地表移动参数规律研究——以五沟煤矿1013首采工作面为例.pdf

安徽理工大学 硕士学位论文 地表移动参数规律研究以五沟煤矿1013首采工作面为例 姓名李敏 申请学位级别硕士 专业大地测量学与测量工程 指导教师王列平 20090601 摘要 摘要 地下煤炭资源的开采，使得矿区的生态环境、建筑物和构筑物之间的平衡遭 到破坏。地表移动参数的最优性质决定了预测的准确性，求取地表移动参数是本 文研究的主要内容，如何根据任意观测线地表移动观测资料求取地表移动参数和 动态预计参数是本文研究的重点。 本文以五沟煤矿1 0 1 3 首采工作面为例，建立地表移动观测站，通过对1 l 期 观测数据的处理和分析，得到采后全面观测的高程中误差和点位中误差分别为 1 ．3 0 m m 和3 ．4 5 m m 。求得各种角量参数 边界角、移动角、裂缝角 、动态参数 起 动距、超前影响角、超前影响距等 、预计参数 下沉系数q 、主要影响角正切t g f l 、 拐点移动距S 、最大下沉角曰 以及动态预计参数。分析了最速下沉法、高斯一牛 顿法及L e v e n b e r g - M a r q u a r d 法的优缺点，采用了L e v e n b e r g - M a r q u a r d 法求取预计 参数，根据最d x - - 乘法拟合了动态q 、t g f l 、墨以及p 的经验公式，总结了在该地 质采矿条件下的地表移动参数规律，并进行了地表沉陷预计。同时采用了三维快 速拉格朗日有限差分法 F L A C 3 D 数值模拟 ，模拟了动态下沉盆地。 本文采用可视化编程语言V i s u a lS t u d i o2 0 0 5 ，编制了求取概率积分法预计参数 以及预测地表沉陷的程序。本文的研究成果对其它具有相似地质采矿条件的矿区 有一定的指导意义。 图【5 4 】表[ 1 6 】参【5 8 】 关键词地表移动参数任意观测线动态预计参数概率积分法；F L A C V i s u a l S t u d i o2 0 0 5 分类号T D 3 2 5 ．2 安徽理工大学硕士学位论文 A b s t r a c t W i t hu n d e r g r o u n dc o a lr e s o u r c e sm i n e d ，t h eb ．a l a n c eb e t w e e ne c o l o g i c a l e n v i r o n m e n to ft h em i n i n ga r e a ，b u i l d i n g sa n ds t r u c t u r e sw a sd a m a g e d ．B e c a u s e o p t i m a ls u r f a c em o v e m e n tp a r a m e t e r sd e t e r m i n et h ea c c u r a c yo fp r e d i c t i o n ，s o r e q u i r i n gt h e mi st h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra n dh o wt og a i ns u r f a c em o v e m e n t p a r a m e t e r sa n dd y n a m i cp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt os u r f a c em o v e m e n to b s e r v a t i o n a l d a t ao fa r b i t r a r yo b s e r v a t i o nl i n ei st h ek e yi nt h i sp a p e r ． T a k i n gt h ef i r s tw o r k i n gf a c eo f10 13i nW u g o uc o a lm i n ea se x a m p l ei nt h i s p a p e r , o b s e r v a t i o ns t a t i o n sw e r eb u i l t , a c c o r d i n gt o11o b s e r v a t i o nd a t ap r o c e s s e d a n da n a l y s e d ，t h e nt h i sp a p e rh a sr e s p e c t i v e l yg i v e nh e i g h te r r o r1 ．