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第二章 地表沉陷的一般规律 第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动变形分布规律 第二节 采动过程中的地表移动和变形的一般规律 第三节 地表下沉盆地稳定后全面积开采沉陷分布规律 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 第五节 复杂地质条件对地表沉陷的影响 l 教学目的与要求： l 地表沉陷的规律是开采沉陷学中最重要的内容之一。通过本章的学习， 要求学生理解并掌握各种开采条件下、开采过程中及移动盆地稳定后地表沉陷的 一般规律。 l 课程内容： l 1移动盆地稳定后主断面内移动和变形分布规律； l 2采动过程中(动态)主断面内移动和变形分布规律； l 3移动盆地稳定后全面积的移动和变形分布规律； l 4地质采矿因素对地表沉陷的影响； l 5复杂地质条件对地表沉陷的影响。 l 教学重点： l 各种开采条件下不同采动程度的主断面内移动和变形分布规律；/采动过 程中的地表移动和变形的一般规律；/地表下沉稳定后全面积开采沉陷分布规律 及各等值线的特点。 l 教学难点： l 对地质采矿因素和复杂地质条件对地表沉陷的影响进行分析。 l 地表沉陷规律是指地下开采引起的地表移动和变形的大小 、空间分布形态及其与地质采矿条件的关系。 主要内容：(1)水平、缓倾斜煤层以及急倾斜煤层开采沉陷 的分布规律；(2)沉陷稳定后(又称静态)及工作面推进过程中( 又称动态)的分布规律；(3)简单地质条件和复杂地质条件下的 分布规律等。 目前，以水平煤层和缓倾斜煤层开采的、沉陷稳定后的和 简单地质条件下的分布规律研究较为充分，其它方面尚在不断 深入研究之中。所以本章主要介绍： 1.移动盆地稳定后主断面内移动和变形分布规律； 2.采动过程中(动态)主断面内移动和变形分布规律； 3.移动盆地稳定后全面积的移动和变形分布规律； 4.地质采矿因素对地表沉陷的影响； 5.复杂地质条件对地表沉陷的影响。 第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动 和变形分布规律 本节所述的规律是指地表移动盆地稳定后主断 面内的移动和变形分布规律，并且是典型化和理想 化了的。它要满足以下几个条件： 1深厚比HM(开采深度与开采厚度之比值)大 于30。在这样的条件下，地表移动和变形在空间和 时间上都具有明显的连续特征和一定的分布规律； 2地质采矿条件正常，无大的地质构造(如大 断层和地下溶洞等)，并采用正规循环的采煤作业 ； 3属于单一煤层开采，并不受邻区开采影响。 第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动 和变形分布规律 地表移动盆地稳定后的移动和变形分布规律与许 多地质采矿因素有关。如：煤层倾角（）、开采 厚度（m）、开采深度（H）、采区尺寸（D）、采煤 方法、顶板管理方法、松散层厚度（h）等。 如果开采均系采用走向长壁式采煤、全部垮落法 管理顶板，并且开采厚度均相同，那么影响分布规 律的地质采矿因素主要就是煤层倾角、采区尺寸和 开采深度。而采区尺寸和开采深度之比，可决定地 表的采动程度。 下面根据不同的采动程度和煤层倾角的变化情况 ，讨论地表移动和变形的分布规律。 第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动 和变形分布规律 一、水平煤层（或沿煤层走向主断面)非充分采动时 主断面内地表移动和变形分布规律 判别：水平煤层开采时的采动程度可用走向充分 采动角3来判别。当用3 角作的两直线交于岩层内 部而未及地表时，此时地表为非充分采动。 （一）下沉曲线 下沉曲线表示地表移动盆地内下沉的分布规律。 设沿主断面方向为x轴，下沉曲线为 W(x)=F(x) 在讨论分布规律时，先要确定下沉曲线上的三个 特征点： 第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形 分布规律 1最大下沉点o：下沉值最大。在水平煤层开采时，在采区中央正 上方。 2盆地边界点A、B：据走向边界角0作边界点A、B，此处下沉值 为零。 3拐点E：拐点是指下沉曲线凹凸的分界点。拐点从理论上讲应位 于工作面开采边界的正上方，但由于工作面边界附近的顶板并不切 煤壁冒落或呈阶状弯曲，存在悬顶距，因此在四周没采情况下，拐 点E不在工作面开采边界的正上方而是略偏向采空区一侧。在地表达 充分采动条件下，拐点处的下沉值约为最大下沉值的一半。 下沉曲线分布规律：在地表最大下沉点O处下沉值最大 ，自盆地中心至盆地边缘下沉值逐渐减小，在盆地边界点A 、B处下沉值为零。 第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形分布规律 第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动 和变形分布规律 （二）倾斜曲线 倾斜曲线表示地表移动盆地内倾斜的变化规律，倾斜为下 沉的一阶导数： 倾斜曲线分布规律为：盆地边界点至拐点间倾斜渐增，拐 点至最大下沉点间倾斜渐减，在最大下沉点处倾斜为零。在拐 点处倾斜最大，有两个方向相反的最大倾斜。 第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动 和变形分布规律 （三）曲率曲线 曲率曲线是表示地表移动盆地内曲率的变化规 律，曲率曲线可表示为倾斜的一阶导数或下沉的二 阶导数： 第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形分 布规律 曲率曲线分布规律为： 1曲率曲线有三个极值，两个相等的正极值和一个负 极值，正极值称最大正曲率，位于边界点和拐点之间，负极 值称最大负曲率，位于最大下沉点处。 