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山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 主讲人刘伟韬主讲人刘伟韬博士博士 Tel13789875218 Emailwtliu 煤炭煤炭653培训培训 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 主要内容主要内容 1 “三下三下”开采概述及现状开采概述及现状 2 “三下三下”开采基础理论开采基础理论 3 建筑物下开采技术建筑物下开采技术 4 铁路下开采技术铁路下开采技术 5 水体下开采技术水体下开采技术 6 开采损害开采损害 2010- 8- 143 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 1 “三下三下”开采概述及现状开采概述及现状 1.1 1.1 “三下”采煤技术范畴“三下”采煤技术范畴 ““三下三下””采煤技术是指建（构）筑物下、铁路下采煤技术是指建（构）筑物下、铁路下 和近水体下煤炭资源开采技术的统称，是多学科交叉和近水体下煤炭资源开采技术的统称，是多学科交叉 的综合性边缘学科。的综合性边缘学科。““三下三下””采煤技术综合了水文地采煤技术综合了水文地 质、构造地质、矿山测量、矿山压力、岩体力学、土质、构造地质、矿山测量、矿山压力、岩体力学、土 木建筑、开采方法以及岩体探测技术等学科的内容，木建筑、开采方法以及岩体探测技术等学科的内容， 形成自身的一套理论体系。其主要研究内容包括开采形成自身的一套理论体系。其主要研究内容包括开采 沉陷的理论计算分析和特殊开采技术两大方面。沉陷的理论计算分析和特殊开采技术两大方面。 2010- 8- 144 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 1 “三下三下”开采概述及现状开采概述及现状 地表移动计算理论覆岩破坏控制理论 “三下”采煤技术 井下开采技术地面保护与加固技术 条 带 开 采 技 术 协 调 开 采 技 术 充 填 开 采 技 术 井 柱 开 采 技 术 房 柱 开 采 技 术 限 厚 开 采 技 术 全 柱 开 采 技 术 抗 变 形 结 构 技 术 地 基 加 固 处 理 技 术 房 屋 加 固 技 术 房 屋 调 整 技 术 煤柱设计技术 特殊采煤设计 2010- 8- 145 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 1 “三下三下”开采概述及现状开采概述及现状 开采沉陷理论是开采沉陷理论是““三下三下””采煤技术的基础，包括采煤技术的基础，包括 地表移动计算理论与覆岩破坏控制理论两个方面，所地表移动计算理论与覆岩破坏控制理论两个方面，所 涉及的内容有各种开采方法的地表移动观测、分析和涉及的内容有各种开采方法的地表移动观测、分析和 预计，覆岩破坏的观测、分析与预计预计，覆岩破坏的观测、分析与预计 特殊采煤技术是利用开采沉陷理论解决涉及特殊采煤技术是利用开采沉陷理论解决涉及““三三 下下””采煤问题的技术，包括井下开采技术与地面保护采煤问题的技术，包括井下开采技术与地面保护 与加固技术两部分。与加固技术两部分。 煤柱设计技术包括地面建（构）筑物保护煤柱设煤柱设计技术包括地面建（构）筑物保护煤柱设 计与水体下防水和防砂煤柱设计等。计与水体下防水和防砂煤柱设计等。 2010- 8- 146 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 1 “三下三下”开采概述及现状开采概述及现状 1.2 1.2 “三下”采煤技术国内外研究现状“三下”采煤技术国内外研究现状 据目前不完全统计，我国国有骨干大中型矿井据目前不完全统计，我国国有骨干大中型矿井 ““三下三下””压煤量达到压煤量达到140亿吨以上，其中建筑物下压煤亿吨以上，其中建筑物下压煤 占整个占整个““三下三下””压煤量的压煤量的60以上，水体下（包括承压以上，水体下（包括承压 废岩水上）压煤占废岩水上）压煤占28左右，铁路下压煤占左右，铁路下压煤占12左右，左右， 然而，到目前为止，我国仅从然而，到目前为止，我国仅从““三下三下””采出的煤炭约采出的煤炭约 有有10亿吨，只占整个亿吨，只占整个““三个三个””压煤量的压煤量的7左右。