开采沉陷第四讲

河南理工大学开采沉陷学第四讲主讲：蔡来良Tel：18739109523Email：[e-mail]河南理工大学测绘与国土信息工程学院河南理工大学一、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。1.4采动过程中的地表移动和变形的一般规律河南理工大学例如，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。1.4采动过程中的地表移动和变形的一般规律河南理工大学二、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Ⅰ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1.4采动过程中的地表移动和变形的一般规律河南理工大学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Ⅱ阶段；采动过程中地表点移动轨迹3.当工作面继续向前推进，逐渐远离地表点A后，点A的移动方向逐渐与工作面推进方向相同，此为移动的第Ⅲ阶段；1.4采动过程中的地表移动和变形的一般规律河南理工大学4.当工作面远离地表点达到一定距离后，回采工作面对A点的影响逐斯消失，点A的移动停止，此为移动的第Ⅳ阶段。5.稳定后，点A的位置并不一定在其起始位置的正下方，一般赂微偏向回采工作面停止位置一则。此为移动的第Ⅴ阶段。采动过程中地表点移动轨迹v时为直线。（二）与工作面推进的速度的关系速度越大，弧线弯曲程度越小，当1.4采动过程中的地表移动和变形的一般规律河南理工大学三、工作面推进过程中超前影响（一）起动距在走向主断面上，工作面由开切眼推进一定距离到达A点后，岩层移动开始波及到地表，如图。通常把地表开始移动时工作面的推进距离称为起动距。地表开始下沉是以观测地表点的下沉值达到10mm为标准。起动距的大小主要和开采深度及岩石的物理力学性质有关。一般在初次采动时，起动距约为1/4H0～1/2H0。1.4采动过程中的地表移动和变形的一般规律河南理工大学l工作面推进过程中的超前影响（二）超前影响、超前影响角、超前影响距1.超前影响如右图所示，当工作面推进至B点时，得下沉曲线W1，工作面前方1点开始受采动影响而下沉；当工作面推进的距离约为1.2～1.4Ho，即推至C点时，得下沉曲线W2，地表2点开始受影响而下沉。从这里可以看出，在工作面推进过程中，工作面前方的地表受采动影响而下沉，这种现象称为超前影响。1.4采动过程中的地表移动和变形的一般规律河南理工大学式中l—超前影响距；H0—平均开采深度。工作面推进过程中的超前影响3.超前影响距开始移动的点到工作面的水平距离L称为超前影响距。2.超前影响角将工作面前方地表开始移动(即下沉10mm)的点与当时工作面的连线，此连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为超前影响角(Theangleofadvanceinfluence)，用ω表示。1.4采动过程中的地表移动和变形的一般规律河南理工大学（1）采动程度非充分采动时，ω角值随着开采面积的增大而减小；充分采动后，ω值基本趋于定值；地表移动稳定后，ω角等于边界角σ0。（2）工作面推进速度ω值随着工作面推进速度增大而增大。l掌握了超前影响规律，就可以在工作面推进过程中，确定工作面在任意位置时的地表影响范围。工作面推进过程中的超前影响4.影响超前影响角大小的因素（3）采动次数重复采动时的超前影响角比初次采动时小。1.4采动过程中的地表移动和变形的一般规律河南理工大学四、工作面推进过程中的下沉速度（一）下沉速度的计算式中Wm——第m次测得的n号点的下沉量，mm；Wm+1——第m+1次测得的n号点的下沉量，mm；t——两次观测的间隔天数。单位，mm/d；（二）下沉速度的变化规律在采动过程中，各点的下沉速度并不相等。将各点下沉速度绘制成曲线，称为下沉速度曲线。1.4采动过程中的地表移动和变形的一般规律河南理工大学从图上可以看出：1．在非充分采动时，随着采空区面积的增大，地表各点的下沉速度逐渐增大，最大下沉速度也增加。2．在充分采动条件下，下沉速度的最大值到达该地质采矿条件下最大值。下沉速度的最大值与工作面相对位置保持不变，这称为最大下沉速度滞后现象。工作面推进过程中的下沉速度曲线，横坐标表示为x，纵坐标表示为v(x)。