减沉开采技术

第二章减沉开采技术第一节开采引起的地表沉陷规律一、地表移动和破坏的形式因地下采矿活动引发覆岩移动直至地表，使地表产生移动、变形和破坏。地表移动破坏与煤层采深、采厚、覆岩产状与岩性，地表形态和采煤方法等因素密切相关。地表移动和破坏的主要形式有以下几种1地表移动盆地当工作面推进长度达到一定值时，开采影响波及地表，使地表产生移动和变形，在采空区上方的地表将逐渐形成一个比采空区面积大的沉陷区域，这种地表沉陷区域称为地表移动盆地，或称下沉盆地。在地表移动盆地的形成中，原有地表的标高和水平位置发生了变化，这对位于影响范围内的建（构）筑物、铁路、管线等带来了不同程度的影响。2裂缝与台阶在地表移动盆地外边缘区，地表经常出现裂缝。裂缝的深度和宽度受有无第四纪松散层及其厚度、性质和变形值大小影响较大。若第四纪松散层为塑性大的黏性土，一般拉伸变形值超过610MM/M时地表才出现裂缝，塑性小的砂质黏土或岩石，地表拉伸变形值只需23MM/M时，即可产生裂缝。地表裂缝一般平行于采空区边界发展，对于浅埋煤层开采，经常产生平行于工作面的地表裂缝，随着工作面向前推进，裂缝经历先张开而后闭合的过程。裂缝一般在地面以下5M左右消失，个别的裂缝深度能达到20M，甚至出现较大的台阶下沉，如图21所示。图21台阶状裂缝3塌陷坑急倾斜煤层开采时，煤层露头处附近地表往往呈现出严重的非连续性破坏，形成漏斗状塌陷坑，如图22所示。缓倾斜或倾斜煤层开采浅部区域时，地表有时也会出现非连续性破坏，也可能出现塌陷坑，如图23所示。地表出现的裂缝、台阶或塌陷坑，对位于其上的建筑物、铁路和水体危害极大，因此，在“三下”采煤时，应尽可能避免其出现。图22地表塌陷漏斗图23浅部开采引起的地表漏斗状塌陷坑二、地表移动盆地的形成及特征1地表移动盆地的形成地表移动盆地是在工作面推进过程中岩层移动由下往上传递到地表的最终反映。通常，当工作面距开切眼的距离达到1/41/2H0（H0为平均采深）时，地表受开采影响才开始出现下沉。习惯上把开采影响开始波及地表的开采空间宽度称为起动距。随着工作面往前推进，地表的影响范围不断扩大，下沉值不断增加，最终在地表形成一个比开采范围大的下沉盆地。如图24所示，当工作面由开切眼推进到位置1时，地表形成最大下沉值为W1范围较小的移动盆地，随着工作面依次由位置1向2、3、4和5位置推进，开采至位置1所形成的移动盆地以内的地表继续下沉，该盆地以外尚未移动的地表点陆续进入地表下沉范围，从而使移动盆地范围逐渐扩大，形成一系列新的移动盆地和对应的最大下沉值W2、W3、W4、W5。图24地表移动盆地形成过程工作面推进过程中形成的地表移动盆地称为动态盆地。当工作面推进到停采边界后，虽然采煤工作结束了，但是，地表移动并未立刻停止，而是还要延续一段时间，才逐渐稳定下来并趋于静止，形成一个最终地表移动盆地，又称为静态移动盆地。2充分采动和非充分采动1充分采动如图24所示，对应于采煤工作面位置1、2、3和4，在移动盆地沿煤层走向的剖面内，下沉曲线的最大下沉值W1、W2、W3、W4是逐渐增加的。假设当采煤工作面由位置4推进到位置5后，移动盆地影响范围扩大了，但最大下沉值并没有增加，只是下沉曲线底部由尖点变成了平底。将把地表最大下沉值不再随开采区域尺寸增大而增加的开采状态称为充分采动。即地下煤层采出后，地表下沉值达到该地质采矿条件下应有的最大值，此后即使开采范围再继续扩大，但地表的最大下沉值不再增加。习惯上把达到充分采动时的开采称为临界开采，把地表下沉盆地出现平底或有多个点的下沉值达到最大下沉值的采动状态叫超充分采动。达到充分采动时的地表移动盆地如图25所示，超充分采动时的地表移动盆地如图26所示，该图中1表示移动盆地平底以外的部分；2表示移动盆地的平底部分；3表示采空区上方的下沉曲线范围；4表示煤体上方的下沉曲线范围。图25充分采动时的地表移动盆地图26超充分采动时地表的移动盆地通常采空区的长度和宽度均达到或超过平均采深的1214倍时，地表可达到充分采动。2非充分采动如图24所示，采煤工作面未推进到位置4以前，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下沉值。将把地表最大下沉值随开采区域尺寸增大而增加的开采状态称为非充分采动，非充分采动的地表移动盆地犹如尖底的碗，如图27所示。图27非充分采动的地表移动盆地工作面不管沿走向还是倾向，只要有一个方向未达到临界开采尺寸的情况就属于非充分采动。3地表移动盆地特征为了研究方便，常选取移动盆地主断面进行研究，主断面是指通过盆地内最大下沉点沿煤层倾向或走向的垂直剖面。显然，主断面上地表移动盆地的范围最大，地表的移动值最大。为了研究开采引起的地表最大的移动和变形，在大多数情况下，只要研究主断面内的地表移动和变形就可以满足工程需要。地表移动盆地的范围总是比采空区的面积大，它的形状取决于采空区的形状及煤层倾角大小。当采空区为长方形时，移动盆地大致呈椭圆形，它与采空区的相对位置取决于煤层倾角。1近水平煤层地表移动盆地图28为超充分采动的近水平煤层地表移动盆地，图中假定采空区上方的地表是平坦的。图28超充分采动的近水平煤层地表移动盆地（A）两个方向均为超充分采动；（B）走向为超充分采动，倾向为充分采动超充分采动的地表移动盆地有以下特征地表移动盆地位于采空区正上方，盆地的形状与采空区对称。