第六章 礦山開采沉陷規(guī)律及觀測站設(shè)計(jì)

1、第6章 礦山開采沉陷規(guī)律及觀測站設(shè)計(jì)開采沉陷規(guī)律：地下開采引起的地表移動(dòng)變形的大小、空間分布形態(tài)及其與地質(zhì)采礦條件的關(guān)系巖層移動(dòng)分區(qū)三個(gè)移動(dòng)特征區(qū)：充分采動(dòng)區(qū)（減壓區(qū)COD）；、最大彎曲區(qū)；、巖石壓縮區(qū)（支承壓力區(qū)）GKMC、HLND巖層移動(dòng)和破壞的形式（1） 彎曲（2） 垮落（冒落）（3） 滾動(dòng)（垮落巖石的下滑）（4） 片幫（擠出）（5） 巖石沿層面的滑移（6） 底板巖層的隆起巖層移動(dòng)和破壞形成的“三帶”根據(jù)巖層移動(dòng)破壞的不同，把采動(dòng)巖層分為三個(gè)部分，即巖層移動(dòng)的“三帶”：1）垮落帶；2）裂縫帶；3）彎曲帶；在水體上采煤時(shí)，將采動(dòng)巖體底板也分為三帶：1） 底板采動(dòng)破壞帶；2）底板阻水帶；3）

2、底板承壓水導(dǎo)升帶 1、 垮落帶指工作面開采達(dá)到一定寬度時(shí)引起上覆巖層頂板垮落的巖層移動(dòng)區(qū)域垮落帶內(nèi)巖層破壞特點(diǎn)是： （1）分區(qū)性 ：不規(guī)則垮落帶和規(guī)則垮落帶 （2）碎脹性，碎脹系數(shù)值恒大于1，一般在1.51.80之間。 （3）可壓縮性 （4）垮落帶高度主要取決于采出厚度和上覆巖層的碎脹系數(shù)、巖性等，通常為采出厚度的35倍2、裂縫帶在采空區(qū)上覆巖層中產(chǎn)生裂縫、離層及斷裂，但仍保持層狀結(jié)構(gòu)的那部分巖層稱為裂縫帶特征：（1）巖體內(nèi)裂隙多，但仍保持層狀結(jié)構(gòu) （2）導(dǎo)水裂隙帶高度與巖性密切相關(guān)3、彎曲帶指裂縫帶以上至地表的區(qū)域特點(diǎn)：1）保持整體性和層狀結(jié)構(gòu)，隔水性能好 2）移動(dòng)過程連續(xù)而有規(guī)律，不存在或

3、極少存在離層裂縫 3）在豎直面內(nèi)，各部分的移動(dòng)值相差很小 4）當(dāng)開采深度大時(shí)，H彎H裂地表移動(dòng)：指地下采空區(qū)面積擴(kuò)大到一定范圍后，巖層移動(dòng)發(fā)展到地表，使地表產(chǎn)生移動(dòng)與變形，在礦山開采沉陷的研究中稱這一過程和現(xiàn)象為地表移動(dòng)分為兩種形式：（1）連續(xù)的移動(dòng)與變形；（2）非連續(xù)的破壞地表移動(dòng)主要的三種形式：（1） 地表移動(dòng)盆地當(dāng)?shù)叵麻_采達(dá)到一定范圍后，開采影響波及到地表，受波及影響的地表從原有的標(biāo)高向下沉降，從而在采空區(qū)上方形成一個(gè)比采空區(qū)范圍大得多的沉陷區(qū)域，稱為地表移動(dòng)盆地（2） 裂縫及臺(tái)階（3） 塌陷坑下沉：地表移動(dòng)向量的垂直分量稱為下沉，用w表示水平移動(dòng)：地表移動(dòng)向量的水平分量稱為水平移動(dòng)，用

4、u表示充分采動(dòng)：使地表下沉值達(dá)到該地質(zhì)采礦技術(shù)條件下應(yīng)有的最大值的采空區(qū)面積為臨界開采面積，此時(shí)的地表采動(dòng)影響稱為充分采動(dòng)非充分采動(dòng):當(dāng)采空區(qū)尺寸小于該地質(zhì)采礦條件下的臨界開采尺寸時(shí)，地表最大下沉值未達(dá)到該地質(zhì)采礦條件下應(yīng)有的最大值，稱這種采動(dòng)程度為非充分采動(dòng)超充分采動(dòng)：當(dāng)?shù)乇磉_(dá)到充分采動(dòng)后，開采工作面繼續(xù)推進(jìn)時(shí)，地表醬油多個(gè)點(diǎn)的下沉值達(dá)到該地質(zhì)采礦條件下應(yīng)有的最大下沉值，此時(shí)的采動(dòng)稱為超充分采動(dòng)地表移動(dòng)盆地的特征特征：移動(dòng)范圍大于采空區(qū)范圍；形狀與傾角有關(guān)移動(dòng)盆地的分區(qū)1） 中間區(qū) ；2）內(nèi)邊緣區(qū)（壓縮區(qū)）；3）外邊緣區(qū)（拉伸）拐點(diǎn)：內(nèi)外邊緣區(qū)的分界點(diǎn)稱為或下沉曲線的凹凸變化點(diǎn)地表移動(dòng)盆地的

