2-1 开采引起的地表沉陷规律

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。12345(0.25～0.5)H非充分采动时的地表移动盆地p1-11δ0ψ3ψ30δW0临界充分采动时的地表移动盆地Aψδ030W0ψ3δB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δ43ψ30W0W30Bψ1δ0A43123、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3BAB采空区Aδ0ψ30BWAABψδ03W0ψ3δ0δ0ψ倾向临界充分采动3δAAψδ0B3W0ψ30δ0ψBA采空区BWAψ03δ0B非充分采动ψAAδ0ψψ33Bδ0Bδ0AB采空区ABψ33δ0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3δAAψδ0B3W0ψ30δ0ψBA采空区BWAψ03δ0B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ψγ00βB1ψBθ2AAδ00WBδ0A采空区BW0A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λ0采空区β0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3oo3ψww3ψ三、地表移动的角量参数1、充分采动角o1ψwwoψ23、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ψ1ψ2owθow2ψθψ1=90-KK=0.50.82、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ACBDAA′A″δδ″φ0δA′AA″BB′B″δδ0δ″φCC′C″采空区oB′B″BD′D″DD″C″φCC′β″ββθ0φDD′0γγ″γAA′A″δδ″φ0δA′AA″BB′B″δδ0δ″φCC′C″采空区oB′B″BD′D″DD″C″φCC′β″ββθ0φDD′0γγ″γ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βφφφφλ0λλ0ββ急倾斜煤层的顶板、底板边界角移动角和裂隙角yWZoUUxXY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W4′3oψδ1′12′233′4δo3ψr8′6′5′5677′9′89x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′ABXWWABXoWΔxWxWWiABABdxdWxWix0limt倾斜是地表下沉的一阶导数dxxdWxi)()(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。(b)(a)3oψδ+δo3ψi(mm/m)-rxW(mm)x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。ABXWWABXoWΔδ0ψ3δ0ψ3xw195372468oHrUox+-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）dxdWBxBixU)()(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.mmmmmmmmmmmm3310/10曲率iAAΔXi(x)BiBoXxixiiKABAB220)(limtdxWddxxdixiKx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++δo(d)+rK(10/m)-(c)--3-W(mm)ψ3ψ3oδxxxi(mm/m)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XUXUUABAB22Blimt0dXdwdXdUXUxXAUAΔp1-25U(x)BUBoXiox+-Kox++--水平变形δ0ψ3δ0ψ3xw195372468oHr水平移动1=03=05=07=09=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。+-3oψδ+x-ε(m/mm)δo3ψrW(mm)x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+-3oψδ+x-ε(m/mm)δo3ψrW(mm)x(d)+-+-+3oψδ++x-ε(m/mm)-K(10/m)-3U(mm)+xδo3ψi(mm/m)--xrxW(mm)x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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xoxo(e)U(x)K(x)ε(x)(d)o(c)xW(x)3i(x)(b)oδ0ψψ(a)3x0δox+-(d)o+(c)x-+-+xi(x)0δ+(b)o3ψ(a)W(x)o-ψ3δ0xxxo-U(x)K(x)ε(x)+-o(d)+-+-+3oψδ++x-ε(m/mm)-K(10/m)-3U(mm)+xδo3ψi(mm/m)--xrxW(mm)x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。theobservationschemeaboutrockstratamovementandsurfacesubsidenceofface70310inYangQuanColliery1stSurveylineCSurveylineDSurveylineCSurveylineDSurveylineCSurveylineDSurveylineCSurveylineDSurveylineCSurveylineDSurveylineCSurveylineDTheprimarykeystratumthesubsidencevelocitycurveoftheprimarykeystratumandthecorrespondingsurfaceSurveylineCSurveylineDSurveylineCSurveylineDSurveylineCSurveylineDSurveylineCSurveylineD6.023.3定向轮1#平衡锤2#平衡锤测点Ⅰ测点Ⅱ钢丝绳180m130m27m71m1-2煤层地面测点30联巷35联巷40联巷30联巷35联巷40联巷b26931401综采面地面测线ⅠN0N1N5N10N15N20地面测线ⅡS0S5S10S15S20S18岩移孔25联巷25联巷运顺回顺N22-3500-3000-2500-2000-1500-1000-5000500-100010020030040031401工作面与S18钻孔间距/m下沉量/mm主关键层(测点Ⅰ)基岩(测点Ⅱ)地面(孔口测点S6)-1000100200300400500600700-100-5005010015020025030031401工作面与S18钻孔间距/m下沉速度/(mm•d-1)主关键层(测点Ⅰ)基岩(测点Ⅱ)地面(孔口测点S6)TheresearchofnumericalsimulationLithologiccharactersThickness(m)Elasticmodulus(GPa)Poisson’sratioVolumeweight(104kN/m3)Internalfrictionangle(º)Tensilestrength(MPa)Cohesion(MPa)Remarksoil571.50.292.050.050.094Slicingthichness3mThinSandstone10360.22.732510PrimarykeystratumSandshale127.20.222.5251.23Slicingthichness2mMid-sandstone5190.172.7322.15SubordinatekeystratumSandshale167.20.22.5251.23Slicingthichness2mCoal38.80.231.3180.81.5CoalseamSandstone7230.182.7302.15FloorTable1thecharacteristicsa