，说明垂直断面法设计煤柱的方法和步骤。某建筑物长60m、宽25m，其建筑物长轴方向的坐标方位角为80°，煤层走向30°，煤层厚度2.0m倾角30°，煤的视密度1.35t/m³，冲积层移动角ψ=45°。试用垂直断面法确定煤柱尺寸，并计算保护煤柱的压煤量。（一）垂直法留设保护煤柱151、确定受护面积如图所示，首先按一定面积比例尺（1:500~1：5000）作房屋的平面图，使房屋的长轴与，煤层走向的夹角为80°—30°=50°，然后绘出房屋的轮廓点1、2、3、4，过房屋的轮廓点作平行于煤层走向和倾向的外切矩形1′2′3′4′。这样做是为了能利用移动角值，而且如此圈定建筑物的保护范围所谓增加的煤柱并不大，煤柱形状也较为规整，有利于煤柱周围煤层的开采。在矩形1′2′3′4′的外缘，再加15m宽的围护带，得矩形abcd，即为所确定的保护面积。16垂直断面法留设保护煤柱172、确定保护煤柱边界

通过受护面积中心作一垂直于走向的断面Ⅰ—Ⅰ，在该断面上，从被保护面积的边界点m1和n1起，按表土层移动角ψ=45°作斜线交基岩表面，得交点m2和n2。然后再按基岩移动角，在基岩面上沿下山和上山方向分别以移动角γ=75°和β=47°作斜线交煤层于m′和n′点，即为保护煤柱的下部和上部边界。同样方法，在平行于煤层走向的断面Ⅱ—Ⅱ及Ⅱ′—Ⅱ′上，按ψ=45°和δ=75°作斜线，求得沿走向断面的煤柱边界a′b′c′d′。依次将两断面上的煤柱边界转绘到平面图上，得到梯形ABCD，即为保护煤柱的平面图。然后在井上下对照图和采掘工程平面图上，绘出保护煤柱的位置。183、计算保护煤柱的压煤量QQ=体积×视宽度=A平/cosδMR式中A平——煤柱的水平面积；

R——煤的视密度；

δ——煤层倾角；

M——煤层厚度。

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上例中建筑物的长轴方向与煤层走向斜交，用垂直断面法留设保护煤柱时，为了利用移动角，需根据受护范围的角点作沿煤层走向和倾向的保护边界。当建筑物或被保护对象窄而长（如铁路、河流）时，用此方法留设保护煤柱就会大大增加煤柱的面积，造成国家煤炭资源的巨大浪费。在这种情况下，宜采用垂线法留设保护煤柱，其步骤如下：（二）垂线法留设保护煤柱201·确定受保护边界在平面与上，作保护对象轮廓的围护带（取5~20m），得到受护边界abcd，如图所示。212、确定保护煤柱将abcd绘在煤层地板等高线图上，由受护边界abcd向外S=hcotψ（式中，h为表土层厚度，ψ为表土层移动角），得到基岩面上的受护边界a′b′c′d′，如上图所示，再从a′b′c′d′向外作各边界的垂线。这些垂线的长度按下式计算向上山方向作的垂线长、向下山方向作的垂线长，式中α——煤层倾角；Hi——a′、b′、c′、d′各点的煤层埋藏深度减去该点的表土层厚度h，此值可在煤层地板高线图上分别确定；θi——各受护边界与煤层走向所夹的锐角；β′i、γ′i——所作各垂线方向（伪倾斜方向）的下山和上山移动角，可按下式计算

式中，γ、β、δ为该矿区所采用的移动角。然后根据计算结果，分别在各垂线上量取qi、∫i值，得A、A′、B、B′、C、C′、D、D′各点，连接A′B、AC、C′D、D′B′各线并延长，则相较于1、2、3、4四点，形成四边形，即为所求的保护煤柱边界。22

当用两种方法确定保护煤柱边界时，其重叠部分为受护对象最合理的保护煤柱，经济效益也最好，如图所示。（三）留设保护煤柱方法选择23

现以房屋为例，说明垂线法设计保护煤柱的方法和步骤。某建筑物长50m，宽20m，其建筑物长轴方向的坐标方位角为85°，煤层走向25°，煤层厚度2.5m，倾角35°，煤的视密度1.3t/m³，建筑物中心处的煤层埋藏深度为140m，表土层厚度20m。矿井的岩层移动角δ=γ=75°，β=47°，表土层移动角ψ=45°。试用垂线法确定煤柱尺寸，并计算保护煤柱的压煤量。241、绘出受护面积使房屋的长轴方向为85°，按一定比例尺绘出房屋的平面图，再留出15m的围护带，得到受护边界abcd，如图所示。根据煤层的走向和倾角绘出一组煤层地板等高线，通过房屋中心的等高线的数值为-140m，即采深。252、确定保护煤柱（1）由abcd向外按比例量出距离S=hcotψ=20cot45°=20m，得到a′b′c′d′，在图上确定a′、b′、c′、d′点的煤层埋藏深度，并减去表土层厚度得Ha′=0-（-195m）-20m=175m；Hb′=0-（-120m）-20m=100m，Hc′=0-(-162m）-20m=142m；Ha″=0-（-87m）-20m=67m（2）自a′、b′、c′d′各点作围护边界的垂线，得q1、q2、q3、q4、∫1、∫2、∫3、∫4.（3）应用式（10）、式（11），求伪倾角方向的移动角β′γ′i。对于q3、q4、∫3、∫4，β=47°，δ=γ=75°，θ=60°计算得β′=62°29′；γ′=75°00′对于q1、q2、∫1、∫2，β=47°，δ=γ=75°，θ=30°，计算得β′=50°42′；γ′=75°00′应用式（8）、式（9）得计算得q1=54.7m；q2=36.6m；q3=29.5m；q4=62.5m∫1=45.4m；∫1=56.0m；∫1=51.7m；∫1=29.6m在各垂线上分别截取上面计算得到的相应长度，将各端点相连延长相交，得四边形1234，即为所留煤柱的平面投影263.计算压煤量煤柱面积=Δ412+Δ423=37677m²

压煤量=37677m²/cos35°×2.5m×1.3t/m³=149484t

与前面垂直断面法相比，垂线法少于压煤10000余t。27一、测量与“三下”采煤矿区在建筑物下，铁路下及水体下采煤，简称“三下采煤”研究三下采煤的目的，就是在保护建筑物不受损害、确保井下安全生产的条件下，尽可能多地将煤炭资源开采出来减小岩层及地表移动变形的开采措施（一）选择适当的采煤方法（二）选择适当的顶板管理方法（三）合理布置工作面（四）协调开采（五）提高工作面推进速度28二、建筑物下采煤的防护措施（一）地表下沉和变形对建筑物的影响（二）建筑物的防护措施1．设置变形缝2．钢筋混凝土圈梁和钢拉杆3．设置变形缓冲沟4．用千斤顶调整房屋的曲率变形29

地下采煤引起的地表移动与变形，必然影响到铺设于该地区地面的铁路，使铁路受到破坏。铁路是国家运输的动脉，因此，在铁路下采煤，必须采取有效措施保证铁路安全运行。铁路下采煤与建筑物下、水体下采煤相比，有其独有的特点，即铁路线路在开采影响过程中，可以通过维修及时消除本身的移动和变形，如采用及时垫起路基和拔正线路