左右。 2010- 8- 147 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 1 “三下三下”开采概述及现状开采概述及现状 表1.1 九省村庄下压煤量（单位万吨） 20907.5江苏江苏948248.8黑龙江黑龙江675688.6山东山东3 30808.1安徽安徽849961.3陕西陕西578029.2山西山西2 37817.2辽宁辽宁765404.8河南河南495111.3河北河北1 压煤量压煤量省份省份序号序号压煤量压煤量省份省份序号序号压煤量压煤量省份省份序号序号 2010- 8- 148 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 1 “三下三下”开采概述及现状开采概述及现状 1.2.1 1.2.1 建筑物下采煤建筑物下采煤 建筑物下开采是指那些不适合搬迁的城镇、工建筑物下开采是指那些不适合搬迁的城镇、工 厂、居民区、村庄等所压煤层的开采，其中包括井筒厂、居民区、村庄等所压煤层的开采，其中包括井筒 矿柱的回收。做到即采出资源，又要保护地面建筑矿柱的回收。做到即采出资源，又要保护地面建筑 物。采取的措施主要是在井下开采时采取一些不同于物。采取的措施主要是在井下开采时采取一些不同于 普通的开采方法，以减少地面移动与变形，另外对地普通的开采方法，以减少地面移动与变形，另外对地 面的建筑物或构筑物采取加固与维修的方法，使其所面的建筑物或构筑物采取加固与维修的方法，使其所 受的采动影响和破坏程度在其本身允许的范围之内。受的采动影响和破坏程度在其本身允许的范围之内。 这在国内外都取得了诸多成功的经验。这在国内外都取得了诸多成功的经验。 2010- 8- 149 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 1 “三下三下”开采概述及现状开采概述及现状 1.2.2 1.2.2 铁路下采煤铁路下采煤 铁路下采煤主要是指国家铁路干线和矿区铁路支铁路下采煤主要是指国家铁路干线和矿区铁路支 线下所压煤炭的开采，就其范围来讲包括线路、桥线下所压煤炭的开采，就其范围来讲包括线路、桥 梁、涵洞、隧道、车站以及其他附属设施。梁、涵洞、隧道、车站以及其他附属设施。 虽然这些也属地面建筑物，但从其自身特点以及虽然这些也属地面建筑物，但从其自身特点以及 从受保护的程度来看，又与一般的普通建筑物不同，从受保护的程度来看，又与一般的普通建筑物不同， 因此往往把铁路下采煤做为一项单独课题进行研究。因此往往把铁路下采煤做为一项单独课题进行研究。 2010- 8- 1410 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 1 “三下三下”开采概述及现状开采概述及现状 1.2.2 1.2.2 铁路下采煤铁路下采煤 铁路下开采系指铁路干线与支线下所压煤层的开铁路下开采系指铁路干线与支线下所压煤层的开 采，矿区专用线下开采已不存在问题。我国矿区专用采，矿区专用线下开采已不存在问题。我国矿区专用 线下开采，在技术上已完全过关；支线下开采效果良线下开采，在技术上已完全过关；支线下开采效果良 好，如焦李、三万、薛枣、娄邓等；干线下开采的不好，如焦李、三万、薛枣、娄邓等；干线下开采的不 多。在鸡西麻山、滴道两矿的林口多。在鸡西麻山、滴道两矿的林口密山干线下开采密山干线下开采 获得成功、本溪局在沈阳获得成功、本溪局在沈阳丹东的干线下试采。还有丹东的干线下试采。还有 枣庄局在邹坞车站下，开滦及平顶山、涟邵在铁路桥枣庄局在邹坞车站下，开滦及平顶山、涟邵在铁路桥 下，南桐局在二万线的板塘隧道下开采都取得成功。下，南桐局在二万线的板塘隧道下开采都取得成功。 2010- 8- 1411 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 1 “三下三下”开采概述及现状开采概述及现状 1.2.3 1.2.3 水体下采煤水体下采煤 水体下开采包括地面水体下和地下水体下的开水体下开采包括地面水体下和地下水体下的开 采。地面水体包括江河湖海、水库池塘、沼泽洪区、采。