矿山开采沉陷学(知识点整理)

1：在地下开采前，岩体在地应力场作用下处于相对平衡状态。局部矿体被采出后，在岩体充分采动区COD位于采空区中部上方，其移动特征是：煤层顶板在上覆岩体重力作用成层状向下弯曲，同时伴随有离层、裂隙、断裂等现象。成层状弯曲的岩层下沉，使冒落破移动向量与煤层法线方向一致，在同一层内的移动向量彼此相等。3：岩层移动形式（一）弯曲，这岩层移动的主要形式。当地下开采后，从直接顶板开始沿层面法线方向弯曲，直到地表。发生在采空区直接顶板岩层中。向压缩，从而使采空区边界以外的上覆岩岩层和地表产生移动。法线方向的弯曲外，还会产生沿层面方向的移动。岩层倾角越大，岩层沿层面滑移越明显。层受压缩。上部垮落的岩石可能下滑而充填新采空区，从而使采空区上部的空间增大，下部空间减小，使位于采空区上山部分的岩层移动加剧，而下山部分的岩层移动减弱。平方向受压，导致底板向采空区方向隆起。3：岩层移动的三带（一）冒落带(Cavingzone)岩块间空隙较大，连通性好，易导水、导砂。裂缝带是指在采空区覆岩中产生裂缝、离层及断裂，但仍保持层状结构的那部分岩层。冒落裂缝带，或导水裂缝带(Waterconductedzone)。（三）弯曲带(Saggingzone)（整体移动带）弯曲带位于裂缝带之上直至地表。其移动特点为：岩层的移动过程是连续而有规律的，4：地表移动地表产生移动和变形，这一过程和现象称为地表移动。5：地表移动和破坏形式（一）地表移动盆地(Groundsubsidencetrough)：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。（二）地表裂缝(Surfacefracture)及台阶（step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。条件下，地表可能出现漏斗状塌陷坑或塌陷槽。6：充分采动和非充分采动充分采动(fullsubsidence)：是指地下煤层采出后，地表下沉值达到了该地质采矿条件下但地表最大下沉值不再增加，地表移动盆地刚达到充分采动――临界开采(Criticalextraction)。地表移动盆地呈碗形。有多个地表点达到最大下沉值――超充分采动――超临界开采(Supercritialextraction)，地表移动呈盘形。地为碗形。7：充分采动角充分采动的范围用充分采动角（以ψ表示）确定。充分采动角的确定方法是：在充分和同侧采空区边界连线与煤层在采空区一侧的夹角称为充分采动角。下山方面的充分采动角以ψ1表示，上山方面的充分采动角以ψ2表示，走向方向的充分采动角以ψ3表示。8：地表移动盆地的特征在移动盆地内，各个部位的移动和变形性质及大小不尽相同。在采空区上方地表平坦、划分为三个区域（图7b）在刚达到充分采动和非充分采动时，盆地内不出现中间区域。拐点：内外边缘区分界点、下沉曲线凹凸变化点。水平煤层开采时地表达到充分采动的地表移动盆地，它有下列的特征：（1）地表移动盆地位于采空区的正上方。盆地的中心（最大下沉点所在的位置）和采空区中心是一致的。盆地的平底部分位于采空区中部正上方。（2）地表移动盆地的形状与采空区对称。矩形－－椭圆形（3）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。（4）在水平煤层开采的条件下，非充分采动和刚达到充分采动的地表移动盆地的特征沉点，且最大下沉点位于采空区中心的正上方。倾斜煤层开采、地表未达到充分采动时，地表移动盆地有如下特征：（1）倾斜方向上，盆地中心（最大下沉点）偏向采空区下山方向。（2）移动盆地与采空区位置不对称，倾角越大，不对称越明显。在走向断面上，盆地特征与水平煤层类似。（3）移动盆地上山方面较陡，移动范围小，下山方面较缓，移动范围大。急倾斜煤层开采时，地表移动盆地有如下特征：（1）盆地形状不对称性更加明显。（2）盆地明显偏向采空区下山方向；上边界上方开采影响达到煤层底板岩层，下山方面移动范围达到开采范围以外很远。急倾斜煤层开采时不出现充分采动的情况。通常就将地表移动盆地内通过地表最大下沉点所作的沿煤层走向和倾向的垂直断面称（1）在主断面上地表移动盆地的范围最大；（2）在主断面上地表移动最充分，移动量最大；（3）在主断面上，不存在垂直于主断面方向的水平移动。（在基岩面上的投影）的连线与水平线之间在煤层下山方向一侧的夹角，以θ表示最大下沉角θ,一般是通过实地观测求得，大量实测资料表明，最大下沉角除与岩性θ=90°-k×а最大下沉角θ,也可按下列公式近似计算：当а<45°时,θ=90°-0.5×а当а>45°时,θ=90°-(0.4～0.2)×а10：移动盆地主断面内的移动变形分析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n0-Hnm水平移动n=nm-Ln0的为负值；在走向断面上，指向右方向的移动为正，左方向的移动为负。地沿某一方向的坡度，通常以i表示。即为正，指向下山方向的为负。在走向断面上，指向右方向的为正，逆向走向方向的为负。水平变形下式计算水平变形代表了线段的拉伸和压缩，正值表示拉伸变形，负值表示压缩变形。