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1、开采沉陷第三讲开采沉陷第三讲第1页，此课件共31页哦 地表移动盆地稳定后的移动和变形分布规律与许多地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（质采矿因素有关。如：煤层倾角（）、开采厚度（）、开采厚度（m m）、）、开采深度（开采深度（H H）、采区尺寸（）、采区尺寸（D D）、采煤方法、顶板管理方）、采煤方法、顶板管理方法、松散层厚度（法、松散层厚度（h h）等。）等。如果开采均系采用走向长壁式采煤、全部垮落法管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
2、要就是地质采矿因素主要就是煤层倾角煤层倾角、采区尺寸采区尺寸和和开采深度开采深度。而采区尺寸和开采深度之比，可决定地表的采动程度。而采区尺寸和开采深度之比，可决定地表的采动程度。下面根据下面根据不同的采动程度不同的采动程度和和煤层倾角煤层倾角的变化情况，讨的变化情况，讨论地表移动和变形的分布规律。论地表移动和变形的分布规律。1.3移动稳定后盆地内移动和变形分布规律移动稳定后盆地内移动和变形分布规律第2页，此课件共31页哦1.3移动稳定后盆地内移动和变形分布规律移动稳定后盆地内移动和变形分布规律u水水平平煤煤层层（或或沿沿煤煤层层走走向向主主断断面面)非非充充分分采采动动时时主主断断面面内地表移
3、动和变形分布规律内地表移动和变形分布规律u水水平平煤煤层层(或或沿沿煤煤层层走走向向主主断断面面)充充分分采采动动时时主主断断面面内内移移动和变形分布规律动和变形分布规律u水水平平煤煤层层(或或走走向向主主断断面面)超超充充分分采采动动时时主主断断面面内内移移动动和和变变形分布规律形分布规律u倾斜煤层倾斜煤层的地表移动和变形分布规律的地表移动和变形分布规律u地表下沉盆地稳定后地表下沉盆地稳定后全面积全面积开采沉陷分布规律开采沉陷分布规律第3页，此课件共31页哦 一、水平煤层（或沿煤层走向主断面一、水平煤层（或沿煤层走向主断面)非充分采动时主断非充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律面内地表移
4、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判别：水平煤层开采时的采动程度可用走向充分采动角动角3来判别。当用来判别。当用3角作的两直线交于岩层内部而未及地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。表时，此时地表为非充分采动。（一）下沉曲线（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。设沿主断面方向为主断面方向为x x轴，下沉曲线为轴，下沉曲线为 W(x)=F(x)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：在讨论分布规律时，先要确定下沉曲线上的三个特征点：水水平平煤煤层层（或
5、或沿沿煤煤层层走走向向主主断断面面)非非充充分分采采动动时时主主断断面面内内地地表表移移动和变形分布规律动和变形分布规律第4页，此课件共31页哦1 1最大下沉点最大下沉点o o：下沉值最大。在水平煤层开采时，在采区中央正上方。：下沉值最大。在水平煤层开采时，在采区中央正上方。2 2盆地边界点盆地边界点A A、B B：据走向边界角：据走向边界角0 0作边界点作边界点A A、B B，此处下沉值为零。，此处下沉值为零。3 3拐点拐点E 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：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