地面水体包括江河湖海、水库池塘、沼泽洪区、 灌区水田、山沟小溪以及地表沉降区积水等。地下水灌区水田、山沟小溪以及地表沉降区积水等。地下水 体包括表土层的砂层水、顶板灰岩中的岩溶水、砂岩体包括表土层的砂层水、顶板灰岩中的岩溶水、砂岩 含水层及老窑水等。含水层及老窑水等。 水体下采煤的要求与建筑物下、铁路下采煤的要水体下采煤的要求与建筑物下、铁路下采煤的要 求大为不同，它必须采取一定的疏干、排放、隔离措求大为不同，它必须采取一定的疏干、排放、隔离措 施，以确保防止水沙溃入造成的危险，保证生产安施，以确保防止水沙溃入造成的危险，保证生产安 全，这时井下安全是第一位的。全，这时井下安全是第一位的。 2010- 8- 1412 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 1 “三下三下”开采概述及现状开采概述及现状 1.3 1.3 “三下”开采特点“三下”开采特点 ““三下三下””与一般的开采方法不同与一般的开采方法不同 特殊的技术要求特殊的技术要求““三下三下””开采即要采出资源，又要开采即要采出资源，又要 保护地面建筑物和构筑物（如水坝、铁路等），同时保护地面建筑物和构筑物（如水坝、铁路等），同时 还要防止上覆水体和下伏水体溃入。还要防止上覆水体和下伏水体溃入。 研究岩层范围大既研究上覆岩层受采动影响后的移研究岩层范围大既研究上覆岩层受采动影响后的移 动变形特性，又要研究下伏岩层的移动变形规律。上动变形特性，又要研究下伏岩层的移动变形规律。上 覆岩层可以直达地表，下伏岩层在采动后所波及的范覆岩层可以直达地表，下伏岩层在采动后所波及的范 围即可达围即可达80m以远的距离。以远的距离。 2010- 8- 1413 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2 “三下三下”开采基础理论开采基础理论 图图2- 1 岩层移动分带示意图岩层移动分带示意图 Ⅰ垮落带；Ⅱ破裂带；Ⅲ弯曲带 2010- 8- 1414 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2 “三下三下”开采基础理论开采基础理论 从图中可以看出，地下煤层采出后，形成开采空从图中可以看出，地下煤层采出后，形成开采空 间（即采空区），煤层及其周围岩层的原始应力平衡间（即采空区），煤层及其周围岩层的原始应力平衡 状态遭到破坏，这必然引起应力的重新分布，从而产状态遭到破坏，这必然引起应力的重新分布，从而产 生了岩层的运动、变形和破坏，直到新的平衡产生，生了岩层的运动、变形和破坏，直到新的平衡产生， 那么，这一岩层运动、变形和破坏的过程与现象就称那么，这一岩层运动、变形和破坏的过程与现象就称 为为岩层移动岩层移动岩层移动岩层移动。。 为了便于理解，以近水平煤层开采为例，说明覆为了便于理解，以近水平煤层开采为例，说明覆 岩移动和破坏过程岩移动和破坏过程及其应力状态的变化，如图及其应力状态的变化，如图1- 2所所 示。示。 2010- 8- 1415 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2 “三下三下”开采基础理论开采基础理论 图图2- 2 覆岩移动变形示意图覆岩移动变形示意图 2010- 8- 1416 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2 “三下三下”开采基础理论开采基础理论 由于岩层移动的结果，致使顶板岩层悬空及其部分由于岩层移动的结果，致使顶板岩层悬空及其部分 重量传递到周围未直接采动的岩体上，从而引起采区重量传递到周围未直接采动的岩体上，从而引起采区 周围岩体内的周围岩体内的应应力力重新重新分分布布，形成增压区，形成增压区支承压力区支承压力区 和减压区和减压区卸载压力区卸载压力区。。 图图2- 3 覆岩移动破坏力学模式示意图覆岩移动破坏力学模式示意图 拉伸应力或变形；拉伸应力或变形；-压缩应力或变形；↓垂直压缩压力区；↑垂直拉伸应力区；压缩应力或变形；↓垂直压缩压力区；↑垂直拉伸应力区； 1地表移动范围；地表移动范围；2应力变化范围应力变化范围 2 1 1 2 2010- 8- 1417 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2 “三下三下”开采基础理论开采基础理论 在采区边界煤柱及其上、下方的岩层内形成在采区边界煤柱及其上、下方的岩层内形成增增压压 区区。。 