2減沉開采技術(shù)2-1開采引起的地表沉陷規(guī)律2-2開采沉陷對(duì)地面建筑物的影響2-3減少開采沉陷影響的技術(shù)措施2-4條帶開采技術(shù)2-5充填開采技術(shù)2-6部分充填開采技術(shù)2-1

開采引起的地表沉陷規(guī)律一、地表移動(dòng)和破壞的形式二、地表移動(dòng)盆地的形成及特征三、地表移動(dòng)的角量參數(shù)四、地表移動(dòng)變形參數(shù)與分布規(guī)律五、關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)對(duì)開采沉陷的影響六、開采沉陷預(yù)計(jì)方法一、地表移動(dòng)和破壞的形式地表移動(dòng)盆地地表裂縫及臺(tái)階煤層露頭處附近漏斗狀塌陷坑

二、地表移動(dòng)盆地的形成及特征1、地表移動(dòng)盆地的形成H1W12W23W345W4W52、充分采動(dòng)與非充分采動(dòng)

充分采動(dòng)—地表最大下沉值不再隨開采區(qū)域尺寸增大而增加.非充分采動(dòng)—地表最大下沉值隨開采區(qū)域尺寸增大而增加.非充分采動(dòng)時(shí)的地表移動(dòng)盆地

臨界充分采動(dòng)時(shí)的地表移動(dòng)盆地

臨界開采尺寸,1.2～1.4倍采深超充分采動(dòng)時(shí)的地表移動(dòng)盆地

3、地表移動(dòng)盆地特征

主斷面—通過(guò)盆地內(nèi)最大下沉點(diǎn)沿煤層傾向或走向的垂直剖面〔1〕近水平煤層地表移動(dòng)盆地傾向臨界充分采動(dòng)

非充分采動(dòng)下沉曲線特征主斷面上的地表下沉曲線分為三段.采空區(qū)上方的內(nèi)緣區(qū)下沉曲線呈凹形煤柱上方的外邊緣區(qū)下沉曲線呈凸形下沉曲線的凹凸或內(nèi)外邊緣區(qū)分界點(diǎn)稱為拐點(diǎn).拐點(diǎn)偏移距.〔2〕緩傾斜和傾斜煤層地表移動(dòng)盆地移動(dòng)盆地在傾向方向上與采空區(qū)不對(duì)稱.盆地、最大下沉值和拐點(diǎn)均下移.〔3〕急傾斜煤層地表移動(dòng)盆地非對(duì)稱性更加明顯,整個(gè)盆地及最大下沉值向采空區(qū)下邊界方向偏移,地表最大水平移動(dòng)值大于最大下沉值,煤層底板巖層也移動(dòng)在移動(dòng)盆地主斷面上,將地表下沉曲線上的最大下沉點(diǎn)或盆地平底邊緣點(diǎn)投影在地表水平線上,該投影點(diǎn)和采空區(qū)邊界的連線與煤層底板在采空區(qū)一側(cè)的夾角叫充分采動(dòng)角.下山方向的充分采動(dòng)角1上山方向的充分采動(dòng)角2走向方向的充分采動(dòng)角3三、地表移動(dòng)的角量參數(shù)1、充分采動(dòng)角3、最大下沉角

在移動(dòng)盆地傾向主斷面上,采空區(qū)中點(diǎn)和地表最大下沉點(diǎn)在地表水平線上投影點(diǎn)的連線與水平線在下山方向的夾角=90-K

K=0.50.82、邊界角、移動(dòng)角和裂隙角移動(dòng)盆地的最外邊界一般取下沉為10mm的點(diǎn)為邊界點(diǎn)ACBD移動(dòng)盆地危險(xiǎn)邊界傾斜i=3mm/m水平變形=2mm/m曲率K=0.2mm/m2A'C'B'D'移動(dòng)盆地裂縫邊界A"C"B"D"松散層移動(dòng)角松散層第四紀(jì)、第三紀(jì)未成巖的沖積層、洪積層和殘積層的統(tǒng)稱松散層移動(dòng)角,一般取45°.當(dāng)有松散層時(shí),應(yīng)先以松散層移動(dòng)角將邊界點(diǎn)投影到基巖面,再與開采邊界連線確定移動(dòng)角.急傾斜煤層邊界角、移動(dòng)角、裂隙角