3 0 m ma n dp o i n t e r r o r3 ．4 5 m ma f t e rw h o l eo b s e r v a t i o n ．A tt h es o m e t i m eo b t a i n e dt h ev a r i o u sa n g l e p a r a m e t e r s b o u n d a r ya n g l e ，d i s p l a c e m e n ta n g l e ，c r a c ka n g l e ，d y n a m i cp a r a m e t e r s s t a r t i n gd i s t a n c e ，a d v a n c ea n g l eo fi n f l u e n c e ，a d v a n c ed i s t a n c eo fi n f l u e n c e ，e r e ， e x p e c t e dp a r a m e t e r s s u b s i d e n c ec o e f f i c i e n tq ，t h er a d i u so ft h em a i nt a n g e n tt g L t h ei n f l e c t i o np o i n to fm o v i n gd i s t a n c eSt h eg r e a t e s ts u b s i d e n c ea n g l e0 a n d d y n a m i cp r e d i c t e dp a r a m e t e r s ．T h e nt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sb e t w e e n S t e e p e s td e s c e n tm e t h o d ，G a u s s - N e w t o nm e t h o da n dL c v e n b e r g - M a r q u a r dw e r e a n a l y z e d ，t h ed y n a m i cq ，t g ∥，墨a n d0w e r ef i tb a s i n go nl e a s ts q u a r em e t h o d u s e dL e v e n b e r g - M a r q u a r d , s o m er o l e so fs u r f a c em o v e m e n tp a r a m e t e r sw e r e s u m m a r i z e du n d e rt h i sc o n d i t i o n sa n ds u r f a c es u b s i d e n c eW a sp r e d i c t e d ．A n dt h e d y n a m i cs i n kb a s i nW a ss i m u l a t e du s e dF a s tL a g r a n g i a nA n a l y s i so fC o n t i n u ai n3 D i m e n s i o n s n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t hF L A C 3 D i n t h ep a p e r ． I nt h i sp a p e r , t h ep r o c e d u r e so fr e q u i r i n gt h ep r o b a b i l i t y - i n t e g r a lp r e d i c t e d p a r a m e t e r s a n dp r e d i c t i n gs u r f a c es u b s i d e n c ew e r ep r o g r a m e dw i t hv i s u a l p r o g r a m m i n gl a n g u a g eo fV i s u a lS t u d i o2 0 0 5 ．