2盆地边界点和拐点处曲率为零。 3盆地边缘区为正曲率区，盆地中部为负曲率区。 第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形分 布规律 (四)水平移动曲线 水平移动曲线表示地表移动盆地内水平移动分布 规律，用U(x)表示。移动盆地内各点的水平移动方 向都指向盆地中心。 大量的实测资料表明，水平移动曲线与倾斜曲线 相似。因此，可得下式： B水平移动系数，B=0.130.18H。 第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和 变形分布规律 水平移动曲线分布规律为：盆地边界点至拐点间水平移动 渐增，拐点至最大下沉点间水平移动渐减，最大下沉点处水平 移动为零；在拐点处水平移动最大，有两个方向相反的最大水 平移动。 第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动 和变形分布规律 （五）水平变形曲线 水平变形曲线表示地表移动盆地内水平 变形分布规律，水平变形曲线与曲率曲线相 似。是水平移动的一阶导数： B水平移动系数，B=0.130.18H。 第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形 分布规律 水平变形分布规律为： 1.水平变形曲线有三个极值，两个相等的正极值和一个 负极值，正极值称为最大拉伸值，位于边界点与拐点之间， 负极值称为最大压缩值，位于最大下沉点处。 2.盆地边界点和拐点处水平变形为零。 3.盆地边缘区为拉伸区，盆地中部为压缩区。 第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和 变形分布规律 二、水平煤层(或沿煤层走向主断面)充分采动时主断面 内移动和变形分布规律 判别：当用3 角作的两直线刚好交于地表时，此时 地表为充分采动。 地表刚达到充分采动时和非充分采动时相比，它们的 不同之处在于： 1最大下沉值已达到该地质采矿条件下之最大值。 2倾斜、水平移动曲线没有明显变化。 3曲率或水平变形曲线在采区中心拐点、边界点为 零；在边界点和拐点之间达到最大拉伸；在拐点和采区 中心之间达到最大压缩变形。 第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动 和变形分布规律 三、水平煤层(或走向主断面)超充分采动时主断面内移动和 变形分布规律 判别：当用3 角作的两直线在地表交于o1和o2两点，o1 和o2间出现平底时，地表达到超充分采动。 地表达到超充分采动时和非充分采动时相比，不同之处 在于： 1下沉曲线中部平底上各点下沉值相等，并达到该采矿 地质条件下的最大值。 2在平底部分内，倾斜、曲率、水平变形均为零或接近 于零；各种变形主要分布在采空区边界上方附近。 3最大倾斜和最大水平移动位于拐点处；最大正曲率、 最大拉伸变形位于拐点和盆地边界点之间；最大负曲率、最 大压缩变形位于拐点和最大下沉点o之间。 第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形 分布规律 四、倾斜（1555）煤层非充分采动时移动 和变形分布规律 判别：利用下山充分 采动角1和上山充 分采动角2确定充 分采动程度。 用0、0确定上 下山盆地边界点，用 最大下沉角确定最 大下沉点。 倾斜煤层非充分采动时地表移动变形分布规律 第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形 分布规律 1下沉曲线、倾斜 曲线和曲率曲线： 下沉曲线失去对 称性，如上山部分的 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 向下山方向偏离，其 位置用最大下沉角 确定。 下沉曲线的两个拐点与采空区不对称，而偏向下山方向。 随着下沉曲线的变化，倾斜曲线和曲率曲线也相应发生变化。 倾斜煤层非充分采动时地表移动变形分布规律 第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动 和变形分布规律 2水平移动曲线： 在倾斜煤层开采 时，随着煤层倾角 的增大，指向上山 方向的水平移动值 逐渐增大，而指向 下山方向的水平移 动值逐渐减小。 倾斜煤层非充分采动时地表移动变形分布规律 第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动 和变形分布规律 3水平变形曲线： 最大拉伸变形在下山 方向，最大压缩变形 在上山方向，水平变 形为零的点与最大水 平移动点重合。 4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。 倾斜煤层非充分采动时地表移动变形分布规律 第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动 和变形分布规律 五、急倾斜（55 ）煤层非充分采动时移动 和变形分布规律 1下沉盆地非对称性十 分明显，下山方向的影响 范围远远大于上山方向的 影响范围。 2随着煤层倾角的增大 ，最大下沉点位置逐渐移 向煤层上山方向。 3在松散层较薄的情况 下，可能只出现指向上山 方向的水平移动。 急倾斜煤层非充分采动时地表移动变形规律 第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形 分布规律 煤层倾角小于90o煤层倾角接近90o 4.随着煤层倾角的增大，倾斜剖面形状由对称的碗 形逐渐变为非对称的瓢形。当煤层倾角接近90o时， 下沉盆地剖面又转变为比较对称的碗形或兜形。 