11：临界变形值临界变形值：建筑物不需要维修、仍能保持正常使用所允许的地表最大变形值。地表下沉和水平移动的影响地表大面积、平缓、均匀的下沉和水平移动对建筑物的影响很小，一般不会引起建筑物破坏，通常不作为衡量建筑物破坏的指标。积水会对其中的建筑物造成很大的影响。地表倾斜变形的影响等影响较严重。倾斜会使公路、铁路、管道、上下水系等的坡度产生变化，从而影响它们的正常工作状态。地表曲率变形的影响定程度后，会使建筑物产生破坏。曲率变形是建筑物破坏的主要因素之一。12：地表移动盆地边界的确定最外边界、危险移动边界和裂缝边界。移动盆地的最外边界（Outermostboundary）移动盆地的最外边界是以地表移动变形为零的盆地边界点所圈定的边界。现场实测危险移动边界(Criticalboundary)产生损害。而位于该边界外的建（构）筑物将产生不明显的损害。我国一般采用的临界变形裂缝边界(Fractureboundary)根据移动盆地内最外侧的裂缝圈定的边界。裂缝边界是根据移动盆地内最外侧的裂缝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称为边界角。当有松散层存在时，应先从盆地边界点用松散层移动角划线和基岩与松散层交接面相交，此交点至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为边界角。按不同断面，边界角可分为走向边界角、下山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三个临界变形中最外边的一个临界变形值点至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为移动角。当有松散层存在时，应从最外边的临界变形值点用松散层移动角划线和基岩与松散层交接面相交，此交点至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为移动角。按不同断面，边界角可分为裂缝角松散层移动角松散层移动以φ表示。它不受煤层倾角的影响，主要与松散层的特性有关。第二章任务：确定地质采矿条件与移动变形的关系，确定开采沉陷参数与地质采矿条件的关系。获得地表与岩层内部的移动变形规律；获得移动变形与建筑物破坏关系，确定临界变形值；获得岩体内部破坏规律。2：观测站分类开采沉陷观测站由于其分类的角度不同，可以划分为不同的类别。3：观测站设计原则4：移动观测站的观测工作连接测量在观测站各测点埋设好并固结之后，但未被采动之前，为了确定观测站与工作面之间的控制点的平面坐标和高程。全面测量全面测量一般包括测点的高程测量、各测点间的距离测量、各测点偏离观测线方向的支距测量、地表特征状况记录与素描。日常观测一般包括巡视测量、加密水准测量及地表变化特征的素描、摄影等。巡视测量的目的就是确定出观测站是否遭受开采的影响、地表移动是否稳定、地表移动的剧烈程度等，为全面观测和加密水准测量提供依据。5：观测站成果整理观测站连测成果的内业整理方法和常规一样，最后算出观测站控制点的平面坐标和高数据的内业整理高程、相邻测点间的水平距离和各测点偏离观测线方向的支距。将相邻测点间的水平距离加入支距改正后，得相邻测点间沿观测线方向的水平距离。需要进行移动变形计算的项目包括:下沉、倾斜、曲率水平移动、水平变形、横向水平移动和下沉速度等。除横向水平移动外,其它移动变形的计算方法已在第二章中进行介绍。变形的角量参数：如移动角边界角、裂缝角、最大下沉速度角、超前影响角等，移动变形绘图工作观测站平面图一致，可采用1：1000或1：2000。绘图点的确定一般按下列原则进行：第三章1：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。2：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。它主要包括以下几个条件：空间和时间上都具有明显的连续性和一定的分布规律；矿作业；3：水平煤层非充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律下沉曲线下沉曲线表示地表移动盆地内下沉的分布规律。设主断面方向为x轴，下沉曲线用W（x）表示。在研究地表移动规律时，首先要研究几个特征点：般位于采空区边界上方而略偏向采空区一侧。地边界点A、B处下沉为零，下沉曲线以采空区中央对称。倾斜曲线倾斜曲线表示地表移动盆地倾斜的变化规律，为下沉的一阶导数，即曲率曲线表示地表移动盆地内曲率的变化规律，是倾斜的一阶导数，下沉的二阶倒数，即于边界点和拐点之间，最大负曲率位于最大下沉点处；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。水平移动分布移动值，水平移动曲线以采空区中央反对称。