《礦山測(cè)量》 課件 單元十一　巖層與地表移動(dòng)

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知識(shí)目標(biāo)：1、理解巖層與地表移動(dòng)現(xiàn)象；2、了解地表移動(dòng)對(duì)建筑物的影響；3、掌握保護(hù)煤柱的留設(shè)的方法。

技能目標(biāo)：1、能正確劃分地表移動(dòng)盆地邊界；2、能正確確定巖層移動(dòng)角；3、能正確留設(shè)保護(hù)煤柱。

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地下煤層被大面積采空后，其周圍的巖層便失去了原有的力學(xué)平衡狀態(tài)，由于地質(zhì)和采礦條件不同，巖層的移動(dòng)與變形的形式和大小也不相同。（一）、巖層移動(dòng)的形式

1．彎曲

2．巖層的垮落（或稱冒落）

3．煤的擠出（又稱片幫）

4．巖石沿層面的滑移

5．垮落巖石的下滑（或滾動(dòng)）

6．底板巖層的隆起一、巖層與地表移動(dòng)的概念3二、巖層移動(dòng)穩(wěn)定后采動(dòng)巖層內(nèi)的三帶分布采空區(qū)上覆巖層內(nèi)移動(dòng)分帶I-冒落帶Ⅱ-裂縫帶Ⅲ-彎曲帶4（一）地表移動(dòng)的概念

所謂地表移動(dòng)，是指采空區(qū)面積擴(kuò)大到移動(dòng)范圍后，巖層移動(dòng)發(fā)展到地表，使地表產(chǎn)生移動(dòng)和變形的現(xiàn)象。（二）地表移動(dòng)的形式1、地表移動(dòng)盆地2、裂縫及臺(tái)階3、塌陷坑三、地表移動(dòng)5四、地表移動(dòng)盆地的主斷面地表移動(dòng)盆地主斷面有下列特征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。6五、地表移動(dòng)盆地邊界（一）移動(dòng)盆地的最外邊界如圖ABCD（二）移動(dòng)盆地的危險(xiǎn)移動(dòng)邊界如圖A′B′C′D′（三）移動(dòng)盆地的裂縫邊界如圖A″B″C″D″

7六、圈定邊界的角值參數(shù)通常用角值參數(shù)圈定移動(dòng)盆地邊界。角值參數(shù)主要是:

1、邊界角

2、移動(dòng)角

3、裂縫角

4、松散層移動(dòng)角

8一、確定移動(dòng)角的方法(一)、用實(shí)測(cè)法確定移動(dòng)角值實(shí)測(cè)法是在采空區(qū)上方的地面上建立地表移動(dòng)觀測(cè)站，測(cè)定各點(diǎn)高程和點(diǎn)間距的變化情況，再根據(jù)觀測(cè)資料確定移動(dòng)角值(二)、用類比法確定移動(dòng)角類比法就是將本礦區(qū)的地質(zhì)采礦條件與已有移動(dòng)角值的礦區(qū)作比較，選取與本礦區(qū)地質(zhì)采礦條件相近的礦區(qū)的移動(dòng)角值。9一、保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)原理

保護(hù)煤柱留設(shè)的原理是在保護(hù)對(duì)象的下方留出一部分煤炭不開采，使其周圍煤炭的開采對(duì)保護(hù)對(duì)象不產(chǎn)生有危險(xiǎn)性的移動(dòng)和變形。在設(shè)計(jì)煤柱時(shí)，就是從受護(hù)對(duì)象的邊界，沿走向主斷面、傾向主斷面，按移動(dòng)角分別作出保護(hù)面，這些保護(hù)面在煤層內(nèi)圈定的范圍，就是需要留設(shè)的煤柱。

10二、保護(hù)煤柱留設(shè)所用參數(shù)

（一）圍護(hù)帶寬度建筑物受護(hù)面積包括兩個(gè)部分：一部分是地面建筑物本身，即受護(hù)對(duì)象，另一部分為建筑物周圍的受保護(hù)范圍，稱為圍護(hù)帶。（二）移動(dòng)角及松散層移動(dòng)角

