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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 基本概念,第一节 岩石的物理力学性质 第二节 地下开采引起的岩层移动 第三节 地下开采引起的地表移动和破坏 第四节 地表移动盆地内移动和变形分析 第五节 地表移动盆边界的确定,一、 岩体内的应力状态 1未受采掘影响的岩体受到各个方向力的约束，处于自然应力平衡状态。 2岩体内的应力状态主要取决于上覆岩层的重量和性质。,第二节 地下开采引起的岩层移动,第二节 地下开采引起的岩层移动,3. 如右图所示 假设在深度为H的岩体内，有一个小的单元立方体，在开采之前处于原始应力平衡状态，它的各面上的剪应力认为是零，铅直应力z=rH r容重；H采深；,K
2、侧压系数 。,第二节 地下开采引起的岩层移动,3. 如右图所示 假设在深度为H的岩体内，有一个小的单元立方体，在开采之前处于原始应力平衡状态，它的各面上的剪应力认为是零，铅直应力z=rH r容重；H采深。,第二节 地下开采引起的岩层移动,一、地表移动的形式 （一）地表移动盆地 开采影响到地表之后，在采空区上方形成一个比采空区大得多的沉陷区域，对地表的建筑、道路、河流、铁路、生活环境等有影响。 （如图所示） （二）裂缝及台阶（产生在边缘区） 产生裂缝的条件与有无松散层及其厚度有关。（如图所示） 塑性大：变形值超过610mm/m，地表产生裂缝；塑性小：变形值超过23mm/m，产生裂缝。一般地表裂缝
3、与地下采空区不连通，到一定深度可能尖灭。,第三节 地下开采引起的地表移动和破坏,地表移动盆地,裂缝及台阶,（三）塌陷坑 产生条件：开采急倾斜煤层或某种特殊的地质采矿条件下易产生。 1塌陷坑多出现在急倾斜煤层开采条件下。由于煤柱的抽冒，结果在地表形成漏斗状塌陷坑。 2在采深很小或采厚很大的情况下，也会在地表产生漏斗状塌陷坑。 3在有流砂层的情况下，由于防水煤岩柱小而导致水砂溃入井下，在地表形成塌陷坑。 4开采缓倾斜煤层时，由于露头入采深不大，可能形成塌陷坑。（如图所示） 塌陷坑对地面破坏最大，应尽力避免。,第三节 地下开采引起的地表移动和破坏,塌陷坑,第三节 地下开采引起的地表移动和破坏,二、地
4、表移动盆地的形成及特征 （一）地表移动盆地的形成过程 1当工作面推进一段距离之后才在地表产生显著的移动。 2随着工作面的推进，采空区的扩大，下沉盆地也逐渐扩大。,3当采空区达到一定程度时，最大下沉将不再增加而形成一个平底的下沉盆地。 4当工作面停止以后，地表的移动不会马上停止，要延续一段距离时间。,第三节 地下开采引起的地表移动和破坏,（二）充分采动与非充分采动 1充分采动（ Full subsidence ）：地表下沉值达到该地质采矿条件下应有的最大值，此时的采动称充分采动。反之称非充分采动（Subcritical subsidence ）。 2临界开采（Critical mining）：只
5、有一个点的下沉值达到最大下沉值的采动情况，称为临界开采，地表移动盆地呈碗形。 3.超充分采动（Supercritical subsidence ）：多个点的下沉值达到最大下沉值的采动情况，称为超充分采动。 4充分采动角(Angle of full subsidence) ：在充分采动条件下，在移动盆地的主断面上，地表最大下沉点与开采边界的连线在采空区一侧的锐角。 确定方法：a. 水平煤层 b. 倾斜煤层 下山1、上山2、走向3,水平煤层,倾斜煤层,第三节 地下开采引起的地表移动和破坏,（三）地表移动盆地的特征 1地表移动盆地的三个区域： （1）中间区域：下沉值达到最大，其它移动和变形值近似等于