T h ev a l u a b l es t u d yo ft h i sp a p e rc a l l g i v eag u i d i n gs i g n i f i c a n c et oo t h e rc o a lm i n e sw h i c hw e r es i m i l a rw i t ht h i s g e o l o g i c a la n dm i n i n gc o n d i t i o n s ． F i g u r e 【5 4 】T a b l e 【1 6 】R e f e r e n c e 【5 8 】 K e y w o r d s s u r f a c em o v e m e n tp a r a m e t e r s ，t h ea r b i t r a r yo b s e r v a t i o nl i n e ，d y n a m i c t h ep r e d i c t e dp a r a m e t e r s ，p r o b a b i l i t y - i n t e g r a lm e t h o d , F L A C ，V i s u a lS t u d i o2 0 0 5 C h i n e s eb o o k sc a t a l o g T D 3 2 5 ．2 ．Ⅱ． 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特l l I I 以标注和致谢的地方 以外，论文中不包舍其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得安徽理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名座纵 日期砷年‘月呸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安徽理工大学有保留、使用学位论文 的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论 文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名杂瓠 签字日期砷年p 6 月吁日 导| 师签名物彳 I I i 字- I Ii I I 呷年“ ．月啮日 l 第l 章绪论 1 ．1 课题研究的背景及意义 1 ．1 ．1 课题研究的背景 1 绪论 地下煤层被开采出来以后，开采区域及周围岩体的原始应力平衡状态受到破 坏，应力重新分布，达到新的平衡，在此过程中，开采煤层的上覆岩层将产生移 动、变形与破坏，当开采面积达到一定范围后，移动与变形将波及到地表，使地 表产生沉陷，给沉陷区周边生态环境和人民生产、生活带来了不同程度的影响。 据不完全统计，仅我国煤炭开采现有沉陷土地约6 0 万公顷，平均每采万吨煤 塌陷土地0 ．2 公顷，全国因煤炭开采每年新增塌陷地2 ．4 万公顷，这些土地中约有 1 ／3 位于经济发达的东部平原地区，塌陷后地面积水，导致农民失去土地。如淮北 矿区，每采万吨煤沉陷土地面积O ．2 8 公顷，每天约沉陷土地面积1 ．0 7 公顷，其中， 积水绝产面积约占3 5 ％，最大积水深度l O m 3 4 ％为季节性积水或盐渍荒芜，仍 可耕种的占3 0 ％【l 】。 目前，由于地质条件的复杂性和采煤方法的多样性，这些问题还没有得到很 好的解决。因此，对矿区首采工作面的地表移动参数规律的研究无疑是非常重要 的。通过首采工作面求得的地表移动参数，从而指导该矿区其它工作面的开采， 更好为“三下”采煤服务。 1 ．1 ．2 课题研究的目的和意义 矿山资源的大规模开发和利用，既给人类带来了巨大的经济效益和社会效益， 也对人类生存环境产生了一系列影响。近年来，随着矿区煤炭产量和经济效益逐 年提高，矿区生产一些重大问题也日益突出，矿山开采引起的地表移动和变形将 影响位于下沉盆地范围内的建筑物、河流、铁路、管道及其它构筑物。