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1、河南理工大学 精品课程教学组,开采损害与保护,第一章 地表沉陷的一般规律,第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动变形分布规律 第二节 采动过程中的地表移动和变形的一般规律 第三节 地表下沉盆地稳定后全面积开采沉陷分布规律 第四节 地质采矿因素对开采沉陷的影响 第五节 复杂地质条件对地表沉陷的影响,本章教学大纲,教学目的与要求：地表沉陷的规律是开采沉陷学中最重要的内容之一。通过本章的学习，要求学生理解并掌握各种开采条件下、开采过程中及移动盆地稳定后地表沉陷的一般规律。课程内容：1移动盆地稳定后主断面内移动和变形分布规律；2采动过程中(动态)主断面内移动和变形分布规律；3移动盆地稳定后全面积的移动
2、和变形分布规律；4地质采矿因素对地表沉陷的影响；5复杂地质条件对地表沉陷的影响。教学重点：各种开采条件下不同采动程度的主断面内移动和变形分布规律；/采动过程中的地表移动和变形的一般规律；/地表下沉稳定后全面积开采沉陷分布规律及各等值线的特点。教学难点：对地质采矿因素和复杂地质条件对地表沉陷的影响进行分析。,第一章 地表沉陷的一般规律,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。主要内容：(1)水平、缓倾斜煤层以及急倾斜煤层开采沉陷的分布规律；(2)沉陷稳定后(又称静态)及工作面推进过程中(又称动态)的分布规律；(3)简单地质条件和复杂地质条件下的分
3、布规律等。目前，以水平煤层和缓倾斜煤层开采的、沉陷稳定后的和简单地质条件下的分布规律研究较为充分，其它方面尚在不断深入研究之中。所以本章主要介绍：1.移动盆地稳定后主断面内移动和变形分布规律；2.采动过程中(动态)主断面内移动和变形分布规律；3.移动盆地稳定后全面积的移动和变形分布规律；4.地质采矿因素对地表沉陷的影响；5.复杂地质条件对地表沉陷的影响。,第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形分布规律,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和变形分布规律，并且是典型化和理想化了的。它要满足以下几个条件：1深厚比HM(开采深度与开采厚度之比值)大于30。在这样的条件下，地表移动
4、和变形在空间和时间上都具有明显的连续特征和一定的分布规律； 2地质采矿条件正常，无大的地质构造(如大断层和地下溶洞等)，并采用正规循环的采煤作业；3属于单一煤层开采，并不受邻区开采影响。,第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形分布规律,地表移动盆地稳定后的移动和变形分布规律与许多地质采矿因素有关。如：煤层倾角（）、开采厚度（m）、开采深度（H）、采区尺寸（D）、采煤方法、顶板管理方法、松散层厚度（h）等。如果开采均系采用走向长壁式采煤、全部垮落法管理顶板，并且开采厚度均相同，那么影响分布规律的地质采矿因素主要就是煤层倾角、采区尺寸和开采深度。而采区尺寸和开采深度之比，可决定地表的采动程度
5、。下面根据不同的采动程度和煤层倾角的变化情况，讨论地表移动和变形的分布规律。,第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形分布规律,一、水平煤层（或沿煤层走向主断面)非充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律判别：水平煤层开采时的采动程度可用走向充分采动角3来判别。当用3 角作的两直线交于岩层内部而未及地表时，此时地表为非充分采动。 （一）下沉曲线下沉曲线表示地表移动盆地内下沉的分布规律。设沿主断面方向为x轴，下沉曲线为W(x)=F(x)在讨论分布规律时，先要确定下沉曲线上的三个特征点：,第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形分布规律,1最大下沉点o：下沉值最大。在水平煤层开采时，在采区
