開(kāi)采沉陷第三講

開(kāi)采沉陷第三講第一頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日

地表移動(dòng)盆地穩(wěn)定后的移動(dòng)和變形分布規(guī)律與許多地質(zhì)采礦因素有關(guān)。如：煤層傾角（α）、開(kāi)采厚度（m）、開(kāi)采深度（H）、采區(qū)尺寸（D）、采煤方法、頂板管理方法、松散層厚度（h）等。

如果開(kāi)采均系采用走向長(zhǎng)壁式采煤、全部垮落法管理頂板，并且開(kāi)采厚度均相同，那么影響分布規(guī)律的地質(zhì)采礦因素主要就是煤層傾角、采區(qū)尺寸和開(kāi)采深度。而采區(qū)尺寸和開(kāi)采深度之比，可決定地表的采動(dòng)程度。

下面根據(jù)不同的采動(dòng)程度和煤層傾角的變化情況，討論地表移動(dòng)和變形的分布規(guī)律。1.3移動(dòng)穩(wěn)定后盆地內(nèi)移動(dòng)和變形分布規(guī)律第二頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日1.3移動(dòng)穩(wěn)定后盆地內(nèi)移動(dòng)和變形分布規(guī)律水平煤層（或沿煤層走向主斷面)非充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律水平煤層(或沿煤層走向主斷面)充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)移動(dòng)和變形分布規(guī)律水平煤層(或走向主斷面)超充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)移動(dòng)和變形分布規(guī)律傾斜煤層的地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律地表下沉盆地穩(wěn)定后全面積開(kāi)采沉陷分布規(guī)律第三頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日

一、水平煤層（或沿煤層走向主斷面)非充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律

判別：水平煤層開(kāi)采時(shí)的采動(dòng)程度可用走向充分采動(dòng)角ψ3來(lái)判別。當(dāng)用ψ3角作的兩直線交于巖層內(nèi)部而未及地表時(shí)，此時(shí)地表為非充分采動(dòng)。（一）下沉曲線

下沉曲線表示地表移動(dòng)盆地內(nèi)下沉的分布規(guī)律。設(shè)沿主斷面方向?yàn)閤軸，下沉曲線為

W(x)=F(x)

在討論分布規(guī)律時(shí)，先要確定下沉曲線上的三個(gè)特征點(diǎn)：水平煤層（或沿煤層走向主斷面)非充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律第四頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日1．最大下沉點(diǎn)o：下沉值最大。在水平煤層開(kāi)采時(shí)，在采區(qū)中央正上方。2．盆地邊界點(diǎn)A、B：據(jù)走向邊界角δ0作邊界點(diǎn)A、B，此處下沉值為零。3．拐點(diǎn)E：拐點(diǎn)是指下沉曲線凹凸的分界點(diǎn)。拐點(diǎn)從理論上講應(yīng)位于工作面開(kāi)采邊界的正上方，但由于工作面邊界附近的頂板并不切煤壁冒落或呈階狀彎曲，存在懸頂距，因此在四周沒(méi)采情況下，拐點(diǎn)E不在工作面開(kāi)采邊界的正上方而是略偏向采空區(qū)一側(cè)。在地表達(dá)充分采動(dòng)條件下，拐點(diǎn)處的下沉值約為最大下沉值的一半。水平煤層（或沿煤層走向主斷面)非充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律第五頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日

下沉曲線分布規(guī)律：在地表最大下沉點(diǎn)O處下沉值最大，自盆地中心至盆地邊緣下沉值逐漸減小，在盆地邊界點(diǎn)A、B處下沉值為零。水平煤層（或沿煤層走向主斷面)非充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律第六頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日（二）傾斜曲線