急傾斜煤層的頂板、底板邊界角移動(dòng)角和裂隙角四、地表移動(dòng)的變形參數(shù)空間問題平面問題在主斷面上用數(shù)學(xué)方法研究任意一點(diǎn)的向量橫向〔X〕

縱向〔y〕開采引起的地表移動(dòng)是復(fù)雜的時(shí)間-空間現(xiàn)象.一點(diǎn)的移動(dòng)矢量是空間位置〔x、y、z〕和時(shí)間〔t〕的函數(shù).垂直移動(dòng)〔Z〕水平移動(dòng)描述地表移動(dòng)盆地內(nèi)移動(dòng)和變形的主要指標(biāo)下沉水平移動(dòng)傾斜曲率水平變形1、下沉W主斷面內(nèi)地表移動(dòng)向量的鉛直分量W=W〔x〕最大下沉值在盆地中央下沉曲線凹凸分界的拐點(diǎn)處,下沉值約為最大值的一半.2、水平移動(dòng)U地表移動(dòng)向量的水平分量123456789xδ0ψ3ψ3δ02′3′4′5′6′7′8′9′1′U=U〔x〕,有兩組方向不同的水平移動(dòng)

規(guī)定:正值的水平移動(dòng)與x軸的正方向一致

負(fù)值的水平移動(dòng)與x軸的負(fù)方向一致水平移動(dòng)1點(diǎn)U1=05點(diǎn)U5=09點(diǎn)U9=0U坐標(biāo)向下為正Uox+-123456789xδ0ψ3ψ3δ02′3′4′5′6′7′8′9′1′邊界點(diǎn)和采空區(qū)中點(diǎn)的水平移動(dòng)為零；邊界點(diǎn)和采空區(qū)中點(diǎn)之間有極值.3、傾斜i傾斜是指地表單位長(zhǎng)度內(nèi)下沉的變化,單位為mm/m,i坐標(biāo)軸向下為正123456789xδ0ψ3ψ3δ02′3′4′5′6′7′8′9′1′傾斜是地表下沉的一階導(dǎo)數(shù)傾斜的正負(fù)號(hào)

有兩組方向不同的傾斜邊界點(diǎn)和最大下沉點(diǎn)之間的傾斜必然有正極值和負(fù)極值存在.傾斜的正負(fù)號(hào)的物理意義垂直于地表下沉曲線的桿狀物傾倒的趨向與x軸正向相同時(shí),傾斜為正；桿狀物傾倒的趨向與x軸負(fù)向相同時(shí)傾斜為負(fù).δ0ψ3δ0ψ3xw195372468oHrUox+-iox+-水平移動(dòng)U〔x〕和傾斜i〔x〕的變化趨勢(shì)同步水平移動(dòng)U〔x〕和傾斜i〔x〕Uox+-iox+-B一個(gè)有單位的比例系數(shù)4、曲率K

地表單位長(zhǎng)度內(nèi)傾斜的變化,單位為mm/m2或10-3/m.曲率坐標(biāo)軸向上為正.曲率BAΔxBAΔxiox+-Kox++--K1=0K3=0K5=0K7=0K9=0曲率δ0ψ3δ0ψ3xw195372468oHr傾斜曲率正負(fù)號(hào)的物理意義

正曲率的物理意義是地表下沉曲線在地面方向凸起或在煤層方向下凹負(fù)曲率的物理意義是地表下沉曲線在地面方向下凹或在煤層方向凸起

5、水平變形

單位長(zhǎng)度上水平移動(dòng)的變化,單位：mm/m坐標(biāo)向上為正iox+-Kox++--水平變形δ0ψ3δ0ψ3xw195372468oHr水平

移動(dòng)

