开采损害学 第二部分讲义

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1、,测绘工程与技术学院,开采损害学,第一篇 覆岩与地表移动规律 第一章 覆岩与地表移动规律,1.1 概述 1.2 覆岩与地表移动规律 1.3 地表移动破坏规律 1.4 稳态地表移动盆地主断面内移动变形分布规律 1.5 采动过程中地表移动和变形的地质采矿因素 1.6 影响地表移动变形的地质采矿因素 1.7 复杂地质条件对地表沉陷的影响,一 覆岩移动规律,1 三带的概念,一 覆岩移动规律,2 覆岩移动分区（5个区） 垂直下移区。岩层在重力作用下作垂直于矿层的运动。 垂直上移区。岩层在侧向及底板应力作用下向上移动。 垂直与水平移动区。岩层在覆岩自重及水平应力的作用下，作向采空区中心移动。 底板下移区。

2、岩层在支撑应力的作用下，向底板卸压区移动。 开采支撑应力区。岩层要承受采空区应力的转移，形成开采支撑压力区，开采支撑压力区的应力值一般高达原岩应力的1.5-3.0倍。,一 覆岩移动规律,一 覆岩移动规律,3 覆岩移动破坏的形式 弯曲 垮（冒）落 煤的挤出（片帮） 沿层面滑移 垮落岩石的滚动（下滑） 底板岩层的隆起,一 覆岩移动规律,岩层移动的典型模式 近水平矿层开采移动模式 倾斜矿层开采移动模式 急倾斜矿层开采移动模式 图1-3，1-4，1-5，1-6,二 地表移动规律,1 地表移动破坏类型 地表连续移动变形是指采动损害反映在地表为连续的下沉盆地。 地表非连续移动变形是指地表出现裂缝，台阶，塌

3、陷坑，漏斗等形式,二 地表移动规律,2 地表下沉（移动）盆地,二 地表移动规律,3 主断面及其充分采动程度 所谓主断面（ Major cross-sections）是指与开采边界方向垂直，并通过地表最大下沉值的垂直剖面。 特点：在地表移动盆地的主断面上范围最大，移动最充分，移动量最大。,二 地表移动规律,可将地表下沉盆地划分为三种类型（图1-8）。 （1）非充分采动下沉盆地 （2）充分采动下沉盆地 （3）超充分采动下沉盆地,二 地表移动规律,4 充分采动角,二 地表移动规律,5 地表移动盆地分区 中性区，压缩区，拉伸区,二 地表移动规律,6 地表移动盆地范围 -角量参数 边界角 移动角 裂缝角

4、 最大下沉角 图1-11，图1-12,二 地表移动规律,二 地表移动规律,二 地表移动规律,7 地表移动盆地内的移动和变形分析 （1）地表点的移动变形 下沉 倾斜 曲率 水平移动 水平变形,二 地表移动规律,（2）移动变形指标之间的数学描述,1.4 稳态地表移动盆地主断面内移动变形分布规律,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变形分布规律，并且加以典型化。其必要条件为： （1）地表移动变形为连续分布形态； （2）无大的地质构造（大断层和地质构造等）； （3）地表单一矿层比较平缓； （4）属单一矿层开采，并不受邻区开采影响。 1.4.1 水平矿层开采时地表移动盆地主断面内移动和变形

5、分布规律 1.4.2 倾斜矿层非充分采动时移动和分布规律 1.4.3 急倾斜矿层非充分采动时移动和分布规律,1.4.1 水平矿层开采时地表移动盆地主断面内移动和变形分布规律,1.水平矿层充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律 下沉曲线表示移动盆地内地表下沉分布规律，它的形状与采空区堆成，设沿主断面方向为x轴，则下沉曲线可以 表示，具有以下特征： （1）最大下沉位于采空区中央上方，自盆地中心至边缘下沉值逐渐减小，在盆地边界点处于下沉值趋于零； （2）拐点（指下沉值为最大下沉值的1/2的点）一般位于采空区边界之上并略偏向采空区一侧。 倾斜曲线表示地表移动盆地内倾斜的变化规律，移动盆地拐点位置的倾

6、斜值最大，并以该点内向两侧对称分布。 倾斜为下沉的一阶倒数,曲率曲线表示地表移动盆地内曲率的变化规律，可由倾斜的一阶倒数表示 曲率曲线由两个极值。正极值称最大正曲率，位于边界点和拐点之间。负极值称最大负曲率，位于拐点和最大下沉点之间。拐点处的曲率值为零。 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。与倾斜曲线分布相似，可以表示为 式中 B水平变形系数，0.13HB0.18H。,移动盆地拐点处的水平移动值达到极值，拐点两侧的水平移动值对称分布，各点的水平移动方向向盆地中心。水平变形曲线和曲率曲线分布相似，可以表示为 水平变形曲线由两个极值。正极值称最大拉伸值，位于边界点和拐点