急倾斜煤层开采后的下沉盆地形态 第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形 分布规律 5当开采厚度大、开 采深度小、煤层顶底 板坚硬不易冒落而煤 质又较软时，开采后 采空区上方之煤层易 沿煤层底板滑落。这 种滑落可能一直发展 到地表，使地表煤层 露头处出现塌陷坑。 急倾斜煤层开采后地表出现塌陷坑 第二节 采动过程中的地表移动和变形的一般规律 一、研究采动过程中地表移动变形分布规律的必要 性 地下煤层采出后引起的地表沉陷是一个时间和空 间过程。随着工作面的推进，不同时间的回采工作 面与地表点的相对位置不同，开采对地表点的影响 也不同。地表点的移动经历一个由开始移动到剧烈 移动，最后到停止移动的全过程。在生产实践中经 常会遇到下述情况，即仅仅根据稳定后(或静态)的 沉陷规律还不能很好地解决实际问题，必须进一步 研究移动变形的动态规律。 第二节 采动过程中的地表移动和变形的一般规律 例如，在超充分采动条件下，地表下沉盆地出现 平底，在此平底范围内地表下沉相同，地表变形等于 零或接近于零，但不能认为在此区域内的建筑物不受 到破坏，因为在工作面推进过程中该区域内的每一个 点均要经受动态变形的影响，虽然这种动态变形是临 时性的，但它同样可以使建筑物遭到破坏。/在建筑 物下采煤时，需要随时确定建筑物受采动影响的开始 时间和在不同时期的地表移动变形量，以便对建筑物 采取适当措施。如加强观测、加固、临时迁出或改变 用途等。在铁路下采煤时，需根据动态变形规律确定 铁路维修范围，预计铁路上部建筑起垫量等。在进行 协调开采时，根据动态变形规律可以更合理地安排回 来工作面之间的相互关系等。 第二节 采动过程中的地表移动和变形的一般规律 二、地表点的移动轨迹 1当工作面由远处向 A点推进、移动波及到A 点时，地表下沉速度由 小逐渐变大，A点的移 动方向与工作面推进方 向相反，此为移动的第 阶段； 采动过程中地表点移动轨迹 （一）移动轨迹与工作面位置的关系 第二节 采动过程中的地表移动和变形的一般规律 2.当工作面通过A点正下方(2处)继续向前推进时， 地表下沉速度迅速增大，并逐渐达到最大下沉速度 ，A点的移动方向近于铅垂方向，此为移动的第 阶段； 采动过程中地表点移动轨迹 3.当工作面继续向前 推进，逐渐远离地表 点A后，点A的移动方 向逐渐与工作面推进 方向相同，此为移动 的第阶段； 第二节 采动过程中的地表移动和变形的一般规律 4.当工作面远离地表点达到 一定距离后，回采工作面对A 点的影响逐斯消失，点A的移 动停止，此为移动的第阶 段。 5.稳定后，点A的位置并不一 定在其起始位置的正下方， 一般赂微偏向回采工作面停 止位置一则。此为移动的第 阶段。 采动过程中地表点移动轨迹 时为直线。 （二）与工作面推进的速度的关系 速度越大，弧线弯曲程度越小，当 第二节 采动过程中的地表移动和变形的一般规律 三、工作面推进过程中超前影响 （一）起动距 在走向主断面上，工作面由开切眼推进一定距离到达A 点后，岩层移动开始波及到地表，如图。通常把地表开始 移动时工作面的推进距离称为起动距。 地表开始下沉是以 观测地表点的下沉值达 到10mm为标准。起动距 的大小主要和开采深度 及岩石的物理力学性质 有关。一般在初次采动 时，起动距约为 1/4H01/2 H0。 第二节 采动过程中的地表移动和变形的一般规律 工作面推进过程中的超前影响 （二）超前影响、超前影响角、超前影响距 1.超前影响 如右图所示，当工作面 推进至B点时，得下沉曲线 W1，工作面前方1点开始受 采动影响而下沉；当工作 面推进的距离约为1.2 1.4Ho，即推至C点时，得 下沉曲线W2，地表2点开始 受影响而下沉。从这里可 以看出，在工作面推进过 程中，工作面前方的地表 受采动影响而下沉，这种 现象称为超前影响。 第二节 采动过程中的地表移动和变形的一般规律 式中 l超前影响距； H0平均开采深度。 工作面推进过程中的超前影响 3.超前影响距 开始移动的点到工作 面的水平距离L称为超前 影响距。 2.超前影响角 将工作面前方地表开始移动(即下沉10mm)的点与当时工作面 的连线，此连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为超前影响角 (The angle of advance influence) ，用表示。 第二节 采动过程中的地表移动和变形的一般规律 （1）采动程度 非充分采动时，角值随着 开采面积的增大而减小；充分 采动后，值基本趋于定值； 地表移动稳定后，角等于边 界角0。 （2）工作面推进速度 值随着工作面推进速度增 大而增大。 掌握了超前影响规律，就可以在工作面推进过程中，确 定工作面在任意位置时的地表影响范围。 工作面推进过程中的超前影响 4.影响超前影响角大小的因素 （3）采动次数 重复采动时的超前影响角比初次采动时小。 第二节 采动过程中的地表移动和变形的一般规律 四、工作面推进过程中的下沉速度 （一）下沉速度的计算 式中 Wm第m次测得的n号点的下沉量，mm； Wm+1第m+1次测得的n号点的下沉量，mm； t两次观测的间隔天数。 单位，mm/d； （二）下沉速度的变化规律 在采动过程中，各点的下沉速度并不相等。将 各点下沉速度绘制成曲线，称为下沉速度曲线。 第二节 采动过程中的地表移动和变形的一般规律 从图上可以看出： 1在非充分采动时，随着采空区面积的增大，地表各点的 下沉速度逐渐增大，最大下沉速度也增加。 2在充分采动条件下，下沉速度的最大值到达该地质采矿 条件下最大值。下沉速度的最大值与工作面相对位置保持不 变，这称为最大下沉速度滞后现象。 工作面推进过程 中的下沉速度曲线， 横坐标表示为x，纵 坐标表示为v(x)。1 ，2为非充分采动时 下沉速度曲线；3，4 为充分采动时下沉速 度曲线。 