地表沉陷 也会引起地形、地貌产生变化和破坏。其中“三下“ 采煤问题最为严重。因此， 开采沉陷的防治是一项极其重要的、刻不容缓的工作。 据统计，我国生产矿井“三下’’压煤量总计达到1 3 7 ．6 4 亿吨，其中直接影响 工农关系的村庄下压煤问题最为严重【2 1 。建筑物下保安煤柱留设及开采的关键是地 表移动预测和参数的准确性。由于矿区开采深度变化大，岩层及地表移动规律存 在差异，不同采深和表土层条件下，地表移动规律及参数有较大的变化，给地表 移动预测及保安煤柱留设时参数选取带来了困难。另外由于岩体介质的复杂性， 安徽理工大学硕士学位论文 目前难以采用理论方法准确地预测，必须借助实测资料综合分析，采用数理统计 方法寻求地表移动参数与地质采矿条件之间的关系，以便找出不同地质采矿条件 下参数变化规律，为矿区生产和建设服务。因此本文研究的意义如下 1 ．为矿区建筑物下开采提供较准确的地表移动预测方法和参数，指导矿区建 筑物下压煤开采。 2 ．为矿区合理留设各类保安煤柱提供依据，减少不必要的压煤损失和工农纠 纷，缓和工农矛盾。 3 ．为采区及工作面的合理布局，保证生产正常接续提供基础数据。特别是近 年来，由于矿区建设的发展，建筑物下压煤问题日益突出，要想避开村庄布置工 作面十分困难。在新村址难选的条件下，合理布置工作面，保证矿井生产，暂缓 村庄搬迁十分重要。 1 ．2 国内外研究历史、现状 1 ．2 ．1 国外研究历史与现状 地下开采引起的岩层及地表移动是一复杂的时空过程，由于岩体介质的复杂 性，开采方法的多样性，复杂岩体及地表移动预测尚难以采用理论方法解决，即 使建立的理论，也需要实测数据确定参数。为此，世界各国均在不同矿区建立了 大量的地表移动观测站，取得了大量的实测数据，以根据矿区实测结果建立不同 的预测方法和预测参数体系，指导本矿区的开采实践。由此对开采沉陷学的研究 也日益变得重要。 开采沉陷对人类的生产、生活影响较突出的和较早被人们认识的应该算是地 表移动和地下水的流失。地表移动可能导致财产损失、人员伤亡和一些不可预期 的灾害，例如高速公路、铁路的断裂、倾斜、扭曲变形，隧道的塌陷以及山体滑 坡或导致水库水体的渗漏流失，河流的决堤。十九世纪以前人类的开采活动规模 较小，完全没有必要考虑开采建筑物、铁路和水体下的矿藏，因而不存在或很少 有开采沉陷问题。十九世纪末至今，随着能源需求量的增加，矿区开采范围逐步 扩大，“三下”采矿问题被提到采矿的议事日程，如何最大限度地开采地下矿藏， 同时又能有效地保护目标，成为人们日益关注的课题。到2 0 世纪6 0 年代形成了 独立的学科。其发展大致有两个阶段 第一阶段为1 9 世纪末到第二次世界大战期间为初始阶段。采矿业刚刚涉及到 “三下”开采问题，人们依据实测资料提出地表下沉的经验公式。 第l 章绪论 1 9 4 7 年，前苏联学者阿维尔辛应用塑性理论和经验方法提出了下沉剖面方程 呈指数函数形式，并提出了水平移动与地面倾斜成正比的著名观点，这一观点己 被许多资料证实。 1 9 5 0 年以后，波兰学者克诺特 K n o t h e 提出了几何理论，布德雷克解决了克 诺特 K n o t h e 提出下沉盆地中的水平移动和水平变形问题，这一理论现被称为布 德雷克和克诺特理论【3 】，其高斯型的影响曲线对近水平煤层的下沉描述十分成功。 另一波兰学者李特维尼申 L i t w i n i s z y n 在1 9 5 4 年对岩层移动计算进行了深入研究 [ 4 1 。他把开采沉陷过程视为一个随机过程，提出了开采沉陷的随机介质理论。 2 0 世纪6 0 年代初，英国学者贝里 B e r r y 和W a l e s 根据弹性理论讨论了均质 岩层平面和横观各向同性平面以及三维条件下的地表移动表达式。在此期间英国 大量研究和发展了应用典型曲线计算地表移动变形的方法。美国学者萨拉蒙 S a l a m a o n 1 9 6 0 对地表移动也有一些研究，他几乎与B e r r y 同时期研究弹性理 论求解地表移动。 第二阶段为第二次世界大战到现在为迅速发展阶段。随着计算机技术的发展 解决了很多复杂繁重的计算问题，使理论和实践结合有了衔接的契机，人们将经 典理论的算法编成计算机程序，使得过去难于计算的问题成为可能。有限元、边 界元、离散元等三种数值方法均在开采沉陷中得到广泛的应用，开采沉陷计算正 在向着自动化、智能化、可视化的方向发展，计算结果能以各种图形方式给出、 直观可视。 