2-1 开采引起的地表沉陷规律.ppt

主讲人王方田Tel13605202425E-mailwangfangtian111矿业科学中心B522室,煤矿绿色开采技术,2减沉开采技术,2-1开采引起的地表沉陷规律2-2开采沉陷对地面建筑物的影响2-3减少开采沉陷影响的技术措施2-4条带开采技术2-5充填开采技术2-6部分充填开采技术,,2-1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、地表移动变形参数与分布规律五、关键层运动对开采沉陷的影响六、开采沉陷预计方法,,本节重点地表移动盆地的形成及其特征；地表移动盆地的充分采动角、边界角、移动角、裂隙角和最大下沉角；地表移动和变形的主要指标。本节难点地表移动和变形规律，开采沉陷预计方法,2-1开采引起的地表沉陷规律,,一、地表移动和破坏的形式,,,地表移动与下沉盆地,通常以10mm的下沉等值线作为下沉盆地的边界。,地表裂缝及台阶,,裂缝位置,,,,裂缝位置,裂缝位置,裂缝位置,煤层露头处附近漏斗状塌陷坑,地表移动盆地的形成,,,,H,,1,,,,,W1,,2,,,,,W2,,3,,,,,W3,,4,,,,5,,,W4,,,W5,,,,二、地表移动盆地的形成及特征,非充分采动地表最大下沉值随开采区域尺寸增大而增加。,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。,非充分采动与充分采动,开元煤矿9404工作面开采地面观测站平面布置图,9404工作面倾斜长180m，走向长1070m，平均采深300m。,下沉曲线,下沉曲线,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，1.2～1.4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、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K0.50.8（硬时取大）,3、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i3mm/m水平变形2mm/m曲率K0.2mm/m2ACBD移动盆地裂缝边界A“C“B“D“,走向、下山、上山裂缝角由移动盆地裂隙边界A“C”B“D”圈定,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。松散层移动角用表示,淮北某矿条带开采区域与村庄位置关系,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,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,WW（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,UU（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U105点U509点U90U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,K10K30K50K70K90,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,1030507090,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,覆岩移动的动态过程,五、关键层运动对开采沉陷的影响,关键层对地表下沉的控制作用,实验及实测研究结果都证明，主关键层对地表移动过程起控制作用，主关键层的破断将导致地表快速下沉，地表下沉速度随主关键层周期性破断而呈现跳跃性变化。,theobservationschemeaboutrockstratamovementandsurfacesubsidenceofface70310inYangQuanColliery1st,,,,,,,,,,thesubsidencevelocitycurveoftheprimarykeystratumandthecorrespondingsurface,,,,,,6.0,23.3,,,,Theresearchofnumericalsimulation,Table1thecharacteristicsandmechanicsparametersofstratainthenumericalmodel,Cut,,Fig.3thenumericalsimulationschemeabouttheinfluenceoftheprimarykeystratumonthesurfacesubsidence,,,,,,,Fig.5thesubsidencespeedcurveofasurfacepointawayfromstartingcut96m,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,PKS,SKS,Surface,Fig.6thevarietyofsurfacemovementboundaryrespondtothebreakprocessofPKSsubsidenceboundary10mm,Theresearchofphysicalsimulation,Plain-stressmodel5m3m0.3mGeometrysimilarratio150,,地表移动速度和持续时间,地面观测间隔周期对地表下沉速度曲线形态有较大影响。传统观测方法中两次观测间隔时间过长，会均化下沉速度，往往会捕捉不到主关键层周期破断对地表下沉动态的影响，也捕捉不到地表最大下沉速度，观测间隔周期短时则能捕捉到下沉速度的周期跳跃性变化。