6、的顶板并不切煤壁冒落或呈阶状弯曲，存在悬顶距，因正上方，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，拐点此在四周没采情况下，拐点E E不在工作面开采边界的正上方而是略偏向采空区一侧。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。水水平平煤煤层层（或或沿沿煤煤层层走走向向主主断断面面)非非充充分分采采动动时时主主断断面面内内地地表表移动和变形分布规律移动和变形分布规律第5页，此课件共31页哦 下沉曲线分布规律：在地表最大下沉点下沉曲线
7、分布规律：在地表最大下沉点O O处下沉值最大，自盆处下沉值最大，自盆地中心至盆地边缘下沉值逐渐减小，在盆地边界点地中心至盆地边缘下沉值逐渐减小，在盆地边界点A A、B B处下沉值为处下沉值为零。零。水水平平煤煤层层（或或沿沿煤煤层层走走向向主主断断面面)非非充充分分采采动动时时主主断断面面内内地地表表移移动和变形分布规律动和变形分布规律第6页，此课件共31页哦（二）倾斜曲线（二）倾斜曲线 倾斜曲线倾斜曲线表示地表移动盆地内倾斜的变化规律，倾斜为下沉表示地表移动盆地内倾斜的变化规律，倾斜为下沉的的一一阶阶导数导数：倾斜曲线分布规律为：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
8、点间倾斜渐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。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7页，此课件共31页哦（三）曲率曲线（三）曲率曲线 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，曲率曲线可表示为率曲线可表示为倾斜的一阶导数倾斜的一阶导数或或下沉的二阶导数下沉的二阶导数：水水平平煤煤层层（或或沿沿煤煤层层走走向向主主断断面面)非非充充分分采采动动时时主主断断面面内内地地表移动和变形分布规律表移动和变形分布规律曲线的曲率。平面曲
9、线的曲率就是是针对曲线上某个点的切线方向角对弧长的转动率，通过微分来定义，表明曲线偏离直线的程度。K=lim|/s|，s趋向于0的时候，定义k就是曲率。第8页，此课件共31页哦 曲率曲线曲率曲线分布规律为：分布规律为：1 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。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 2盆地边界点和拐点处曲率为零。盆地边界点和拐点处曲率为零。3 3盆地边缘区为正曲率区，盆地中部为负曲率区。盆地边
10、缘区为正曲率区，盆地中部为负曲率区。水水平平煤煤层层（或或沿沿煤煤层层走走向向主主断断面面)非非充充分分采采动动时时主主断断面面内内地地表表移动和变形分布规律移动和变形分布规律第9页，此课件共31页哦(四四)水平移动曲线水平移动曲线 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，表示地表移动盆地内水平移动分布规律，用用U(x)U(x)表示。移动盆地内各点的水平移动方向都指向盆地中表示。移动盆地内各点的水平移动方向都指向盆地中心。心。大量的实测资料表明，大量的实测资料表明，水平移动曲线与倾斜曲线相水平移动曲线与倾斜曲线相似似。因此，可得下式：。因此，可得下式：B B水平移动系数，水
11、平移动系数，B=0.13B=0.130.18H0.18H。水水平平煤煤层层（或或沿沿煤煤层层走走向向主主断断面面)非非充充分分采采动动时时主主断断面面内内地地表移动和变形分布规律表移动和变形分布规律第10页，此课件共31页哦 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，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。有两个方向相反的最大水平移动。水水平平煤煤层层（或或沿沿煤煤层层走走向向