主断面上的地表下沉曲线分为三段或两段，采空区上方的中间区下沉值最大，并且下沉均匀；采空区上方的内缘区下沉值不相等；地面向盆地中心倾斜，呈凹形，使地表产生压缩变形；煤柱上方的外边缘区下沉值不相等，地面向盆地中心倾斜，呈凸形，使地表产生拉伸变形，当拉伸变形超过一定值后，地表可能产生裂缝。下沉曲线的凹凸边缘区分界点称为拐点，在理想条件下，拐点位于煤柱与采空区交界处的正上方，真实条件下一般要偏向采空区内侧。2缓倾斜和中倾斜煤层地表移动盆地图29为缓倾斜或倾斜煤层地表移动盆地，该盆地有以下特征移动盆地与采空区不对称。在倾斜方向上，上边界的开采影响范围比下边界的开采影响范围小，移动盆地偏向采空区的下边界。最大下沉值偏向采空区下部边界，下沉曲线上边界的拐点偏向采空区内侧，下边界的拐点则处于采空区外侧。图29缓倾斜或倾斜煤层地表移动盆地图210急倾斜煤层地表移动盆地3急倾斜煤层地表移动盆地图210为急倾斜煤层地表移动盆地，该盆地有以下特征移动盆地的非对称性更显著，且明显偏向煤层下山方向，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甚至大于最大下沉值，煤层底板岩层也受开采影响而出现相应的变形。三、地表移动的角量参数1充分采动角充分采动的范围可用充分采动角表示。如图211所示，在充分采动或超充分采动条件下，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。在垂直煤层走向的主断面内，下山方向的充分采动角以1表示，上山方向的充分采动角以2表示。在平行煤层走向的主断面内，走向方向的充分采动角以3表示。图211充分采动角（A）充分采动条件下；（B）超充分采动条件下2最大下沉角在移动盆地的倾向主断面上，地表移动盆地在下山方向的影响范围较大，最大下沉点不在采空区中央的正上方，而是向下山方向偏移，最大下沉点的位置可用最大下沉角来确定。如图212A所示，非充分和充分采动条件下，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。超充分采动条件下的最大下沉角如图212B所示。最大下沉角与覆岩岩性和煤层倾角有关，可粗略按90O（0508）进行计算，覆岩岩性坚硬时取较大系数0708，覆岩岩性软弱时取较小系数0506。图212最大下沉角A非充分采动或充分采动条件下；B超充分采动条件下3圈定地表移动盆地边界的角量参数1边界角在充分或接近充分采动条件下，移动盆地主断面上的边界点和采空区边界点的连线与水平线在煤壁一侧的夹角，称为边界角。移动盆地最外的边界在理论上是以地表移动和变形都为零的边界点所圈定的边界，通常由仪器观测确定，考虑到观测误差，一般取下沉为10MM的点作为边界点。地表移动盆地外边界如图213中的A、B、C、D。图213地表移动盆地边界角、移动角和裂隙角边界角可划分为走向、下山和上山边界角，分别以0、0、0表示。急倾斜煤层的底板边界角以0表示（见图213）。2移动角在达到或接近充分采动时的移动盆地主断面上，地表最外的临界变形点和采空区边界点连线与水平线在煤壁一侧的夹角，称为移动角。地表移动盆地是一个比采空区面积大的开采影响范围，在该范围内，不是任何一个位置都对地面建筑构成危害，危险的移动边界是根据盆地内的地表移动与变形对建筑有无危害而划分的边界，对地面建筑物有无危害的标准是以临界变形值来衡量的，该值是受保护的建筑物和构筑物不需修理能保持正常使用所允许的地表最大变形值。目前，我国采用的一组临界变形值是倾斜I3MM/M、水平变形2MM/M、曲率K02MM/M2，这组临界变形值是针对一般砖木结构建筑物而设定的。在由临界变形值指标圈定的范围以外，是地表移动和变形对建筑物不产生明显损害的地带，在圈定的范围以内，是地表移动和变形对建筑物产生有害影响的地带，如图213中的ABCD。移动角可划分为走向、下山和上山移动角，分别以、示。3裂隙角在达到或接近充分采动时，在移动盆地主断面上，地表最大的一条裂缝和采空区边界点与水平线在煤壁一侧的夹角，称为裂缝角。地表移动盆地的裂隙边界根据盆地内最大的裂隙圈定，如图213中的ABCD。裂缝角可划分为走向、上山和下山裂缝角裂缝角，分别以、表示（4）松散层移动角松散层移动角以表示，它不受煤层倾角的影响，通常取45O左右。当有第四纪、第三纪未成岩的松散层时，应先将边界点沿松散层移动角的方向投影到基岩面上，再在基岩中进行上述角度的划定。四、地表移动变形参数与分布规律1地表移动变形参数开采引起的地表移动过程是一种复杂的空间时间现象，地表任意点的移动向量，从它起止点的相对位置来看是指向采空区中央的，可分解为垂直分量和水平分量两部分。图214地表点的移动分解通常将垂直分量称为下沉，水平分量称为水平移动。如图214所示，水平移动分量可进一步沿纵向和横向分解。由此可见，地表任一点的移动矢量是空间位置（X、Y、Z）和时间（T）的函数。为了便于研究，通常将三维问题分解成沿走向主断面和沿倾向主断面的两个平面问题，在两个主断面内单独分析地表点的移动和变形。开采前在地面布置若干测点，测量地表移动之前和之后各点的标高和距离，并绘制出主断面图，从中得到各点的移动向量（如图215所示）。