1 ．2 ．2 我国研究历史与现状 我国是在解放后才开始涉足这个领域的。峰峰矿区从五十年代末、六十年代 初设立地表移动观测站，共计建立了四十余个各种不同类型的观测站，1 9 8 1 年底 峰峰矿务局与中国矿业大学合作对观测资料进行了全面分析，建立了各种角量参 数与地质采矿条件之关系，形成了参数预测体系，并提出了采动过程中地表任意 点、任意时刻下沉速度和下沉预测方法。这些参数和地表移动预测方法的建立， 为指导我国其它矿区的“三下”采煤中发挥了巨大的作用。1 9 9 1 年，原东煤矿区 生产部地测处组织完成了东煤矿区地表与岩层移动观测资料综合分析报告，共 分析了3 6 5 个不同类型的观测站 线 ，根据上覆岩性的不同，将观测资料分为三 类，获得了不同地质采矿条件下，地表移动预测参数和预测方法，建立了各种参 数与地质采矿条件之关系。另外，枣庄矿区、开滦矿区、平顶山矿区、淮北矿区、 徐州矿区、淮南矿区、阳泉矿区、皖北矿区等相继在实测资料分析的基础上，建 安徽理工大学硕士学位论文 立了相应的预测方法和预测参数体系，这些在指导矿区“三下’’采煤中发挥了巨 大的作用，其经济和社会效益是巨大的【5 】【6 1 。 由于地质采矿条件的复杂性，地表移动变形规律受地质采矿的影响，随地质 采矿条件的变化而变化。由于实测费用高、周期长，不可能在各种地质采矿条件 下都建立地表移动观测站，所以需要建立合适的数学模型来预计。 经过几十年的努力，已建立了适合我国实际情况的多种预计方法。主要有概 率积分法【2 】【7 1 、剖面函数法【8 】、典型曲线法【5 1 、积分格网法、威布尔分布法、样条 函数法、双曲函数法、皮尔森函数法、山区地表移动变形预计法、三维层状介质 理论预计法和基于托板理论的条带开采预计法【9 1 。 在这些预计方法中，积分格网法已很少使用，双曲函数法是基于淮南矿区具 有巨厚冲积层时的开采预计方法，皮尔森函数法是基于淮南矿区急倾斜煤层开采 时的预计方法，一般仅限于该矿区使用。三维层状介质理论和托板理论是针对条 带开采提出的新方法，还有待于进一步的实践检验和完善。概率积分法是预计方 法中使用最广泛的。 近年来，由于数学、力学、建筑、计算机等学科新成果不断地引入到开采沉 陷学科中来，从而形成了许多新方法和理论。李文秀、张玉卓将模糊数学引入随 机介质理论中【I O , 1 1 , 1 2 ] ，麻风海教授使用粘弹原理研究了动态地表沉陷【1 3 】，栾元重提 出了煤矿地表移动三维力学预计模型以及动态预测方法【1 4 】，在数值分析方面，王 泳嘉把离散元应用于沉陷研究【”】；邹友峰编制了条带开采沉陷预计的三维层状介 质计算机程序【l 】；锹乾生、疏开生应用非线性三维有限元模拟了开采沉陷的岩层移 动。 1 ．3 技术路线及主要研究内容 1 ．3 ．1 本论文研究的内容 本文针对五沟煤矿1 0 1 3 首采工作面的具体情况，其主要内容有 I 叙述地表移动与变形的基本规律和求参数的基本方法； 2 根据五沟煤矿1 0 1 3 首采工作面的地质采矿条件设计地表移动观测站，并 采集和处理观测数据 3 求取地表移动参数，包括角量参数、动态参数、预计参数 4 编写根据任意观测线地表移动观测资料求取地表移动参数和动态预计参 数的程序 第1 章绪论 5 拟合动态预计参数经验公式； 6 数值模拟动态下沉盆地。 1 ．3 ．2 拟采用技术路线 图1 为本文的技术路线图。 图1 本文技术路线 F i g lT e c h n i c a lR o u t e 安徽理工大学硕士学位论文 2 地表移动与变形的基本规律 地表移动是指采空区面积扩大到一定范围后，岩层移动发展到地表使地表产 生移动和变形，在地表沉陷的研究中称这一过程和现象为地表移动。开采引起的 地表移动过程，受多种地质采矿因素的影响，因此，随开采深度、开采厚度、采 煤方法及煤层产状等因素的不同，地表移动和破坏的形式也不完全相同。在采深 和采厚的比值较大时，地表的移动和变形在空间和时间上是连续的、渐变的，具 有明显的规律性。当采深和采厚的比值较小 一般小于3 0 或具有较大的地质构造 时，地表的移动和变形在空间和时间上将是不连续的，移动和变形的分布没有严 格的规律性，地表可能出现较大的裂缝或塌陷坑。 2 ．