12、主主断断面面)非非充充分分采采动动时时主主断断面面内内地地表表移动和变形分布规律移动和变形分布规律第11页，此课件共31页哦（五）水平变形曲线（五）水平变形曲线 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。是布规律，水平变形曲线与曲率曲线相似。是水平水平移动的一阶导数移动的一阶导数：B B水平移动系数，水平移动系数，B=0.13B=0.130.18H0.18H。水水平平煤煤层层（或或沿沿煤煤层层走走向向主主断断面面)非非充充分分采采动动时时主主断断面面内内地地表移动和变形分布规律表移动和变形分布规律第12页，此课件共31页
13、哦水平变形分布规律为水平变形分布规律为：1.1.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。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。2.2.盆地边界点和拐点处水平变形为零。盆地边界点和拐点处水平变形为零。3.3.盆地边缘区为拉伸区，盆地中部为压缩区。盆地边缘区为拉伸区，盆地中部为压缩区。水水平平煤煤层层（或或沿沿煤煤层层走走向向主主断断面面)非非充充分分采采动动时时主主断断面面内内地地表表移移动和变形分布
14、规律动和变形分布规律第13页，此课件共31页哦判别：当用判别：当用3角作的两直线刚好交于地表时，此时地表为充分角作的两直线刚好交于地表时，此时地表为充分采动。采动。地表地表刚达到充分采动刚达到充分采动时和时和非充分采动非充分采动时相比，它们的不同时相比，它们的不同之处在于：之处在于：1 1最大下沉值已达到该地质采矿条件下之最大值。最大下沉值已达到该地质采矿条件下之最大值。2 2倾斜、水平移动曲线没有明显变化。倾斜、水平移动曲线没有明显变化。3 3曲率或水平变形曲线在采区中心拐点、边界点为零；在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
15、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。最大压缩变形。水水平平煤煤层层(或或沿沿煤煤层层走走向向主主断断面面)充充分分采采动动时时主主断断面面内内移移动动和和变形分布规律变形分布规律第14页，此课件共31页哦判别：当用判别：当用3 角作的两直线在地表交于角作的两直线在地表交于o o1 1和和o o2 2两点，两点，o o1 1和和o o2 2间出现间出现平底时，地表达到超充分采动。平底时，地表达到超充分采动。地表达到地表达到超充分采动超充分采动时和时和非充分采动非充分采动时相比，不同之处在于：时相比，不同之处在于：1 1下沉曲线中部平底上各点下沉值相等，并达到该采矿
16、地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。质条件下的最大值。2 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。变形主要分布在采空区边界上方附近。3 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于拐点和最大下沉点o o之间。之间。水水平平煤煤层层(或或沿沿煤煤层层走走向向主主断
17、断面面)超超充充分分采采动动时时主主断断面面内内移移动和变形分布规律动和变形分布规律第15页，此课件共31页哦倾斜（倾斜（15155555）煤层非充分采动时移动和变形）煤层非充分采动时移动和变形分布规律分布规律 判别：利用下山充分判别：利用下山充分采动角采动角1和上山充分和上山充分采动角采动角2确定充分采动确定充分采动程度。程度。用用0 0、0 0确定上下确定上下山盆地边界点，用最大山盆地边界点，用最大下沉角下沉角确定最大下沉确定最大下沉点。点。倾斜煤层非充分采动时地表移动变形分布规律倾斜煤层非充分采动时地表移动变形分布规律倾斜煤层倾斜煤层的地表移动和变形分布规律的地表移动和变形分布规律第16