图215主断面内地表测点移动示意图由图215看出，边界点1和9未发生移动，而2、3、7、8各点分别移动到2、3、7、8对应的位置，它们的移动向量分别为22、33、77、88，显然这些向量的方向和大小都不相同。需要指出是这些向量并不是各点的实际移动轨迹，它们的实际移动轨迹要复杂得多,在只研究最终结果的情况下，可以近似地将它们视作直线。描述地表移动盆地内移动和变形的主要指标是下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形。1下沉下沉是主断面内地表移动向量的铅直分量，用W表示。取最大下沉值处的地表点为坐标O点，W坐标轴向下为正，单位为MM。把所取的主断面的方向作X坐标轴，X坐标轴向右为正，单位为M。在以下讨论的地表移动和变形的其他指标中，O点和X坐标轴的设置相同。下沉曲线的变化规律为最大下沉值在盆地中央，W0W5；下沉值是位置的函数，WW（X），随着X增加，W由零增加到最大，而后又减小至零；下沉曲线与采空区对称，W（X）W（X）；移动盆地的边界点由0决定；在下沉曲线凹凸分界的拐点处，下沉值约为最大值的一半。2水平移动水平移动是主断面内地表移动向量的水平分量，用U表示，单位为MM，U坐标轴向下为正。移动方向都指向盆地中心，有两组方向不同的水平移动，为反映水平移动的方向不同，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。边界点和采空区中点的水平移动为零。显然，图215中，1点和5点之间的水平移动必然存在着正极值，5点和9点之间的水平移动必然存在着负极值。3倾斜主断面内地表下沉随位置不同而不同，倾斜是指地表单位长度内下沉的变化，用I表示，单位为MM/M，I坐标轴以向下为正。如图216所示，在任意一段地表下沉曲线W（X）上任取A与B两点，A点的下沉为WA，B点的下沉为WB，A点与B点的水平距离为X，根据倾斜定义，倾斜是地表下沉的一阶导数，也是位置的函数，显然倾斜有正负之分。图216倾斜变化曲线分析地表下沉曲线上任意点的切线与X轴正向所夹的锐角为正时，倾斜为正，地表下沉曲线上任意点的切线与X轴正向所夹的锐角为负时，倾斜为负。（21）0LIMBAAXWD水平移动U（X）和倾斜I（X）的变化趋势是同步的，它们之间相差一个有单位的比例系数B。（22）DWUXBIX倾斜正负号的物理意义是垂直于地表下沉曲线的杆状物，如电杆、水塔或烟囱等倾倒的趋向与X轴正向相同时，倾斜为正；当这些杆状物倾倒的趋向与X轴负向相同时，倾斜为负。4曲率主断面内倾斜值随位置不同而不同，曲率是指地表单位长度内倾斜的变化，用K表示，曲率坐标轴以向上为正，单位为MM/M2或103/M。如图217所示，在任意一段地表倾斜曲线I（X）上任取A与B两点，根据定义（23）20LIMBAXIIKDWTX图217曲率变化曲线分析曲率可近似为倾斜的一阶导数，下沉的二阶导数，也是位置的函数，显然曲率有正负之分。倾斜曲线上任意点的切线与X轴正向所夹的锐角为正时，曲率为正，倾斜曲线上任意点的切线与X轴正向所夹的锐角为负时，曲率为负。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。分析地表倾斜曲线的切线变化可知，盆地边界点与下沉曲线拐点之间的曲率为正，盆地最大下沉点和拐点之间的曲率为负。有两组正负号不同的曲率地表下沉盆地边缘区为正曲率区，盆地中部为负曲率区；盆地边界点和下沉曲线拐点处的曲率为零，因而，曲率的正极值位于边界点和地表下沉曲线的拐点之间，下沉曲线的拐点和最大下沉点处的曲率为零，因而曲率的负极值位于拐点和最大下沉点之间；曲率曲线上有两个相等的正极值和两个相等的负极值。5水平变形水平变形是指单位长度内水平移动的变化，用表示，水平变形坐标轴以向上为正，单位为MM/M。如图218所示，在任意一段地表水平移动曲线U（X）上任取A点与B点，根据定义（24）02LIMBAXUXDW图218水平变形曲线分析由于水平移动U（X）的变化趋势与倾斜I（X）相同，因而水平变形的变化趋势与曲率相同。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。2地表移动变形参数的分布规律（1）水平煤层或倾斜煤层沿走向充分采动条件下的断面内地表移动和变形规律水平煤层或倾斜煤层沿走向充分采动条件下主断面内的五项指标变化规律如图219所示。其特点如下下沉曲线上最大下沉点O的下沉值已经达到该地质采矿条件下的最大值。在最大下沉点O处，水平变形和曲率均等于零；在盆地中心区域出现两个最大负曲率和两个最大压缩变形值，位于拐点和O点之间。图219地表移动盆地内五项指标变化规律A下沉曲线；B倾斜曲线；C水平移动曲线；D曲率曲线；E水平变形曲线（2）水平煤层或倾斜煤层沿走向非充分采动条件下主断面内地表移动与变形规律水平煤层或倾斜煤层沿走向非充分采动条件下主断面内的五项指标变化规律如图220所示。与充分采动相比，非充分采动条件下地表移动和变形的特点为下沉曲线上O点处下沉点的最大下沉值尚未达到应有最大的值；倾斜和水平移动曲线没有明显变化；曲率曲线和水平变形曲线则在中间段出现叠加，出现两个正极值和一个较大的负极值。图220非充分采动条件下地表移动与图221超充分采动条件下地表移动与变形的五项指标变化规律变形的五项指标变化规律（3）水平煤层（或倾斜煤层沿走向）超充分采动条件下主断面内地表移动与变形规律超充分采动条件下水平煤层（或倾斜煤层沿走向）主断面内的五项指标变化规律如图221所示。