,浅部与深部开采地表下沉盆地范围对比,采深增加意味覆岩关键层层数增多；主关键层位置的改变,,,徐州某矿覆岩关键层随采深增大的变化,,a淮北矿区某矿,淮北某矿覆岩关键层随采深增大的变化,,,a1022工作面bⅡ1022工作面,工作面地质采矿条件,实测地表移动变形最大值,习惯上用采动充分程度n来评价地表沉陷程度nD/HD是采宽H是采深,工作面地质采矿条件,实测地表移动变形最大值,浅部与深部开采地表移动变形最大值的数值模拟结果,典型曲线法剖面函数法概率积分法数值模拟法,六、开采沉陷预计方法,典型曲线法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。峰峰矿区曾总结出了该矿区的下沉典型曲线。,六、开采沉陷预计方法,典型曲线的概念以同一矿区大量的地表移动和变形实测资料为基础，综合成反映该矿区主断面内移动和变形分布规律的无因次曲线。,典型曲线法,典型曲线的作用利用典型曲线预计该矿区类似条件下开采后主断面上各点的主要变形指标。,典型（无因次）曲线制作方法,,,,,,,,,,,W0,,,,ψ3ψ3,,,,,,0,0,,o,X1,X2,X3,Xm,.,.,.,.,.,,Wx,,H,,,,y1,.,.,.,Xi,,,y2,,.,ym,主断面,,,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,,,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,X/L3,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,Wx/Wo,,典型（无因次）曲线,0,B水平移动系数；θ0开采影响传播角，（）。,其它参数的典型（无因次）曲线计算公式,典型曲线法预计步骤,1计算最大下沉值W0（由本矿区的经验）2作主断面图3确定L1、L2、L3,,5从表格或图上查出,时各点的比值,4将L3十等分确定,6将WX画到图上连接起来做为下沉预计曲线,,已知某矿区一工作面与峰峰矿区地质采矿条件相类似，其地质开采技术条件为走向长壁法采煤，全部陷落法管理顶板。试用峰峰典型曲线法进行走向和倾向主断面内移动和变形预计。,q0.78，56，058，058，058-0.3255358，164-0.5559，2550.459，θ090-0.685,K1K20.8,B12。,应用实例,（1）计算采动程度系数及最大下沉值,即倾向已达充分采动,即走向已达充分采动,（2）走向主断面内地表移动变形预计（作图法）,优点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。不足必须以大量的实测资料为基础，局限于某一矿区矩形或近似矩形的地下开采区域。,典型（无因次）曲线法评述,剖面函数法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。,六、开采沉陷预计方法,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。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。,六、开采沉陷预计方法,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,μ为常数，数学期望0常数，方差2特点（1）对称于Xμ（2）Xμ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（rHctg）,（4）半无限开采下沉,开采范围0x0的煤层全部采出，x0的煤层全部保留,半无限开采单位厚度的煤层后x位置处A点的下沉,简化的半无限开采地表移动和变形预计公式,（5）概率积分法的预计参数,,下沉系数q水平移动系数b主要影响半径r与主要影响角正切tanβ拐点偏移距s,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,下沉系数q,,,q地表下沉系数；W0地表最大下沉值，m；m采高，m；α煤层倾角，。,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,水平移动系数,水平煤层一般b0.3，变化范围大致在0.20.4倾斜煤层bαbαb10.0086α,,主要影响半径r与主要影响角正切tanβ,,,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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。,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。,,Diagramofminingsubsidencepredictionbynumericalsimulation,数值模拟法,104采区井上下对照图,开采沉陷预计工程算例1044工作面采区的首采工作面。工作面沿走向布置，长度为150m；沿俯斜方向推进，推进总长500m。煤层倾角9～20，平均采高3.0m，采深570667，松散层厚度350m。,104采区地表移动变形预计参数,开采沉陷概率积分法预计,1044工作面采后地表下沉等值线图,1044工作面采后倾向地表倾斜等值线图,1044工作面采后倾向地表曲率等值线图,1044工作面采后倾向地表水平移动等值线图,开采沉陷数值模拟预计,计算模型示意图,07-5钻孔柱状图,数值模型内不同岩性岩层对应的力学参数,,（b）1044工作面采后地表水平移动曲线图,（c）1044工作面采后地表水平变形曲线图,1044工作面采后地表与村庄所受的地表移动变形最大值,