5、主斷面通過地表移動(dòng)盆地最大下沉點(diǎn)所作的沿煤層走向和傾向的垂直斷面稱為地表移動(dòng)盆地主斷面當(dāng)?shù)乇矸浅浞植蓜?dòng)或者充分采動(dòng)時(shí)，沿一個(gè)方向的主斷面只有一個(gè)；當(dāng)?shù)乇磉_(dá)到超充分采動(dòng)時(shí)，垂直于充分采動(dòng)方向的主斷面有無數(shù)個(gè)地表移動(dòng)盆地主斷面具有以下特征：（1）在主斷面上地表移動(dòng)盆地的范圍最大（2）在主斷面上地表移動(dòng)最充分，移動(dòng)量最大（3）在主斷面上，不存在垂直于主斷面方向的水平移動(dòng)描述地表移動(dòng)盆地內(nèi)移動(dòng)和變形的主要指標(biāo)：下沉、傾斜、曲率、水平移動(dòng)、水平變形地表移動(dòng)盆地主要角量參數(shù)描述地表移動(dòng)盆地形態(tài)和范圍的角量參數(shù)主要是邊界角、移動(dòng)角、裂縫角、充分采動(dòng)角和最大下沉角（1) 邊界角在充分采動(dòng)或接近充分采動(dòng)的條件下

6、，地表移動(dòng)盆地主斷面上盆地邊界點(diǎn)（下沉為10mm）至采空區(qū)邊界的連線與水平線在礦柱一側(cè)的夾角稱為邊界角走向0、下山0、上山0、急傾斜礦層底板0 以下沉10mm作為移動(dòng)盆地最外邊界點(diǎn)，以這些點(diǎn)圈定的邊界稱為移動(dòng)盆地最外邊界（2) 移動(dòng)角在充分采動(dòng)或接近充分采動(dòng)的條件下，地表移動(dòng)盆地主斷面上三個(gè)臨界變形中最外邊的一個(gè)臨界變形值點(diǎn)至采空區(qū)邊界的連線與水平線在礦柱一側(cè)的夾角稱為移動(dòng)角走向、下山、上山、急傾斜礦層底板，表土移動(dòng)角用表示，與無關(guān)對(duì)建筑物有影響的變形主要有：傾斜、曲率、水平變形臨界變形值：不需要維修能保證建筑物正常使用所允許的地表最大變形值稱為臨界變形值（3) 裂縫角在充分采動(dòng)或接近充分采動(dòng)

7、的條件下，地表移動(dòng)盆地主斷面上，移動(dòng)盆地最外側(cè)的地表裂縫至采空區(qū)邊界的連線與水平線在礦柱一側(cè)的夾角稱為裂縫角走向、下山、上山、急傾斜礦層底板 （4) 充分采動(dòng)角在充分采動(dòng)條件下，在地表移動(dòng)盆地主斷面上，移動(dòng)盆地平底的邊緣在地表水平線上的投影點(diǎn)和同側(cè)采空區(qū)邊界的連線與煤層在采空區(qū)一側(cè)的夾角稱為充分采動(dòng)角走向3、下山1、上山2（5) 最大下沉角在傾斜主斷面上，由采空區(qū)的中點(diǎn)和地表移動(dòng)盆地最大下沉點(diǎn)（非充分或充分采動(dòng)）或地表移動(dòng)盆地平底中心點(diǎn)（超充分采動(dòng)）在地表水平上投影點(diǎn)的連線與水平線之間在煤層下山方向一側(cè)的夾角，用表示L00L/2dABWfmH0o（a）觀測站：開采進(jìn)行之前，在開采影響范圍內(nèi)的地