第二节 采动过程中的地表移动和变形的一般规律 （三）最大下沉速度滞后距离和最大下沉速度滞后角 当地表达到充分采动后，在地表下沉速度曲线上，最大下 沉速度总是滞后于回采工作面一个固定距离，这个固定距离 称为最大下沉速度滞后距（The distance of delay），用L 表示。这种现象称为最大下沉速度滞后现象。 把地表最大下沉速度点与相应的回采工作面连线，此线和 煤层（水平线）在采空区一侧之夹角，称为最大下沉速度滞 后角（The angle of delay) ，用 来描述。其公式如下： 最大下沉速度的点是地表移动最剧烈的点。掌握了地 表最大下沉速度滞后角的变化规律，便可确定在回采过 程中对应地表移动的剧烈区，这对采动地面保护具有重 要的实践意义。 第二节 采动过程中的地表移动和变形的一般规律 初次采动： 重复采动： 式中 D1工作面斜长，m； m采厚，m； 煤层倾角，(o)； Ho平均采深，m； c工作面推进速度，md。 五、地表移动持续时间 下沉值最大的地表点从移动开始（下沉量达到10mm时刻） 到地表移动停止（连续六个月内地表下沉量w30mm）的持续 时间称为地表移动持续时间。 （一）影响最大下沉速度的因素 我国一些矿区的实测资料表明，最大下沉速度与覆岩性质 、推进速度、深厚比、采动程度有关。覆岩性质愈软、推进 速度愈大，深厚比愈小，则下沉速度愈大。重复采动时的最 大下沉速度比初次采动时大。 第二节 采动过程中的地表移动和变形的一般规律 有些文献认为地表最大下沉速度与地表最大下沉值、开采 深度、覆岩性质以及工作面推进速度有关，其经验公式为： 式中 K下沉速度系数；V工作面推进速度，md； H0平均采深，m；Wmax本工作面地表最大下沉值，mm。 我国部分煤矿地表下沉速度系数K实测值 第二节 采动过程中的地表移动和变形的一般规律 1开始阶段：从移动开 始至下沉速度刚达到 1.67mmd时刻止的阶段 为移动开始阶段。 2活跃阶段：下沉速度 大于1.67mmd的阶段， 也称危险变形阶段。 3衰退阶段：下沉速度 刚小于1.67mmd时起至 地表移动稳定的阶段为 移动衰退阶段。 地表最大下沉点的下沉速度及下沉曲线 （二）地表移动的三个阶段 l 第二节 采动过程中的地表移动和变形的一般规律 地表最大下沉点的下沉速度及下沉曲线 直线l反映整个移动过 程中地表最大下沉点至各 时刻工作面水平距离的变 化关系。它与下沉曲线对 照，可知地表最大下沉点 的下沉速度的变化与工作 面的位置之间的关系。当 工作面推过该点一段距离 后，该点的下沉速度才能 达到最大。从而可求出滞 后距L，据下式可求得最大 下沉速度滞后角。 （三）最大下沉速度滞后角和滞后距求取 l 第二节 采动过程中的地表移动和变形的一般规律 六、工作面推进过程中地表移动和变形的变化规律 当工作面停采后，水平移动仍在继续，最大水平移动值仍继 续增加，直至地表移动稳定为止。 (二）倾斜变化规律 工作面推进过程中倾斜变化规律与水平移动变化规律基本相同。 采动过程中地表水平移动曲线变化规律 （一）水平移动的变化规律 随着工作面的推进，采空 区面积不断增大，水平移动的最 大值逐渐增大，水平移动值等于 零的点随着工作面的推进而向前 移动。当达到充分采动时，开切 眼一侧的水平移动渐趋稳定，水 平移动值等于零的点不再向前移 动。当达到超充分采动时，水平 移动值等于零的区域扩大。 第二节 采动过程中的地表移动和变形的一般规律 （四）水平变形的变化规律 回采工作面推进过程中的地表水平变形变化规律与曲率变形变化 规律基本相同。 采动过程中地表曲率变形曲线变化规律 （三）曲率的变化规律 当工作面未到达充分采 动时，在开切眼上方地表的 最大凸曲率，由小到大逐渐 增加，而最大凹曲率先由小 到大逐渐增加，然后又由大 变小。当地表达到充分采动 时，在盆地中央曲率为零， 盆地内出现两个最大凹曲率 点。当达到超充分采动时， 曲率变形零值区不断扩大， 形成一个区域。 第二节 采动过程中的地表移动和变形的一般规律 在地表移动过 程中只是移动和 变形值由小到太 逐渐发展，没有 正负曲率变形互 相交替变换及拉 伸和压缩变形互 相变换的现象。 采动过程中垂直于工作面推进方向的断面上 下沉、水平移动和水平变形的变化规律 （五）垂直于推进方向断面上地表移动与变形的变化规律 第三节 地表下沉盆地稳定后全面积 开采沉陷分布规律 在解决建筑物和铁路下采煤问题时，由于建筑 物和铁路往往不在地表下沉盆地主断面位置上，按 主断面计算方法计算不能满足要求，因此研究下沉 盆地全面积开采的沉陷规律有其实际的意义。 第三节 地表下沉盆地稳定后全面积 开采沉陷分布规律 x y 0 第三节 地表下沉盆地稳定后全面积 开采沉陷分布规律 地表下沉盆地下沉等值线 一、下沉等值线 下沉等值线呈近似圆形分布，在圆形中心处下沉值最大 ，在同一方向上离中心愈远下沉值减小。 第三节 地表下沉盆地稳定后全面积 开采沉陷分布规律 二、倾斜等值线 除了与点的位置有关外，还与给定方向有关。沿走向和倾斜方向的 倾斜和水平移动等值线全面积分布均为两组椭圆，实线的一组表示正值 ，虚线的一组表示负值。椭圆长轴方向与所指定的方向垂直。 第三节 地表下沉盆地稳定后全面积 开采沉陷分布规律 三、水平移动等值线 与给定方向有关。沿走向和倾斜方向的倾斜和水平移动等值线全 面积分布均为两组椭圆，实线的一组表示正值，虚线的一组表示负值 。椭圆长轴方向与所指定的方向垂直。 第三节 地表下沉盆地稳定后全面积 开采沉陷分布规律 四、曲率等值线 与给定方向有关。沿走向和倾斜方向的倾斜和水平移动等值线全 面积分布均为四组椭圆，实线的一组表示正值，虚线的一组表示负值 。椭圆长轴方向与所指定的方向垂直。 第三节 地表下沉盆地稳定后全面积 开采沉陷分布规律 五、水平变形等值线 与给定方向有关。沿走向和倾斜方向的倾斜和水平移动等值线全 面积分布均为四组椭圆，实线的一组表示正值，虚线的一组表示负值 。椭圆长轴方向与所指定的方向垂直。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 多年的实践经验表明， 开采沉陷的分布规律取决 于地质和采矿因素的综合 影响。