傾斜曲線表示地表移動(dòng)盆地內(nèi)傾斜的變化規(guī)律，傾斜為下沉的一階導(dǎo)數(shù)：

傾斜曲線分布規(guī)律為：盆地邊界點(diǎn)至拐點(diǎn)間傾斜漸增，拐點(diǎn)至最大下沉點(diǎn)間傾斜漸減，在最大下沉點(diǎn)處傾斜為零。在拐點(diǎn)處傾斜最大，有兩個(gè)方向相反的最大傾斜。第七頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日（三）曲率曲線

曲率曲線是表示地表移動(dòng)盆地內(nèi)曲率的變化規(guī)律，曲率曲線可表示為傾斜的一階導(dǎo)數(shù)或下沉的二階導(dǎo)數(shù)：水平煤層（或沿煤層走向主斷面)非充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律

曲線的曲率。平面曲線的曲率就是是針對(duì)曲線上某個(gè)點(diǎn)的切線方向角對(duì)弧長(zhǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)率，通過(guò)微分來(lái)定義，表明曲線偏離直線的程度。

K=lim|Δα/Δs|，Δs趨向于0的時(shí)候，定義k就是曲率。第八頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日

曲率曲線分布規(guī)律為：

1．曲率曲線有三個(gè)極值，兩個(gè)相等的正極值和一個(gè)負(fù)極值，正極值稱最大正曲率，位于邊界點(diǎn)和拐點(diǎn)之間，負(fù)極值稱最大負(fù)曲率，位于最大下沉點(diǎn)處。

2．盆地邊界點(diǎn)和拐點(diǎn)處曲率為零。

3．盆地邊緣區(qū)為正曲率區(qū)，盆地中部為負(fù)曲率區(qū)。水平煤層（或沿煤層走向主斷面)非充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律第九頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日(四)水平移動(dòng)曲線

水平移動(dòng)曲線表示地表移動(dòng)盆地內(nèi)水平移動(dòng)分布規(guī)律，用U(x)表示。移動(dòng)盆地內(nèi)各點(diǎn)的水平移動(dòng)方向都指向盆地中心。

大量的實(shí)測(cè)資料表明，水平移動(dòng)曲線與傾斜曲線相似。因此，可得下式：B——水平移動(dòng)系數(shù)，B=0.13～0.18H。水平煤層（或沿煤層走向主斷面)非充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律第十頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日

水平移動(dòng)曲線分布規(guī)律為：盆地邊界點(diǎn)至拐點(diǎn)間水平移動(dòng)漸增，拐點(diǎn)至最大下沉點(diǎn)間水平移動(dòng)漸減，最大下沉點(diǎn)處水平移動(dòng)為零；在拐點(diǎn)處水平移動(dòng)最大，有兩個(gè)方向相反的最大水平移動(dòng)。水平煤層（或沿煤層走向主斷面)非充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律第十一頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日（五）水平變形曲線

水平變形曲線表示地表移動(dòng)盆地內(nèi)水平變形分布規(guī)律，水平變形曲線與曲率曲線相似。是水平移動(dòng)的一階導(dǎo)數(shù)：B——水平移動(dòng)系數(shù)，B=0.13～0.18H。水平煤層（或沿煤層走向主斷面)非充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律第十二頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日水平變形分布規(guī)律為：

1.水平變形曲線有三個(gè)極值，兩個(gè)相等的正極值和一個(gè)負(fù)極值，正極值稱為最大拉伸值，位于邊界點(diǎn)與拐點(diǎn)之間，負(fù)極值稱為最大壓縮值，位于最大下沉點(diǎn)處。

2.盆地邊界點(diǎn)和拐點(diǎn)處水平變形為零。

3.盆地邊緣區(qū)為拉伸區(qū)，盆地中部為壓縮區(qū)。水平煤層（或沿煤層走向主斷面)非充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律第十三頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日判別：當(dāng)用ψ3角作的兩直線剛好交于地表時(shí)，此時(shí)地表為充分采動(dòng)。

地表剛達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)和非充分采動(dòng)時(shí)相比，它們的不同之處在于：