1=0

3=0

5=07=09=0水平變形正負(fù)號(hào)的物理意義

水平變形正值的物理意義為地表受拉伸變形負(fù)值的物理意義為地表受壓縮變形.兩個(gè)相等的正極值和兩個(gè)相等的負(fù)極值正極值為最大拉伸值,位于邊界點(diǎn)和拐點(diǎn)之間；負(fù)極值為最大壓縮值,位于兩個(gè)拐點(diǎn)之間；盆地邊界點(diǎn)、拐點(diǎn)和中點(diǎn)處水平變形為零；盆地邊緣區(qū)為拉伸區(qū),中部為壓縮區(qū)水平變形的變化規(guī)律地表移動(dòng)盆地內(nèi)五項(xiàng)指標(biāo)變化規(guī)律五項(xiàng)指標(biāo)之間的關(guān)系

()()()()()2222dxWdBxdxdWBxUdxWdxKdxdWxixWW=====e非充分和超充分采動(dòng)條件下水平煤層<或有一定傾角的煤層沿走向>主斷面內(nèi)地表移動(dòng)與變形規(guī)律傾斜煤層移動(dòng)與變形規(guī)律1-下沉

2-傾斜

3-曲率

4-水平移動(dòng)

5-水平變形1、上山部分的下沉曲線比下山部分的下沉曲線要陡,范圍要??；最大下沉點(diǎn)偏向下山方向.2、水平移動(dòng)曲線和傾斜曲線不相似,水平變形曲線和曲率曲線不相似.3、指向上山方向的水平移動(dòng)大于指向下山方向的水平移動(dòng).4、最大拉伸變形在下山方向,最大壓縮變形在上山方向.地表移動(dòng)與變形的影響因素1、煤層地質(zhì)條件煤層厚度、傾角、埋深2、覆巖與地層條件巖性、厚度與組合關(guān)系,關(guān)鍵層特征,山地、地下水3、開采技術(shù)條件重復(fù)開采、采空區(qū)處理、開采速度覆巖移動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程

五、關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)對(duì)開采沉陷的影響

關(guān)鍵層對(duì)地表下沉的控制作用實(shí)驗(yàn)及實(shí)測(cè)研究結(jié)果都證明,主關(guān)鍵層對(duì)地表移動(dòng)過(guò)程起控制作用,主關(guān)鍵層的破斷將導(dǎo)致地表快速下沉,地表下沉速度隨主關(guān)鍵層周期性破斷而呈現(xiàn)跳躍性變化.theobservationschemeaboutrockstratamovementandsurfacesubsidenceofface70310inYangQuanColliery1stTheprimarykeystratumthesubsidencevelocitycurveoftheprimarykeystratumandthecorrespondingsurface6.023.3

TheresearchofnumericalsimulationTable1thecharacteristicsandmechanicsparametersofstratainthenumericalmodelCutFig.3thenumericalsimulationschemeabouttheinfluenceoftheprimarykeystratumonthesurfacesubsidenceFig.5

thesubsidencespeedcurveofasurfacepointawayfromstartingcut96mThe2ndbreakofPKSThe1stbreakofPKSPKSSKSSurfaceFig.6thevarietyofsurfacemovementboundaryrespondtothebreakprocessofPKS<subsidenceboundary10mm>TheinitialbreakageofPKSThe1stperiodicbreakageofPKSThe2ndperiodicbreakageofPKS75°71°74°72°65°64°TheresearchofphysicalsimulationPKSSurfaceSoilFig.7thephysicalsimulationschemeabouttheinfluenceoftheprimarykeystratumonthesurfaceactivesubsidencePlain-stressmodel:5m×3m×0.3m

Geometrysimilarratio:1:50

PKSSurfaceSoilBeforethebreakofPKSPKSSurfaceSoilAfterthebreakofPKS50mfromcutinitial4th2nd1st3rd90mfromcutinitial4th2nd1st3rd地表移動(dòng)速度和持續(xù)時(shí)間地面觀測(cè)間隔周期對(duì)地表下沉速度曲線形態(tài)有較大影響.傳統(tǒng)觀測(cè)方法中兩次觀測(cè)間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng),會(huì)均化下沉速度,往往會(huì)捕捉不到主關(guān)鍵層周期破斷對(duì)地表下沉動(dòng)態(tài)的影響,也捕捉不到地表最大下沉速度,觀測(cè)間隔周期短時(shí)則能捕捉到下沉速度的周期跳躍性變化.淺部與深部開采地表下沉盆地范圍對(duì)比采深增加意味：覆巖關(guān)鍵層層數(shù)增多；主關(guān)鍵層位置的改變徐州某礦覆巖關(guān)鍵層隨采深增大的變化<a>淮北礦區(qū)某礦淮北某礦覆巖關(guān)鍵層隨采深增大的變化