在回采工作面的顶、底板岩层内形成在回采工作面的顶、底板岩层内形成减减压压区区，其，其 压力小于开采前的正常压力。压力小于开采前的正常压力。 煤层采出后，在围岩应力重新分布的范围内，作煤层采出后，在围岩应力重新分布的范围内，作 用在煤层、岩层和矸石上的垂直压力称为用在煤层、岩层和矸石上的垂直压力称为““支承支承压压 力力””。理论研究与现场实践证明，从采场工作面推进。理论研究与现场实践证明，从采场工作面推进 开始，在推进方向上的支承压力的变化可分为三个阶开始，在推进方向上的支承压力的变化可分为三个阶 段。段。 2010- 8- 1418 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2 “三下三下”开采基础理论开采基础理论 （（1）第一阶段）第一阶段 从采场推进开始至煤壁支承能力改变之前。从采场推进开始至煤壁支承能力改变之前。 σvKzγH σγH σvcKmaxγH 图图2- 4 支承支承压力分压力分布布特特征（征（煤煤壁处于弹性壁处于弹性压缩状压缩状态）态） 2010- 8- 1419 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2 “三下三下”开采基础理论开采基础理论 （（2）第二阶段）第二阶段 从煤壁支承能力开始改变起，到老顶岩梁端部断从煤壁支承能力开始改变起，到老顶岩梁端部断 裂前为止，支承压力及其显现的变化进入第二阶段。裂前为止，支承压力及其显现的变化进入第二阶段。 图图2- 5 支承压力分布特征（煤壁处于塑性压缩状态）支承压力分布特征（煤壁处于塑性压缩状态） 2010- 8- 1420 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2 “三下三下”开采基础理论开采基础理论 （（3）第三阶段）第三阶段 第三阶段从老顶岩梁端部断裂起至岩梁中部触矸第三阶段从老顶岩梁端部断裂起至岩梁中部触矸 止。止。 图图2- 6 支承压力分布特征（煤壁处于塑性压缩状态）支承压力分布特征（煤壁处于塑性压缩状态） 2010- 8- 1421 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.1 岩层移动分带特岩层移动分带特征征 岩层移动的分带特征是通过大量的实际观测资料岩层移动的分带特征是通过大量的实际观测资料 来证实的，这个分带特征与地质采矿条件有关，但只来证实的，这个分带特征与地质采矿条件有关，但只 要采深达到一定深度（如要采深达到一定深度（如100 m 左右），围岩移动的分左右），围岩移动的分 带特征就会是非常明显的。根据岩层移动特征及其破带特征就会是非常明显的。根据岩层移动特征及其破 坏形态，把煤层的围岩从地表到深部，沿垂向分为六坏形态，把煤层的围岩从地表到深部，沿垂向分为六 个采动影响带，上覆岩层的破坏和移动可出现三个具个采动影响带，上覆岩层的破坏和移动可出现三个具 有代表性的部分，自下而上分别称为垮落带、裂缝有代表性的部分，自下而上分别称为垮落带、裂缝 带和弯曲带，一般简称为带和弯曲带，一般简称为“三带三带”（图（图2- 7）。）。 2010- 8- 1422 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.1 岩层移动分带特岩层移动分带特征征 图图2- 7 上覆岩层破坏移动分带示意图上覆岩层破坏移动分带示意图 ⅠⅠ垮落带；Ⅱ垮落带；Ⅱ裂缝带；Ⅲ裂缝带；Ⅲ弯曲带弯曲带 a竖向裂隙；竖向裂隙；b离层裂隙；离层裂隙；c地表裂隙地表裂隙 1不规则垮落带；不规则垮落带； 2规则垮落带规则垮落带 2010- 8- 1423 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.1 岩层移动分带特岩层移动分带特征征 （（1）垮落带）垮落带 垮落带又称冒落带，是指脱离岩层母体，失去连垮落带又称冒落带，是指脱离岩层母体，失去连 续性，呈不规则岩块或似层状巨块向采空区冒落的那续性，呈不规则岩块或似层状巨块向采空区冒落的那 部分岩层。部分岩层。 