沉陷预计技术交流课件

矿山土地复垦 沉陷预计 开采沉陷的基本概念开采沉陷的基本概念一、移动稳定后采动岩层内的三带一、移动稳定后采动岩层内的三带从以上分析可以看，煤层采出后，在采空区上覆岩层发生了较为复杂的移动和变形。将移动稳定后的上覆岩层按其破坏程度，分为三个不同的开采影响带，即冒落带、裂缝带、弯曲带（见图1）。图1采空区上覆岩层内移动分布示意图-冒落带；-裂缝带；-弯曲带（一）冒落带(Caving zone)冒落带是指用全部垮落法管理顶板时，回采工作面放顶后引起煤层直接顶岩层产生破坏的范围。冒落带内岩层破坏的特点为：冒落岩块大小不一；无规则地堆积在采空区内；冒落岩块间空隙较大，连通性好，易导水、导砂。具：碎胀性、可压缩性。分：不规则冒落带、规则冒落带（二）裂缝带（断裂带）(Fractured zone)裂缝带是指在采空区覆岩中产生裂缝、离层及断裂，但仍保持层状结构的那部分岩层。位于冒落带之上。其特征为：岩层不仅产生垂直于层理面的裂缝或断裂，还产生顺层理面的离层裂缝，易导水。分：严重断裂带、一般断裂带、微小断裂带。冒落带和裂缝带合称为冒落裂缝带，或导水裂缝带(Water conducted zone)。注：两带高度与岩性有关，一般软弱覆岩时为采厚的912倍，中硬覆岩时为采厚的1218倍，坚硬覆岩时为采厚的1828倍。（三）弯曲带(Sagging zone)（整体移动带）弯曲带位于裂缝带之上直至地表。其移动特点为：岩层的移动过程是连续而有规律的，并保持其整体性和层状结构，不存在或极少存在离层裂缝；弯曲带顶面（地表）有时产生一些拉伸裂缝，一般到一定深度尖灭。注：以上划分的三个移动带，在水平或缓倾斜煤层开采时表现比较明显。根据顶板管理方法、采空区大小、开采厚度、岩石性质及开采深度的不同，覆岩中的上述三带不一定同时存在。二、地下开采引起的地表移动和破坏二、地下开采引起的地表移动和破坏（一）地表移动盆地地表移动盆地(Ground subsidence trough)：在开采影响波及到地表以后，受采动影响的地表从原（有标高向下沉降，从而在采空区上方地表形成一个比采空区面积大得多的沉陷区域，这种地表沉陷区域称为地表移动盆地，或下沉盆地。当潜水位很高时，造成积水，民房、良田等淹没。在一定条件下，地表移动盆地外边缘拉伸变形区可能产生裂缝。裂缝的深度、宽度与有无第四系松散层及其厚度、性质和变形值大小有关。国内外观测表明，对于塑性大的粘土，一般是地表拉伸变形值超过610mm/m时，地表才发生裂缝。塑性小的粘土的砂质粘土、粘土质砂或岩石，当地表拉伸变形达到23mm/m时就发生裂缝。（二）地表裂缝（二）地表裂缝(Surface fracture)及台阶（及台阶（step）：）：地表裂缝一般平行于工作面边界发展。但在推进工作面前方地表可能出现平行于工作面的裂缝。这种裂缝深度和宽度较小，随工作面推进先张开而后逐渐闭合。裂缝的形状一般为楔形，上口大，越往深处越小，到一定的深度尖灭。当地表存在较厚的表土时，地表裂缝深度一般小于5m，对于采厚较大的综采放顶煤开采，地表裂缝深度可达十几米。当地表不存在表土或表土较薄时，地表裂缝深度可达到数十米。当基岩为坚硬岩层时，这种裂缝可使地表与采空区连通。地表除出现张口裂缝外，在某些特殊情况下，可能出现剪切式压密裂缝。常见的三种情况为：（1）断层导致的压密裂缝；（2）软弱夹层导致的压密裂缝；（3）重复开采时下沉盆地边缘区主裂缝面导致的压密裂缝。