7、之间。负极值成为最大压缩值，位于拐点和最大下沉点之间。拐点处的水平变形值为零。,2.水平矿层非充分采动时主断面内移动和变形规律 图1-15（b）表示矿层非充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律。与充分采动移动盆地相比较，有下列不同： （1）最大下沉值 （2）在盆地中心出现三个曲率极值（两正一负）及三个水平变形极值（两个水平拉伸值，一个水平压缩值），且在盆地中心最大下沉点位置两者都不为零。 3.水平矿层超充分采动时的地表移动和变形分布规律 图1-15（a）为半无限开采时地表移动和变形分布规律，式超充分采动的典型情况。在这种条件下，地表移动盆地为超充分采动时的半盆地状态。在盆地的平地部分各点的下

8、沉量均达到了最大下沉值，而水平变形值、曲率值、水平移动值、倾斜值都为零。盆地边缘的移动和变形分布与充分采动盆地类似。,1.4.2 倾斜矿层非充分采动时移动和分布规律,在倾斜矿层开采条件下，下沉盆地为非对称分布，上山部分的下沉曲线较下山部分的要陡，范围要小，图1-15（c）所示。地表下沉盆地的最大下沉点不是位于采空区中心的上方，而是偏向下山方向的一侧；随着矿层倾角的增大，指向上山方向的水平移动值逐渐增大，而指向下山放像的水平移动值逐渐减小；水平变形的最大拉伸变形在下山方向，最大压缩变形与水平移动值等于零的位置对应地表的最大下沉点出现的地方。此外，水平移动曲线和倾斜曲线不相似，水平变形曲线和曲率曲

9、线也不相似。,1.4.3 急倾斜矿层非充分采动时移动和分布规律,急倾斜矿层开采条件下，地表下沉盆地的非堆成性十分明显，下山方向的影响范围远远大于上山方向的影响范围。随着矿层倾角的增大，倾斜剖面形状由堆成的碗形逐渐转为非对称的瓢形。当矿层倾角接近90度时，下沉盆地又转变为比较对称的碗形或兜形，如图1-16所示。 随矿层倾角的增大，最大下沉淀位置逐渐向上山方向移动，当矿层倾角接近90度时，在矿层露头上方，急倾斜矿层开采时不出现充分采动情况，最大下沉值随开采阶段垂高的增大而增大。 当开采厚度较大、开采深度小、矿层顶底板坚硬不易冒落而煤质又较软时，开采后采空区上方之矿层易沿底板滑落。这种滑落可能一直发

10、展到地表，使地表矿城露头处出现坍塌坑。在采深较大、采高较小、顶底板岩石较松软、松散层较厚的情况下，地表不一定出现坍塌坑。因此，急倾斜矿层开采后地表是否出现坍塌坑，应根据具体的地质、采空条件而定。,1.5采动过程中地表移动变形的一般规律,地下矿层采出后引起地表的沉陷是一个时间和空间过程。这个过程伴随地表出现复杂的移动变形变化。尽管超充分采动后形成的稳态下沉盆地会出现一个平底，在盆地地平底范围内地表变形等于或接近于零，但在它的形成过程中同样要经历拉伸、压缩、弯曲等复杂的移动变形过程。因而，研究采动过程中地表移动变形规律对地面保护意义重大。 1.地表点的移动轨迹 2.工作面推进过程中超前影响 3.地

11、表移动持续时间 4.开采工作面移动过程中的地表移动和变形规律,1.地表点的移动轨迹,地表点从移动开始到剧烈移动，再到移动逐渐停止，式一个复杂的时间空间过程。例如图1-17为移动盆地走向主断面充分采动区内地表点B的移动轨迹示意图，可描述为： 第一阶段：工作面向B点推进，B点下沉速度增大，B点移动方向与工作面相反； 第二阶段：工作面经过B点地表下沉速度增大，达到最大，铅垂方向； 第三阶段：工作面原理B点，B点移动方向逐渐与工作面推进方向相同； 第四阶段：工作面远离B点到一定距离，回采工作面对B点影响逐渐消失，点B趋于停止； 第五阶段：移动盆地停止，B点一般略偏向开采工作面停止一侧。 移动盆地内各点