垮落垮落带岩层带岩层有两个有两个特点特点 一是一是分层分层性性，其上部为规则冒落状态，岩层本身，其上部为规则冒落状态，岩层本身 虽然失去连续性，但仍能明显保持原有的层次。虽然失去连续性，但仍能明显保持原有的层次。 二是二是碎胀性碎胀性，堆积于采空区的岩块体积比破碎前，堆积于采空区的岩块体积比破碎前 的体积大。的体积大。 2010- 8- 1424 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.1 岩层移动分带特岩层移动分带特征征 垮落带垮落带内岩内岩块块之之间空间空隙隙多，多，连连通通性性强强，是水体和，是水体和 泥泥沙溃入沙溃入井井下的下的通道通道，，也也是是瓦斯逸瓦斯逸出出或或聚聚积积的的场场所所，， 是采煤工是采煤工作作面面安安全全生产生产的主要的主要威胁威胁。。 2010- 8- 1425 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.1 岩层移动分带特岩层移动分带特征征 （（2）裂缝带）裂缝带 裂缝带又称导水裂缝带，是指位于垮落带之上，裂缝带又称导水裂缝带，是指位于垮落带之上， 具有与采空区连通的导水裂隙，但连续性未受破坏的具有与采空区连通的导水裂隙，但连续性未受破坏的 那一部分岩层。那一部分岩层。 裂缝带随采空区扩大而向上发展，当采空区扩大裂缝带随采空区扩大而向上发展，当采空区扩大 到一定范围时，到一定范围时，裂缝带高裂缝带高度度达到达到最最大大。此时采空区继。此时采空区继 续扩大，裂缝带高度基本上不再发展，并随着时间的续扩大，裂缝带高度基本上不再发展，并随着时间的 推移，岩层移动趋于稳定，裂缝带上部裂缝逐渐闭推移，岩层移动趋于稳定，裂缝带上部裂缝逐渐闭 合，裂缝带高度也随之降低。一般说来，在采空区形合，裂缝带高度也随之降低。一般说来，在采空区形 成两月左右之后，裂缝带发育最高。成两月左右之后，裂缝带发育最高。 2010- 8- 1426 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.1 岩层移动分带特岩层移动分带特征征 （（3）弯曲带）弯曲带 弯曲带又叫整体移动带，是指位于裂缝带上部至弯曲带又叫整体移动带，是指位于裂缝带上部至 地表的整个岩层带，它一般呈整体移动的形式，特别地表的整个岩层带，它一般呈整体移动的形式，特别 是对于软弱岩层及松散岩层。是对于软弱岩层及松散岩层。 弯曲带内纵向裂隙很微小，而且数量也少，不具弯曲带内纵向裂隙很微小，而且数量也少，不具 连通性；横向裂隙基本不存在，只是在弯曲带下部靠连通性；横向裂隙基本不存在，只是在弯曲带下部靠 近裂缝带的部位可能有离层。近裂缝带的部位可能有离层。 弯曲带不导水，可以看作是隔水层。弯曲带不导水，可以看作是隔水层。 2010- 8- 1427 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.1 岩层移动分带特岩层移动分带特征征 上面讲的冒落带、裂缝带、弯曲带这三带，虽各上面讲的冒落带、裂缝带、弯曲带这三带，虽各 带特征明显不同，但其界面是逐渐过渡的，有时开采带特征明显不同，但其界面是逐渐过渡的，有时开采 浅、覆岩薄也可能浅、覆岩薄也可能““三带三带””不完整，具体划分时应合不完整，具体划分时应合 理掌握。理掌握。 上述岩层移动的分带特征受地质和采矿条件的变上述岩层移动的分带特征受地质和采矿条件的变 化而变化。如充填开采时可能只出现裂缝带和弯曲化而变化。如充填开采时可能只出现裂缝带和弯曲 带，甚至于只出现弯曲带；深厚比（采深与采厚之带，甚至于只出现弯曲带；深厚比（采深与采厚之 比）较小时，垮落带直至地表，出现台阶沉陷；急倾比）较小时，垮落带直至地表，出现台阶沉陷；急倾 斜煤层开采时，底板出现移动破坏、地表形成塌陷漏斜煤层开采时，底板出现移动破坏、地表形成塌陷漏 斗等。斗等。 2010- 8- 1428 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.2 地表地表移动移动盆地盆地及及其其特特征征 2.2.1 地表地表移动移动盆地盆地特特征征 地表移动盆地特征与开采区域的地质条件密切相地表移动盆地特征与开采区域的地质条件密切相 关，水平、倾斜煤层开采时，地表下沉盆地一般呈椭圆关，水平、倾斜煤层开采时，地表下沉盆地一般呈椭圆 形；急倾斜煤层开采时，地表下沉盆地一般呈兜形或瓢形；急倾斜煤层开采时，地表下沉盆地一般呈兜形或瓢 形；浅埋深开采时，地表可能出现台阶下沉盆地；硬岩形；浅埋深开采时，地表可能出现台阶下沉盆地；硬岩 层浅部开采时，地表下沉盆地有时为切冒形。