6、中央正上方。 2盆地边界点A、B：据走向边界角0作边界点A、B，此处下沉值为零。 3拐点E：拐点是指下沉曲线凹凸的分界点。拐点从理论上讲应位于工作面开采边界的正上方，但由于工作面边界附近的顶板并不切煤壁冒落或呈阶状弯曲，存在悬顶距，因此在四周没采情况下，拐点E不在工作面开采边界的正上方而是略偏向采空区一侧。在地表达充分采动条件下，拐点处的下沉值约为最大下沉值的一半。,下沉曲线分布规律：在地表最大下沉点O处下沉值最大，自盆地中心至盆地边缘下沉值逐渐减小，在盆地边界点A、B处下沉值为零。,第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形分布规律,第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形分布规律,（
7、二）倾斜曲线倾斜曲线表示地表移动盆地内倾斜的变化规律，倾斜为下沉的一阶导数：,倾斜曲线分布规律为：盆地边界点至拐点间倾斜渐增，拐点至最大下沉点间倾斜渐减，在最大下沉点处倾斜为零。在拐点处倾斜最大，有两个方向相反的最大倾斜。,第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形分布规律,（三）曲率曲线,曲率曲线是表示地表移动盆地内曲率的变化规律，曲率曲线可表示为倾斜的一阶导数或下沉的二阶导数：,第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形分布规律,曲率曲线分布规律为：1曲率曲线有三个极值，两个相等的正极值和一个负极值，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，位于最大下沉点处。2盆地
8、边界点和拐点处曲率为零。3盆地边缘区为正曲率区，盆地中部为负曲率区。,第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形分布规律,(四)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。移动盆地内各点的水平移动方向都指向盆地中心。大量的实测资料表明，水平移动曲线与倾斜曲线相似。因此，可得下式：,B水平移动系数，B=0.130.18H。,第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形分布规律,水平移动曲线分布规律为：盆地边界点至拐点间水平移动渐增，拐点至最大下沉点间水平移动渐减，最大下沉点处水平移动为零；在拐点处水平移动最大，有两个方向相反的最大水平移动。,第一节 地表移动盆地
9、稳定后主断面内移动和变形分布规律,（五）水平变形曲线水平变形曲线表示地表移动盆地内水平变形分布规律，水平变形曲线与曲率曲线相似。是水平移动的一阶导数：,B水平移动系数，B=0.130.18H。,第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形分布规律,水平变形分布规律为：1.水平变形曲线有三个极值，两个相等的正极值和一个负极值，正极值称为最大拉伸值，位于边界点与拐点之间，负极值称为最大压缩值，位于最大下沉点处。 2.盆地边界点和拐点处水平变形为零。3.盆地边缘区为拉伸区，盆地中部为压缩区。,第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形分布规律,二、水平煤层(或沿煤层走向主断面)充分采动时主断面内移
10、动和变形分布规律判别：当用3 角作的两直线刚好交于地表时，此时地表为充分采动。地表刚达到充分采动时和非充分采动时相比，它们的不同之处在于：1最大下沉值已达到该地质采矿条件下之最大值。2倾斜、水平移动曲线没有明显变化。3曲率或水平变形曲线在采区中心拐点、边界点为零；在边界点和拐点之间达到最大拉伸；在拐点和采区中心之间达到最大压缩变形。,第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形分布规律,三、水平煤层(或走向主断面)超充分采动时主断面内移动和变形分布规律判别：当用3 角作的两直线在地表交于o1和o2两点，o1和o2间出现平底时，地表达到超充分采动。地表达到超充分采动时和非充分采动时相比，不同之处
11、在于：1下沉曲线中部平底上各点下沉值相等，并达到该采矿地质条件下的最大值。2在平底部分内，倾斜、曲率、水平变形均为零或接近于零；各种变形主要分布在采空区边界上方附近。3最大倾斜和最大水平移动位于拐点处；最大正曲率、最大拉伸变形位于拐点和盆地边界点之间；最大负曲率、最大压缩变形位于拐点和最大下沉点o之间。,第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形分布规律,四、倾斜（1555）煤层非充分采动时移动和变形分布规律,判别：利用下山充分采动角1和上山充分采动角2确定充分采动程度。用0、0确定上下山盆地边界点，用最大下沉角确定最大下沉点。,倾斜煤层非充分采动时地表移动变形分布规律,第一节 地表移动盆地