（三）塌陷坑（三）塌陷坑(Subsidence cave)及塌陷槽及塌陷槽开采缓倾斜煤层和倾斜煤层时，地表破坏主要是地表出现裂缝，但在某些特殊地质开采条件下，地表可能出现漏斗状塌陷坑或塌陷槽。三、充分采动和非充分采动（一）充分采动充分采动充分采动(full subsidence)：是指地下煤层采出后，地表下沉值达到了该地质采矿条件下应有的最大值，此时称为地表达到充分采动，随着工作面的继续扩大，影响范围相应扩大，但地表最大下沉值不再增加，地表移动盆地将出现平底。a.地表只有一点一点达到最大下沉值最大下沉值刚达到充分采动临界开临界开采采(Critical extraction)。地表移动盆地呈碗形（如图2a）图2a刚达到充分采动时的移动盆地注：注：实测表明，通常在采空区的长度和宽度均达到和超过1.21.4H0（H0为平均开采深度）时，地表可达到充分采动临界开采临界开采尺寸尺寸b.有多个地表点多个地表点达到最大下沉值超充分采动超临界开超临界开采采(Supercritial extraction)，地表移动呈盘形（如图2b和图3）图2b-超充分采动时的移动盆地图3-水平煤层超充分采动时的地表移动盆地示意图（二）非充分采动采空区尺寸（长度和宽度）小于该地质采矿条件下的临界开采尺寸时，地表任意点的下沉值均未达到该地质采矿下应有的最大下沉值，称这种采动为非充分采动非充分采动，此时地表移动盆地为碗形。图4-水平煤层非充分采动的地表移动盆地示意图图5-急倾斜煤层开采时的地表移动盆地示意图图6-槽形盆地示意图工作面在一个方向（走向或倾向）达到临界开采尺寸，而另一个方向未达到临界开采时，也属非充分采动，此时的地表移动盆地为槽形。（三）充分采动的范围的确定充分采动角（以表示）充分采动角的确定方法是：在充分采动的条件下，在地表移动盆地的主断面上，移动盆地平底边缘（在地表水平线上的投影点）和同侧采空区边界连线与煤层在采空区一侧的夹角称为充分采动角。下山方面的充分采动角以1表示，上山方面的充分采动角以2表示，走向方向的充分采动角以3表示。图7a-下山方向的充分采动角1 上山方向的充分采动角2图7b-走向方向的充分采动角3四、四、地表移动盆地边界的确定地表移动盆地边界的确定按照地表移动变形值大小，对建筑物及地表的影响程度，将地表移动盆地分为三个边界：最外边界、危险移动边界和裂缝边界。移动盆地的最外边界(Outermost boundary)：移动盆地的最外边界是以地表移动变形为零的盆地边界点所圈定的边界。现场实测中，考虑到观测误差，一般取下沉一般取下沉10mm的点为边界点的点为边界点，最外边界实际上是下沉10mm的点圈定的边界，如图8中ACBD。近年观测表明，有时水平移动为10mm的边界较下沉为10mm的边界大，有的学者建议取两者的最外边界作为移动盆地的最外边界。图8地表移动盆地边界的确定示意图1.移动盆地的最外边移动盆地的最外边界界 一般取下沉10mm 的点为边界点 ACBD2.移动盆地危险边界移动盆地危险边界 倾斜i=3mm/m水平变形=2mm/m曲率K=0.2mm/m2ACBD3.移动盆地裂缝边界移动盆地裂缝边界 ACBD 开采沉陷的预计第1节概述一、基本概念一、基本概念（一）开采沉陷预计的基本概念对一个计划进行的开采，在开采之前根据其地质采矿条件和选用的预计函数、参数，预先计算出受此开采影响的岩层和（或）地表的移动和变形工作，称为开采沉陷预计开采沉陷预计，也称岩层和（或）地表移动预计（或计算），简称“预计”。