层浅部开采时，地表下沉盆地有时为切冒形。 2010- 8- 1429 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.2 地表地表移动移动盆地盆地及及其其特特征征 0δ A A A A B O B B W δ 0 β γ 0 H d m m W θ 0 0 B 图2.8 典型下沉盆地示意图 2010- 8- 1430 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.2 地表地表移动移动盆地盆地及及其其特特征征 2.2.2 地表地表移动移动盆地的盆地的形形成成 地表移动盆地是在工作面推进过程中逐渐形成的。地表移动盆地是在工作面推进过程中逐渐形成的。 一般当回采工作面自开切眼开始向前推进距离相当于一般当回采工作面自开切眼开始向前推进距离相当于 （（1/4～～1/2））H0（（H0为平均采深）时，开采影响即涉及为平均采深）时，开采影响即涉及 到地表，引起地表下沉。随工作面的继续向前推进，地到地表，引起地表下沉。随工作面的继续向前推进，地 表的影响范围不断扩大，下沉值不断增加，在地表就形表的影响范围不断扩大，下沉值不断增加，在地表就形 成了一个比采空区面积大得多的下沉盆地。成了一个比采空区面积大得多的下沉盆地。 2010- 8- 1431 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.2 地表地表移动移动盆地盆地及及其其特特征征 H W WW W W 1234 1/4～1/2Ho o 1 2 3 4 04 工作面推进方向 图图2.9 地表地表移动移动盆地的盆地的形形成过程成过程 1、、2、、3、、4工作面的位置工作面的位置；；W1、、W2、、W3、、W4相相应应工作面的工作面的移动移动盆地盆地 2010- 8- 1432 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.2 地表地表移动移动盆地盆地及及其其特特征征 图图2.9展示了地表移动盆地随工作面推进而形成的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过程。当工作面由开切眼推进到位置1时，在地表形成时，在地表形成 一个小盆地。工作面继续推进到位置一个小盆地。工作面继续推进到位置2时，在移动盆地时，在移动盆地 的范围内，地表继续下沉，同时在工作面前方原来尚的范围内，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，从而使移动盆未移动地区的地表点，先后进入移动，从而使移动盆 地地扩大而形成移动盆地扩大而形成移动盆地。随着工作面的推进相。随着工作面的推进相 继形成地表移动盆地继形成地表移动盆地、。、。 1 W2 W 3 W 4 W 2010- 8- 1433 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.2 地表地表移动移动盆地盆地及及其其特特征征 通常所说的地表移动通常所说的地表移动 盆地就是指最终形成的盆地就是指最终形成的 移动盆地，又称为静态移动盆地，又称为静态 移动盆地。移动盆地。 如图如图2.10所示的工作所示的工作 面停在面停在1、、2、、3、、4的位的位 置上，待地表稳定后，置上，待地表稳定后， 其对应的每一个位置都其对应的每一个位置都 会有一个静态的移动盆会有一个静态的移动盆 地、 、 、。地、 、 、。 图图2.10 动态和静态移动盆地示意图动态和静态移动盆地示意图 WW WW WW WW 1 2 3 4 101 022 303 404 01 W 02 W 03 W 04 W 2010- 8- 1434 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.2 地表地表移动移动盆地盆地及及其其特特征征 在地表移动向前发展的过程中，其后方的地表点在地表移动向前发展的过程中，其后方的地表点 仍在继续移动，但其移动的剧烈程度逐渐减弱，直至仍在继续移动，但其移动的剧烈程度逐渐减弱，直至 稳定。