1、中国矿业大学,1,第四章 开采沉陷的基本概念,4.1 岩体移动和破坏基本概念 4.2 地下开采引起的地表移动和破坏 4.3 地表移动盆地内移动变形分析,4.1 岩体移动和破坏基本概念,岩体内的应力状态 岩体移动基本概念 移动稳定后岩层内的三带,4.1 岩体移动概念与特征一、岩体内的应力状态 地球自转 重力场地壳内应力分布原岩应力场 1、响岩体内应力的因素： 覆岩的重量 物理力学性质（E，强度） 构造应力、热应力 2原岩应力计算（苏联金尼克公式） 设想在H深处的岩体内有一立方体，在开挖前处于原始应力平衡状态：式中：hi第i层岩层的厚度i第i层岩层的容重ki第i层岩层的侧压系数， k=2543i第
2、i层岩层的泊松比,一般i=0.20.3,向心力,二、岩体移动基本概念 （一）岩层移动过程 1、岩层移动 开采岩体应力重分布岩体移动破坏地表移动破坏 采空区附近上方岩体 开采岩体变形断裂、离层垮落堆积在采空区上方。 远离采空区的岩体：开采岩体弯曲变形 采矿引起的岩层产生移动和破坏过程称为岩层移动。,2、岩层移动分区 三个移动特征区：充分采动区（减压区COD）；、最大弯曲区；、岩石压缩区（支承压力区。,（1）充分采动区移动特征是： 1）下部岩体破碎成块状，上部岩体断裂、离层、裂隙；2）竖向方向受拉、横向方向受压，3）层内各点的移动向量与煤层法线方向一致，在同一层内的移动向量彼此相等； 4）移动量最
3、大。（2）岩石压缩区（支承压力区）特征：沿层面方向受拉、层面法线方向受压。（3）最大弯曲区（、）特征：1）在此范围内岩层向下弯曲的程度（曲率）最大。2）在层内产生沿层面方向的拉伸变形和压缩变形。 （二）岩层移动的形式 （1）弯曲采空区周围岩体向采空区产生位移，不产生脱落 特点：出现裂隙或断裂，但保持层状形式 （2）岩层的垮落（或称冒落）岩体部分 脱落，向下移动 特点：不再保持层状性。岩体体积增大。,（3）煤的挤出（又称片帮）采空区边界矿层在支承压力作用下，一部分被压碎挤向采空区，这种现象称为片帮。 （4）岩石沿层面的滑移在开采倾斜矿层时，岩石在自重力的作用下，除产生沿层面法线方向的弯曲外，还会
4、产生沿层面方向的移动。 特点：岩层沿层面向下滑动，层间有错动。，滑动越明显 （5）垮落岩石的下滑（或滚动） 特点：上山垮落岩石充填下山采空区，因而上山移动增加，下山移动减小。 （6）底板岩层的隆起当底板岩层较软时，在矿层采出后，底板在垂直方向减压，水平方向受压，导致底板向采空区方向隆起。 冲积层的移动形式是垂直弯曲，不受矿层倾角的影响。在水平矿层条件下，冲积层和基岩的移动形式是一致的。 应该指出，以上六种移动形式不一定同时出现在某一个具体的移动过程中。,（三）岩层移动的典型图式 1、第一种图式 岩体只产生弯曲下沉，不产生沿层面的剪切滑移（充填开采、条带开采） 条件：（不一定成立） 岩层中最软弱
5、面上的内摩擦角 2、第二种图式 法向弯曲、伴有层面的剪切滑移 条件： 3、第三种图式 急倾斜煤层开采条件下，在煤层的底板岩层内将产生移动 条件：45+/2 岩石的内摩擦角 对于沉积岩：=2636，=5863 下盘上部沿层面移动，下盘下部沿45-/2移动 3、第四种图式 开采急倾斜煤层时，位于移动盆地内的上盘以悬臂梁弯曲形式移动，岩层沿层面错动，在露头处形成台阶状盆地。,三、岩层开采影响带 水体下采矿中，按破坏程度不同将上覆岩层划分为三带： 1）垮落带；2）断裂带；3）弯曲带； 将底板以下岩体也分为三带：1）底板采动破坏带1；2）底板阻水带2；3）底板承压水导升带31、冒落带（垮落带） 垮落带是