预计参数预计参数：预计函数中用到的一系列数据，这些数据是根据所预计的那个开采的地质采矿数据和因素确定的。预计时用到的地质采矿条件有：1、煤层的法向开采厚度（采高）m；2、煤层倾角；3、采空区下山边界上山边界走向主断面上的和平均的开采深度H1、H2、H、H0；4、采空区走向长D3、倾向斜长D1；5、顶板管理方法；6、上覆岩层的性质；7、工作面形状和工作推进速度。注：注：不同的开采，预计参数不同。不同的预计方法，预计参数不同。（二）开采沉陷预计的意义和作用（二）开采沉陷预计的意义和作用开采沉陷预计是矿山开采沉陷学科的核心内容之一。它对开采沉陷的理论研究和生产实践都有重要意义。1）预计在理论研究上的作用：在于利用预计的结果可以定量地研究受开采影响的岩层与地表移动在时间上和空间上的分布规律。2）预计在生产实践中的作用：(1)指导建筑物下采煤(2)指导铁路下采煤(3)指导水体下采煤(4)指导塌陷区综合治理(5)指导井筒煤柱开采预计要准确：过大浪费；过小不安全二、开采沉陷预计的内容二、开采沉陷预计的内容根据预计的要求，保护对象的空间位置和开采煤层情况，一次预计可以包括以下内容中的一项或几项：1、最大值预计；2、主断面上的移动和变形预计；3、地表任意点移动及变形值预计；4、岩体内任意点移动和变形值预计；5、多工作面和（或）多煤层开采时岩层和地表移动变形预计。三、开采沉陷预计方法的分类三、开采沉陷预计方法的分类根据我国的情况，结合前苏联和德国专家的意见，开采沉陷预计方法的分类见下表4-1。对主断面上的移动变形预计来说，目前我国最常用的是概率积分法、典型曲线法和负指数函数法。开采沉陷预计方法的分类开采沉陷预计方法的分类分分类依据依据分分 类 建立预计方法建立预计方法的途径的途径基于实测资料的经验方法影响函数法理论模拟法预计手段预计手段解析法图解法电子计算机法 预计时采用的预计时采用的函数函数剖面函数法影响函数法 表表4-1对主断面上的移动变形预计来说，目前我国最常用的是概率积分法、典型曲线法和负指数函数法。第二节第二节最大下沉值及最大水平最大下沉值及最大水平移动的预计移动的预计 开采沉陷稳定后，地表移动盆地的最大下沉和最大水平移动值反映了地表移动变形的剧烈程度，同时也是各种开采沉陷预计理论的两个重要参数。一、一、最大下沉值最大下沉值1、影响因素1）采厚；2）倾角；3）岩性；4）采深；5）采动次数6）采空区尺寸大小；7）开采方法及顶班管理方法；等。2、充分采动条件下的最大下沉值1）水平或近水平煤层充分采动条件下的最大下沉值为：(1)2）倾斜煤层充分采动条件下的最大下沉值为：式中m煤层的开采厚度，（mm）；煤层的倾角；q充分采动条件下的下沉系数。下沉系数的值取决于地质、采矿因素的综合影响。我国的地下开采实践表明：岩体越坚硬，地表下沉系数的值越小。（2）表表1各种采矿方法及顶板管理方法地表的下沉系数各种采矿方法及顶板管理方法地表的下沉系数采矿方法及顶板管理方法采矿方法及顶板管理方法下沉系数下沉系数备注备注全部垮落法长壁开采0.60.8综采放顶煤厚含水冲积层0.81.2条带开采垮落法开采0.060.16水砂充填0.010.05一般水砂充填0.060.20充填开采加压水砂充填0.050.08风力充填0.40.5矸石自溜充填0.450.55矿层的倾角大于35带状充填0.550.70混凝土充填0.023、非充分采动条件下的最大下沉值 当其它条件相同时，非充分采动条件下的最大下沉值为：式中 k系数，一般取为23；n1、n2沿倾向和走向的采动系数。