水平变形曲线水平变形是水平移动的一阶导数，即水平变形曲线与曲率曲线的分布规律相似，即伸变形位于边界点和拐点之间，最大压缩变形位于最大下沉点处；与水平煤层非充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律相比，它具有以下特点表最大下沉值W0；率和两个最大压缩变形值，位于拐点和最大下沉点之间；4：水平煤层超充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律间；最大负曲率、最大压缩变形位于拐点和最大下沉点O之间；5：倾斜煤层（150<α＜550）非充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律移动曲线和倾斜曲线、水平变形曲线和曲率曲线已不相似。6：急倾斜煤层(α>550）非充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律随着煤层倾角的增大，地表下沉曲线由对称的碗形逐渐变为非对称的瓢形。当煤层倾角接近900时，下沉盆地剖面又转变为对称的碗性或兜形；7：地表点移动轨迹起动距在走向主断面上工作面由开切眼推进到A点时，岩层移动开始波及到地通常把地表开始移动（下沉为10mm）时的工作面推进距离称为起动距（约为采深的1/4~超前影响、超前影响角、超前影响距当工作面推进到C时，下沉曲线为W2，地表2点开始受采动影响而下沉。由此可见，在工方地表开始移动（下沉10mm）的点与当时工作面的连线和水平线在煤柱一侧的夹角称为超前影响角，用ω表示。开始移动的点到工作面的水平距离l称为超前影响距，超前影响角ω最大下沉速度滞后角称为最大下沉速度滞后角，用φ表示，其计算式为：8：地表移动持续时间沉值最大的点从移动开始到移动稳定所持续的时间。移动持续时间应根据地表最大下沉点求定，因为在地表移动盆地内各地表点中，地表最大下沉点的下沉量最大，下沉的时间最长。前苏联阿威尔辛按下沉速度大小及对建筑物的影响程度不同，将地表点的移动过程分为三个开始阶段50mm/月）时刻为移动开始阶段。活跃阶段下沉速度大于1.67mm/d（或50mm/月）的阶段。由于在该阶段内，地表点的下沉占总下沉的85%～95%，地表移动剧烈，是地面建筑物损坏的主要时期，因此也称该阶段为危险变形阶段。衰退阶段9：覆岩力学性质影响（覆岩较强）10：覆岩组成及层位的影响.流沙层距采空区近比流砂层距采空区远的地表下沉量大。主要原因为流砂层距采空区远，失水、失砂少，地表下沉量小。11：松散层对地表移动特征的影响盆地为碗形或兜形。当煤层倾角在0~35°之间时，岩层移动的主要形式是法向弯曲和崩落，冒落带、导水还伴随有沿层面的剪切移动和岩石的下滑，覆岩破坏形式呈抛物线形态。沉角及水平移动值的影响。θ=90°-kα对水平移动值的影响开采厚度W0=qmcosα越大。开采深度的影响深厚比（H/M）的影响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D/H来表示。14：重复采动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，再一地表又一次受到采动，这种采动称为重复采动。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与初次采动有显著变层与地表移动过程的加剧。第四章1：开采沉陷预计先计算出受此开采影响的岩层和（或）地表的移动和变形工作，称为开采沉陷预计。2：开采沉陷预计地质采矿条件分类依据建立预计方法①基于实测资料的经验方法②影响函数法预计手段①解析法②图解法③电子计算机法预计时采用的函数①剖面函数法②影响函数法2：开采沉陷预计的内容3：开采沉陷预计方法的分类3：概率积分法4：半无限开采预计5：有限开采预计6：任意点的移动和变形规律第五章：开采沉陷实测资料的数据处理多个观测站实测参数的综合分析2：综合分析的一般步骤些相同的条件下，分析另一些因素对参数的影响，找出规律资料→分析主要因素的影响→找出规律表格、图形→确定变化规律，假定拟合函数→回归求参→误差检验→公式变形分析与建模的基本理论和方法主要方法：①一元回归分析②多元回归分析③非线性回归分析等第六章：模拟研究方法第七章：保护煤柱留设指专门留在井下不予采出的、旨在保护其上方岩层内部和地表的各种保护对象不受开采影响的那部分煤炭。优点：可靠成采掘关系紧张。2：围护带.抵消由于地质采矿条件和井上下位置关系的不准确而造成保护煤柱的尺寸和位置的误3：保护煤柱留设方法所需资料4：保护煤柱其他方法变形值法和预计方法等。最大移动变形值和移动变形无因次量来确定出相对距离，即可设计出保护煤柱的范围。也可直接利用开采沉陷预计方法来设计保护煤柱。不断改变工作面的大小和位置，反复试算，直至受护建筑物处地表的变形值都小于临界变形值为止。此时的最小煤柱（开采范围最大即为受护建筑物的保护煤柱。第八章1：非采矿因素引起的建筑物损坏自然因素引起的建筑物损害人为因素引起的建筑物损害2：开采对建筑物的影响基受水软化，影响建筑物使用，甚至破坏。响。地表倾斜引起建筑物倾斜，在建筑物自重的作用下引起水平分力和弯距（倾覆力矩）。应考虑地表倾斜引起的附加应力的影响。地表曲率变形表示倾斜的变化程度。由于曲率变形，地表将由原来的平面而变成曲面形加载区和卸载的范围随工作面的推进而发生变化。不同的曲率作用下地基反力不同（图）。力的作用，使房屋结构弱面(门、窗、洞口、砖缝)处产生裂缝。正曲率作用下产生倒八字形裂缝，负曲率作用下产生正八字形裂缝。地表水平移动变形