与充分采动相比，超充分采动的特点为下沉曲线中部出现各点下沉值相同的平底，并达到该地质及采矿条件下应该达到的最大值；在下沉曲线的平底部分内，倾斜、曲率均为零或接近于零，各种变形主要分布在采空区上方附近。（4）缓倾斜、倾斜煤层非充分采动条件下沿倾向主断面内移动和变形规律随着煤层倾角增大，地表移动盆地在下山方向的影响范围逐渐增大，地表移动盆地与采空区不对称，地表移动与变形的各种曲线对采空区也失去了对称性。倾斜煤层非充分采动条件下倾向主断面内地下表移动和变形规律如图222所示。与水平煤层相比，倾斜煤层条件下倾向主断面内地表移动和变形的变化规律有以下不同下沉曲线失去对称性，上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，其位置要用最大下沉角确定；下沉曲线的两个拐点与采空区不对称，偏向下山方向。指向上山方向的水平移动随煤层倾角增大而增加，指向下山方向的水平移动逐渐减小。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。水平移动曲线与倾斜曲线不相似，水平变形曲线和曲率曲线不相似。图222倾斜煤层非充分采动条件倾向主断面内地表移动和变形规律1下沉；2倾斜；3曲率；4水平移动；5水平变形五、关键层运动对开采沉陷的影响实践表明，具体矿井的开采沉陷规律取决于其地质采矿条件。只有正确认识和掌握地质采矿条件对开采沉陷的影响规律，才能合理有效地解决煤矿开采沉陷问题。影响开采沉陷的地质采矿条件主要包括（1）煤层埋藏条件，如煤层厚度、倾角、埋深等；（2）覆岩与地层条件，如岩性、厚度与组合关系、关键层特征，地形与地下水等；（3）开采技术条件，如分层开采与一次采全高、初采与重复开采、开采速度、采空区处理方法等。在影响开采沉陷的地质采矿条件中，覆岩岩性与组合是最为重要的因素之一。尽管许多学者都认识到覆岩岩性与组合对开采沉陷的影响作用，但考虑覆岩岩性与组合对开采沉陷影响主要采用统计均化的方法，如通过统计平均将覆岩划分为坚硬、中硬和软弱等来研究和预测开采沉陷。关键层理论对此提出了更符合实际的解释。大量的实践与模拟结果表明覆岩关键层运动影响开采沉陷，覆岩主关键层对地表移动的动态过程起控制作用，主关键层的破断将导致上覆所有岩层的同步破断与地表快速下沉，引起地表下沉速度和地表下沉影响边界的明显增大和周期性变化。1覆岩主关键层对地表沉陷的控制作用（1）阳泉一矿内部岩移钻孔实测阳泉矿区曾于20世纪60年代在阳泉一矿70310面开展了岩体内部移动与地表下沉的对比观测。70310面为走向长壁全部冒落开采3号煤层，煤层倾角36，采厚22M，工作面斜长70M，走向长217M。从70310面地面打了6个岩移观测钻孔，同时布置了走向地表下沉测线C及倾向地表下沉测线D。各钻孔及测点布置见图223。按关键层判别方法确定出距3号煤顶板78103M间邻近的3层硬岩层（累计厚度近20M）组成复合关键层并成为覆岩主关键层。（A）平面布置示意图（B）沿倾向剖面图图223阳泉一矿70310面岩层移动与地表下沉观测方案以关键层理论观点对其观测结果进行分析。钻孔中测点4的下沉过程代表了覆岩主关键层的下沉过程。钻孔对应的地表下沉测点为地表倾向D测线上的10测点。图229为上述两测点随工作面推进的下沉速度变化曲线。由图224可见，覆岩主关键层在工作面采过钻孔31M（1964年11月7日）47M1964年11月15日下沉速度最快，其下沉速度达216233MM/D，可以推断钻孔处主关键层在1964年11月7日发生破断。相应地表在工作面采过2749M间下沉速度最大达60MM/D。可见，地表最大下沉速度与关键层最大下沉速度同步。尽管由于70310面斜长较小，沿倾向未达充分采动，而导致地表最大下沉速度与主关键层最大下沉速度相差较大，但二者同步运动的趋势是显著的。图224主关键层与对应地表下沉速度曲线（2）补连塔煤矿内部岩移钻孔实测补连塔煤矿31401工作面为四盘区12煤首采面，工作面倾斜长26525M，走向长4629M，煤层实际采高42M，埋藏深度180260M，基岩厚度120190M。采用走向长壁综合机械化采煤，全部垮落法处理采空区顶板。为了掌握浅埋煤层采动覆岩关键层运动规律及其对开采沉陷的影响规律，于31401工作面中部布置了S18内部岩移钻孔置，孔深256M。采用关键层判别软件KSPB对S18钻孔覆岩关键层位置判别结果表明覆岩为多层关键层结构，共有三层关键层，与12煤间距3706M、厚4701M的粉砂岩为主关键层。根据覆岩关键层位置判别结果，在主关键层中布置岩移测点I（距地面180M处，与12煤间距71M），在主关键层上部基岩内布置岩移测点II（距地面130M处，与12煤间距121M）。同时，沿走向和倾向主断面布置地表移动观测线，孔口地面对应测点为S6。参见图225。N2运输顺槽5联巷2联巷S18岩移孔050地面测线01N510地面测线34综采面联巷联巷联巷联巷回风顺槽（A）平面布置示意图B钻孔柱状与测点布置图225补连塔煤矿31401面岩层移动与地表下沉观测方案2007年8月8日，在31401工作面距S18孔尚有100M时开始进行内部岩移观测，一直持续到9月5日工作面推过S18钻孔290M时为止，历时29天，工作面平均日推进距为135M。