2-1-開采引起的地表沉陷規(guī)律課件

2減沉開采技術2-1開采引起的地表沉陷規(guī)律2-2開采沉陷對地面建筑物的影響2-3減少開采沉陷影響的技術措施2-4條帶開采技術2-5充填開采技術2-6部分充填開采技術2-1

開采引起的地表沉陷規(guī)律一、地表移動和破壞的形式二、地表移動盆地的形成及特征三、地表移動的角量參數(shù)四、地表移動變形參數(shù)與分布規(guī)律五、關鍵層運動對開采沉陷的影響六、開采沉陷預計方法一、地表移動和破壞的形式地表移動盆地地表裂縫及臺階煤層露頭處附近漏斗狀塌陷坑

二、地表移動盆地的形成及特征1、地表移動盆地的形成H1W12W23W345W4W52、充分采動與非充分采動

充分采動—地表最大下沉值不再隨開采區(qū)域尺寸增大而增加.非充分采動—地表最大下沉值隨開采區(qū)域尺寸增大而增加.非充分采動時的地表移動盆地

臨界充分采動時的地表移動盆地

臨界開采尺寸,1.2～1.4倍采深超充分采動時的地表移動盆地

3、地表移動盆地特征

主斷面—通過盆地內最大下沉點沿煤層傾向或走向的垂直剖面〔1〕近水平煤層地表移動盆地傾向臨界充分采動

非充分采動下沉曲線特征主斷面上的地表下沉曲線分為三段.采空區(qū)上方的內緣區(qū)下沉曲線呈凹形煤柱上方的外邊緣區(qū)下沉曲線呈凸形下沉曲線的凹凸或內外邊緣區(qū)分界點稱為拐點.拐點偏移距.〔2〕緩傾斜和傾斜煤層地表移動盆地移動盆地在傾向方向上與采空區(qū)不對稱.盆地、最大下沉值和拐點均下移.〔3〕急傾斜煤層地表移動盆地非對稱性更加明顯,整個盆地及最大下沉值向采空區(qū)下邊界方向偏移,地表最大水平移動值大于最大下沉值,煤層底板巖層也移動在移動盆地主斷面上,將地表下沉曲線上的最大下沉點或盆地平底邊緣點投影在地表水平線上,該投影點和采空區(qū)邊界的連線與煤層底板在采空區(qū)一側的夾角叫充分采動角.下山方向的充分采動角1上山方向的充分采動角2走向方向的充分采動角3三、地表移動的角量參數(shù)1、充分采動角3、最大下沉角

在移動盆地傾向主斷面上,采空區(qū)中點和地表最大下沉點在地表水平線上投影點的連線與水平線在下山方向的夾角=90-K

K=0.50.82、邊界角、移動角和裂隙角移動盆地的最外邊界一般取下沉為10mm的點為邊界點ACBD移動盆地危險邊界傾斜i=3mm/m水平變形=2mm/m曲率K=0.2mm/m2A'C'B'D'移動盆地裂縫邊界A"C"B"D"松散層移動角松散層第四紀、第三紀未成巖的沖積層、洪積層和殘積層的統(tǒng)稱松散層移動角,一般取45°.當有松散層時,應先以松散層移動角將邊界點投影到基巖面,再與開采邊界連線確定移動角.急傾斜煤層邊界角、移動角、裂隙角

急傾斜煤層的頂板、底板邊界角移動角和裂隙角四、地表移動的變形參數(shù)空間問題平面問題在主斷面上用數(shù)學方法研究任意一點的向量橫向〔X〕

縱向〔y〕開采引起的地表移動是復雜的時間-空間現(xiàn)象.一點的移動矢量是空間位置〔x、y、z〕和時間〔t〕的函數(shù).垂直移動〔Z〕水平移動描述地表移動盆地內移動和變形的主要指標下沉水平移動傾斜曲率水平變形1、下沉W主斷面內地表移動向量的鉛直分量W=W〔x〕最大下沉值在盆地中央下沉曲線凹凸分界的拐點處,下沉值約為最大值的一半.2、水平移動U地表移動向量的水平分量123456789xδ0ψ3ψ3δ02′3′4′5′6′7′8′9′1′U=U〔x〕,有兩組方向不同的水平移動

規(guī)定:正值的水平移動與x軸的正方向一致

負值的水平移動與x軸的負方向一致水平移動1點U1=05點U5=09點U9=0U坐標向下為正Uox+-123456789xδ0ψ3ψ3δ02′3′4′5′6′7′8′9′1′邊界點和采空區(qū)中點的水平移動為零；邊界點和采空區(qū)中點之間有極值.3、傾斜i傾斜是指地表單位長度內下沉的變化,單位為mm/m,i坐標軸向下為正123456789xδ0ψ3ψ3δ02′3′4′5′6′7′8′9′1′傾斜是地表下沉的一階導數(shù)傾斜的正負號