8、表，按照一定要求設(shè)置的一系列互相聯(lián)系的觀測點(diǎn)觀測站的任務(wù)(1)研究地質(zhì)采礦條件與移動(dòng)變形的關(guān)系，獲得開采沉陷參數(shù)與地質(zhì)采礦條件的關(guān)系(2)獲得地表與巖層內(nèi)部的移動(dòng)變形規(guī)律(3)獲得移動(dòng)變形與建筑物破壞關(guān)系，確定臨界變形值(4)獲得巖體內(nèi)部破壞規(guī)律觀測站設(shè)計(jì)的原則觀測線應(yīng)布設(shè)在地表移動(dòng)盆地的主斷面上設(shè)站地區(qū)在觀測期間不受鄰近開采的影響觀測線的長度要大于地表移動(dòng)盆地的范圍觀測線上的測點(diǎn)應(yīng)有一定的密度觀測站的控制點(diǎn)要設(shè)在移動(dòng)盆地范圍以外，埋設(shè)要牢固。在凍土地區(qū)，控制點(diǎn)底面應(yīng)在凍土線0.5m以下測點(diǎn)埋設(shè)要牢固，設(shè)在移動(dòng)范圍內(nèi)的觀測點(diǎn)與地表同步移動(dòng)觀測站的布設(shè)形式觀測線一般由走向線和傾向線組成，兩條線相

9、互垂直。有時(shí)由于條件限制，只能設(shè)置一條或者半條觀測線觀測設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)說明書和繪制設(shè)計(jì)圖兩部分工作設(shè)計(jì)說明書包括：建立觀測站的目的和任務(wù)設(shè)站地區(qū)的地形、地物及地質(zhì)采礦條件觀測站設(shè)計(jì)時(shí)所采用的開采沉陷參數(shù)觀測線位置及長度的確定，測點(diǎn)及控制點(diǎn)數(shù)目，位置及其編號(hào)工作測點(diǎn)和控制點(diǎn)的構(gòu)造及其埋設(shè)方法觀測內(nèi)容及其所用儀器，與礦區(qū)控制網(wǎng)的連測的方法和精度要求，連測的起始數(shù)據(jù)、觀測時(shí)間、方法及精度要求觀測站成果整理與分析的方法和要求，所要獲得的成果經(jīng)費(fèi)估算：包括觀測站所需材料、占地、人工等費(fèi)用的預(yù)算觀測站設(shè)計(jì)圖包括觀測站設(shè)計(jì)平面圖和剖面圖剖面線裝觀測站的設(shè)計(jì)方法觀測站設(shè)計(jì)包括觀測站的位置、觀測線長度、觀測點(diǎn)數(shù)目

10、及其密度確定的（1) 觀測線位置確定（實(shí)際上是確定主斷面位置）1) 傾向觀測線位置確定方法1）當(dāng)?shù)乇矸浅浞植蓜?dòng)時(shí)，設(shè)在采空區(qū)中央2）當(dāng)?shù)乇沓浞植蓜?dòng)時(shí)：當(dāng)有充分采動(dòng)角3時(shí)，用3確定傾斜觀測R1R3到開切眼的距離D1應(yīng)為:式中：3走向充分采動(dòng)角； H0平均采深，H0=（H1+H2）/2D3傾斜觀測線距工作面邊界的距離無充分采動(dòng)角3，取 （3=55）當(dāng)鄰近有已采區(qū)時(shí)，觀測線應(yīng)不受前采空區(qū)的影響：式中，走向移動(dòng)角； 調(diào)整值取20；h表土厚度；表土移動(dòng)角在推進(jìn)過程中設(shè)站，應(yīng)考慮工作面在設(shè)站后推過的距離：式中：c工作面推進(jìn)速度，m/日； t設(shè)站至第一次觀測的時(shí)間間隔；2) 走向觀測線位置確定方法傾向非充

11、分采動(dòng) a、有時(shí)，用確定； b、無時(shí)，按下式求傾向方向充分采動(dòng)時(shí)，采動(dòng)充分采動(dòng)角或用確定（2） 觀測線長度確定 1）傾斜觀測線長度確定實(shí)際上是確定移動(dòng)盆地邊界式中：L工作面傾斜長度；，上山和下山移動(dòng)角；上山移動(dòng)角修正值，一般 =20；下山移動(dòng)角修正值；h表土厚度，表土移動(dòng)角 2）走向觀測線的長度 全走向觀測線長度 半走向觀測線長度 式中：l走向工作面長度；d超出傾斜線的長度；一般為（35）個(gè)測點(diǎn)間距（3） 觀測點(diǎn)數(shù)目及其密度控制點(diǎn)數(shù)1）當(dāng)觀測線兩端均可設(shè)控制點(diǎn)時(shí)，各端至少設(shè)兩個(gè)控制點(diǎn)2）當(dāng)只有一端可設(shè)控制點(diǎn)時(shí)，則不少于三個(gè)控制點(diǎn)地表移動(dòng)觀測站的觀測工作主要包括：連接測量、全面觀測、日常觀測等（