<a>1022工作面<b>Ⅱ1022工作面工作面地質(zhì)采礦條件工作面面長(zhǎng)/m煤厚/m平均采深/m表土厚度/m基巖厚度/m采動(dòng)充分程度n1022面Ⅱ1022面1402202.52.5310611240240703710.380.36實(shí)測(cè)地表移動(dòng)變形最大值工作面下沉量W/m下沉系數(shù)q傾斜I/mm/m曲率K/mm/m2水平位移U/m水平變形ε/mm/m1022面1.8300.7329.860.1000.4104.05Ⅱ1022面0.2100.080.880.0130.0940.36習(xí)慣上用采動(dòng)充分程度n來(lái)評(píng)價(jià)地表沉陷程度

n=D/H

D是采寬

H是采深

工作面地質(zhì)采礦條件工作面面長(zhǎng)/m煤厚/m平均采深/m表土厚度/m基巖厚度/m采動(dòng)充分程度n1022面Ⅱ1022面1402202.52.5310611240240703710.380.36實(shí)測(cè)地表移動(dòng)變形最大值工作面下沉量W/m下沉系數(shù)q傾斜I/mm/m曲率K/mm/m2水平位移U/m水平變形ε/mm/m1022面1.8300.7329.860.1000.4104.05Ⅱ1022面0.2100.080.880.0130.0940.36

淺部與深部開采地表移動(dòng)變形最大值的數(shù)值模擬結(jié)果面長(zhǎng)下沉量W/m傾斜I/mm/m曲率K/mm/m2水平位移U/m水平變形ε/mm/m采動(dòng)充分程度n150m采深300m-0.140-0.9890.0240.0390.1550.5采深800m-0.137-0.3370.0080.0320.1160.19450m采深300m-2.735-20.2170.6540.7066.2661.5采深800m-2.46-8.5300.1770.6212.8600.56典型曲線法剖面函數(shù)法概率積分法數(shù)值模擬法六、開采沉陷預(yù)計(jì)方法典型曲線法典型曲線法是將礦區(qū)開采沉陷大量實(shí)測(cè)資料轉(zhuǎn)化為移動(dòng)盆地主斷面內(nèi)移動(dòng)和變形分布規(guī)律的無(wú)因次曲線,據(jù)此對(duì)該礦區(qū)類似條件下的地表移動(dòng)和變形作出預(yù)計(jì).典型曲線法適用于矩形或近似矩形開采區(qū)域的地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì).峰峰礦區(qū)曾總結(jié)出了該礦區(qū)的下沉典型曲線.六、開采沉陷預(yù)計(jì)方法剖面函數(shù)法剖面函數(shù)法是以一定的函數(shù)表示下沉盆地主剖面,從而通過(guò)函數(shù)的運(yùn)算對(duì)開采沉陷進(jìn)行預(yù)計(jì)的方法.我國(guó)最常用的負(fù)指數(shù)函數(shù)法,它是用負(fù)指數(shù)函數(shù)表示下沉盆地主剖面方程的方法.剖面函數(shù)法適用于矩形或近似矩形開采區(qū)域的地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì).六、開采沉陷預(yù)計(jì)方法概率積分法概率積分法是我國(guó)學(xué)者劉寶琛、廖國(guó)華在波蘭學(xué)者李特威尼申〔Litwiniszyn〕創(chuàng)立的巖層移動(dòng)的隨機(jī)介質(zhì)理論基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的.任意開采條件下都可以將整個(gè)開采分解為無(wú)限多個(gè)微小單元的開采,整個(gè)開采對(duì)地表的影響等于所有開采單元的影響疊加之和.觀測(cè)表明：在近水平煤層開采條件下,或沿煤層走向的主斷面內(nèi),下沉盆地的下沉曲線基本呈正態(tài)分布,且與正態(tài)分布的概率密度分布基本一致.因此,整個(gè)開采引起的下沉盆地的剖面方程式可表示為概率密度函數(shù)的積分表達(dá)式.概率積分法適用于水平和傾斜煤層任意形狀開采區(qū)域和任意點(diǎn)的地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì).六、開采沉陷預(yù)計(jì)方法概率積分法〔1〕基本原理〔2〕正態(tài)分布密度函數(shù)與概率積分函數(shù)μ為常數(shù),數(shù)學(xué)期望0常數(shù),方差2特點(diǎn)：〔1〕對(duì)稱于X=μ〔2〕X=μ時(shí),