这些地质和采矿因 素中，一类是人们无法对 其产生影响的，称为自然 地质因素；另一类为采矿 技术因素。波兰一些学者 曾对这些地质采矿因素进 行了分类，如图所示。只 有正确地认识和掌握这些 因素的影响，才能合理有 效地解决矿山生产中所遇 到的实际问题，才能进一 步地改进移动预计方法。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 开采沉陷的分布规律取决于地质和采矿 因素的综合影响。本节主要说明下列七种地 质采矿因素对开采沉陷的影响。 1覆岩力学性质、岩层层位的影响； 2松散层对地表移动特征的影响； 3煤层倾角的影响； 4开采厚度与开采深度的影响； 5采区尺寸大小的影响； 6重复采动的影响； 7采煤方法及顶板管理方法的影响。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 一、覆岩力学性质、岩层层位的影响 岩石可分为坚硬（f8）、中硬（f=38）和软弱 （f3）三种类型。岩石力学性质对层状矿体开采引起 的岩层和地表沉陷影响很大。在大面积开采影响下，覆 岩的移动和破坏有以下五种形式： 1覆岩力学性质对覆岩移动和破坏的影响 （1）覆岩均为坚硬、中硬、软弱岩层或其互层， 不存在极坚硬岩层，开采后容易冒落时，形成“三带” 型变形，地表为连续性变形。 （2）覆岩中大部分为极坚硬岩层，覆岩产生切冒 型变形，地表则产生突然塌陷的非连续变形。大面积暴 露之后，矿柱的支撑强度不够，产生突然的破坏，地表 移动剧烈。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 （3）覆岩中均为极众弱岩层或第四纪土层，覆岩产 生抽冒型变形，地表出现漏斗型塌陷坑。 （4）覆岩中仅在一定位置上存在厚层状极坚硬岩层 ，覆岩产生拱冒型变形，地表产生缓慢的连续型变形。 （5）覆岩中均为厚层状极坚硬岩层，不发生任何冒 落而发生弯曲变形，地表只发生缓慢的连续型变型。 2层位对地表移动和变形的影响 岩层对层位是指岩层之间的组合关系。层位对岩 层和地表沉陷也有很大影响。如果有很厚的软岩层覆盖 于硬岩层之上，则硬岩层所产生的断裂及破坏将被软岩 层所掩盖和缓冲，软岩层就像缓冲垫一样，使基岩的不 均匀移动得到缓和。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 3覆岩力学性质对开采沉陷分布规律的影响 （1）下沉曲线形状 顶板岩层愈坚硬，悬顶距愈大，拐点偏移距愈偏 向采空区一侧。 （2）地表下沉值的影响 上覆岩层愈坚硬，地表下沉愈小。如果上覆岩层 为第四纪土层为主，并且厚度大，则下沉系数接近于 1。 4覆岩性质对岩层和地表裂缝形成与特征的影响 若上覆岩层为塑性大的粘土，拉伸变形超过6 10mm/m，如果上覆岩层为塑性小的粘土，拉伸变形超 过23mm/m 。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 5覆岩性质和层位对冒落带、导水裂隙带高度的影响 覆岩的破坏高度与覆岩的岩性及力学结构特征有 密切的关系。 （1）对于坚硬坚硬型顶板(从直接顶到老顶全为 坚硬岩层)，导水裂缝带高度最大，一般可达采厚的18 28倍。 （2）对于软弱软弱型顶板，稳定性差，导水裂缝 带最大高度一般为采厚的912倍。 （3）对于软弱坚硬型顶板以及坚硬软弱型顶板 ，由于具体情况不同，导水裂缝带高度发展也是不同 的。 （下面看几个图例，再具体解释一下。） 煤层顶底板岩性拄状图 层序柱状厚度（m）岩层岩性 125.0沙土层 风化层 风积 沙，砾石，风化 层 27.41-2煤层火烧区 31.1泥岩、炭质泥岩、煤线 414.8老顶软 基岩 14.9m 较松散块状粉砂岩 50.1煤线 64.2老顶 关键层 12.9m 中粒砂岩 74.5砂质泥岩 82.4粉砂岩 90.3砂质泥岩 101.5细砂岩 114.4 直接顶 砂质泥岩、泥岩、煤线 124.0煤层2-2煤层 131.8 底板 砂质泥岩 普采工作面煤系地层典型柱状 冒落带 裂隙带 冒落带 裂隙带 工作面被压坏的液压支架 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 二、松散层对地表移动特征的影响 1.当基岩为水平或近似水平时，松散层移动形式和 基岩移动形式基本一致，水平移动呈对称分布。 2.当岩层倾斜时，水平移动指向上山方向量增大。 基岩沿法向弯曲。水平移动均指向上山方向。由于 摩擦力的作用，基岩移动带动松散层产生指向上由 方向的水平移动。 当松散层很厚时，基岩移动产生的水平移动在松 散层内传递时衰减而达不到地表。这时地表就只有 由于松散层垂直弯曲而引起的水平移动。根据经验 ，当松散层厚度大于75Wmtg（Wm为地表最大下沉值 ，为煤层倾角）时，就不能到达地表。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 松散层对水平移动的影响 （1）基岩移动引起的松散层水平移动曲线 （2）松散层垂直弯曲引起的松散层水平移动曲线 （3）地表最终水平移动曲线 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 三、煤层倾角的影响 1.对地表沉陷分布规律的影响 在水平和近水平煤层条件下，地表沉陷的分布对采空 区是对称的，随着倾角的增大，这种对称性逐渐消失。 2.对覆岩和地表的移动形式、破坏发展过程以及破坏分布 状态的影响。 （1）在水平及缓倾斜煤层 (035)开采条件下：岩 层移动形式主要为沿岩层的 法向弯曲和崩落。冒落带、 导水裂缝带最终呈马鞍形， 地表下沉盆地为对称的碗形 和盘形。