6、0，无明显裂缝。 （2）内边缘区：产生压缩变形，不出现裂缝、凹形。 （3）外边缘区：拉伸变形、凸形、裂缝。,三个特征点：边界点（下沉10mm的点），拐点（内外边缘区的分界点），最大下沉点,第三节 地下开采引起的地表移动和破坏,2水平煤层充分采动时，地表移动盆地的特征：（右图） （1）移动盆地位于采空区的正上方，移动盆地关于采空区对称。 （2）平底部分位于采空区中央正上方。 （3）移动盆地内外边缘的分界点（拐点）位于采空区边界正上方或偏向采空区。,第三节 地下开采引起的地表移动和破坏,3.倾斜煤层充分采动时，移动盆地的特征: （1）移动盆地与采空区不对称，在倾斜方向上，整个盆地偏向采空区下山方向
7、，影响范围上边界小于下边界，上边界的移动盆地边缘要比下边界陡。 （2）最大下沉点偏向下边界方向。 （3）拐点在采空区的上边界偏向采空区上边界偏向煤柱。,第三节 地下开采引起的地表移动和破坏,4开采急倾斜煤层充分采动时，地表移动盆地的特征（见图1-31） （1）非对称性更加明显。下边界影响到采空区很远的地方。上边界影响到煤层的底板岩层。整个移动盆地明显地偏向煤层下山方向。 （2）最大下沉点偏向采空区下山方向。 （3）最大水平移动大于最大下沉。,5.最大下沉角（Subsidence limit angle ）（）：在倾斜主断面上，地表最大下沉点和采空区中点的连线与沿煤层下山方向水平线所成的锐角。除
8、与岩性有关外，还与煤层倾角有关。在在倾斜或缓倾斜煤层条件下，随煤层倾角的增大而减小。 一般有,第三节 地下开采引起的地表移动和破坏,第三节 地下开采引起的地表移动和破坏,（四）地表移动盆地的主断面(Major cross-section) 1定义：地表移动盆地内，通过最大下沉点，沿煤层走向或倾斜方向所作的垂直断面。 2特征： （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量最大。 3位置 （1）非充分采动： 水平煤层：主断面位于采空区中央。 倾斜煤层：倾斜主断面位于采空区中央，走向主断面根据最大下沉角确定。 （2）充分采动：首先按充分采动角1、2、3确定地表充分采动区的范围
9、，然后通过该范围内所作的煤层走向和倾向的垂直断面均为主断面。,水平煤层非充分采动(主断面),倾斜煤层非充分采动(主断面),d=Hctg,水平煤层充分采动(主断面),倾斜煤层充分采动(主断面),d=Hctg,第四节 地表移动盆地内移动和变形分析,一、一个点的移动分析 一个点的移动向量可以分解为垂直分量和水平分量。垂直分量称为下沉，水平分量称为水平移动。沿断面的水平移动为纵向水平移动，垂直于断面的水平移动称横向水平移动。,为了研究问题的方便，将三维空间的移动问题简化为两个平面问题。,第四节 地表移动盆地内移动和变形分析,二、主断面内地表移动与变形分析 描述地表移动盆地内移动和变形的指标是：下沉（S
10、ubsidence）、倾斜（Slope）、曲率（Curvature）、水平移动（Displacement）、水平变形（Horizontal strain）及扭曲和剪切变形(Twisting and Shear strain)。 目前,前五种研究充分，后两种研究较少，应用不广泛。,第四节 地表移动盆地内移动和变形分析,1地表主断面内某一点的下沉 Hn0、Hnm分别为第n个点初次观测和第m次观测时的高程。正值代表该点下沉；负值代表该点上升。通常用w表示。 2水平移动 Ln0、Lnm分别表示初次观测和第m次观测时地表n点至观测线控制点间的水平距离。通常用u表示。 符号规定：在倾斜主断面内，指向上山方
11、向的水平移动为正，指向下山方向的水平移动为负，在走向主断面上向右移动为正，相反为负。,单位：mm,单位：mm,第四节 地表移动盆地内移动和变形分析,3倾斜变形 地表倾斜变形是指相邻点在竖直方向的相对移动量与两相邻点间水平距离的比值。 由于相邻地表点的下沉量不相等，使地表产生倾斜，反映盆地沿某一方向的坡度，通常用i表示。 l2-32号点到3号点之间的水平距离。 含义：该曲线中点的切线斜率。 符号规定：倾向上山方向为正，倾向下山方向为负，而右倾斜为正，向左倾斜为负。 4地表曲率变形 地表曲率变形是指两相邻线段的倾斜差与两线段小点间的水平距离的比值。即单位长度内倾斜的变化。 它反映在观测线断面上的弯