图226为内部岩移孔内各测点与对应地表移动测点的下沉和下沉速度曲线。3500300025002000150010005000500100010020030040031401工作面与S18钻孔间距/M下沉量/MM主关键层测点基岩测点地面孔口测点S610001002003004005006007001005005010015020025030031401工作面与S18钻孔间距/M下沉速度/MMD1主关键层测点基岩测点地面孔口测点S6（A）下沉（B）下沉速度图226主关键层与对应地表下沉与下沉速度曲线由图226可知覆岩主关键层在工作面采过钻孔1965M时受到采动影响开始产生移动变形，当工作面采过钻孔366M时，覆岩主关键层的下沉速度由50MM/D增至287MM/D；当工作面采过钻孔7675M时，覆岩主关键层的下沉量由1103MM迅速增至1554MM，下沉速度则由380MM/D上升为439MM/D；在此过程中基岩段内测点的下沉量由711MM增至1138MM，下沉速度则由303MM/D增大至427MM/D，测点的下沉过程与测点趋于同步。当工作面推过钻孔7675M时，孔口地面测点S6在两天内的地面下沉量由168MM增加至580MM，下沉速度则由8MM/D增大至323MM/D，与覆岩主关键层在同一时段达到第一次下沉速度最大值。之后，测点、测点及地面的下沉速度又同时趋于最小值，当工作面采过钻孔107M时，三个测点的下沉速度又同时达到最大值，此后，三个测点的下沉速度数值虽有差异，但对应的下沉速度曲线则出现完全一致的变化趋势。上述结果表明覆岩主关键层完全控制了上覆基岩与地表的运动这与前面的关键层判别结果是一致的。数值模拟和物理模拟实验结果也证明了覆岩主关键层对地表沉陷的控制作用。如图227所示为物理模拟实验照片，研究结果表明，当模型由开切眼推进至90M时，主关键层发生初次破断；当模型由开切眼推进至100M、110M、1265M、1365M时，主关键层分别发生4次周期破断。图228（A）、（B）分别为距开切眼50M、90M处主关键层和对应地表点的下沉动态过程。由图228可见，主关键层破断前，主关键层与对应地表测点的下沉速度都较小；当主关键层破断时，主关键层与地表下沉速度都明显增大，地表下沉速度随主关键层周期破断呈跳跃性变化。这与实测结果是一致的。图227主关键层对地表下沉动态过程影响的物理模拟方案VMM/M25020015010050050100150100806040200204060XMWCM关键层表土层表土层下沉量表土层下沉速度初次破断第一次周期破断第二次周期破断第四次周期破断第三次周期破断WCM2502001501005005010015080604020020406080100XMVMM/M关键层表土层表土层关键层下沉量初次破断第二次周期破断第三次周期破断第四次周期破断第一次周期破断（A）距切眼50M（B）距切眼90M图228主关键层运动对地表下沉动态过程影响的物理模拟结果2关键层运动对地表下沉速度的影响传统的地面沉陷观测，一般要求地面测站的观测时间间隔为1015天左右，未能和采动覆岩关键层运动对地表沉陷的影响联系起来，没有对地表沉陷观测间隔时间提出特殊的要求。传统的地表测点动态下沉速度变化与工作面相对位置关系如图229所示。事实上，不同的观测间隔周期虽然对地面最终下沉曲线分布影响较小，但是对地表动态下沉速度影响较大，对于浅埋煤层和主关键层较厚而表土层又较薄的开采条件，观测周期太长，很可能会均化下沉曲线，漏掉地表最大下沉速度。VM/DWT月103245678912VTW图229传统的地表测点动态下沉速度变化与工作面相对位置关系补连塔煤矿31401工作面从2007年8月5日至2007年9月1日期间每天都进行地表沉陷观测，为了说明不同的观测周期对地表动态下沉速度曲线特征的影响，采用不同的观测周期对走向观测线与倾向观测线的交点N12测站的下沉速度曲线进行对比分析。分析按观测周期1天、2天、3天来处理观测数据，测得的下沉速度动态分布曲线见图230。2001000100200300400500600200100010020030040031401工作面与S18孔间距/M下沉速度MM/D每天观测一次每天观测一次的拟合线（A）每天观测一次2001000100200300400500600200100010020030040031401工作面与S18孔间距/M下沉速度MM/D两天观测一次两天观测一次的拟合线（B）每隔两天观测一次2001000100200300400500600200100010020030040031401工作面与S18孔间距/M下沉速度MM/D三天观测一次三天观测一次的拟合线（C）每隔三天观测一次图230不同观测时间间隔对应的下沉速度曲线由图230可知地面测站观测间隔周期变化后对测点的下沉速度曲线有较大的影响。观测间隔周期越短，其对应的下沉速度曲线呈现的周期跳跃性变化越强；观测间隔周期越长，其对应的下沉速度曲线更为均化，与其拟合线越趋于一致。如地面观测间隔周期为1天时，监测到的地面下沉速度最大值为540MM/D；当地面观测间隔周期为2天时，监测到的地面下沉速度最大值为326MM/D；当地面观测间隔周期为3天时，监测到的地面下沉速度最大值仅为242MM/D，显然地面观测间隔周期长时均化了地表下沉速度曲线，即将主关键层破断时出现的地面急剧下沉均化到整个周期破断过程中，没有捕捉到地表的最大下沉速度。