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 （2）在煤层倾角在3554之间时：岩层移动的 形式除有法向弯曲外，还伴随有沿层面的剪切移动 和岩石下滑，覆岩破坏部分呈抛物线形态，地表下 沉盆地为四周非对称的碗形或盘形。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 （3）当煤层倾角在5475之间时：冒落到采空区 内的煤和岩块，除了单块滚动外，还会成堆地沿煤层 倾斜方向滑动。冒落带、导水裂缝带呈椭圆形，地表 下沉盆地则呈兜形或瓢形。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 （4）当煤层倾角在7590之间时：底板岩层会 产生滑移，底板一侧的地表也会出现许多的裂缝或 形成台阶状盆地。在煤层倾角接近90时，下沉盆 地剖面形状又转为比较对称的碗形或兜形。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 3.对地表移动参数的影响 （1）对下山移动角和下山边界角0的影响 随着煤层倾角的增大，地表移动盆地在采区下山方 向扩展更远，采区下边界的移动角和边界角均减小。 即 K1、k2随着矿区岩石强度的增大而增大。 当煤层倾角6070时，、0不再随的 增大而减小。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 （2）对最大下沉角的影响 90-k 式中K为系数。它与岩性有关，不同矿区K值 有所不同。 当6070时，角不再随煤层倾角的增 大而减小，而是随着煤层倾角的增大而增大但不 大于90 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 （3）对水平移动值的影响 随着煤层倾角的增大，向上山方向的水平 移动值将增大。这在松散层对地表移动特征的 影响中巳叙述过，不再详细介绍。这里仅简要 地就最大水平移动值相对于最大下沉值的变化 来说明煤层倾角的影响。 在水平和缓倾斜煤层开采时，一般地表最 大水平移动值为 U。(0.30.4)W。急倾斜 煤层开采，地表最大水平移动值可能大于地表 最大下沉值。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 四、开采厚度与开采深度的影响 1.开采厚度的影响 开采厚度对上覆岩层及地表的沉陷过程的 性质有重要的影响。采厚越大，冒落带、导 水裂缝带高度越大，地表移动变形值也越大 ，移动过程表现得越剧烈，因此，移动和变 形值与采厚成正比。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 2.开采深度的影响 随着采深的增加，地表各项变形值减小 。可见，在其它条件相同的情况下，地表各 项变形值是与采深成反比。一般用深厚比H/m 来衡量。 开采深度还对地表最大下沉速度和移动 持续时间有影响。开采深度较小时：地表下 沉速度大，移动持续时间较短；开采深度较 大时：地表下沉速度小，移动比较缓慢、均 匀，而移动持续时间则较长。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 五、采区尺寸大小的影晌 采区尺寸的大小可影响地表的充分采动程度。 充分采动程度常用宽深比DH来表示。我国实测 资料表明（在一般情况下）： 式中 D1、D3：采空区沿倾向和走向的实 际长度。 Ho平均采深。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 充分采动程度还可用采动系数n1、n3来表示。/ 采动系数，就是采空区倾斜方向或走向方向的实际 长度与地表达到充分采动时相应方向上最小长度之 比。/采动系数的计算公式以表示为： 式中 n1倾斜方向采动系数； n3走向方向采动系数； K1，K3小于1的系数，由实测资料确定。 K1、K3主要与覆岩性质有关，一般是坚硬岩层时为0.7 ，中硬岩层时为0.8，软弱岩层时为0.9。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 根据nI和n2，可以判别地表是否达到充分采 动： （1）n1I，n31：双向均为非充分采动； （2）n11，n31：倾向未达充分采动，走 向已达超充分采动； （3）n1I，n21：倾向已达超充分采动， 走向为非充分采动； （4）nI1，n3I：双向均达充分采动； （5）nlI，n3I：双向均达超充分采动。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 重复采动是指岩层和地表已经受过一次开采的 影响而产生移动、变形和破坏之后，再一次经受开 采（开采下部煤层，或下分层，或同一煤层的下一 个工作面）的影响，使得岩层和地表又一次受到采 动，这种采动称为重复采动。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 重复采动时地表移动的特点：地表移动 和变形分布及其参数值都和初次采动有显著 变化，即移动过程剧烈，地表下沉值增大， 地表移动速度加大等。 这种变化称为重复采动时岩层与地表移 动过程的加剧。 重复采动对岩层和地表移动的影响有如 下方面： 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 （一）连续的移动变形值增大 在同样的地质采矿条件下，如果是初次开采，引 起的岩层和地表移动值相对来说比较小；如果是第二 次或第三次或更多次的开采，引起的移动相变形值相 对来说就比较大。 移动变形值增大的原因是岩层受到初次采动后在 冒落带和裂缝带内有许多空隙，这些空隙在重复采动 作用下，有一部分转化为地表下沉。所以，有人把初 次采动后岩体内的这些空隙称为“潜在下沉”。 在重复采动作用下，这种“潜在下沉”被重新“ 活化”而下沉，从而加剧了岩层和地表移动与变形。