12、曲程度。通常用k表示。 符号规定：上凸的曲率为正，下凹的曲率为负。,单位：mm/m,单位：mm/m2,第四节 地表移动盆地内移动和变形分析,5水平变形 地表水平变形是指相邻两点的水平移动差值与两点间水平距离的比值。 它反映相邻两测点间单位长度的水平移动差值。由于相邻点的水平移动量不相等而引起的，用来表示。 符号规定：拉伸变形为正，压缩变形为负。分布在移动盆地两拐点之间。,单位：mm/m,第四节 地表移动盆地内移动和变形分析,三、地表移动和变形对建筑物(或构筑物)的影响 1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。称为临界变形值。,2地表下沉和水平移动对建筑物的影响
13、地表的下沉和水平移动对建筑结构不产生附加应力，对建筑物影响很小，故不作为衡量建筑物破坏的指标。但地表的下沉值会改变地表原有的坡度，使排水困难，在潜水位很高的情况下，使地表积水。,第四节 地表移动盆地内移动和变形分析,3地表倾斜对建筑物的影响 引起了压力的重新分布，使载荷成为非均匀，使建筑物内应力发生变化，导致建筑物破坏。另外，对高大的建筑物影响较严重。 4地表曲率变形对建筑物的影响 曲率表明了地表的弯曲程度。正曲率(地表上凸) 使建筑物基础两端处于悬空状态，倒“八”字形的裂缝产生；负曲率(地表下凹) 使建筑物基础中心处于悬空状态，正“八”字形的裂缝产生。（如图所示） 曲率变形引起的建筑物上附加
14、应力的大小，与地表曲率值有关，同时也与建筑物长度和底面积有关。,地表曲率变形对建筑物的影响,第四节 地表移动盆地内移动和变形分析,5地表水平变形对建筑物(构筑物)的影响 地表水平变形是引起建筑物破坏的重要因素。因为建筑物的抗拉能力小，在建筑物受到拉伸变形作用，容易出现裂缝。在薄弱部位(如门窗上方)更为明显。压缩变形则能使建筑物墙壁挤碎、地板鼓起，出现剪切或挤压裂缝，使门窗变形、开关不灵等。,第五节 地表移动盆地边界的确定,一、地表移动盆地边界的划分 地表移动盆地划分成如下三个边界： (一)移动盆地的最外边界 移动盆地最外边界是以地表移动和变形都为零的盆地边界点所固定的边界。这个边界由仪器观测确
15、定。考虑到观测误差一般取下沉为10mm的点为边界点。所以，最外边界实际上是下沉为10mm的点圈定的边界。（图中ABCD） (二)移动盆地的危险移动边界 危险移动边界是以盆地内的地表移动与变形对建筑物有无危害而划分的边界。 （图中ABCD） 不同结构的建筑机能承受最大变形的能力不一样，所以各种类型的建筑物都应有对应的临界变形值。在确定移动盆地内危险移动边界时，用相应建筑物的临界变形值圈定，会更接近于实际。 (三)移动盆地的裂缝边界 裂缝边界是根据移动盆地内最外侧的裂缝圈定的边界。 （图中ABCD）,地表移动盆地边界的划分,第五节 地表移动盆地边界的确定,二、固定边界的角值参数 （一）边界角（An
16、gle of draw ） 地表移动盆地主断面上盆地边界点至采空区边界的连线与水平线在煤柱一例的夹角称为边界角。 走向方向：0；下山：0；上山：0；急倾斜煤层底板边界角:0。 当有松散层时，存在于基岩与松散层交界面相交处。（如图所示） （二）移动角(Angle of critical deformation ) 地表移动盆地主断面上三个临界变形值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。 走向方向：；下山：；上山：；底板。 （如图所示）,地表移动盆地边界的确定,第五节 地表移动盆地边界的确定,（三）裂缝角(Angle of break) 地表移动盆地主断面上，移动盆地内最外侧的地表裂缝至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为裂缝角。 走向方向：；下山：