1 地表移动盆地 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，或称下沉盆地【2 J 。 2 ．1 ．1 地表移动盆地的形成 地表移动盆地是在工作面的推进工程中逐渐形成的。一般当回采工作面自开 切眼开始向前推进的距离相当于l ／4 ～1 ／2 H 。 S o 为平均采深 时，开采影响波及到 地表，引起地表下沉。然后，随着工作面不断向前推进，地表的影响范围不断扩 大，下沉不断增加，在地表就形成一个比开采范围大得多的下沉盆地。 图2 展示了地表移动盆地随工作面推进而形成的过程。当工作面由开切眼推 进到位置l 时，在地表形成一个小盆地形。工作面继续推进到位置2 时，在移动 盆地彤的范围内，地表继续下沉，同时在工作面前方原来尚未移动地区的地表点， 先后进入移动，从而使移动盆地彤扩大而形成移动盆地％。随着工作面的推进相 继逐渐形成地表移动盆地职、呢。这种移动盆地是在工作面推进过程中形成的， 故称动态移动盆地。工作面回采结束后，地表移动不会立刻停止，还要持续一段 时间。在这一段时间里，移动盆地的边界还将继续向工作面推进方向扩展。移动 首先在开切眼一侧稳定，而后在停采线一侧逐渐形成最终的地表移动盆地％。通 常所说的地表移动盆地就是指最终形成的移动盆地，又称为静态移动盆地。在工 作面的推进过程中，其对应的每一个位置都会有一个相应的静态移动盆地‰。、 ‰、矾，、％。 第2 章地表移动与变形的基本规律 ／ ／ ／ J 图2 地表移动盆地形成的过程 F i 9 2T h ep r o c e s so fg r o u n dm o v e m e n tb a s i n 2 ．1 ．2 地表移动盆地的特征 在移动盆地内，各个部位的移动和变形性质及大小不尽相同。在采空区上方 地表平坦、达到超充分采动、采动影响范围内没有大地质构造的条件下，最终形 成的静态地表移动盆地可划分为中性区域、压缩区域、拉伸区域三个区域。 中性区域位于盆地的中央部位，在此范围内，地表下沉均匀，地表下沉值达 到该地质采矿条件下应有的最大值，其它移动和变形值近似于零，一般不出现明 显裂缝。压缩区域一般位于采空区边界附近到最大下沉点之间，在此区域内，地 表下沉值不等，地面移动向盆地的中心方向倾斜，呈凹形，产生压缩变形，一般 不出现裂缝。拉伸区位于采空区边界到盆地边界之间，该区域内地表下沉不均匀， 地面移动向盆地巾心方向倾斜，呈凸形，产生拉伸变形。拉伸变形超过一定数值 后。地面将产生拉伸裂缝。 2 ．2 地表移动盆地边界的确定 2 ．2 ．1 地表移动盆地边界的划分 地表移动盆地划分成三个边界 1 ．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定。考虑到观测误差，一般取下沉为l O m m 的点为边界点。 所以最外边界实际上是下沉为l O m m 的点，见图3 中, 4 B C D 。 2 ．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。对建筑构有无危害的标准是以临界变形值来衡量的。目前我国采用的一组临 界变形值是i 3 m m ／m 、占- - 2 m m ／m 、及七 o ．2 m m ／m 2 用这个指标圈定的范围以外， 安徽理工大学硕士学位论文 为地表移动和变形对建筑物不产生明显损害的地带；在圈定的范围以内，为地表 移动和变形对建筑物将产生有害影响的地带，如图3 中彳。B ．C ’D 。所示。 3 ．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，如图3 中的A 。B 。C ”D 。。 2 ．2 ．2 边界的角量参数 由圈定的三个边界相应确定了角量参数，主要是边界角、移动角、裂缝角和 松散层移动角。如图3 所示 图3 地表移动盆地边界的确定示意图 F i 9 3T h ed e t e r m i n a t i o nc h a r to f g r o u n dm o v e m e n tb a s i nb o u n d a r y 1 ．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至 采空区边界的连线与水平线在煤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煤柱一侧的夹角称为边界角。