12、1） 連接測量目的是確定觀測站與開采工作面之間的位置關(guān)系注意：獨(dú)立進(jìn)行兩次 分類：平面連接測量、高程連接測量（2） 全面觀測目的是確定觀測點(diǎn)的初始位置和高程高程測量；平面位置測量（3） 日常觀測日常觀測工作是指首次和末次全面觀測之間適當(dāng)增加的水準(zhǔn)測量工作觀測成果的整理工作包括計(jì)算和繪圖兩部分繪圖點(diǎn)的確定一般按下列原則進(jìn)行：下沉、水平移動(dòng)直接繪在點(diǎn)的上方傾斜、水平變形繪在線段的中點(diǎn)曲率繪在兩線段的中點(diǎn)一個(gè)地表移動(dòng)觀測站的成果：（1）地表移動(dòng)盆地的范圍、形狀、大小，以及各種角值參數(shù)（邊界角、移動(dòng)角、裂縫角、最大下沉角、充分采動(dòng)角）等；（2）地表移動(dòng)盆地主斷面上的移動(dòng)變形分布及其特征，移動(dòng)變形最大值

13、及其位置；（3）工作面推進(jìn)過程中移動(dòng)變形的發(fā)展過程及其相應(yīng)地表移動(dòng)動(dòng)態(tài)參數(shù)（起動(dòng)距、超前影響距、超前影響角、滯后距、滯后角等）；（4）地表移動(dòng)過程中，地表移動(dòng)速度的變化及與工作面的相應(yīng)關(guān)系；（5）地表移動(dòng)各個(gè)階段（初始階段、活躍階段、衰退階段）的延續(xù)時(shí)間及地表移動(dòng)延續(xù)總時(shí)間；（6）工作面開始回采到地表開始下沉的時(shí)間；（7）地表移動(dòng)預(yù)測參數(shù)（下沉系數(shù)、水平移動(dòng)系數(shù)、影響傳播角、拐點(diǎn)偏距等）等地表沉陷規(guī)律：是指地下開采引起的地表移動(dòng)和變形的大小、空間分布形態(tài)及其與地質(zhì)采礦條件的關(guān)系地表下沉曲線的特征點(diǎn)1）盆地邊界點(diǎn)A、B2）最大下沉點(diǎn)O3）拐點(diǎn)E：移動(dòng)盆地主斷面上下沉曲線凹凸變化的分界點(diǎn)，即曲率為

14、零的點(diǎn)水平煤層非充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)變形規(guī)律水平煤層充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)變形規(guī)律傾斜煤層非充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)變形規(guī)律起動(dòng)距：通常把地表開始移動(dòng)（下沉為10mm）時(shí)的工作面推進(jìn)距離稱為起動(dòng)距一般在初次開采時(shí)，起動(dòng)距為（1/41/2)H0（平均采深）超前影響：在工作面推進(jìn)過程中，工作面前方的地表受采動(dòng)影響下沉超前影響角：將工作面前方地表開始下沉（w10mm）的點(diǎn)和當(dāng)時(shí)工作面邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角稱超前影響角，用表示超前影響距：工作面前方開始移動(dòng)的點(diǎn)到工作面的水平距離l稱為超前影響距，用l表示 式中：l超前影響距；H0平均采深 影響超前影響角的因素1）當(dāng)?shù)乇頌榉浅浞植蓜?dòng)時(shí)，隨工作面長度，。達(dá)到充分采動(dòng)后，為一定值，當(dāng)開采結(jié)束后，等于邊界角2）推進(jìn)速度c，滯后距：地表達(dá)到或接近充分采動(dòng)時(shí)，地表最大下沉速度點(diǎn)距工作面的距離稱為滯后距，用L表示。滯后角：把地表最大下沉速度點(diǎn)與相應(yīng)的采煤工作面連線和煤層水平線在采空區(qū)一側(cè)的夾角稱為滯后角,用表示式中：L滯后距； H0平均采深影響最大下沉速度滯后角的因素巖性、采深H0和工作面推進(jìn)速度地表點(diǎn)移動(dòng)持續(xù)時(shí)間（或移動(dòng)延續(xù)時(shí)間、移動(dòng)總時(shí)間）在充分采動(dòng)或接近充分采動(dòng)的