6、指由采矿引起的上覆岩层 破裂并向采空区垮落的岩层范围。 垮落带内岩层破坏特点是：（1）分带性 （2）碎胀性，碎胀系数值恒大于1，一般在1.51.80之间。（3）可压缩性（4）垮落带高度主要取决于采出厚度、上覆岩层的碎胀系数、岩性等，通常为采出厚度的35倍。薄煤层开采时垮落高度较小，一般为采出厚度的1.7倍左右。顶板岩石坚硬时，垮落带高度为采出厚度的56倍；顶板软弱时，垮落带高度为采出厚度的24倍。实践中可用下式近似估算垮落带高度：,式中 h垮落带高度；m采出矿层厚度；K岩石碎胀系数；矿层倾角。 （5）形态，随倾角不同而变化 （6）导水、导砂2、断裂带（裂缝带） 在采空区上覆岩层中产生裂缝、离层
7、及断裂，但仍保持层状结构的那部分岩层称为裂缝带。 特征：（1）岩体内裂隙多，但仍保持层状结构，导水不导砂。 （2）裂隙带高度与岩性密切相关：硬，高，软，低 冒落带+裂缝带=冒落裂缝带（导水裂隙带）软弱岩石：912m（m为开采厚度）；中硬岩石：1218m；坚硬岩石：1828m。,3、弯曲带 弯曲带指的是裂缝带之上直至地表的整个岩系。 特点：1）保持整体性和层状结构，不导水、不导砂； 2）移动过程连续而有规律，不存在或极少存在离层裂缝。 3）在竖直面内，各部分的移动值相差很小。 4）H弯H裂（当H大时） 三者的关系： 从采空区往上：冒落带裂缝带弯曲带 H小，m大时，可能只有冒落带和裂缝带 充填开采
8、时，无冒落带或断裂带，只有弯曲带,4、底板采动导水破坏带矿层底板岩层受采动影响而产生的采动导水裂隙的范围，其深度为从矿层底板至采动破坏带最深处的法线距离。该带的厚度即为“底板导水破坏带深度”。底板导水破坏带主要与回采工作面尺寸、开采方法和顶板管理方法，煤层厚度及倾角、岩体结构有关。5、底板阻水带矿层底板采动破坏带以下，底部含水体或底板承压导升带以上的隔水层在底部含水体水压力的作用下不发生破坏的最小厚度，也称为保护层带和完整岩层带。6、底板承压水导升带底板承压水导升带为矿层底板承压含水层的水在水压力和矿压作用下上升到顶板岩层中的范围。,支承压力区，压力减小区，压力恢复区 1底板采动破坏带；2底板
9、阻水带；3底板承压水导升带,4.2 地下开采引起的地表移动和破坏,地表移动的基本形式 地表移动盆地的形成及特征,4.2 地下开采引起的地表移动和破坏 一、地表移动的基本形式 H、采煤方法、顶板管理方法、岩性及岩层产状、地质构造地表移动形式不同 分为两种形式：（1）连续的； （2）非连续的（裂缝、台阶、塌陷漏斗等） 1、地表移动盆地 开采影响到达地表后，使地表原有标高下降，在采空区上方形成一个比采空区大得多的沉陷区域，这种地表沉陷区叫 特点：1）范围大于采空区范围 2）水平或近水平煤层：椭圆； 倾斜煤层：偏向下山方向，非对称椭圆 主要影响因素： 1）倾角 2）采空区形状、大小,2、地表裂缝 1）
