第二章 开采沉陷基本概念ppt课件

1 第二章开采沉陷的基本概念 地下开采引起的岩层移动地下开采引起的地表移动和变形地表移动和变形的描述指标地表沉陷的范围和角值参数 2 1地下开采引起的岩层移动 岩层移动的概念和特征岩层移动的形式移动稳定后岩层内的三带 3 岩层移动 局部矿体被采出后 岩体内部形成一个采空区 导致周围岩体应力状态发生变化 引起应力重分布 从而使岩体产生移动变形和破坏 直至达到新的平衡 岩层移动的概念和特征 岩层移动示意图 移动特征区 充分采动区 减压区 最大弯曲区 岩石压缩区 支承压力区 岩层移动特征区示意图 5 岩层移动的形式 弯曲岩层的垮落 或称冒落 煤的挤出 又称片帮 岩石沿层面的滑移垮落岩石的下滑 或滚动 底板岩层的隆起 开采空间周围岩层的移动形式 6 移动稳定后采动岩层内的三带 移动稳定后上覆岩层按破坏程度 可分为三个不同的开采影响带 即垮落带 断裂带 弯曲下沉带 采空区上覆岩层内移动分布示意图 垮落带 裂缝带 弯曲带 地表移动的主要形式地表移动盆地的形成地表移动盆地的采动程度地表移动盆地主断面地表移动盆地的特征 2 2地下开采引起的地表移动和变形 8 地表移动 在采空区面积扩大到一定的范围后 岩层移动发展到地表 使地表产生移动和变形 地表移动的主要形式 9 地表移动盆地 开采影响波及到地表后 受采动影响的地表从原有标高向下沉降 从而在采空区上方地表形成一个比采空区面积大得多的沉陷区域 这种地表沉陷区域称为地表移动盆地 或下沉盆地 地表移动盆地形成过程示意图 10 地表裂缝及台阶 在一定条件下 地表移动盆地外边缘拉伸变形区可能产生裂缝 裂缝的深度 宽度与有无第四系松散层及其厚度 性质和变形值大小有关 塌陷坑 塌陷坑多出现在急倾斜煤层开采条件下 在煤层露头处附近地表呈现出严重的非连续性破坏 往往也会出现漏斗状塌陷坑 采动引起的塌陷坑 12 地表移动盆地 当开采工作面自开切眼开始向前推进的距离约为1 4 1 2Ho时 开采影响即波及到地表 引起地表下沉 随着工作面继续向前推进 影响范围不断扩大 在地表形成一个比开采范围大得多的下沉盆地 地表移动盆地的形成 动态移动盆地 在工作面推进过程中形成 如W1 W2 W3和W4静态移动盆地 地表移动稳定后最终的移动盆地 如W5 地表移动盆地形成过程 充分采动 CriticalMining 地表最大下沉值不随采空区尺寸增大而增加的临界开采状态 此时形成的地表移动盆地称为充分采动下沉盆地 CriticalSubsidenceBasin 盆地内只有一个点的下沉值达到该地质采矿条件下应有的最大下沉值 地表移动盆地的采动程度 充分采动地表移动盆地 A B 地表移动盆的的边缘O 地表移动盆地的最大下沉点W0 地表移动盆地最大下沉值 0 走边界角 3 走向充分采动角 非充分采动 SubcriticalMining 地表最大下沉值随采空区尺寸增大而增加的开采状态 此时形成的地表移动盆地称为非充分采动下沉盆地 SubcriticalSubsidenceBasin 采空区的尺寸小于该地质采矿条件下的临界开采尺寸 地表任意点的下沉值均未达到该地质采矿条件下应有的最大值 非充分采动地表移动盆地 超充分采动 SupercriticalMining 地表最大下沉值不随采区尺寸增大而增加且超出临界开采的状态 又称超临界开采 此时形成的地表移动盆地为超充分采动下沉盆地 SupercriticalSubsidenceBasin 盆地中央出现平底 平底区域点的下沉值均达到最大下沉值 超充分采动地表移动盆地 20 充分采动角 以 表示 在充分采动条件下 地表移动盆地的主断面上 移动盆地平底边缘 在地表水平线上的投影点 和同侧采空区边界连线与煤层在采空区一侧的夹角 充分采动地表移动盆地 超充分采动地表移动盆地 地表移动盆地的主断面 主断面 通过地表移动盆地最大下沉点沿煤层倾向或走向的垂直断面 主断面个数与采动程度有关 槽型盆地示意图 AB 走向主断面CD 倾向主断面 主断面的特征 主断面上地表移动盆地的范围最大 主断面上地表移动最充分 移动变形量最大 主断面上的点 通常不产生垂直于主断面方向的水平移动 主断面的位置 