地面观测间隔周期短时对应的下沉速度曲线之所以跳跃性变化大，和覆岩内部岩体的关键层运动密切相关。根据地面出现成组平行于工作面的张开裂隙间距约3560M，覆岩主关键层周期破断距为3560M。由于该工作面观测期间日推进距普遍为122188M，平均为14M/D，显然，如果观测间隔周期超过一天以上，就很难捕捉到每一次主关键层周期破断时对应于地表的急剧下沉，而在主关键层两次周期破断期间，地面的下沉速度又较小，只有在观测间隔时间短时才能准确地捕捉到主关键层破断时对应地表的下沉速度。3关键层运动对深部开采地表沉陷的影响深部开采地表沉陷特征与浅部开采存在明显差异。目前，对导致深部开采地表沉陷与浅部开采差异的内部岩移机理还没有得到很好解释。（1）深部开采覆岩关键层组合特征图232所示为典型倾斜煤系地层示意图。假设基岩中共有3层关键层，由图231可见，随采深增大，表土层的厚度（100M）基本不变，基岩厚度增大，如采深由400M增大到1000M时，基岩厚度由300M增大为900M。由于深部开采基岩厚度的增大，导致覆岩关键层层数的增多和主关键层位置的改变。当浅部开采（400M以上）时，采场覆岩关键层只有1层，仅煤层上方的关键层1对岩层移动和地表沉陷起到控制作用，关键层1是覆岩主关键层。当采深增大（400M600M）时，采场覆岩关键层增加为2层，关键层1与关键层2都会对岩层移动与地表沉陷产生影响，关键层2成为覆岩主关键层。当采深继续增大（600M以下）时，采场覆岩关键层增加到3层，关键层1、关键层2、关键层3都会对岩层移动与地表沉陷产生影响，关键层3成为覆岩主关键层。014620关键层3关键层关键层1煤层表土层图231深部开采覆岩关键层组合特征示意采用覆岩关键层位置判别软件对淮北矿区某矿和徐州矿区某矿覆岩关键层位置进行了判别，结果分别如图232A、B所示。2713018表土层关键层3关键层2关键层0煤层二水平45一水平8三水平岩浆岩5M细砂岩7粉砂岩361940表土层中砂岩417M粗砂岩08细砂岩253粗砂岩关键层关键层关键层关键层煤层7二水平5一水平8三水平A淮北矿区某矿B徐州矿区某矿图232深部开采覆岩关键层组合特征实例由图232A可见，随采深增大，该矿10煤层覆岩关键层由1层逐步增加到3层。当采深小于一定值时，覆岩仅存在关键层1，厚150M的火成岩（关键层3）对开采沉陷不起作用。当采深增大一定值后，厚150M的火成岩（关键层3）将成为覆岩主关键层，对开采沉陷将起控制作用。由图232B可见，随采深增大，该矿7煤层覆岩关键层由1层逐步增加到4层，覆岩主关键层位置距开采煤层距离增大。（2）深部开采覆岩关键层对地表沉陷的影响事实上，对岩层移动与地表沉陷而言，深部开采的地质力学环境的最大特点之一在于基岩厚度的增大，使得与浅部开采相比覆岩关键层位置与组合关系发生改变，这是导致深部开采地表沉陷不同于浅部开采的主要原因。实测和数值模拟研究证实了上述论点。实测研究浅部开采与深部开采地表沉陷的实测条件是图232A所示的淮北某矿一水平首采面1022与二水平首采面1022。两工作面的开采地质条件见表21。由表21可见，浅部的1022工作面的平均采深为370M，基岩厚度为130M；深部的1022工作面的平均采深为611M，基岩厚度为371M。由图232A可见，1022工作面开采时覆岩中仅有1层关键层即关键层1，而1022工作面开采时覆岩中有3层关键层即关键层1、关键层2、关键层3。2153467289309413298764300521基基切眼风巷工作面机巷053020176243121W134W532N10S321S交交切眼82机巷风巷工作面550A1022工作面B1022工作面图233浅部开采与深部开采地表沉陷实测方案示意1022工作面与1022工作面开采地表沉陷的测线布置方案如图233所示，表22为两工作面地表沉陷的实测结果的汇总。由表22可见，尽管深部开采的1022工作面的斜长比浅部开采的1022工作面斜长要大近1倍，但1022工作面开采引起的地表最大下沉量和最大变形值明显偏小，远小于1022工作面开采引起的地表最大下沉量和最大变形值。浅部开采与深部开采覆岩关键层组合关系的不同是引起上述1022工作面开采与1022工作面开采地表沉陷差异的根本原因。浅部开采的1022工作面覆岩主关键层为厚17M的粉砂岩（关键层1），工作面斜长140M时，该主关键层发生破断，导致较大的地表沉陷和变形。深部开采的1022工作面覆岩主关键层为厚150M的火成岩（关键层3），工作面斜长220M时，该主关键层没有发生破断，使得地表沉陷和变形很小。表21工作面地质采矿条件工作面走向长/M倾斜长/M煤厚/M倾角/开采上限/M开采下限/M平均采深/M表土厚度/M基岩厚度/M采动充分程度N1022面1022面5506101402202525181826255030561831061124024070371038036表22实测地表移动变形最大值工作面下沉量W/M下沉系数Q倾斜I/MM/M曲率K/MM/M2水平位移U/M水平变形/MM/M1022面18300732986010004104051022面021000808800130094036数值模拟研究为了进一步验证深部开采覆岩关键层位置与层数的变化对地表沉陷的影响，以图231所示的覆岩条件为例开展了采深分别为300M、800M时地表沉陷的对比研究。