10、出现条件：地表拉伸变形23mm/m时，出现裂缝 2）形状：楔形，上口大，愈往深处越小 3）位置和方向：工作面推进过程中，工作 面前方可能产生裂缝，工作面推过后闭合 在煤柱上方形成环状裂缝 方向：平行于工作面边界发展 4）深度：一般23m，最大10m，基岩出露可达几十米,3、台阶状塌陷盆地 开采急倾斜煤层，当H/m太小时，冒落裂缝带直达地表（H裂=928倍采厚），地表可能出现台阶状塌陷盆地，如淮南九龙岗、大通两矿，采深800900m，开采煤层10多个 台阶一般出现在盆地的边缘或断层露头处，台阶数、落差大小与地表采矿条件有关 底板比顶板的台阶落差大、边坡陡、台阶数少 出现条件：1）急倾斜开采 2）
11、断层 3）浅部或重复开采,4、塌陷坑 （1）漏斗状塌陷坑 1）形式：漏斗式、井式、坛式 其形式取决于松散层的岩性和厚度 2）出现条件： a、急倾斜煤层浅部开采，煤层露头处 b、浅部开采厚度大的煤层，采用房柱式或水力采煤时，由于开采厚度不均匀，导致覆岩破坏高度不同，使地表产生漏斗状塌陷坑。 淮南谢二矿19621963采用水力采煤法开采浅部煤层，在地表出现漏斗状塌陷坑；,C、在含水砂层下采煤时，开滦唐家庄矿采用水力采煤法，开采厚度3.13.5m厚煤层，设计开采上边界距松散层垂高18m，由于超限开采，水砂溃入井下，使地面出现直径30m，深度1113m的塌陷坑。 D、开采影响老窑、溶洞等,（2）槽形塌
12、陷坑 急倾斜煤层条件下，开采厚及特厚煤层形成连续的塌陷坑而形成塌陷槽,二、地表移动盆地的形成及特征 （一）地表移动盆地的形成 （1）地下开采岩层冒落、断裂、 弯曲、离层地表移动盆地 （2）工作面开采(宽度=1/21/4H0)地表开始移动（下沉10mm）（工作面）移动量和范围（工作面）地表下沉达到该地质采矿条件下最大值（充分采动）（工作面）最大下沉值不变，盆地范围（工作面停止）移动量和范围,（二）几个概念 下沉地表移动向量的垂直分量称为下沉，用w表示 水平移动地表移动向量的水平分量称为水平移动，用u表示 地表充分采动（Critical Mining）使地表下沉值达到该地质采矿技术条件下应有的最大
13、值的采空区面积为临界开采，此时的地表采动影响称为充分采动,地表非充分采动（Subcritical Mining）采空区面积未达到临界开采面积时的地表采动影响称为非充分采动。 超充分采动（Supercritical Mining）地表最大下沉值不随采区尺寸增大而增加且超出临界开采的状态，又称超临界开采。此时形成的地表移动盆地为超充分采动下沉盆地（Supercritical Subsidence Basin），盆地中央出现平底，平底区域点的下沉值均达到最大下沉值。,（三）地表移动盆地的特征 特征：移动范围大于采空区范围；形状与倾角有关 1、移动盆地的分区 1）中间区 2）内边缘区（压缩区） 3）外
14、边缘区（拉伸） （1）中间区特点：下沉均匀、下沉值最大，各处下沉近于相同，变形值为零，一般无裂缝 （2）内边缘区：地表下沉不等，地面向盆地中心方向倾斜，呈凹形，产生压缩变形，一般不出现裂缝,（3）外边缘区：地表下沉不等，地面向盆地中心方向倾斜，呈凸形，产生拉伸变形，当拉伸变形超过一定值后，地面出现裂缝 拐点内外边缘区的分界点称为，或下沉曲线的凹凸变化点叫,2、水平煤层充分采动时，地表移动盆地的特征： （1）移动盆地位于采空区上方，以采空区中央对称 （2）移动盆地的之平底位于采空区中央上方 （3）拐点位于开采边界正上方或偏向采空区一侧一段距离 3、水平煤层非充分采动时，地表移动盆地的特征： 与充