11三、保護(hù)煤柱留設(shè)方法

（一）垂直剖面法12（二）垂線法13（三）數(shù)字標(biāo)高投影法14四、保護(hù)煤柱留設(shè)實(shí)例

現(xiàn)以房屋為例，說明垂直斷面法設(shè)計(jì)煤柱的方法和步驟。某建筑物長(zhǎng)60m、寬25m，其建筑物長(zhǎng)軸方向的坐標(biāo)方位角為80°，煤層走向30°，煤層厚度2.0m傾角30°，煤的視密度1.35t/m3，沖積層移動(dòng)角ψ=45°。試用垂直斷面法確定煤柱尺寸，并計(jì)算保護(hù)煤柱的壓煤量。（一）垂直法留設(shè)保護(hù)煤柱151、確定受護(hù)面積如圖所示，首先按一定面積比例尺（1:500~1：5000）作房屋的平面圖，使房屋的長(zhǎng)軸與，煤層走向的夾角為80°—30°=50°，然后繪出房屋的輪廓點(diǎn)1、2、3、4，過房屋的輪廓點(diǎn)作平行于煤層走向和傾向的外切矩形1′2′3′4′。這樣做是為了能利用移動(dòng)角值，而且如此圈定建筑物的保護(hù)范圍所謂增加的煤柱并不大，煤柱形狀也較為規(guī)整，有利于煤柱周圍煤層的開采。在矩形1′2′3′4′的外緣，再加15m寬的圍護(hù)帶，得矩形abcd，即為所確定的保護(hù)面積。16垂直斷面法留設(shè)保護(hù)煤柱172、確定保護(hù)煤柱邊界

通過受護(hù)面積中心作一垂直于走向的斷面Ⅰ—Ⅰ，在該斷面上，從被保護(hù)面積的邊界點(diǎn)m1和n1起，按表土層移動(dòng)角ψ=45°作斜線交基巖表面，得交點(diǎn)m2和n2。然后再按基巖移動(dòng)角，在基巖面上沿下山和上山方向分別以移動(dòng)角γ=75°和β=47°作斜線交煤層于m′和n′點(diǎn)，即為保護(hù)煤柱的下部和上部邊界。同樣方法，在平行于煤層走向的斷面Ⅱ—Ⅱ及Ⅱ′—Ⅱ′上，按ψ=45°和δ=75°作斜線，求得沿走向斷面的煤柱邊界a′b′c′d′。依次將兩斷面上的煤柱邊界轉(zhuǎn)繪到平面圖上，得到梯形ABCD，即為保護(hù)煤柱的平面圖。然后在井上下對(duì)照?qǐng)D和采掘工程平面圖上，繪出保護(hù)煤柱的位置。183、計(jì)算保護(hù)煤柱的壓煤量QQ=體積×視寬度=A平/cosδMR式中A平——煤柱的水平面積；

R——煤的視密度；

δ——煤層傾角；

M——煤層厚度。

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上例中建筑物的長(zhǎng)軸方向與煤層走向斜交，用垂直斷面法留設(shè)保護(hù)煤柱時(shí)，為了利用移動(dòng)角，需根據(jù)受護(hù)范圍的角點(diǎn)作沿煤層走向和傾向的保護(hù)邊界。當(dāng)建筑物或被保護(hù)對(duì)象窄而長(zhǎng)（如鐵路、河流）時(shí)，用此方法留設(shè)保護(hù)煤柱就會(huì)大大增加煤柱的面積，造成國家煤炭資源的巨大浪費(fèi)。在這種情況下，宜采用垂線法留設(shè)保護(hù)煤柱，其步驟如下：（二）垂線法留設(shè)保護(hù)煤柱201·確定受保護(hù)邊界在平面與上，作保護(hù)對(duì)象輪廓的圍護(hù)帶（取5~20m），得到受護(hù)邊界abcd，如圖所示。212、確定保護(hù)煤柱將abcd繪在煤層地板等高線圖上，由受護(hù)邊界abcd向外S=hcotψ（式中，h為表土層厚度，ψ為表土層移動(dòng)角），得到基巖面上的受護(hù)邊界a′b′c′d′，如上圖所示，再從a′b′c′d′向外作各邊界的垂線。這些垂線的長(zhǎng)度按下式計(jì)算向上山方向作的垂線長(zhǎng)、向下山方向作的垂線長(zhǎng)，式中α——煤層傾角；Hi——a′、b′、c′、d′各點(diǎn)的煤層埋藏深度減去該點(diǎn)的表土層厚度h，此值可在煤層地板高線圖上分別確定；θi——各受護(hù)邊界與煤層走向所夾的銳角；β′i、γ′i——所作各垂線方向（偽傾斜方向）的下山和上山移動(dòng)角，可按下式計(jì)算