假设图231中煤层厚度30M，表土层厚度为100M，3层关键层距煤层的法向距离分别为80M、280M、460M。当采深为300M时，基岩厚度200M，覆岩仅有1层关键层，关键层1为覆岩主关键层；采深为800M时，基岩厚度700M，覆岩有3层关键层，关键层3为覆岩主关键层。假设图232所示覆岩3层关键层的厚度与初次破断距分别为关键层1厚40M，初次破断距160M；关键层2厚50M，初次破断距160M；关键层3厚60M，初次破断距200M。考虑到岩层破断角影响，岩层破断角按75计，工作面推进200M、300M、450M时覆岩3层关键层分别发生初次破断。为了研究方便起见，沿走向剖面建立数值模型。采用二维UDEC40软件。模型的边界条件采用位移固定边界，本构关系采用莫尔库仑准则。当开挖步距小于关键层初次破断距时，模型中关键层不划块；当开挖步距超过关键层初次破断距时，模型中关键层按其破断距划块。浅部与深部开采地表下沉与变形的数值模拟结果见表23和图234、图235。表23浅部与深部开采地表移动变形最大值的数值模拟结果面长下沉量W/M下沉系数Q倾斜I/MM/M曲率K/MM/M2水平位移U/M水平变形/MM/M采动充分程度N备注采深300M0017001009300040005002201750M采深800M00310010078000200040018006采深300M00900030657001700270105033100M采深800M00970030236000500220086013150M采深300M0140005098900240039015505采深800M01370050337000800320116019采深300M11400388418052702452865067关键层1初次破断200M采深800M05680191704003101310418025关键层1初次破断采深300M176505913620056103245744083250M采深800M06160211894003501390437031采深300M26240871930106230602587210300M采深800M13330445087008103851313038关键层2初次破断采深300M267608919349063806756045133400M采深800M1391046524601680572139005采深300M27350912021706540706626615450M采深800M2460828530017706212860056关键层3初次破断采深300M283009420963068507546513233700M采深800M273609186980287070132530883252151050020406080100120采出宽度/M下沉量/M采深30M采深80M关键层1破断后关键层2破断后关键层3破断后关键层1破断后02468020040060080010001200采出宽度/M水平变形MM/M采深300M采深800M关键层1破断后关键层2破断后关键层3破断后关键层1破断后图234浅部与深部开采地表最大下沉对比图235浅部与深部开采地表最大水平变形对比由表23和图234、图235可以看出不同采宽条件下地表最大下沉量和最大变形值随覆岩关键层破断的动态变化特征。当采宽小于200M时，关键层1未破断，此时浅部与深部开采地表最大下沉量与最大变形值相近且都较小。如采宽150M时，浅部与深部开采地表最大下沉量分别为0140M、0137M，最大水平变形分别为0155MM/M、0116MM/M。当采宽200M时，关键层1破断，此时浅部开采最大下沉量和最大变形值显著增大并逐步达到充分采动，而深部开采受上部关键层2和关键层3对地表沉陷的控制作用，地表最大下沉量和变形值增幅相对较小。如采宽250M时，浅部与深部开采地表最大下沉量分别为1765M、0616M，最大水平变形分别为5744MM/M、0437MM/M。当采宽达300M时，关键层2破断，受上部关键层3对地表沉陷的控制作用，地表最大下沉量和变形值增幅仍相对较小。当采宽达450M时，关键层3破断，此时深部开采地表下沉量和变形值才显著增大并逐步达到充分采动。上述分析表明，无论浅部开采还是深部开采，覆岩主关键层破断前，地表最大下沉量和变形值都相对较小，难以达到充分采动，只有覆岩主关键层破断后，地表最大下沉量和变形值才显著增大并逐步达到充分采动。关键层1为浅部开采的主关键层，关键层3为深部开采的主关键层，由于关键层3距离开采煤层距离较远并受到下部关键层1和关键层2的保护作用，深部开采较浅部开采不易达到充分采动，如浅部开采采宽大于200M后，地表沉陷就趋于充分采动，而深部开采采宽大于450M后，地表沉陷才趋于充分采动。习惯上用采动充分程度N来评价地表沉陷程度，ND/H，D是采宽，H是采深。表1和表23分别列出了实测和数值模拟中的N值。由表21可见，浅部的1022面与深部的1022面的N值分别为038、036，二者的N值相近，地表沉陷程度也应相近，但二者地表下沉量和变形值却相差很大，前者最大下沉量183M，后者下沉量0210M，这是因为浅部的1022面主关键层已破断，而深部的1022面主关键层没有破断。