1，2为非充分采动时下沉速度曲线；3，4为充分采动时下沉速度曲线。1.4采动过程中的地表移动和变形的一般规律河南理工大学（三）最大下沉速度滞后距离和最大下沉速度滞后角当地表达到充分采动后，在地表下沉速度曲线上，最大下沉速度总是滞后于回采工作面一个固定距离，这个固定距离称为最大下沉速度滞后距（Thedistanceofdelay），用L表示。这种现象称为最大下沉速度滞后现象。把地表最大下沉速度点与相应的回采工作面连线，此线和煤层（水平线）在采空区一侧之夹角，称为最大下沉速度滞后角（Theangleofdelay)，用来描述。其公式如下：0HLarcctg最大下沉速度的点是地表移动最剧烈的点。掌握了地表最大下沉速度滞后角的变化规律，便可确定在回采过程中对应地表移动的剧烈区，这对采动地面保护具有重要的实践意义。1.4采动过程中的地表移动和变形的一般规律河南理工大学初次采动：01maxcos3.10HDmcv重复采动：01maxcos5.11HDmcv式中D1——工作面斜长，m；m——采厚，m；α——煤层倾角，(o)；Ho——平均采深，m；c——工作面推进速度，m／d。五、地表移动持续时间下沉值最大的地表点从移动开始（下沉量达到10mm时刻）到地表移动停止（连续六个月内地表下沉量w30mm）的持续时间称为地表移动持续时间。（一）影响最大下沉速度的因素我国一些矿区的实测资料表明，最大下沉速度与覆岩性质、推进速度、深厚比、采动程度有关。覆岩性质愈软、推进速度愈大，深厚比愈小，则下沉速度愈大。重复采动时的最大下沉速度比初次采动时大。1.4采动过程中的地表移动和变形的一般规律河南理工大学有些文献认为地表最大下沉速度与地表最大下沉值、开采深度、覆岩性质以及工作面推进速度有关，其经验公式为：式中K——下沉速度系数；V——工作面推进速度，m／d；H0——平均采深，m；Wmax——本工作面地表最大下沉值，mm。我国部分煤矿地表下沉速度系数K实测值0maxmaxHVKWV1.4采动过程中的地表移动和变形的一般规律河南理工大学1．开始阶段：从移动开始至下沉速度刚达到1.67mm／d时刻止的阶段为移动开始阶段。2．活跃阶段：下沉速度大于1.67mm／d的阶段，也称危险变形阶段。3．衰退阶段：下沉速度刚小于1.67mm／d时起至地表移动稳定的阶段为移动衰退阶段。地表最大下沉点的下沉速度及下沉曲线（二）地表移动的三个阶段l1.4采动过程中的地表移动和变形的一般规律河南理工大学地表最大下沉点的下沉速度及下沉曲线0HLarcctg直线l反映整个移动过程中地表最大下沉点至各时刻工作面水平距离的变化关系。它与下沉曲线对照，可知地表最大下沉点的下沉速度的变化与工作面的位置之间的关系。当工作面推过该点一段距离后，该点的下沉速度才能达到最大。从而可求出滞后距L，据下式可求得最大下沉速度滞后角。（三）最大下沉速度滞后角和滞后距求取l1.4采动过程中的地表移动和变形的一般规律河南理工大学六、工作面推进过程中地表移动和变形的变化规律当工作面停采后，水平移动仍在继续，最大水平移动值仍继续增加，直至地表移动稳定为止。(二）倾斜变化规律工作面推进过程中倾斜变化规律与水平移动变化规律基本相同。采动过程中地表水平移动曲线变化规律（一）水平移动的变化规律随着工作面的推进，采空区面积不断增大，水平移动的最大值逐渐增大，水平移动值等于零的点随着工作面的推进而向前移动。当达到充分采动时，开切眼一侧的水平移动渐趋稳定，水平移动值等于零的点不再向前移动。当达到超充分采动时，水平移动值等于零的区域扩大。1.4采动过程中的地表移动和变形的一般规律河南理工大学（四）水平变形的变化规律回采工作面推进过程中的地表水平变形变化规律与曲率变形变化规律基本相同。采动过程中地表曲率变形曲线变化规律（三）曲率的变化规律当工作面未到达充分采动时，在开切眼上方地表的最大凸曲率，由小到大逐渐增加，而最大凹曲率先由小到大逐渐增加，然后又由大变小。当地表达到充分采动时，在盆地中央曲率为零，盆地内出现两个最大凹曲率点。当达到超充分采动时，曲率变形零值区不断扩大，形成一个区域。1.4采动过程中的地表移动和变形的一般规律河南理工大学在地表移动过程中只是移动和变形值由小到太逐渐发展，没有正负曲率变形互相交替变换及拉伸和压缩变形互相变换的现象。采动过程中垂直于工作面推进方向的断面上下沉、水平移动和水平变形的变化规律（五）垂直于推进方向断面上地表移动与变形的变化规律1.4采动过程中的地表移动和变形的一般规律