一般是最先进入移动的点，也先稳定下来。稳定。一般是最先进入移动的点，也先稳定下来。 地表移动盆地的地表移动盆地的形状形状一般为椭圆形，当采空区为一般为椭圆形，当采空区为 长方形时，水平煤层形成的地表移动盆地是以采空区长方形时，水平煤层形成的地表移动盆地是以采空区 为对称的椭圆形，倾斜煤层形成的地表移动盆地则是为对称的椭圆形，倾斜煤层形成的地表移动盆地则是 向下山方向偏移的椭圆形。向下山方向偏移的椭圆形。 2010- 8- 1435 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.2 地表地表移动移动盆地盆地及及其其特特征征 图2.11 下沉盆地形成过程图图2.11 下沉盆地形成过程图 1，2，3非充分采动；4充分采动；5超充分采动1，2，3非充分采动；4充分采动；5超充分采动 2010- 8- 1436 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.2 地表地表移动移动盆地盆地及及其其特特征征 2.2.3 2.2.3 地表地表点移动特点移动特征征 图2.12 典型剖面各点移动示意图 图2.13 不同位置地表点移动规迹示意图 2010- 8- 1437 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.2 地表地表移动移动盆地盆地及及其其特特征征 2.2.4 2.2.4 地表运地表运动变形形式动变形形式 由于具体条件的差别，开采引起的地表运动主要由于具体条件的差别，开采引起的地表运动主要 有以下几种形式。有以下几种形式。 ①地表塌陷①地表塌陷 浅部开采时，使地表产生陷破坏。浅部开采时，使地表产生陷破坏。 ②地表破裂②地表破裂 地表破裂是地表变形常见的一种形式。地表破裂是地表变形常见的一种形式。 ③地表连续变形③地表连续变形 地表移动和变形在时间和空间上都具有明显连续地表移动和变形在时间和空间上都具有明显连续 的特征。的特征。 2010- 8- 1438 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.3 开采开采沉陷规律沉陷规律及及计算计算 2.3.1 2.3.1 开采开采沉陷一般规律沉陷一般规律 开采沉陷规律是指地下开采引起的地表移动变形的开采沉陷规律是指地下开采引起的地表移动变形的 大小、空间分布形态及其与地质采矿条件的关系。其大小、空间分布形态及其与地质采矿条件的关系。其 内容主要包括水平、缓倾斜煤层以及急倾斜煤层开内容主要包括水平、缓倾斜煤层以及急倾斜煤层开 采沉陷的分布规律；沉陷稳定后采沉陷的分布规律；沉陷稳定后又称静态又称静态及工作面及工作面 推进过程中推进过程中又称动态又称动态的分布规律；简单地质条件和的分布规律；简单地质条件和 复杂地质条件下的分布规律等等。复杂地质条件下的分布规律等等。 2010- 8- 1439 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.3 开采开采沉陷规律沉陷规律及及计算计算 实测资料分析表明，地表移动盆地的范围远大于实测资料分析表明，地表移动盆地的范围远大于 对应的采空区范围。地表移动盆地的形状取决于采空对应的采空区范围。地表移动盆地的形状取决于采空 区形状和煤层倾角。移动盆地和采空区的相对位置取区形状和煤层倾角。移动盆地和采空区的相对位置取 决于煤层倾角。决于煤层倾角。 水平煤层开采地表移动盆地特征水平煤层开采地表移动盆地特征 倾斜煤层开采地表移动盆地特征倾斜煤层开采地表移动盆地特征 急倾斜煤层开采时地表移动盆地特征急倾斜煤层开采时地表移动盆地特征 2010- 8- 1440 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.3 开采开采沉陷规律沉陷规律及及计算计算 2.3.2 2.3.2 下下沉盆地的表沉盆地的表述述 地表移动依据其形式可分为连续变形、非连续变地表移动依据其形式可分为连续变形、非连续变 形两种。对于非连续变形，主要受地质条件的影响，形两种。