15、分采动区不同点： （1）移动盆地没有形成平底，而只有一点取得最大值，且不是该地质采矿技术条件下的最大值 （2）最大下沉点位于采空区中央,充分采动 非充分采动,4、倾斜煤层非充分采动时，地表移动盆地的特征： 与水平煤层非充分采动相比的不同点 （1）移动盆地不与采空区中央对称，工作面上山方向盆地比下山方向陡，开采影响范围小，整个盆地偏向下山方向 （2）最大下沉点偏向下山方向 （3）移动盆地在走向方向上对称于倾斜中心线,（4）上山方向盆地拐点偏向采空区内侧，下山方向盆地拐点偏向采空区外侧 倾斜煤层充分采动与非充分采动比较： （1）地表移动变形达到最大值 （2）拐点处下沉为最大下沉的一半,5、开采急倾
16、斜煤层时，地表移动盆地的特征： （1）地表移动盆地非对称性增加 （2）最大下沉值偏向下山方向 （3）地表最大水平移动可能大于最大下沉,（四）地表移动盆地的主断面 通过地表移动盆地最大下沉点所作的沿煤层走向和倾向的垂直断面称为地表移动盆地主断面，走向：走向主断面，倾向：倾向主断面 非充分采动：只有一个主断面，超充分采动有无数个主断面 0时，主断面过采空区中央， 0时，倾斜主断面过采空区中央， 走向主断面偏向下山方向,AB:走向主断面 CD:倾向主断面,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）在主断面上，不存在垂直于主断面方向的水平移动充分采动角在
17、充分采动条件下，地表移动盆地主断面上，移动盆地平底的边缘（在地表水平线上的投影点）和同侧采空区边界的连线与煤层在采空区一侧的夹角称为充分采动角。走向3、下山1、上山2。,最大下沉角在倾斜主断面上，最大下沉点（或盆地平底中心点）同回采工作面几何中心连线与水平线在下山方向的夹角称为，用表示 注意：当松散层厚度h0.1H时，先将最大下沉点垂直投影到基岩面上，然后再与采空区中央连线 影响传播角在充分采动或接近充分采动条件下，倾斜主断面上开采边界（考虑了拐点偏移距后）和下沉曲线拐点的连线与水平线之间在下山方向的夹角称为，用表示 现场实测表明，最大下沉角与覆岩岩性和矿层倾角有关，规程给出了500时，的经验
18、公式：,4.3地表移动盆地内移动变形分析,点的移动分析 主断面内地表移动与变形分析 地表移动变形对建筑物的影响 地表移动盆地边界的确定,4.3 地表移动盆地内移动变形分析 一、点的移动分析 1）点的移动向量大小、方向随工作面推进而变化，推进结束后均指向采空区中央 2）移动稳定后点的移动向量是三维空间向量,二、主断面内地表移动与变形分析 1、主断面内点的移动特点 ）各点移动向量不等、方向不同 ）移动向量最终指向采空区中央（不含推进过程中），若只研究最终移动可看成一条直线 2、移动变形计算1）下沉地表点的沉降叫下沉，用w表示，以本次与首次观测点的标高差表示，即,wn=Hn0-Hnm 式中，wn地表
19、点的下沉，mm；Hn0、Hnm表示地表n点首次和m次观测时的高程，mm。“+”表示测点下沉，“-”表示测点上升。,2）水平移动地表下沉盆地中某点沿某一水平方向的位移叫水平移动，用u表示。即 un=Lnm-Ln0 式中 un地表n点的水平移动，mm；Ln0、Lnm分别表示首次和m次观测时地表n点到观测线控制点R间的水平距离，mm。 符号规定：在倾斜断面上，指向上山为“+”，下山为“-”； 在走向断面上，指向走向为“+”，逆向走向为“-”。 3）倾斜地表倾斜是指相邻两点在竖直方向的下沉差与其水平距离的比值，它反映了地表移动盆地沿某一方向的坡度，通常以i表示。即式中 im-n为m、n两点的平均倾斜变