有兩組方向不同的傾斜邊界點和最大下沉點之間的傾斜必然有正極值和負極值存在.傾斜的正負號的物理意義垂直于地表下沉曲線的桿狀物傾倒的趨向與x軸正向相同時,傾斜為正；桿狀物傾倒的趨向與x軸負向相同時傾斜為負.δ0ψ3δ0ψ3xw195372468oHrUox+-iox+-水平移動U〔x〕和傾斜i〔x〕的變化趨勢同步水平移動U〔x〕和傾斜i〔x〕Uox+-iox+-B一個有單位的比例系數(shù)4、曲率K

地表單位長度內傾斜的變化,單位為mm/m2或10-3/m.曲率坐標軸向上為正.曲率BAΔxBAΔxiox+-Kox++--K1=0K3=0K5=0K7=0K9=0曲率δ0ψ3δ0ψ3xw195372468oHr傾斜曲率正負號的物理意義

正曲率的物理意義是地表下沉曲線在地面方向凸起或在煤層方向下凹負曲率的物理意義是地表下沉曲線在地面方向下凹或在煤層方向凸起

5、水平變形

單位長度上水平移動的變化,單位：mm/m坐標向上為正iox+-Kox++--水平變形δ0ψ3δ0ψ3xw195372468oHr水平

移動

1=0

3=0

5=07=09=0水平變形正負號的物理意義

水平變形正值的物理意義為地表受拉伸變形負值的物理意義為地表受壓縮變形.兩個相等的正極值和兩個相等的負極值正極值為最大拉伸值,位于邊界點和拐點之間；負極值為最大壓縮值,位于兩個拐點之間；盆地邊界點、拐點和中點處水平變形為零；盆地邊緣區(qū)為拉伸區(qū),中部為壓縮區(qū)水平變形的變化規(guī)律地表移動盆地內五項指標變化規(guī)律五項指標之間的關系

()()()()()2222dxWdBxdxdWBxUdxWdxKdxdWxixWW=====e非充分和超充分采動條件下水平煤層<或有一定傾角的煤層沿走向>主斷面內地表移動與變形規(guī)律傾斜煤層移動與變形規(guī)律1-下沉

2-傾斜

3-曲率

4-水平移動

5-水平變形1、上山部分的下沉曲線比下山部分的下沉曲線要陡,范圍要小；最大下沉點偏向下山方向.2、水平移動曲線和傾斜曲線不相似,水平變形曲線和曲率曲線不相似.3、指向上山方向的水平移動大于指向下山方向的水平移動.4、最大拉伸變形在下山方向,最大壓縮變形在上山方向.地表移動與變形的影響因素1、煤層地質條件煤層厚度、傾角、埋深2、覆巖與地層條件巖性、厚度與組合關系,關鍵層特征,山地、地下水3、開采技術條件重復開采、采空區(qū)處理、開采速度覆巖移動的動態(tài)過程

五、關鍵層運動對開采沉陷的影響

關鍵層對地表下沉的控制作用實驗及實測研究結果都證明,主關鍵層對地表移動過程起控制作用,主關鍵層的破斷將導致地表快速下沉,地表下沉速度隨主關鍵層周期性破斷而呈現(xiàn)跳躍性變化.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地表移動速度和持續(xù)時間地面觀測間隔周期對地表下沉速度曲線形態(tài)有較大影響.傳統(tǒng)觀測方法中兩次觀測間隔時間過長,會均化下沉速度,往往會捕捉不到主關鍵層周期破斷對地表下沉動態(tài)的影響,也捕捉不到地表最大下沉速度,觀測間隔周期短時則能捕捉到下沉速度的周期跳躍性變化.淺部與深部開采地表下沉盆地范圍對比采深增加意味：覆巖關鍵層層數(shù)增多；主關鍵層位置的改變徐州某礦覆巖關鍵層隨采深增大的變化<a>淮北礦區(qū)某礦淮北某礦覆巖關鍵層隨采深增大的變化

<a>1022工作面<b>Ⅱ1022工作面工作面地質采礦條件工作面面長/m煤厚/m平均采深/m表土厚度/m基巖厚度/m采動充分程度n1022面Ⅱ1022面1402202.52.5310611240240703710.380.36實測地表移動變形最大值工作面下沉量W/m下沉系數(shù)q傾斜I/mm/m曲率K/mm/m2水平位移U/m水平變形ε/mm/m1022面1.8300.7329.860.1000.4104.05Ⅱ1022面0.2100.080.880.0130.0940.36習慣上用采動充分程度n來評價地表沉陷程度

n=D/H

D是采寬

H是采深

工作面地質采礦條件工作面面長/m煤厚/m平均采深/m表土厚度/m基巖厚度/m采動充分程度n1022面Ⅱ1022面1402202.52.5310611240240703710.380.36實測地表移動變形最大值工作面下沉量W/m下沉系數(shù)q傾斜I/mm/m曲率K/mm/m2水平位移U/m水平變形ε/mm/m1022面1.8300.7329.860.1000.4104.05Ⅱ1022面0.2100.080.880.0130.0940.36