1．最大下沉值已達(dá)到該地質(zhì)采礦條件下之最大值。

2．傾斜、水平移動(dòng)曲線沒(méi)有明顯變化。

3．曲率或水平變形曲線在采區(qū)中心拐點(diǎn)、邊界點(diǎn)為零；在邊界點(diǎn)和拐點(diǎn)之間達(dá)到最大拉伸；在拐點(diǎn)和采區(qū)中心之間達(dá)到最大壓縮變形。水平煤層(或沿煤層走向主斷面)充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)移動(dòng)和變形分布規(guī)律第十四頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日判別：當(dāng)用ψ3

角作的兩直線在地表交于o1和o2兩點(diǎn)，o1和o2間出現(xiàn)平底時(shí)，地表達(dá)到超充分采動(dòng)。

地表達(dá)到超充分采動(dòng)時(shí)和非充分采動(dòng)時(shí)相比，不同之處在于：

1．下沉曲線中部平底上各點(diǎn)下沉值相等，并達(dá)到該采礦地質(zhì)條件下的最大值。

2．在平底部分內(nèi)，傾斜、曲率、水平變形均為零或接近于零；各種變形主要分布在采空區(qū)邊界上方附近。

3．最大傾斜和最大水平移動(dòng)位于拐點(diǎn)處；最大正曲率、最大拉伸變形位于拐點(diǎn)和盆地邊界點(diǎn)之間；最大負(fù)曲率、最大壓縮變形位于拐點(diǎn)和最大下沉點(diǎn)o之間。水平煤層(或沿煤層走向主斷面)超充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)移動(dòng)和變形分布規(guī)律第十五頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日傾斜（15°＜α＜55°）煤層非充分采動(dòng)時(shí)移動(dòng)和變形分布規(guī)律

判別：利用下山充分采動(dòng)角ψ1和上山充分采動(dòng)角ψ2確定充分采動(dòng)程度。用γ0、β0確定上下山盆地邊界點(diǎn)，用最大下沉角θ確定最大下沉點(diǎn)。傾斜煤層非充分采動(dòng)時(shí)地表移動(dòng)變形分布規(guī)律傾斜煤層的地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律第十六頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日1．下沉曲線、傾斜曲線和曲率曲線：

下沉曲線失去對(duì)稱性，如上山部分的下沉曲線比下山部分的下沉曲線要陡，范圍要?。蛔畲笙鲁咙c(diǎn)向下山方向偏離，其位置用最大下沉角θ確定。

下沉曲線的兩個(gè)拐點(diǎn)與采空區(qū)不對(duì)稱，而偏向下山方向。隨著下沉曲線的變化，傾斜曲線和曲率曲線也相應(yīng)發(fā)生變化。傾斜煤層非充分采動(dòng)時(shí)地表移動(dòng)變形分布規(guī)律傾斜煤層的地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律第十七頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日2．水平移動(dòng)曲線：