与采动程度和煤层倾角有关 最大下沉角 倾斜煤层开采时 地表移动盆地主断面上 采空区中点和地表最大下沉点在地表投影点 在非充分采动条件下 或覆岩充分采动区界线延长线交点 充分采动条件下 的连线与水平线在下山方向的夹角 最大下沉角的确定 跟开采影响传播角加以区分 移动盆地的中间区域 中性区域 移动盆地的内边缘区 压缩区域 移动盆地的外边缘区 拉伸区域 地表移动盆地特征 地表移动盆地的三个区域 25 水平煤层充分开采地表移动盆地特征 地表移动盆地位于采空区的正上方 地表移动盆地的形状与采空区对称 移动盆地内外边缘区的分界点 大致位于采空区边界的正上方 水平煤层超充分采动地表移动盆地示意图 26 倾斜煤层非充分采动地表移动盆地特征 倾斜方向上 移动盆地的最大下沉点偏向采空区的下山方向 盆地与采空区的相对位置 在走向方向上对称于倾斜中心线 而在倾斜方向上不对称 盆地的上山方向较陡 移动范围小 下山方向较平缓 移动范围大 倾斜煤层非充分开采地表移动盆地示意图 27 急倾斜煤层开采地表移动盆地特征 整个移动盆地明显偏向下山方向 下沉点不出现在采空区中心上方 而是大致位于采空区下边界上方 最大水平移动值可能大于最大下沉值 不出现充分采动情况 急倾斜煤层开采地表移动盆地示意图 2 3地表移动和变形的描述指标 下沉 Subsidence 倾斜 Slope 曲率 Curvature 水平移动 Displacement 水平变形 HorizontalStrain 下沉 地表点的沉降叫下沉 用W表示 是地表移动向量的垂直分量 以本次与首次观测点的标高差表示 即Wn Hn0 Hnm式中Wn 地表点的下沉 mm Hn0 Hnm 表示地表n点首次和m次观测时的高程 mm 正值表示测点下沉 负值表示测点上升 它反映了一个测点不同时间在垂直方向的变化量 水平移动 地表下沉盆地中某点沿某一水平方向的位移叫水平移动 用U表示 以本次与首次测得的从该点至控制点水平距离差表示 即Un Lnm Ln0式中Un 地表n点的水平移动 mm Ln0 Lnm 分别表示首次和m次观测时地表n点到观测线控制点R间的水平距离 mm 倾斜 地表倾斜是指相邻两点在竖直方向的下沉差与其水平距离的比值 它反映了地表移动盆地沿某一方向的坡度 通常以i表示 即 式中im n 为m n两点的平均倾斜变形 mm m lm n 地表m n点间的水平距离 m wm wn 分别为地表m n点的下沉值 mm 曲率 地表曲率是两相邻线段的倾斜差与两线段中点间的水平距离的比值 由下式计算 式中im n in p 分别表示地表m n和n p点间的平均斜率 mm m lm n ln p 分别表示地表m n和n p点间的水平距离 m km n p 为m n n p线段的平均曲率 mm m2 水平变形 相邻两点的水平移动差与两点间水平距离的比值 通常用 表示 式中un um 分别为m n点的水平移动 mm lm n 分别为m n点的水平距离 m m n 为m n点的水平变形 mm m 水平变形代表了线段的拉伸和压缩 正值表示拉伸 负值表示压缩变形 2 4地表移动盆地范围及确定方法 移动盆地边界的划分确定盆地边界的角值参数 35 移动盆地边界划分 最外边界 以地表移动变形为零的盆地边界点所圈定的边界 危险移动边界 以建筑物临界变形值确定的边界 裂缝边界 根据移动盆地内最外侧的地表裂缝圈定的边界 地表移动盆地边界的确定 中国矿业大学GUOGL65 126 COM 36 地表移动盆地边界角值参数 边界角 在充分采动或接近充分采动的条件下 地表移动盆地主断面上盆地边界点 下沉为10mm 至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角 分类 走向边界角 0 下山边界角 0 上山边界角 0急倾斜煤层底板边界角 0 中国矿业大学GUOGL65 126 COM 37 移动角 在充分采动或接近充分采动的条件下 地表移动盆地主断面上最外边的临界变形点和采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角 分类 走向移动角 下山移动角 上山移