20、形，mm/m；,lm-n地表m、n点间的水平距离（首次观测），m；wm、wn分别为地表m、n点的下沉值，mm。 倾斜实际是两点间的平均斜率。 倾斜的正负号规定为：与水平移动相同。 4）曲率地表曲率是两相邻线段的倾斜差与两线段中点间的水平距离的比值，它反映了观测线断面上的弯曲程度。由下式计算式中 im-n、in-p分别表示地表m-n和n-p点间的平均斜率，mm/m；lm-n、ln-p分别表示地表m-n和n-p点间的初始水平距离，mkm-n-p为m-n、n-p线段的平均曲率，mm/m2。符号规定：“+”上凸，“-”下凹。 为了使用方便，曲率变形有时以曲率半径R表示，即：,5）水平变形地表水平变形是
21、指相邻两点的水平移动差与两点间水平距离的比值，通常用表示。由下式计算式中 un、um分别为m、n点的水平移动，mm；lm-n分别为m、n点的初始水平距离，m；m-n为m、n点的水平变形，mm/m。符号规定：“+”拉伸，“-”压缩。 对于扭曲和剪切变形，由于用得较少，本书不介绍 三、地表移动变形对建筑物的影响 1、下沉 地下潜水位低时，均匀下沉对建筑物无影响 地下潜水位高时，对建筑物有影响,2、倾斜 （1）对高而底面积小的建筑物影响大 建筑物内应力重分布建筑物破坏、倒塌 （2）使排水系统坡度变化 （3）使公路、铁路坡度变化 3、曲率 正曲率：顶部开裂，裂缝上宽下窄，倒八字裂缝 负曲率：底部开裂，
22、裂缝下宽上窄，正八字裂缝和水平裂缝 4、地表水平变形 使建筑物基础受拉或受压 5、建筑物临界变形值 对建筑物有影响的变形主要有：倾斜、曲率、水平变形 根据长期的观测得到：i=3mm/m k=0.2mm/m2 =2mm/m 作为标准，大于这些值，建筑物损害，小于这些值，建筑物不损害，因而称为临界变形值。 临界变形值不需要维修能保证建筑物正常使用所允许的地表最大变形值称为,四、地表移动盆地边界的确定 1、移动盆地最外边界 以下沉10mm作为移动盆地最外边界点，以这些点圈定的边界称为 边界角在充分采动或接近充分采动的条件下，地表移动盆地主断面上盆地边界点（下沉为10mm）至采空区边界的连线与水平线在
23、矿柱一侧的夹角称为边界角。当有松散层存在时，应先从盆地边界点用松散层移动角划线和基岩与松散层交接面相交，此交点至采空区边界的连线与水平线在矿柱一侧的夹角称为边界角。 走向0、下山0、上山0、 急倾斜矿层底板0,2危险移动边界 用临界变形值所确定的边界 移动角在充分采动或接近充分采动的条件下，地表移动盆地主断面上三个临界变形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矿柱一侧的夹角称为移动角。当有松散层存在时，应从最外边的临界变形值点用松散层移动角划线和基岩与松散层交接面相交，此交点至采空区边界的连线与水平线在矿柱一侧的夹角称为移动角。走向、下山、上山、急倾斜矿层底板，表土移动角用表示，与无关,3裂缝角 在充分采动或接近充分采动的条件下，在地表移动盆地主断面上，移动盆地最外侧的地表裂缝至采空区边界的连线与水平线在矿柱一侧的夹角称为裂缝角。走向、下山、上山、急倾斜矿层底板 4松散层移动角 松散层移动以表示。它不受矿层倾角的影响，主要与松散层的特性有关。,
