开采引起的地表沉陷规律.ppt

2-2 开采引起的地表沉陷规律,一、地表移动和破坏的形式 二、地表移动盆地的形成及特征 三、地表移动的角量参数 四、 地表移动的变形参数 五、地表移动变形参数分析 六、开采沉陷预计方法,一、地表移动和破坏的形式,地表移动盆地,地表裂缝及台阶,煤层露头处附近漏斗状塌陷坑,二、地表移动盆地的形成及特征,1、地表移动盆地的形成,H,1,W1,2,W2,3,W3,4,5,W4,W5,2、充分采动与非充分采动,充分采动地表最大下沉值不再随开采区域尺寸增大而增加。 非充分采动地表最大下沉值随开采区域尺寸增大而增加 。,非充分采动时的地表移动盆地,临界充分采动时的地表移动盆地,临界开采尺寸 ，1.21.4倍采深,超充分采动时的地表移动盆地,3、地表移动盆地特征,主断面通过盆地内最大下沉点沿煤层倾向或走向的垂直剖面,（1）近水平煤层地表移动盆地,倾向临界充分采动,非充分采动,下沉曲线特征,主断面上的地表下沉曲线分为三段。 采空区上方的内缘区下沉曲线呈凹形 煤柱上方的外边缘区下沉曲线呈凸形,下沉曲线的凹凸或内外边缘区分界点称为拐点 。拐点偏移距。,（2）缓倾斜和倾斜煤层地表移动盆地,移动盆地在倾向方向上与采空区不对称 。盆地、最大下沉值 和拐点均下移 。,（3）急倾斜煤层地表移动盆地,非对称性更加明显， 整个盆地及最大下沉值向采空区下边界方向偏移， 地表最大水平移动值大于最大下沉值， 煤层底板岩层也移动,在移动盆地主断面上，将地表下沉曲线上的最大下沉点或盆地平底边缘点投影在地表水平线上，该投影点和采空区边界的连线与煤层底板在采空区一侧的夹角叫充分采动角 。 下山方向的充分采动角1 上山方向的充分采动角2 走向方向的充分采动角3,三、地表移动的角量参数,1、充分采动角,2、边界角、移动角和裂隙角,移动盆地的最外边界 一般取下沉为10mm的点为边界点 ACBD 移动盆地危险边界 倾斜i=3mm/m 水平变形= 2mm/m 曲率K=0.2mm/m2 ACBD 移动盆地裂缝边界 A“C“B“D“,松散层移动角,松散层 第四纪、第三纪未成岩的冲积层、洪积层和残积层的统称 松散层移动角 ，一般取45。 当有松散层时，应先以松散层移动角将边界点投影到基岩面，再与开采边界连线确定移动角。,急倾斜煤层边界角、移动角、裂隙角,急倾斜煤层的顶板、底板边界角移动角和裂隙角,3、最大下沉角,在移动盆地倾向主断面上，采空区中点和地表最大下沉点在地表水平线上投影点的连线与水平线在下山方向的夹角,=90-K K=0.50.8,四、地表移动的变形参数,空间问题 平面问题 在主断面上用数学方法研究,任意一点的向量,横向（X） 纵向（y）,开采引起的地表移动是复杂的时间-空间现象。一点的移动矢量是空间位置（x、y、z）和时间（t）的函数 。,垂直移动（Z） 水平移动,描述地表移动盆地内移动和变形的主要指标,下沉 水平移动 倾斜 曲率 水平变形,1、下沉 W,主断面内地表移动向量的铅直分量,W=W（x） 最大下沉值在盆地中央 下沉曲线凹凸分界的拐点处，下沉值约为最大值的一半。,2、水平移动 U,地表移动向量的水平分量,U=U（x）,有两组方向不同的水平移动 规定:正值的水平移动与x轴的正方向一致 负值的水平移动与x轴的负方向一致,水平移动,1点 U1=0 5点 U5=0 9点 U9=0 U坐标向下为正,边界点和采空区中点的水平移动为零； 边界点和采空区中点之间有极值。,3、倾斜 i,倾斜是指地表单位长度内下沉的变化，单位为mm/m，i坐标轴向下为正,倾斜是地表下沉的一阶导数,倾斜的正负号,有两组方向不同的倾斜 边界点和最大下沉点之间的倾斜必然有正极值和负极值存在。,倾斜的正负号的物理意义,垂直于地表下沉曲线的杆状物倾倒的趋向与x轴正向相同时，倾斜为正； 杆状物倾倒的趋向与x轴负向相同时倾斜为负。,水平移动U（x）和倾斜i（x）的变化趋势同步,水平移动U（x）和倾斜i（x）,B一个有单位的比例系数,4、曲率K,地表单位长度内倾斜的变化，单位为mm/m2或10-3/m。 曲率坐标轴向上为正 .,曲率,K1=0 K3=0 K5=0 K7=0 K9=0,曲率,倾斜,曲率正负号的物理意义,正曲率的物理意义是地表下沉曲线在地面方向凸起或在煤层方向下凹 负曲率的物理意义是地表下沉曲线在地面方向下凹或在煤层方向凸起,5、水平变形 ,单位长度上水平移动的变化，单位：mm/m 坐标向上为正,水平变形,水平 移动, 1=0 3=0 5=0 7=0 9=0,水平变形正负号的物理意义,水平变形正值的物理意义为地表受拉伸变形 负值的物理意义为地表受压缩变形。