按不同断面，边界角分 为走向边界角，以磊表示；下山边界角以风表示；上山边界角，以‰表示； 急倾斜煤层的底板边界角，以厶表示。 2 ．移动角 第2 章地表移动与变形的基本规律 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 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。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煤柱一侧 的夹角称为移动角。根据不同断面，移动角分为走向移动角，以占表示；下山移 动角，以∥表示上山移动角，以y 表示；急倾斜煤层的底板移动角，以兄表示。 3 ．裂缝角 在充分采动或接近充分采动条件下，在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。 裂缝角分为走向裂缝角，以万。表示；上山裂缝角，以∥。表示；下山裂缝角，y 。 表示急倾斜煤层的底板裂缝角，以彳表示。 4 ．松散层移动角 松散层移动角以p 表示，它不受煤层倾角的影响。 2 ．3 采动过程中地表移动变形特征 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。 1 ．地表点的移动轨迹 地表点从开始移动到剧烈移动，再到移动逐渐停止，是一个较为复杂的时间 空间过程，现以走向主断面充分采动区内的彳点为例进行说明 如图4 所示 。 A ◆工作面推进方向 图4 采动过程中主断面内地表点移动轨迹示意图 F i 9 4M o v i n gt r a c k so ft h ep o i n t so nt h es u r f a c ea l o n gt h em a i np r o f i l ei nm i n i n g 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，彳点的移动方向与工作面推进方向相反，此为移动的第1 阶段； 2 当工作面通过A 点正下方 如2 处 继续向前推进时，地表下沉速度迅速增 安徽理工大学硕士学位论文 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； ． 3 当工作面继续向前推进，逐渐远离地表A 点后，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； 4 当工作面远离地表点达到一定距离后，回采工作面对彳点的影响逐渐消 失，点A 的移动停止此为移动的第Ⅳ阶段。稳定后，点A 的位置并不一定在其起 始位置的正下方，一般略微偏向回采工作面停止位置一则，此为移动的第Ⅳ阶段。 2 ．起动距、超前影响距和超前影响角 在走向主断面上，工作面由开切眼推进一定距离后，岩层移动开始波及到地 表。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1 0m m 为标准。一般在初次采动时，起动距约为1 ／4 - - - 1 ／2 H 。 日。为平均开采深度 。 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。将工作面前方地表开始移动 即下沉1 0 m m 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；开始移动的点到工作面的水 平距离称为超前影响距。 3 ．地表移动持续时间 所谓地表移动持续时间或移动过程总时间，是指在充分采动或接近充分采动 的情况下，下沉值最大的地表点从移动开始到移动稳定所持续的时间。由于在移 动盆地内各地表点中，地表最大下沉点的下沉量最大，下沉的持续时间最长，故 移动持续时间或移动过程总时间应根据地表最大下沉点求定。 1 下沉速度曲线 在整个移动过程中，地表任一点的下沉速度是有规律地变化的，开始很慢， 逐渐增大，达到最大值，然后逐渐变小，直至最后移动停止。在一般情况下 深厚 比H ／m 3 0 ，点的下沉速度的变化在时间和空间上是连续的、渐变的。 