其值可按下式进行计算：式中 D1、D2 分别为采空区沿倾向和沿走向的长度；D01、D02 地表达到充分采动时采空区相应的临界长度。当平均开采深度、最大下沉角、下边界充分采动角、上边界充分采动角和走向充分采动角已知时，采空区临界长度的值应为：当倾向和走向的充分采动程度系数、同时大于1时，地表达到充分采动，计算时取n1=1、n2=1，否则为非充分采动。二、最大水平移动值的预计二、最大水平移动值的预计在地表未达到充分采动的条件下，其最大水平移动值随最大下沉值的增大而增大。（一）水平煤层沿煤层走向方向，充分采动时地表的最大水平移动值可按下式进行计算：式中b为水平移动系数，其值大约在0.20.4之间，一般为0.3。（二）倾斜煤层1）实测资料表明，覆岩的岩性对水平移动系数的影响较小，主要随煤层倾角的变化而变化。当煤层倾角55时，有：式中bc倾斜煤层开采时的水平移动系数;2）倾斜煤层开采时，地表的最大水平移动总是出现在下山半盆地内。倾斜方向的水平移动系数明显地与煤层的倾角有关，随煤层倾角的增大而增大（表2）。当表土层较薄时，二者之间的关系明显；若表土层较厚，它与倾角之间的关系减弱。表2水平移动系数与煤层倾角之间的关系倾角角01020304050606570系数b0.20.30.350.500.600.801.001.21.41.61.82.02.43）当表土层较薄时，地表倾斜方向的水平移动系数可按下式进行计算：当表土层较厚时，有：式中最大下沉角；h表土层的厚度，m。当时，取其值为第三节第三节 概率积分法概率积分法经过我国开采沉陷工作者20多年的研究，概率积分法预计已成为我国较成熟的、应用最为广泛的预计方法之一。概率积分法是因其所用的移动和变形预计公式中含有概率积分（或其导数）而得名。由于这种方法的基础是随机介质理论，所以又叫随机介质理论法。随机介质理论首先由波兰学者李特威尼申于50年代引入岩层移动研究，后由我国学者刘宝琛、廖国华等发展成为概率积分法。一一、基本原理、基本原理 （一）随机介质及其移动的规律（一）随机介质及其移动的规律作为开采沉陷研究主体的岩体可以用两种完全不同的介质模型来模拟：一种是连续介质模型，一种是非连续介质模型。连续介质模型认为：在运动过程中，介质始终保持其连续性，介质单元之间的联系关系保持不变；非连续介质模型则认为：在移动过程中，介质的连续性受到破坏，介质单元之间原有的联系关系发生变化，单元互相分离并发生相对运动。由于岩体中有一系列原生的和开采引起的裂隙面和其它非连续面，所以用非连续介质模型研究开采沉陷问题是适当的。李特威尼申等应用非连续介质力学中的颗粒体介质力学来研究岩层及地表移动问题，认为开采引起的岩层和地表移动的规律与作为随机介质的颗粒体介质模型随机介质的颗粒体介质模型所描述的规律在宏观上相似。1、单元体移动现象颗粒体介质，在研究其移动规律时可抽象为如图所示的理论模型。该理论模型认为，介质是由类似于砂粒或相对来说很小的岩块组成的。颗粒之间完全失去联系，可以相对运动。颗粒体介质的运动用颗粒的随机移动来表征，并把大量的颗粒体介质的移动看作是随机过程。图4-1颗粒体介质的理论模型（a理论模型，b颗粒移动概率的分布）图4-1所示的理论模型中，假设这些介质颗粒是大小相同、质量均一的小球，并被装在大小相同的均匀排列的方格内。