,两个相等的正极值和两个相等的负极值 正极值为最大拉伸值，位于边界点和拐点之间； 负极值为最大压缩值，位于两个拐点之间； 盆地边界点、拐点和中点处水平变形为零； 盆地边缘区为拉伸区，中部为压缩区,水平变形的变化规律,地表移动盆地内五项指标变化规律,五项指标之间的关系,非充分和 超充分采动条件下水平煤层(或有一定倾角的煤层沿走向) 主断面内地表移动与变形规律,倾斜煤层移动与变形规律,1-下沉 2-倾斜 3-曲率 4-水平移动 5-水平变形,1、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；最大下沉点偏向下山方向。 2、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。 3、指向上山方向的水平移动大于指向下山方向的水平移动。 4、最大拉伸变形在下山方向，最大压缩变形在上山方向。,五、 地表移动与变形参数分析,（一）地表移动变形参数的影响因素 （二）地表移动速度和持续时间 （三）最大下沉值与下沉系数 （四）主要影响半径与主要影响角 （五）水平移动系数 （六）拐点偏移距,（一）地表移动与变形参数的影响因素,1、煤层地质条件 煤层厚度、倾角、埋深、断层 2、覆岩与地层条件 岩性、厚度与组合关系，关键层特征，表土层厚度、山地、地下水 3、开采技术条件 重复开采、采空区处理、开采速度、开采范围,（二） 地表移动速度和持续时间,岩层移动变形 在 空间 时间 剧烈程度下沉速度反映 地表设测点A,地表移动速度和持续时间,地表移动延续时间,地表移动持续时间,岩层移动时间,岩层移动时间主要与采深和岩性有关 采深H（m） 时间（年） 100 0.7 1 100200 12 200300 23,下沉系数：最大下沉量与煤层采高的比值 下沉系数与覆岩岩性有关 下沉系数与采空区处理方法有关 下沉系数与重复采动有关 下沉系数与采深有关,（三）最大下沉与下沉系数,部分煤矿实测的地表下沉系数变化范围,采空区处理方法与,采空区处理方法与,重复采动对地表下沉系数影响,采深对的影响,采深小 , 较大,非充分采动条件下地表最大下沉值,W0=mcos 确定的方法 1、按L0/Lc / 2、按L/H0 / ,确定的方法1,开采充分程度(l0/lc)或(L0/Lc)与(/)的关系,确定的方法2,L为开采区域长度或宽度按开采影响传播角0向地面的投影长度 H0为平均采深,确定的方法2,（四）主要影响半径和主要影响角 （开采影响范围）,主要影响半径,x=r处的地表移动和变形,主要影响角,主要影响角：开采边界点与主要影响半径边界点的连线与水平线所夹的锐角 （与下山方向岩层移动角含义不同） r，影响范围变小 r 影响范围变大,主要影响角正切,tg取值,tg常见值为1.32.5，一般为2 大小主要决定于上覆岩层的岩性，岩层坚硬时，tg较小，岩层软弱时，tg较大。 一般情况下，坚硬岩层的tg为1.21.91，中硬岩层为1.922.4，软弱岩层为2.413.54。,（五）水平移动系数,水平煤层 一般b=0.3，变化范围大致在0.20.4 倾斜煤层b b=b(1+0.0086),（六）拐点偏移距,拐点处下沉为最大下沉的一半，倾斜和水平移动值最大，曲率和水平变形值为零。 覆岩越硬，拐点偏移距越大。 采深越大，拐点偏移距越大。,预计内容 影响范围 最大变形、移动值及位置 主断面内地表移动和变形值 地表任意点变形和移动值 地层内岩体任意点变形和移动值 预计目的 建筑物的破坏程度 应采取的相应措施,六、开采沉陷预计方法,动态预计：某时的移动和变形 W、 i 、U、K、t 静态预计：稳定后的移动和变形 W、i、U、K、 主要方法 静态预计,地表移动和变形预计方法,典型曲线法 剖面函数法 理论模拟法 概率积分法,地表移动和变形预计方法,一、典型曲线法,基于地表下沉实测资料，综合成反映所测矿区主断面内下沉分布规律的地表下沉典型曲线、数据或表格，据此预测该矿区新开采工作面开采沉陷。 使用条件： 适用于规则采空区上方的地表移动和变形预计。