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 （二）非连续的破坏增加 在重复采动时，经受初次开采破坏的岩 体可能进一步破碎，使岩层和地表的破环 程度加剧，破坏范围加大，采深不大时地 表还会出现裂缝，使地表不连续，甚至出 现大断裂或台阶。而且，地表的这种非连 续破坏常常是突然出现的，对地面建筑物 、铁路等危害极大。由此，在重复采动时 要特别注意加强对地表非连续破坏的观测 和整治工作。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 （三）使地表移动参数发生变化 复采时与初采时相比边界角减小510， 移动角减小1015，地表下沉速度增加，移 动持续时间缩短。 复采时工作面推进过程中的参数也有变化 ，比如：起动距减小，超前影响角减小，最 大下沉速度滞后角增大。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 重复采动时下沉系数增大，其增大的机理，有的 文献提出以下看法：煤层初次开采时形成的采出空 间分三部分，第一部分是冒落带内岩石的碎胀；第 二部分是上覆岩层在弯曲下沉过程中产生离层裂缝 ；第三部分是地表下沉。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 重复采动时，上覆岩层已经历过冒落、裂缝、弯曲、 离层和下沉等移动和变形，岩层的原始状态遭到破坏，岩 层强度减弱，可以认为整个岩层变“软”了。所以，当重 复采动时，冒落带还没有得到充分发展，上覆岩层即迅速 弯曲下沉，这样就使冒落带减小，地表下沉值增大。 由于岩层比原始状态变“ 软”了，重复采动时岩层移 动过程中产生的离层裂缝比 初次开采时要小，同时第一 次开采时岩层内产生的离层 裂缝又发生闭合，这种离层 裂缝的闭合就引起地表下沉 值的增大。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 七、采煤方法及顶板管理方法的影响 开采实践证明，采煤方法和顶板管 理方法是影响围岩应力变化、岩层移动 、覆岩破坏的主要因素。目前在煤矿应 用较为普遍的方法有长壁垮落法、长壁 充填法和煤柱支撑法等。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 一、垮落法 垮落法（又称冒落法）是目前采用最普遍 、使覆岩破坏最严重的一种顶扳管理方法。采 用垮落法管理顶板进行长壁工作面开采时，顶 板岩石一般都要发生冒落和开裂性破坏，并在 岩层内部成形“三带”。当深厚比较大时，能 促使上覆岩层迅速而平稳地移动，表下沉量达 到最大，因而下沉系数也较大。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 二、充填法 用充填法采煤，对覆岩的破坏较小，一般只 引起开裂性破坏而无冒落性破坏，能够减小地表 移动量，并使地表移动和变形更为均匀。 充填法的效果主要与所采用的充填方法、充 填材料、充填体的压缩率及顶板下沉速度有关。 采用不同的充填方法和充填材料，充填体的 压缩率是不同的。水砂充填法充填体的压缩率最 小；风力充填法充填体的压缩率较大；手工充填 法的充填体压缩率最大。因而用不同的充填法进 行开采对覆岩的破坏性影响也是不同的。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 三、煤柱支承法 煤柱支承法管理顶板，一般是在顶底板岩层比较坚硬 的情况下采用。煤柱支承法常见的有条带法、房柱法和刀 柱法等。 从影响覆岩破坏的观点来看，煤柱支承法管理顶板有 两种情况： 第一种是保留的煤柱面积较大，煤柱能够支承住覆岩 的全部重量，使其不发生破坏，如条带法、房柱法等。 第二种情况是保留的煤接面积较小，煤柱支承不住顶 板，如刀柱法等。当采空区扩大到一定范围后，刀柱被压 垮，覆岩发生冒落性和开裂性破坏。在煤柱未能支承住顶 板的情况下，覆岩破坏状况和最大高度几乎与垮落法管理 顶板的效果是一样的，地表下沉量也明显增加。 （一）煤柱支承采煤方法分类 煤柱支承采煤方法根据煤柱的留设、回采 特点可分为多种类型。 （1）按照留设煤柱所起的作用可以分为： A.部分回采方式煤柱起永久支承作用， 用以支撑上覆岩层，煤柱的尺寸根据具体情况确 定。 B.全部回采方式回收大煤柱时，局部留 小煤柱，小煤柱起临时支撑作用，以利安全采煤 。回采后，小煤柱随即压垮，顶板及上覆岩层相 继垮落。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 （2）按照是否回收房间煤柱，可分为： A.房式不回收房间煤柱； B.房柱式回收房间煤柱。 （3）按照煤柱形状，可分为： A.切块式方形或矩形煤柱； B.肋条式肋条形煤柱； C.条带式长条形煤柱。 （4）按照工作面布置及顶板管理，可分为： A.房柱式房式，房柱式采煤方法； B.短壁式介于柱式、壁式体系之间的 采煤方法。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 房柱式开采方法，在美国、澳大利 亚、加拿大、印度、南非等国家已获 得广泛应用。美国的井工开采，84%的 煤是由这种采煤方法采出的。澳大利 亚、印度等也均以柱式开采为主，长 壁开采仅占10%左右。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 （二）煤柱支承采煤方法的优点和缺点 与长壁式开采相比，煤柱支承采煤方法有如下 主要优点： （1）设备投资少。一般一套房柱式采煤设备的 价格为长壁综采的1/51/6。因此，房柱式采煤方 法的设备投资较低。 （2）采掘合一，建设期短，出煤快。 （3）设备运转灵活，搬迁快。 （4）巷道压力小，便于维护，出矸量少。 （5）留煤柱控制顶板，有利于保护地表，减少 地表治理费用。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 但是，煤柱支承采煤方法也存在以下缺点： （1）资源回收率比较低。在美国，采用传统 的房柱式开采一般回收率为5060%左右。在某些条 件下，采用全部回收方式（现代房柱式）开采，回 收率可达70%以上。目前，回采率低的缺点正在被克 服。 澳大利亚采用汪格维里采煤方法，在采深300 500m条件下，回采率达到80%以上。我国神府东胜 矿区采用汪格维里采煤方法取得了较高的回采率， 一般可达7585%。 （2）通风条件差。由于进回风巷道并列，通 风构筑物多，漏风大。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 l （三）全部回收方式（现代房柱式）开采 l 全部回收式房柱式采煤方法由于回收率高， 在国际上得到较快的发展。美国经过多年的不断改 进，已经形成了以连续采煤机为中心的现代房柱式 采煤方法。 l 50年代末期，在美国房柱式采煤方法的基础 上，澳大利亚和南非引进美国连续采煤机，结合具 体条件试验成功了一种采煤方法。在澳大利亚，这 种采煤方法是首先在汪格维里煤层试验成功的，因 此称为“汪格维里”（Wongawilli）采煤方法。在 南非，类似的方法首先在西格玛矿试验成功，称为 “西格玛”采煤方法。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 l 近年来，以连续采煤机为核心的现代房柱式采 煤方法在我国神府、东胜、黄陵等埋深不大的矿区 得到推广应用，取得了月产上10万吨、回采率达到 80%左右的良好效果。 l “汪格维里”和“西格玛”采煤方法的采区 区段划分和区段内煤柱切割及回收方式与传统房柱 式采煤方法不同，煤柱回收后，顶板类似长壁工作 面一样充分冒落，使房柱回采避开支承压力峰值区 。 l 因此，这两种方法成为现代房柱式采煤方法的 典型代表。 （四）煤柱支承采煤方法适用条件 （1）开采深度适中； （2）近水平薄及中厚煤层； （3）顶板中等稳定以上； （4）底板平整，不太软，且保持无积水。 （5）煤质较硬； （6）瓦斯含量小； （7）煤层不宜自燃； （8）非近距离煤层组开采。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 （五）刀柱式长壁采煤方法 刀柱式长壁采煤方法，又称为长壁留煤柱支撑采矿方 法。这种方法在山西雀儿山煤矿和陕西神木县大砭窑煤 矿采用。目前，在我国陕北的神府和榆林地区采用还比 较广泛。 刀柱式长壁采煤方法，其工作面一般采用长壁式布置 ，工作面长度一般150m左右。当工作面推进到直接顶的 极限垮落步距时停采，留煤柱控制顶板，所留煤柱称为 控顶煤柱。 根据顶板条件，开采条带推进距离一般814m，煤柱 尺寸小于一次连续推进距离，一般在68m。依次类推， 当工作面推进到煤柱支撑顶板的采区极限范围后，留20m 左右的隔离煤柱，分割顶板垮落区，防止大面积垮落。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 （六）条带开采法 在我国煤拄支撑常采用条带开采法，它的实质是 采一条，留一条，用留下的煤柱来支撑顶板。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 条带开采只要尺寸选得合适，地表不会出 现波浪形下沉盆地，而是出现单一平缓的下沉 盆地。其它变形的分布规律与全采（不留条带 全部采出）相似。 力学模型分析与实测结果说明，当开采宽 度小于I3采深时，地表不会出现波浪形下沉 盆地，而呈现单一的下沉盆地。（见下页图示 。） 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 l（3）条带煤柱应力分布变化的一般规律 l 条带煤柱应力分布变化的一般规律大 体可以分为七个阶段： l （a）回采之前，煤层受上覆岩层均布 载荷； 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 l （b）煤柱一侧采空，煤柱边缘出现小 的塑性区，形成支承压力，支承压力峰值 不大于煤柱的极限强度。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 l （c）煤柱两侧采空，若煤柱具有足够的宽 度和强度，保持稳定支撑状态，煤柱上的应力 分布为“马鞍形”。煤柱两侧均有一定宽度的 的塑性区，煤柱边界支撑能力为零，峰值应力 不大于煤柱极限强度。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 l （d）受周围其它条带采动影响，煤柱两侧 塑性区扩展，煤柱核区应力上升但小于峰值 应力，峰值应力达到煤柱极限强度，应力分 布仍然为“马鞍形”，此时称为“极限马鞍 形”分布。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 l （e）随着充分采动程度的增加，煤柱两侧塑性区 进一步扩大，核区中心应力达到煤柱极限强度，核 区应力形成平台形分布。此时，如果核区中心应力 稍有上升，煤柱将迅速失稳，故“平台形”应力分 布是煤柱由稳定向失稳转过渡的标志。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 l （f）煤柱开始屈服，两侧塑性区连通，煤 柱失去核区，支撑能力迅速下降。煤柱核区 中心应力小于原始煤柱极限强度，应力分布 形态呈现“拱形”。 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 l （g）煤柱以蠕变状态继续破坏，支撑能力 继续下降，核区应力小于原岩应力，拱形应