淺部與深部開采地表移動變形最大值的數(shù)值模擬結果面長下沉量W/m傾斜I/mm/m曲率K/mm/m2水平位移U/m水平變形ε/mm/m采動充分程度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典型曲線法剖面函數(shù)法概率積分法數(shù)值模擬法六、開采沉陷預計方法典型曲線法典型曲線法是將礦區(qū)開采沉陷大量實測資料轉化為移動盆地主斷面內移動和變形分布規(guī)律的無因次曲線,據(jù)此對該礦區(qū)類似條件下的地表移動和變形作出預計.典型曲線法適用于矩形或近似矩形開采區(qū)域的地表移動和變形預計.峰峰礦區(qū)曾總結出了該礦區(qū)的下沉典型曲線.六、開采沉陷預計方法剖面函數(shù)法剖面函數(shù)法是以一定的函數(shù)表示下沉盆地主剖面,從而通過函數(shù)的運算對開采沉陷進行預計的方法.我國最常用的負指數(shù)函數(shù)法,它是用負指數(shù)函數(shù)表示下沉盆地主剖面方程的方法.剖面函數(shù)法適用于矩形或近似矩形開采區(qū)域的地表移動和變形預計.六、開采沉陷預計方法概率積分法概率積分法是我國學者劉寶琛、廖國華在波蘭學者李特威尼申〔Litwiniszyn〕創(chuàng)立的巖層移動的隨機介質理論基礎上發(fā)展而來的.任意開采條件下都可以將整個開采分解為無限多個微小單元的開采,整個開采對地表的影響等于所有開采單元的影響疊加之和.觀測表明：在近水平煤層開采條件下,或沿煤層走向的主斷面內,下沉盆地的下沉曲線基本呈正態(tài)分布,且與正態(tài)分布的概率密度分布基本一致.因此,整個開采引起的下沉盆地的剖面方程式可表示為概率密度函數(shù)的積分表達式.概率積分法適用于水平和傾斜煤層任意形狀開采區(qū)域和任意點的地表移動和變形預計.六、開采沉陷預計方法概率積分法〔1〕基本原理〔2〕正態(tài)分布密度函數(shù)與概率積分函數(shù)μ為常數(shù),數(shù)學期望0常數(shù),方差2特點：〔1〕對稱于X=μ〔2〕X=μ時,

〔3〕f〔x〕為ox軸為漸進線f(x)oxμ〔3〕單元開采地表下沉盆地r—主要影響半徑〔r=Hctg〕〔4〕半無限開采下沉開采范圍0+x0的煤層全部采出,x0的煤層全部保留ox半無限開采單位厚度的煤層后x位置處A點的下沉簡化的半無限開采地表移動和變形預計公式半無限開采傾向主斷面內的移動與變形預計〔5〕概率積分法的預計參數(shù)下沉系數(shù)q

水平移動系數(shù)b

主要影響半徑r與主要影響角正切tanβ

拐點偏移距s

下沉系數(shù)與覆巖巖性有關

下沉系數(shù)與采空區(qū)處理方法有關

下沉系數(shù)與重復采動有關

下沉系數(shù)與采深有關下沉系數(shù)q

q——地表下沉系數(shù)；

W0——地表最大下沉值,m；

m——采高,m；

α——煤層傾角,<°>.

巖性堅硬中硬軟弱下沉系數(shù)0.270.540.550.850.861.00部分煤礦實測的地表下沉系數(shù)變化范圍

采空區(qū)處理方法與采空區(qū)處理方法下沉系數(shù)全部垮落法0.40.95帶狀充填法(外來材料)0.550.70干式全部充填法(外來材料)0.40.50風力充填法0.300.40水砂充填法0.060.20采空區(qū)處理方法與礦區(qū)初次采動下沉系數(shù)重復采動下沉系數(shù)淮南0.70.9峰峰0.80.9-1.0本溪0.70.8阜新0.65-0.70鶴崗0.65-0.7平頂山0.65-0.77棗莊0.59-0.7重復采動對地表下沉系數(shù)影響水平移動系數(shù)水平煤層一般b=0.3,變化范圍大致在0.20.4傾斜煤層bαbα=b<1+0.0086α>主要影響半徑r與主要影響角正切tanβ

主要影響半徑x=r處的地表移動和變形xW（x）i（x）K（x）-r0.0062W00.0432i00.178K0r0.9938W00.0432i0-0.178K0主要影響角主要影響角：開采邊界點與主要影響半徑邊界點的連線與水平線所夾的銳角r,影響范圍變小r影響范圍變大主要影響角正切tg取值tg常見值為1.3~2.5,一般為2大小主要決定于上覆巖層的巖性,巖層堅硬時,tg較小,巖層軟弱時,tg較大.一般情況下,堅硬巖層的tg為1.2~1.91,中硬巖層為1.92~2.4,軟弱巖層為2.41~3.54.拐點偏移距拐點處下沉為最大下沉的一半,傾斜和水平移動值最大,曲率和水平變形值為零.覆巖越硬,拐點偏移距越大.采深越大,拐點偏移距越大.CollectthesurfacesubsidencedatainpastDisplacementback-analysisbynumericalsimulationDefinethemechanicsparametersofstrataTheminingsubsidencepredictionbynumericalsimulationDiagramofminingsubsidencepr