,制作典型（无因次）曲线,所作的典型下沉曲线与采深和煤层厚度无关,只与最大下沉值和位置有关 采前大量布置测点，实测,W0,3 3,0,0,o,X1,X2,X3,Xm,.,.,.,.,.,.,Xm+1,.,Wx,H,y1 y2,.,.,典型（无因次）曲线的制作,采后处理数据： O点为最大下沉点， 座标轴指向盆地边界 以X/L和Y/L为横坐标， 坐标单位为0.1、0.2、 0.3、1.0 以WX/W0和Wy/W0为纵坐标，坐标单位为0.1、0.2、 0.3、1.0 盆地半长L1、L2或L3由0、0、0、1、2、3定 做典型图和表（无因次）,典型（无因次）曲线盆地,o,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,X/L3,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,Wx / Wo,峰峰矿区充分采动条件下主断面内 下沉典型曲线分布系数,预计新开采区域地表移动与变形,a、计算最大下沉值W0，（由本矿区的经验） b、作主断面图 c、确定L3,e、从表格和图上查出：,时各点的比值,d、将L3十等分确定,f、将WX画到图上连接起来做为下沉预计曲线,典型（无因次）曲线计算公式,0 开采影响传播角，度,峰峰矿区典型曲线法预计所用的参数取值,地表最大下沉值 W0=mcos ，初次采动0.78，分层开采0.88 水平移动和倾斜的比值B取为1214，(m) 角度 边界角 0=58，0=58-0.32，0=58 开采影响传播角 0=90-0.6 充分采动角 1=64-0.55，2=55+0.4，3=58 松散层移动角 =56,典型（无因次）曲线法评述,典型曲线法预计时误差较小 比较简单，且比较符合实际 是 较为可靠的方法之一 但必须有大量的实测资料为基础 不足局限于某一矿区矩形或近似矩形的地下开采区域,二、剖面函数法,用某些函数来表示各种开采条件下地表下沉盆地主断面内移动。 我国常用的剖面函数是负指数函数 W(x)=W0e-a(x/L)b,三、概率积分法,（1）基本原理,（2）正态分布密度函数与概率积分函数, 为常数，数学期望 0 常数，方差2 特点： （1）对称于X= （2）X= 时, （3）f（x）为ox轴为渐进线,（3）单元开采地表下沉盆地,r 主要影响半径（r = Hctg）,半无限开采,开采范围 0+ x0的煤层全部采出，x0的煤层全部保留,(1) 半无限开采单位厚度的煤层后x位置处A点的下沉,(2)半无限整层开采后位置处点的下沉,当采厚为，由于上覆岩层垮落、碎胀、断裂和离层，地表不再能下沉，只能下沉，受煤层倾角的影响，地表的最大下沉量为cos。 煤层采厚度为m，计算时的采厚只能取cos 坐标为x的任意点A，整层开采引起的地表下沉值 W（x）应为单位厚度开采引起的该点下沉值Wd（x）的cos倍。 令W0=cos,以下板书推导,（5)半无限开采地表移动和变形预计公式简化,简化的半无限开采地表移动和变形预计公式,1,地表移动与变形分布无因次曲线,x,o,x,W(x),r,r,-主要影响角 r主要影响半径,W(x)/W0 =0.9937 W(x)/W0 =0.0063,H,tg =H/r,主要影响角和下山移动角意义不同,有限开采地表任意点的下沉,有限开采推导,两个半无限开采之差,A,B,1）第一个半无限开采 开采范围A 的全部煤层,2）第二个半无限开采 开采范围B的全部煤层,理想条件下A、B之间煤层的有限开采可等效于上述两个半无限开采之差。,考虑A、B两点处的拐点移动距，有限开采的计算开采边界范围为l=L-2s0，其引起地表下沉的表达式为： W0（x）=W（x）-W（x-l）,有限开采的值,o,x, (x), (x-l),- (x-l),l,A,B,U（x),K（x),(x),4、倾向主断面内的移动与变形预计（15）,倾向主断面内预计特点 主要影响半径不同 水平移动和水平变形与开采影响传播角有关 开采影响传播角：在移动盆地倾向主断面上，按拐点偏移距求得的计算开采边界和地表下沉曲线拐点在地表水平线上的投影点的连线与水平线在下山方向的夹角。,（1）半无限开采倾向主断面内的移动与变形预计,W（y)、i(y)、K(y)时，用y/r2或y/r1代替x/r,半无限开采倾向主断面内的移动与变形预计,（2）有限开采倾向主断面内移动与变形预计,有限开采倾向主断面内移动与变形预计,有限开采倾向主断面内移动与变形预计,Diagram of mining subside