对于非连续变形，主要受地质条件的影响， 而对于连续变形，通过几十年的研究，已基本掌握了而对于连续变形，通过几十年的研究，已基本掌握了 地表移动的形态和一般规律。煤矿开采的地表移动及地表移动的形态和一般规律。煤矿开采的地表移动及 形成的下沉盆地可用两种方式进行描述，角值方式和形成的下沉盆地可用两种方式进行描述，角值方式和 数值方式。数值方式。 2010- 8- 1441 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.3 开采开采沉陷规律沉陷规律及及计算计算 （（1 1）地表）地表移动移动盆地的角值表盆地的角值表述述 地表下沉盆地范围、最大下沉位置等均可用实际地表下沉盆地范围、最大下沉位置等均可用实际 观测取得的角值进行确定。这此角量参数包括边界观测取得的角值进行确定。这此角量参数包括边界 角、移动角、最大下沉角、裂缝角、最大下沉速度滞角、移动角、最大下沉角、裂缝角、最大下沉速度滞 后角、超前影响角、充分采动角等。后角、超前影响角、充分采动角等。 2010- 8- 1442 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.3 开采开采沉陷规律沉陷规律及及计算计算 δ0 δ δδ δ δ ““ 0 ABAABB““ ϕϕϕϕ “ “ β β β 0 0 AAABBB““ ϕϕϕϕ γ γ γ β 0 β β “ “ 0 AAABB B““ λ λ λ ϕϕ ϕ ϕ 图2.8 边界角、移动角及裂缝角示意图 松散层移动角（一般取45）； δ0、β0、γ0、、λ0、煤层底板方向的边界角； δ、β、γ、、λ煤层底板方向的移动角； δ″、β″、γ″、、λ″煤层底板方向的裂缝角。 a走向主断面；b倾向主断面；c急倾斜煤层 ϕ 2010- 8- 1443 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.3 开采开采沉陷规律沉陷规律及及计算计算 图2.9 各剖面充分采动角图2.9 各剖面充分采动角 a走向主断面（充分采动）；b倾向主断面（充分采动） c走向主断面（超充分采动）；d倾向主断面（超充分采动） 2010- 8- 1444 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.3 开采开采沉陷规律沉陷规律及及计算计算 图2.10 最大下沉角示意图图2.10 最大下沉角示意图 a非充分采动或充分采动；b超充分采动a非充分采动或充分采动；b超充分采动 图2.11 超前影响角与图2.11 超前影响角与 最大下沉速度角示意图最大下沉速度角示意图 2010- 8- 1445 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.3 开采开采沉陷规律沉陷规律及及计算计算 （（2 2）地表）地表移动移动盆地的数值表盆地的数值表述述 地表沉降除用角值表示其相对区域外，还可用数地表沉降除用角值表示其相对区域外，还可用数 值来表述地表各点的移动量值，包括下沉、水平移值来表述地表各点的移动量值，包括下沉、水平移 动、倾斜、水平变形、曲率、扭曲、剪切、下沉速动、倾斜、水平变形、曲率、扭曲、剪切、下沉速 度、开采影响时间、超前影响距、移动起始距等。度、开采影响时间、超前影响距、移动起始距等。 2010- 8- 1446 山东科技大学资源与环境工程学院山东科技大学资源与环境工程学院刘伟韬（刘伟韬（Tel13789875218）） 2.3 开采开采沉陷规律沉陷规律及及计算计算 （（3 3）地表）地表移动移动盆地边界的划盆地边界的划分分 地表移动盆地划分成如下三个边界地表移动盆地划分成如下三个边界 ①①移动移动盆盆地的地的最最外外边边界界 移动盆地最外边界是以地表移动和变形都为零的移动盆地最外边界是以地表移动和变形都为零的 盆地边界点所圈定的边界，这个边界由仪器观测确盆地边界点所圈定的边界，这个边界由仪器观测确 定。考虑到观测误差，一般取下沉为定。考虑到观测误差，一般取下沉为10mm的点为边界的点为边界 点。点。 2010- 8- 1447 山东科技大学资源与环境工
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