18、页，此课件共31页哦1 1下沉曲线、倾斜曲线下沉曲线、倾斜曲线和曲率曲线：和曲率曲线：下沉曲线失去对称下沉曲线失去对称性，如上山部分的下沉性，如上山部分的下沉曲线比下山部分的下沉曲线比下山部分的下沉曲线要陡，范围要小；曲线要陡，范围要小；最大下沉点向下山方向最大下沉点向下山方向偏离，其位置用最大下偏离，其位置用最大下沉角沉角确定。确定。下沉曲线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。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倾斜煤层非充分
19、采动时地表移动变形分布规律倾斜煤层倾斜煤层的地表移动和变形分布规律的地表移动和变形分布规律第17页，此课件共31页哦2 2水平移动曲线：水平移动曲线：在倾斜煤层开采在倾斜煤层开采时，随着煤层倾角的时，随着煤层倾角的增大，指向上山方向增大，指向上山方向的水平移动值逐渐增的水平移动值逐渐增大，而指向下山方向大，而指向下山方向的水平移动值逐渐减的水平移动值逐渐减小。小。倾斜煤层非充分采动时地表移动变形分布规律倾斜煤层非充分采动时地表移动变形分布规律倾斜煤层倾斜煤层的地表移动和变形分布规律的地表移动和变形分布规律第18页，此课件共31页哦3 3水平变形曲线：水平变形曲线：最大最大拉伸变形在下山方向，拉
20、伸变形在下山方向，最大压缩变形在上山最大压缩变形在上山方向，水平变形为零方向，水平变形为零的点与最大水平移动的点与最大水平移动点重合。点重合。4 4水平移动曲线水平移动曲线和倾和倾斜曲线不相似，斜曲线不相似，水平变水平变形曲线形曲线和曲率曲线不相和曲率曲线不相似。似。倾斜煤层非充分采动时地表移动变形分布规律倾斜煤层非充分采动时地表移动变形分布规律倾斜煤层倾斜煤层的地表移动和变形分布规律的地表移动和变形分布规律第19页，此课件共31页哦五、急倾斜（五、急倾斜（5555）煤）煤层非充分采动时移动和变形分层非充分采动时移动和变形分布规律布规律1 1下沉盆地非对称性十分明显，下沉盆地非对称性十分明显，
21、下山方向的影响范围远远大于上山方下山方向的影响范围远远大于上山方向的影响范围。向的影响范围。2 2随着煤层倾角的增大，最大下沉点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。位置逐渐移向煤层上山方向。3 3在松散层较薄的情况下，可能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。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急倾斜煤层非充分采动时地表移动变形规律倾斜煤层倾斜煤层的地表移动和变形分布规律的地表移动和变形分布规律第20页，此课件共31页哦煤层倾角小于煤层倾角小于9090o o煤层倾角接近煤层倾角接近9090o o4.4.随着煤层倾角的增大，倾
22、斜剖面形状由对称的碗形逐渐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。当煤层倾角接近变为非对称的瓢形。当煤层倾角接近9090o o时，下沉盆地剖面时，下沉盆地剖面又转变为比较对称的碗形或兜形。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急倾斜煤层开采后的下沉盆地形态倾斜煤层倾斜煤层的地表移动和变形分布规律的地表移动和变形分布规律第21页，此课件共31页哦5 5当开采厚度大、开采当开采厚度大、开采深度小、煤层顶底板坚硬深度小、煤层顶底板坚硬不早冒落而煤质又较软时，不早冒落而煤质又较软时，开采后采空区上方之煤层开采后采空区上方之煤层易沿煤层底板滑落。这种易沿煤
23、层底板滑落。这种滑落可能一直发展到地表，滑落可能一直发展到地表，使地表煤层露头处出现塌使地表煤层露头处出现塌陷坑。陷坑。急倾斜煤层开采后地表出现塌陷坑急倾斜煤层开采后地表出现塌陷坑倾斜煤层倾斜煤层的地表移动和变形分布规律的地表移动和变形分布规律第22页，此课件共31页哦地表下沉盆地稳定后全面积地表下沉盆地稳定后全面积开采沉陷分布规律开采沉陷分布规律 在解决建筑物和铁路下采煤问题时，由于建筑物和铁路在解决建筑物和铁路下采煤问题时，由于建筑物和铁路往往不在地表下沉盆地主断面位置上，按主断面计算方法计往往不在地表下沉盆地主断面位置上，按主断面计算方法计算不能满足要求，因此研究下沉盆地全面积开采的沉陷