〔3〕f〔x〕為ox軸為漸進(jìn)線f(x)oxμ〔3〕單元開采地表下沉盆地r—主要影響半徑〔r=Hctg〕〔4〕半無(wú)限開采下沉開采范圍0+x0的煤層全部采出,x0的煤層全部保留ox半無(wú)限開采單位厚度的煤層后x位置處A點(diǎn)的下沉簡(jiǎn)化的半無(wú)限開采地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)公式半無(wú)限開采傾向主斷面內(nèi)的移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)〔5〕概率積分法的預(yù)計(jì)參數(shù)下沉系數(shù)q

水平移動(dòng)系數(shù)b

主要影響半徑r與主要影響角正切tanβ

拐點(diǎn)偏移距s

下沉系數(shù)與覆巖巖性有關(guān)

下沉系數(shù)與采空區(qū)處理方法有關(guān)

下沉系數(shù)與重復(fù)采動(dòng)有關(guān)

下沉系數(shù)與采深有關(guān)下沉系數(shù)q

q——地表下沉系數(shù)；

W0——地表最大下沉值,m；

m——采高,m；

α——煤層傾角,<°>.

巖性堅(jiān)硬中硬軟弱下沉系數(shù)0.270.540.550.850.861.00部分煤礦實(shí)測(cè)的地表下沉系數(shù)變化范圍

采空區(qū)處理方法與采空區(qū)處理方法下沉系數(shù)全部垮落法0.40.95帶狀充填法(外來(lái)材料)0.550.70干式全部充填法(外來(lái)材料)0.40.50風(fēng)力充填法0.300.40水砂充填法0.060.20采空區(qū)處理方法與礦區(qū)初次采動(dòng)下沉系數(shù)重復(fù)采動(dòng)下沉系數(shù)淮南0.70.9峰峰0.80.9-1.0本溪0.70.8阜新0.65-0.70鶴崗0.65-0.7平頂山0.65-0.77棗莊0.59-0.7重復(fù)采動(dòng)對(duì)地表下沉系數(shù)影響水平移動(dòng)系數(shù)水平煤層一般b=0.3,變化范圍大致在0.20.4傾斜煤層bαbα=b<1+0.0086α>主要影響半徑r與主要影響角正切tanβ

主要影響半徑x=r處的地表移動(dòng)和變形xW（x）i（x）K（x）-r0.0062W00.0432i00.178K0r0.9938W00.0432i0-0.178K0主要影響角主要影響角：開采邊界點(diǎn)與主要影響半徑邊界點(diǎn)的連線與水平線所夾的銳角r,影響范圍變小r影響范圍變大主要影響角正切tg取值tg常見值為1.3~2.5,一般為2大小主要決定于上覆巖層的巖性,巖層堅(jiān)硬時(shí),tg較小,巖層軟弱時(shí),tg較大.一般情況下,堅(jiān)硬巖層的tg為1.2~1.91,中硬巖層為1.92~2.4,軟弱巖層為2.41~3.54.拐點(diǎn)偏移距拐點(diǎn)處下沉為最大下沉的一半,傾斜和水平移動(dòng)值最大,曲率和水平變形值為零.覆巖越硬,拐點(diǎn)偏移距越大.采深越大,拐點(diǎn)偏移距越大.CollectthesurfacesubsidencedatainpastDisplacementback-analysisbynumericalsimulationDefinethemechanicsparametersofstrataTheminingsubsidencepredictionbynumericalsimulationDiagramofminingsubsidencepr