根据我国大量实测资料表明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，其经验式为 V - - , K ‰c ／H o 2 - 1 式中 足下沉速度系数； C 工作面推进速度， m ／d 日。平均开采深度，m 第2 章地表移动与变形的基本规律 彬。地表最大下沉值。 2 地表移动周期 地表移动的时间过程是反映地表移动规律的一个方面，根据下沉速度及其对 建筑物的影响程度以1 ．6 7 m m ／d 为临界值分为开始阶段、活跃阶段、衰退阶段【2 】。这 三个阶段的时间总和称为移动持续时间或移动过程总时间。 3 最大下沉速度滞后距及滞后角 随着工作面的推进，地表最大下沉速度和回采工作面的相对位置基本不变， 最大下沉速度点也有规律的向前移动。当地表达到充分采动后，最大下沉速度总 是滞后于回采工作面一个固定的距离。地表最大下沉速度点与其相应的回采工作 面位置连线与煤层 水平线 在采空区一侧之夹角称为最大下沉速度滞后角，用西 表示，其计算公式‘ ， 西 a r c c t g 2 2 1 - 1 0 式中 ￡滞后距 日。平均开采深度，m 。 掌握了地表最大下沉速度滞后角的变化规律，便可在回采工作面推进过程中， 随时确定地表移动最剧烈的地区，这对指导“三下”开采有着重要的实践意义。 2 ．4 厚松散层综放开采地表沉陷规律及特点【1 6 ”删 松散层属于较为松散的介质。在采空区上方，若上覆岩层为坚硬岩层时，在 岩层的破坏和移动过程中，裂缝带内岩层除产生垂直层面的裂缝外，还产生大量 顺层理面的离层裂缝，使采空区上方的下沉由下而上逐渐减小。而在厚松散层地 质条件下，在岩层移动过程中，基岩的下沉引起冲积层下沉，使松散层产生弯曲 形式的移动，即横向移动和纵向移动，由于松散层较为松散，强度较弱，不产生 离层，因此致使地表的下沉值偏大。而综采放顶煤开采具有开采厚度大、工作面 推进速度快的特点，在开采过程中上覆岩层的移动与变形异常剧烈，覆岩破坏非 常严重。导水裂缝带异常发育，从而进一步加剧了地表的变形。而在采空区周围 的煤柱上方，下沉主要是由于自重压力和岩层弯曲产生的拉应力综合影响引起的， 而松散层本身强度较弱，所受影响明显减小，其地表下沉值也略小。其地表移动 变形规律及特点如下 1 受地表厚松散层影响，采动区地表移动与变形持续时间长，活跃期剧烈且 安徽理工大学硕士学位论文 集中，衰退期较长，但下沉量很小。另外，冲积层较厚，使得地表下沉系数偏大。 2 在大采高、快速推进等高强度开采条件下，地表下沉盆地陡峭，移动变形 分布集中，表现在参数上，移动角偏大。地表下沉速度偏大，动态变形值大，地 表移动剧烈。 3 由于上覆岩层存在较厚的表土层，地表移动在工作面内侧下沉值较大，移 动变形曲线较陡，而在工作面外测下沉值明显偏小，移动变形曲线较缓，曲线收 敛较慢。 2 ．5 地表移动与变形的计算 1 - 下沉 地表点的沉降叫下沉 形 ，以本次与首次测得的点的标高差胡表示，单位为 l r l n l ，则m 次观测时甩点的下沉表示为 形 H 柚一日。 2 3 式中 Ⅳ～、H ～一分别为首次和m 次观测时甩号点的高程。 2 ．倾斜 地表下沉盆地沿某一方向的坡度叫倾斜，以i 表示，单位为m m ／m ，相邻两点 的倾斜为 k 。掣 2 - 4 1 月～H l 式中 ，⋯ 。n 号点至甩 1 号点的水平距离； 既卅、形分别表示n l 号点和厅号点的下沉量。 3 ．曲率 下沉盆地剖面线的弯曲程度叫曲率，以K 表示，单位为m m ／m 2 ，则甩号点附 近的曲率，即n l 号点至n l 号点之间的曲率为 K I ～。～n l 二 兰垒 二 兰 ，。 1 ～。 z 。～，，I 2 2 5 式中 ‘小。、f ～一表示玎 l 号点至n 号点和n 号点至万一1 号点的倾斜； ，剃～。、1 ．- ．- i 表示甩 l 号点至甩号点和甩号点至甩- l 号点的水平距离。 第2 章地表移动与变形的基本规律 4 ．水平移动， 下沉盆地内点沿某一水平方向的位移叫水平移动，以U 表示，单位为姗，则 1 T 1 次，l 号点水平移动为 U 。 ￡。一L o 式中 三。一一m 次观测时甩号点至观测线控制点间的水平距离， 得。 2 - 6 用点间距累加求 厶。首次观测时以号点至观测线控制点间的水平距离，用点间距累加求得。 5 ．水平变形 下沉盆地内两点间单位长的水平移动差叫水平变形，以占表示，单位为m i n i m 。 其值以两点间水平移动差△U 两点间距表示，则甩号点至n l