显然，此时用N值并不能准确评价地表沉陷程度。表23所列的数值模拟结果同样也说明，用N值不能准确评价地表沉陷程度，如面长150M时，浅部300M采深与深部800M采深的N值分别为05、019，二者的N值相差较大，二者地表沉陷程度也应相差较大，但二者地表下沉量和变形值却相近，前者最大下沉014M，后者最大下沉0137M，这是因为浅部和深部开采的主关键层都没有破断。再如，浅部300M采深在面长150M时的N值为05，深部800M采深在面长450M时的N值为056，二者的N值相近，二者的地表沉陷程度也应相近，但二者地表下沉量和变形值却相差很大，前者最大下沉量014M，后者最大下沉量246M，这是因为前者的主关键层没有破断，而后者的主关键层已破断。上述分析表明，由于采动充分程度N值仅考虑了采宽D和采深H，没有考虑覆岩关键层结构特征，不能准确评价地表沉陷程度。4基于关键层不破断的开采沉陷控制思想覆岩关键层对地表移动过程起控制作用，控制了关键层就能够有效控制地表沉陷，因此，可以通过确定工作面合理的开采尺寸，保证覆岩主关键层不破断，以达到减缓地表沉陷的目的。基于上述思想，在实际应用时，应根据主关键层与煤层之间的几何关系以及冒落区上方关键层底面法向支撑力衰减区宽度小于覆岩主关键层的初次破断跨距，确定经济合理的工作面宽度，使得地表沉陷得到有效控制。充分考虑岩层运动规律，利用关键层的独特性质，就能科学合理的定量化设计工作面和煤柱宽度，切实有效的减小开采沉陷并大幅提高煤炭采出率。六、开采沉陷预计方法对煤层开采引起的地表沉陷影响范围、地表移动变形极值大小、地表任意点的变形和移动值进行预计是非常重要的。我国学者经过长期研究，已总结出适合我国煤层地质开采条件的开采沉陷预计方法，主要包括典型曲线法、剖面函数法、概率积分法、数值模拟法等。也有学者开展了基于内部岩层移动的开采沉陷预计方法的研究和探索。进一步研究形成基于关键层理论的开采沉陷预计方法是研究发展方向。典型曲线法是将矿区开采沉陷大量实测资料转化为移动盆地主断面内移动和变形分布规律的无因次曲线，据此对该矿区类似条件下的地表移动和变形作出预计。典型曲线法适用于矩形或近似矩形开采区域的地表移动和变形预计。如峰峰矿区曾总结出了该矿区的下沉典型曲线。剖面函数法是以一定的函数表示下沉盆地主剖面，从而通过函数的运算对开采沉陷进行预计的方法。我国最常用的负指数函数法，它是用负指数函数表示下沉盆地主剖面方程的方法。剖面函数法适用于矩形或近似矩形开采区域的地表移动和变形预计。目前，概率积分法和数值模拟法是我国开采沉陷预计中应用最多的两种方法。1概率积分法概率积分法是我国学者刘宝琛、廖国华在波兰学者李特威尼申（LITWINISZYN）创立的岩层移动的随机介质理论基础上发展而来的。概率积分法认为任意开采条件下都可以将整个开采分解为无限多个微小单元的开采，整个开采对地表的影响等于所有开采单元的影响叠加之和。观测表明在近水平煤层开采条件下，或沿煤层走向的主断面内，下沉盆地的下沉曲线基本呈正态分布，且与正态分布的概率密度分布基本一致。因此，整个开采引起的下沉盆地的剖面方程式可表示为概率密度函数的积分表达式。概率积分法适用于水平和倾斜煤层任意形状开采区域和任意点的地表移动和变形预计。以半无限开采条件为例，介绍概率积分法的应用。如图236所示，沿工作面推进方向在X0,区间内的煤层已被开采，沿垂直工作面推进方向的开采尺寸足够大，达到充分采动。（1）走向主断面上地表移动和变形走向主断面地表下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形WXIKXUX计算如式（25）。X图236半无限开采地表下沉和水平移动1煤壁；2开采单元；3下沉前顶板原始位置；4下沉后顶板假设位置（25）22222MAX0AMX3AXAX1XRRRRRWEDDIKEUBEWA式中地表最大下沉值，MM；MAXW地表下沉系数；Q煤层开采厚度；煤层倾角，度；主要影响半径，M；R水平移动系数；B煤层埋深，M；H主要影响正切；TAN走向主断面地表最大下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形MAXWIKXUX计算式及其出现的位置如式（26）。X（26）MAXAX2AXMA,COS04,150,QXIRKRUBWXR（2）倾向主断面上地表移动与变形倾向主断面的下沉、倾斜和曲率的计算公式与式（25）基本相同，仅是在计算倾向主断面上山一侧移动变形值时，以代替，在计算倾向主断面下山一侧移动变形2/YR/X值时，以代替。1/YR/X倾向主断面水平移动和水平变形计算式如式（27）。（27）121,2MAX12,COT43TRRYYUEWYI式中倾向主断面下山边界的主要影响半径，M；1R倾向主断面上山边界的主要影响半径，M。2（28）12TANHR式中下山方向计算采深，M；1H11SIND上山方向计算采深，M；222H，实测的下山方向和上山方向的采深，M,；1,下山方向和上山方向的拐点偏移距，M。D2计算下山一侧的水平移动和水平变形时，式（28）中对应的计算式第2UY2Y二项取正号，计算上山一侧的水平移动和水平变形式时，式（28）中对