一个方格内的小球被移走时(a1)，由于重力作用，上一层的两个相邻方格内的小球之中的一个(a2或b2)将滚入此方格。假设此方格上一层的两个相邻方格中的哪一个小球滚入此方格完全是随机的，并具有相同的概率1/2。若图a中的a1格内的小球被移走后，a2格内的小球滚入a1格，则a2格将被一个从第3分层的a3或b3格滚来的小球所占据；同样，若是b2格内的小球滚入a1格，则b2格将被一个从第3分层的b3或c3格滚来的小球所占据。根据概率相乘和相加定理，a1格小球的放出，排空a3、b3或c3格这三个事件发生的概率分别为1/4、2/4和1/4；同理，排空第四分层a4、b4、c4或d4格这四个事件发生的概率分别为1/8、3/8、3/8和1/8；如此类推，把各个格子由于a1格小球的放出而排空的概率写在相应的格子中，构成了图b下方的颗粒移动概率分布图。若选取图b中的坐标xoz，则介质内任意一个z水平的概率分布可以绘成图b上方虚线所示的概率分布直方图。若格子的尺寸非常小，则这个直方图趋近于一条光滑的曲线。如果在a1格处（中心坐标为x=z=0）放出数量相当多的、其总体积为单位体积的小球，则z水平的概率分布曲线P(x,z)趋近于一条正态分布概率密度曲线。根据以上的模型，得到单元下沉盆地为：（4-6）r预计参数，称为主要影响半径。单元下沉盆地见图4-4所示。图4-4地表单元下沉盆地和水平移动曲线图1地表单元下沉盆地；2地表单元水平移动曲线；3开采单元；4地表（二）（二）单元水平移动单元水平移动基本假设：在单元开采影响下，岩体产生的移动和变形很小，并且是连续分布的；岩体变形后的总体积保持不变。根据弹性力学和上述假设，有：三维：（4-2）二维：（4-3）式中，Ue(x,z)为岩体内(x,z)点受单元开采影响产生的水平移动，简称单元水平移元水平移动。负号是因为W轴与z轴的指向相反。把，代入上式得：对z求偏导，可得所以：，z为积分常数；对x求偏导，可得：所以：令：则上式可写成：考虑边界条件：由于模型和单元开采的对称性，岩体内z轴上的各点均不产生x方向的水平移动。即Ue(0,z)=0，则可解得：C(z)=0则得到：对地表来说：z=H，令BB(z)br，则：对X求导后：即地表单元水平移动表达式。B预计参数，称为水平移动系数。（4-4）（二）（二）最大移动和变形值的求定最大移动和变形值的求定（1）地表最大下沉值W0：W0mqcos（4-29）（2）最大倾斜值i0：根据极值原理，最大倾斜出现在di(x)/dx0处，求出x0；可得，i0i(0)W0/r，W(0)=W0/2，此时，K(0)=0 可以看出：当x0，下沉曲线上凸；当x0时，K(x)0.6K00.480.640.770.851（七）重复采动时变形预计（七）重复采动时变形预计1、预计第一层开采时，取初次参数、预计第一层开采时，取初次参数2、预计第二层开采时，取复采参数、预计第二层开采时，取复采参数3、一、二同名同方向变形叠加、一、二同名同方向变形叠加（八）重复采动时预计参数求法（八）重复采动时预计参数求法第一次开采（初采）：第一次开采（初采）：q1=w01/m1第二次开采（第一次重采）：第二次开采（第一次重采）：q2=（w01+02-w01）/m2第三次开采（第二次重采）：第三次开采（第二次重采）：q3=（w01+02+03-w01+02）/m3式中：m1、m2、m3第一、二、三次开采时，煤层厚度w01、w01+02、w01+02+03分别为第一、二、三次煤开采后地表的累计最大下沉值