在傾斜煤層開(kāi)采時(shí)，隨著煤層傾角的增大，指向上山方向的水平移動(dòng)值逐漸增大，而指向下山方向的水平移動(dòng)值逐漸減小。傾斜煤層非充分采動(dòng)時(shí)地表移動(dòng)變形分布規(guī)律傾斜煤層的地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律第十八頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日3．水平變形曲線：最大拉伸變形在下山方向，最大壓縮變形在上山方向，水平變形為零的點(diǎn)與最大水平移動(dòng)點(diǎn)重合。4．水平移動(dòng)曲線和傾斜曲線不相似，水平變形曲線和曲率曲線不相似。傾斜煤層非充分采動(dòng)時(shí)地表移動(dòng)變形分布規(guī)律傾斜煤層的地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律第十九頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日五、急傾斜（α＞55°）煤層非充分采動(dòng)時(shí)移動(dòng)和變形分布規(guī)律1．下沉盆地非對(duì)稱性十分明顯，下山方向的影響范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上山方向的影響范圍。2．隨著煤層傾角的增大，最大下沉點(diǎn)位置逐漸移向煤層上山方向。3．在松散層較薄的情況下，可能只出現(xiàn)指向上山方向的水平移動(dòng)。急傾斜煤層非充分采動(dòng)時(shí)地表移動(dòng)變形規(guī)律傾斜煤層的地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律第二十頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日煤層傾角小于90o煤層傾角接近90o4.隨著煤層傾角的增大，傾斜剖面形狀由對(duì)稱的碗形逐漸變?yōu)榉菍?duì)稱的瓢形。當(dāng)煤層傾角接近90o時(shí)，下沉盆地剖面又轉(zhuǎn)變?yōu)楸容^對(duì)稱的碗形或兜形。急傾斜煤層開(kāi)采后的下沉盆地形態(tài)傾斜煤層的地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律第二十一頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日5．當(dāng)開(kāi)采厚度大、開(kāi)采深度小、煤層頂?shù)装鍒?jiān)硬不早冒落而煤質(zhì)又較軟時(shí)，開(kāi)采后采空區(qū)上方之煤層易沿煤層底板滑落。這種滑落可能一直發(fā)展到地表，使地表煤層露頭處出現(xiàn)塌陷坑。急傾斜煤層開(kāi)采后地表出現(xiàn)塌陷坑傾斜煤層的地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律第二十二頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日地表下沉盆地穩(wěn)定后全面積

開(kāi)采沉陷分布規(guī)律

在解決建筑物和鐵路下采煤?jiǎn)栴}時(shí)，由于建筑物和鐵路往往不在地表下沉盆地主斷面位置上，按主斷面計(jì)算方法計(jì)算不能滿足要求，因此研究下沉盆地全面積開(kāi)采的沉陷規(guī)律有其實(shí)際的意義。第二十三頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日地表下沉盆地穩(wěn)定后全面積

開(kāi)采沉陷分布規(guī)律xy0第二十四頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日地表下沉盆地穩(wěn)定后全面積

開(kāi)采沉陷分布規(guī)律地表下沉盆地下沉等值線一、下沉等值線

下沉等值線呈近似圓形分布，在圓形中心處下沉值最大，在同一方向上離中心愈遠(yuǎn)下沉值減小。第二十五頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日地表下沉盆地穩(wěn)定后全面積

開(kāi)采沉陷分布規(guī)律二、傾斜等值線

除了與點(diǎn)的位置有關(guān)外，還與給定方向有關(guān)。沿走向和傾斜方向的傾斜和水平移動(dòng)等值線全面積分布均為兩組橢圓，實(shí)線的一組表示正值，虛線的一組表示負(fù)值。橢圓長(zhǎng)軸方向與所指定的方向垂直。第二十六頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日地表下沉盆地穩(wěn)定后全面積

開(kāi)采沉陷分布規(guī)律三、水平移動(dòng)等值線

與給定方向有關(guān)。沿走向和傾斜方向的傾斜和水平移動(dòng)等值線全面積分布均為兩組橢圓，實(shí)線的一組表示正值，虛線的一組表示負(fù)值。橢圓長(zhǎng)軸方向與所指定的方向垂直。第二十七頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日地表下沉盆地穩(wěn)定后全面積

開(kāi)采沉陷分布規(guī)律二、傾斜等值線

除了與點(diǎn)的位置有關(guān)外，還與給定方向有關(guān)。沿走向和傾斜方向的傾斜和水平移動(dòng)等值線全面積分布均為兩組橢圓，實(shí)線的一組表示正值，虛線的一組表示負(fù)值。橢圓長(zhǎng)軸方向與所指定的方向垂直。第二十八頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日地表下沉盆地穩(wěn)定后全面積

開(kāi)采沉陷分布規(guī)律三、水平移動(dòng)等值線

與給定方向有關(guān)。沿走向和傾斜方向的傾斜和水平移動(dòng)等值線全面積分布均為兩組橢圓，實(shí)線的一組表示正值，虛線的一組表示負(fù)值。橢圓長(zhǎng)軸方向與所指定的方向垂直。第二十九頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，