12、的移动轨迹并不完全相同，特别位于移动盆地边缘各点的移动轨迹更为复杂，其主要取决于烟酒店与采空区的相对位置。移动盆地内地表点的共同特点是：开始时移动方向都指向回采工作面，移动稳定后移动向量都指向采空区中心。,2.工作面推进过程中超前影响,（1）起动距。地下开采达到一定范围后，岩层移动开始波及地表，通常将地表开始移动时工作面的推进距离成为工作距。 （2）开采地表超前影响。 如图1-18所示，在工作面开采过程中，其前方的地表开始移动。将工作面前方地表开始移动的点与当时工作面的连线和水平线在矿柱一侧的夹角成为超前影响角。 超前影响角的计算公式为 其中l为超前影响距，m。 超前影响角的大小与采动程度、工

13、作面开采速度及开采次数有关。,（3）地表点的下沉速度Vn。 地表点的下沉速度计算公式为： 式中： 地表n点在两次观测中得到的下沉差mm； t两次观测的间隔时间，d。 图1-18所示的工作面推进到A、B、C、D、E不同位置时对应的下沉曲线和下沉速度曲线。 在非充分采动条件下，随着采空区面积的增大，地表间各点的下沉速度逐渐增大。当达到充分采动时，地表各点的下沉速度分布基本相同，经历开始下沉达到最大下沉速度下沉速度逐渐衰减变小下沉结束过程。,3.地表移动持续时间,地表移动时间：从地表开始移动（下沉量不小于10mm），到地表移动停止（连续六个月内地表下沉量30mm） 根据下沉速度对地面保护建筑物的影响

14、，可将地表移动持续时间划分为三个阶段：起动阶段；活跃阶段；衰减阶段见图1-19。地表移动持续时间主要与覆岩岩性、开采深度与采高之比及开采速度等因素有关。覆岩愈软、推进速度越大、采深与采高比愈小，则下沉速度愈大。 其经验公式为： 式中:K下沉速度系数； V工作面开采速度，m/d。,4.开采工作面移动过程中的地表移动和变形规律,1.水平移动的变化规律。 图1-20表示工作面推进过程中水平移动的变化规律。随工作面推进，水平移动值逐渐增大。水平移动值等于零时的点随着工作面的推进而向前移动。达到充分采动时，最大水平移动值基本相等。当工作面停采后，最大水平移动值仍在继续增大，直至地表移动稳定为止。最大水平

15、移动值比工作面推进过程中的地表最大水平移动值大。 2.地表曲率变化规律 图1-21表示工作面推进过程中地表曲率的变化规律。在固定边界上方地表的最大曲率曲线就是稳态地表曲率值。随工作面推进，对应地表曲率变形曲线不断迁移，下沉值达到最大值为止的盆地部分的曲率变形趋于零。 3.工作面推进过程中地表水平变形变化规律与曲率变化规律基本相同,1.6影响地表移动和变形的地质采矿因素,采动地表移动变形分布规律取决于地质和采矿因素的综合影响。影响地表移动变形的主要采矿地质因素为： （1）岩石力学性质对覆岩移动破坏的影响； （2）岩石力学性质对开车沉陷分布规律的影响； （3）松散层对地表移动特征的影响 （4）矿层

16、倾角的影响； （5）采深与采高的影响； （6）开采范围大小的影响； （7）开采方法及顶板管理方法的影响； （8）开采速度的影响； （9）重复采动的影响；,1.7 复杂地质条件对地表沉陷的影响,在地质条件复杂（如遇到大的断层、褶曲、富含水层或山区地表条件下），地表移动变形的正常规律被掩盖，表现出特殊的规律性。 1.断层对开采沉陷规律的影响 2.向斜构造时的地表移动特征 3.山区地表移动及变形 4.富含水层对采动地表沉陷的影响,1. 断层对开采沉陷规律的影响 当覆岩倾角大于20度，落差大于10m的断层时候，断层对地表沉陷便有明显的影响。主要表现在两个方面： 一、断层露头处地表产生台阶状裂缝； 二、改变了沉陷的影响范围。 图1-24及图1-25，在水平矿层开采条件下，当工作面推至断层附近时，由于吉言沿断层面的滑动，正断层和逆断层上方地表均出现台阶状，变为非连续移动状态。,2.向斜构造时的地表移动特征 当开采有向斜构造的矿层时，地表移动特征与无向斜构造时式不同的。向斜构造上方，特别是向斜轴上