式中，γ、β、δ為該礦區(qū)所采用的移動(dòng)角。然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分別在各垂線上量取qi、∫i值，得A、A′、B、B′、C、C′、D、D′各點(diǎn)，連接A′B、AC、C′D、D′B′各線并延長(zhǎng)，則相較于1、2、3、4四點(diǎn)，形成四邊形，即為所求的保護(hù)煤柱邊界。22

當(dāng)用兩種方法確定保護(hù)煤柱邊界時(shí)，其重疊部分為受護(hù)對(duì)象最合理的保護(hù)煤柱，經(jīng)濟(jì)效益也最好，如圖所示。（三）留設(shè)保護(hù)煤柱方法選擇23

現(xiàn)以房屋為例，說明垂線法設(shè)計(jì)保護(hù)煤柱的方法和步驟。某建筑物長(zhǎng)50m，寬20m，其建筑物長(zhǎng)軸方向的坐標(biāo)方位角為85°，煤層走向25°，煤層厚度2.5m，傾角35°，煤的視密度1.3t/m3，建筑物中心處的煤層埋藏深度為140m，表土層厚度20m。礦井的巖層移動(dòng)角δ=γ=75°，β=47°，表土層移動(dòng)角ψ=45°。試用垂線法確定煤柱尺寸，并計(jì)算保護(hù)煤柱的壓煤量。241、繪出受護(hù)面積使房屋的長(zhǎng)軸方向?yàn)?5°，按一定比例尺繪出房屋的平面圖，再留出15m的圍護(hù)帶，得到受護(hù)邊界abcd，如圖所示。根據(jù)煤層的走向和傾角繪出一組煤層地板等高線，通過房屋中心的等高線的數(shù)值為-140m，即采深。252、確定保護(hù)煤柱（1）由abcd向外按比例量出距離S=hcotψ=20cot45°=20m，得到a′b′c′d′，在圖上確定a′、b′、c′、d′點(diǎn)的煤層埋藏深度，并減去表土層厚度得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′各點(diǎn)作圍護(hù)邊界的垂線，得q1、q2、q3、q4、∫1、∫2、∫3、∫4.（3）應(yīng)用式（10）、式（11），求偽傾角方向的移動(dòng)角β′γ′i。對(duì)于q3、q4、∫3、∫4，β=47°，δ=γ=75°，θ=60°計(jì)算得β′=62°29′；γ′=75°00′對(duì)于q1、q2、∫1、∫2，β=47°，δ=γ=75°，θ=30°，計(jì)算得β′=50°42′；γ′=75°00′應(yīng)用式（8）、式（9）得計(jì)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在各垂線上分別截取上面計(jì)算得到的相應(yīng)長(zhǎng)度，將各端點(diǎn)相連延長(zhǎng)相交，得四邊形1234，即為所留煤柱的平面投影263.計(jì)算壓煤量煤柱面積=Δ412+Δ423=37677m2

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

與前面垂直斷面法相比，垂線法少于壓煤10000余t。27一、測(cè)量與“三下”采煤礦區(qū)在建筑物下，鐵路下及水體下采煤，簡(jiǎn)稱“三下采煤”研究三下采煤的目的，就是在保護(hù)建筑物不受損害、確保井下安全生產(chǎn)的條件下，盡可能多地將煤炭資源開采出來減小巖層及地表移動(dòng)變形的開采措施（一）選擇適當(dāng)?shù)牟擅悍椒ǎǘ┻x擇適當(dāng)?shù)捻敯骞芾矸椒ǎㄈ┖侠聿贾霉ぷ髅妫ㄋ模﹨f(xié)調(diào)開采（五）提高工作面推進(jìn)速度28二、建筑物下采煤的防護(hù)措施（一）地表下沉和變形對(duì)建筑物的影響（二）建筑物的防護(hù)措施1．設(shè)置變形縫2．鋼筋混凝土圈梁和鋼拉桿3．設(shè)置變形緩沖溝4．用千斤頂調(diào)整房屋的曲率變形29

地下采煤引起的地表移動(dòng)與變形，必然影響到鋪設(shè)于該地區(qū)地面的鐵路，使鐵路受到破壞。鐵路是國家運(yùn)輸?shù)膭?dòng)脈，因此，在鐵路下采煤，必須采取有效措施保證鐵路安全運(yùn)行。鐵路下采煤與建筑物下、水體下采煤相比，有其獨(dú)有的特點(diǎn)，即鐵路線路在開采影響過程中，可以通過維修及時(shí)消除本身的移動(dòng)和變形，如采用及時(shí)墊起路基和拔正線路