24、规律算不能满足要求，因此研究下沉盆地全面积开采的沉陷规律有其实际的意义。有其实际的意义。第23页，此课件共31页哦地表下沉盆地稳定后全面积地表下沉盆地稳定后全面积开采沉陷分布规律开采沉陷分布规律xy0第24页，此课件共31页哦地表下沉盆地稳定后全面积地表下沉盆地稳定后全面积开采沉陷分布规律开采沉陷分布规律地表下沉盆地下沉等值线地表下沉盆地下沉等值线一、下沉等值线一、下沉等值线 下沉等值线呈近似圆形分布，在圆形中心处下沉值最大，在同一方向上离中心下沉等值线呈近似圆形分布，在圆形中心处下沉值最大，在同一方向上离中心愈远下沉值减小。愈远下沉值减小。第25页，此课件共31页哦地表下沉盆地稳定后全面积地
25、表下沉盆地稳定后全面积开采沉陷分布规律开采沉陷分布规律二、倾斜等值线二、倾斜等值线 除了与点的位置有关外，还与给定方向有关。沿走向和倾斜方向的倾斜和水除了与点的位置有关外，还与给定方向有关。沿走向和倾斜方向的倾斜和水平移动等值线全面积分布均为两组椭圆，实线的一组表示正值，虚线的一组表平移动等值线全面积分布均为两组椭圆，实线的一组表示正值，虚线的一组表示负值。椭圆长轴方向与所指定的方向垂直。示负值。椭圆长轴方向与所指定的方向垂直。第26页，此课件共31页哦地表下沉盆地稳定后全面积地表下沉盆地稳定后全面积开采沉陷分布规律开采沉陷分布规律三、水平移动等值线三、水平移动等值线 与给定方向有关。沿走向和
26、倾斜方向的倾斜和水平移动等值线全面积分与给定方向有关。沿走向和倾斜方向的倾斜和水平移动等值线全面积分布均为两组椭圆，实线的一组表示正值，虚线的一组表示负值。椭圆长轴方布均为两组椭圆，实线的一组表示正值，虚线的一组表示负值。椭圆长轴方向与所指定的方向垂直。向与所指定的方向垂直。第27页，此课件共31页哦地表下沉盆地稳定后全面积地表下沉盆地稳定后全面积开采沉陷分布规律开采沉陷分布规律二、倾斜等值线二、倾斜等值线 除了与点的位置有关外，还与给定方向有关。沿走向和倾斜方向的倾斜除了与点的位置有关外，还与给定方向有关。沿走向和倾斜方向的倾斜和水平移动等值线全面积分布均为两组椭圆，实线的一组表示正值，虚线
27、和水平移动等值线全面积分布均为两组椭圆，实线的一组表示正值，虚线的一组表示负值。椭圆长轴方向与所指定的方向垂直。的一组表示负值。椭圆长轴方向与所指定的方向垂直。第28页，此课件共31页哦地表下沉盆地稳定后全面积地表下沉盆地稳定后全面积开采沉陷分布规律开采沉陷分布规律三、水平移动等值线三、水平移动等值线 与给定方向有关。沿走向和倾斜方向的倾斜和水平移动等值线全面积与给定方向有关。沿走向和倾斜方向的倾斜和水平移动等值线全面积分布均为两组椭圆，实线的一组表示正值，虚线的一组表示负值。椭圆分布均为两组椭圆，实线的一组表示正值，虚线的一组表示负值。椭圆长轴方向与所指定的方向垂直。长轴方向与所指定的方向垂
28、直。第29页，此课件共31页哦地表下沉盆地稳定后全面积地表下沉盆地稳定后全面积开采沉陷分布规律开采沉陷分布规律四、曲率等值线四、曲率等值线 与给定方向有关。沿走向和倾斜方向的倾斜和水平移动等值线全面积分布均为四与给定方向有关。沿走向和倾斜方向的倾斜和水平移动等值线全面积分布均为四组椭圆，实线的一组表示正值，虚线的一组表示负值。椭圆长轴方向与所指定的方向组椭圆，实线的一组表示正值，虚线的一组表示负值。椭圆长轴方向与所指定的方向垂直。垂直。第30页，此课件共31页哦地表下沉盆地稳定后全面积地表下沉盆地稳定后全面积开采沉陷分布规律开采沉陷分布规律五、水平变形等值线五、水平变形等值线 与给定方向有关。沿走向和倾斜方向的倾斜和水平移动等值线全面积分布均为四与给定方向有关。沿走向和倾斜方向的倾斜和水平移动等值线全面积分布均为四组椭圆，实线的一组表示正值，虚线的一组表示负值。椭圆长轴方向与所指定的方向组椭圆，实线的一组表示正值，虚线的一组表示负值。椭圆长轴方向与所指定的方向垂直。垂直。第31页，此课件共31页哦