12、稳定后主断面内移动和变形分布规律,1下沉曲线、倾斜曲线和曲率曲线：下沉曲线失去对称性，如上山部分的下沉曲线比下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，其位置用最大下沉角确定。,下沉曲线的两个拐点与采空区不对称，而偏向下山方向。随着下沉曲线的变化，倾斜曲线和曲率曲线也相应发生变化。,倾斜煤层非充分采动时地表移动变形分布规律,第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形分布规律,2水平移动曲线：在倾斜煤层开采时，随着煤层倾角的增大，指向上山方向的水平移动值逐渐增大，而指向下山方向的水平移动值逐渐减小。,倾斜煤层非充分采动时地表移动变形分布规律,第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移
13、动和变形分布规律,3水平变形曲线：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。 4水平移动曲线和倾斜曲线不相似，水平变形曲线和曲率曲线不相似。,倾斜煤层非充分采动时地表移动变形分布规律,第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形分布规律,五、急倾斜（55）煤层非充分采动时移动和变形分布规律 1下沉盆地非对称性十分明显，下山方向的影响范围远远大于上山方向的影响范围。 2随着煤层倾角的增大，最大下沉点位置逐渐移向煤层上山方向。 3在松散层较薄的情况下，可能只出现指向上山方向的水平移动。,急倾斜煤层非充分采动时地表移动变形规律,第一节 地表移动盆地稳定后主
14、断面内移动和变形分布规律,煤层倾角小于90o,煤层倾角接近90o,4.随着煤层倾角的增大，倾斜剖面形状由对称的碗形逐渐变为非对称的瓢形。当煤层倾角接近90o时，下沉盆地剖面又转变为比较对称的碗形或兜形。,急倾斜煤层开采后的下沉盆地形态,第一节 地表移动盆地稳定后主断面内移动和变形分布规律,5当开采厚度大、开采深度小、煤层顶底板坚硬不早冒落而煤质又较软时，开采后采空区上方之煤层易沿煤层底板滑落。这种滑落可能一直发展到地表，使地表煤层露头处出现塌陷坑。,急倾斜煤层开采后地表出现塌陷坑,第二节 采动过程中的地表移动和变形的一般规律,一、研究采动过程中地表移动变形分布规律的必要性地下煤层采出后引起的地
15、表沉陷是一个时间和空间过程。随着工作面的推进，不同时间的回采工作面与地表点的相对位置不同，开采对地表点的影响也不同。地表点的移动经历一个由开始移动到剧烈移动，最后到停止移动的全过程。在生产实践中经常会遇到下述情况，即仅仅根据稳定后(或静态)的沉陷规律还不能很好地解决实际问题，必须进一步研究移动变形的动态规律。,第二节 采动过程中的地表移动和变形的一般规律,例如，在超充分采动条件下，地表下沉盆地出现平底，在此平底范围内地表下沉相同，地表变形等于零或接近于零，但不能认为在此区域内的建筑物不受到破坏，因为在工作面推进过程中该区域内的每一个点均要经受动态变形的影响，虽然这种动态变形是临时性的，但它同样
16、可以使建筑物遭到破坏。/在建筑物下采煤时，需要随时确定建筑物受采动影响的开始时间和在不同时期的地表移动变形量，以便对建筑物采取适当措施。如加强观测、加固、临时迁出或改变用途等。在铁路下来煤时，需根据动态变形规律确定铁路维修范围，预计铁路上部建筑起垫量等。在进行协调开采时，根据动态变形规律可以更合理地安排回来工作面之间的相互关系等。,第二节 采动过程中的地表移动和变形的一般规律,二、地表点的移动轨迹,1当工作面由远处向A点推进、移动波及到A点时，地表下沉速度由小逐渐变大，A点的移动方向与工作面推进方向相反，此为移动的第阶段；,采动过程中地表点移动轨迹,（一）移动轨迹与工作面位置的关系,第二节 采动过程中的地表移动和变形的一般规律,2.当工作面通过A点正下方(2处)继续向前推进时，地表下沉速度迅速增大，并逐渐达到最大下沉速度，A点的移动方向近于铅垂方向，此为移动的第阶段；,采动过程中地表点移动轨迹,
