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厚冲积层综放开采角量参数规律研究

厚冲积层综放开采角量参数规律研究
厚冲积层综放开采角量参数规律研究

摘要

厚冲积层是影响地表移动形态、地表移动参数及其变化规律的重要因素。通过对已有预计参数和角量参数的数据处理,运用综合分析法得出各参数与地质采矿条件之间的关系,在此基础上总结出厚冲积层综放开采角量参数规律。研究结论对类似条件矿区的土地复垦、生态保护、沉陷环境的治理提供借鉴经验,具有很好的参考价值和指导意义。

关键字:厚冲积层角量参数综合分析法

ABSTRACT

Thick alluvium is the impact of surface movement patterns, and variation of parameters of surface movement an important factor. Through the existing amount of expected parameters and angular parameters of data processing, the use of an integrated analysis of the parameters obtained with the relationship between the geological and mining conditions, on this basis, summed up caving in thick alluvium angle amount parameter is studied and conclusions similar conditions mine land reclamation, ecological protection, environmental governance provide a reference subsidence experience, a good reference value and significance.

Keywords:thick alluvium Angular parameters integrated analysis method

目录

第一章绪论 (1)

1.1研究背景及意义 (1)

1.2国内外研究状况 (1)

1.3本文研究内容与研究方法 (6)

1.3.1 主要研究内容 (6)

1.3.2研究方法 (6)

第二章地表移动和变化规律 (8)

2.1岩层移动和破坏过程 (8)

2.2岩层移动和破坏的形式 (9)

2.3地表移动的形式 (10)

2.4充分采动程度 (11)

2.5地表移动盆地主断面 (13)

2.6地表移动盆地的特征 (14)

2.7地表移动盆地边界的角量参数 (16)

2.7.1 角量参数的计算 (17)

2.7.2角量参数的变化特点 (18)

第三章厚冲积层综放开采较量参数规律研究 (19)

3.1下沉系数 (19)

3. 2主要影响角正切

tg (21)

3.3水平移动系数b (23)

3.4边界角 (25)

3.5移动角 (27)

3.6 下沉角 (28)

3.7 传播角 (30)

3.8 影响角 (31)

3.9 滞后角 (33)

3.10 充分采动角 (34)

第四章主要结论 (37)

致谢 (39)

参考文献 (40)

附表1:观测站一览表 (41)

1.绪论

1.1研究背景及意义

地表移动规律的研究对国民经济的发展和改善人民的生活环境都有着重要的意义。为了进行现代化建设,需要开采大量的有用矿物(包括煤炭),但是开采这些有用矿物产生的岩层和地表的移动与变形又反过来影响和破坏岩体内和地面上的一些生产及生活设施,影响生产的发展,给人民的生活带来许多不便。为了解决好这个矛盾,只有依靠对岩层和地表移动的深入研究。

在“三下”采煤的生产实践中,我国目前“三下”压煤量高达133.5亿t,而其中的开采量只有7亿t,仅占5%。随着社会的发展和技术的进步、煤矿生产规模的扩大及开采强度的提高,开采“三下”压煤的必要性及紧迫性就更加突出。准确的地表移动角量参数同基本参数一样具有重要的意义:地表移动基本参数涉及到煤炭开采以后地表变形程度,而角量参数决定移动盆地的形态及可靠的地质损害分析、永久及临时安全煤柱的合理留设。常规采矿条件的角量参数已为从事”三下”压煤开采的人员所认识,而特殊地质采矿条件的角量参数有别于常规地质采矿条件,所表现出来的沉陷情况、地表移动变形和土地破坏规律有较大的差异性、获取的地表移动变形角量参数也不同,有待于进一步深入研究,厚冲积层综放开采较量参数规律便是其中之一。

本文采取数据分析的方式进行厚冲积层综放开采角量参数规律研究。研究结论对类似条件矿区的土地复垦、生态保护、沉陷环境的治理提供借鉴经验,具有很好的参考价值和指导意义。

1.2国内外研究状况

早在十九世纪末,采矿引起的覆岩移动与破坏以及由此造成的井巷和地面建筑物的损害就引起了人们的注意,并进行了初步的观测和记录。由于对矿山岩层和地表移动规律研究的不够,在二十世纪初以前,因为开采使铁路、房屋遭到破坏、井下透水造成人员死亡的惨案时有发生。1875年德国的约汉。载梅尔矿,由于地表塌陷使铁路的钢轨悬空,影响列车的运行;1895年日本海下采煤时,海水沿着由于开采而扩大的构造裂缝溃入井下,使得矿井全部淹没,致使237人死亡。

二十世纪三十年代,在一些产煤先进的国家已把岩层与地表移动作为一项科学研究工作而进行。随着社会发展和技术进步,随着煤矿生产规模的扩大及开采强度的提高,特别是由于工业的迅速发展和地质勘探技术水平的迅速提高,开采“三下一上”压煤的

必要性、紧迫性就更加突出。在我国,虽然一般煤田都保有巨大的储量,目前尚不普遍要求开采保安煤柱,但是对于一些开采规模很大、历史较久的老矿区,甚至是一些新井,却面临着必须立刻着手解决的“三下一上”压煤的开采问题。我国目前从“三下一上”的压煤中开采量只有7亿t ,仅占整个“三下一上”压煤量的5%左右。而如果通过地表及岩层移动规律的研究能将“三下一上”的压煤量解决一半,就可供66个年产100万t 的大型矿井生产100年。可见研究岩层及地表移动规律的紧迫性及重要性。为适应社会主义现代化建设的需要,要求我们在学习前人经验的基础上,不断探索,努力在矿山岩层和地表移动规律的研究上多作工作,为“三下一上”压煤合理、科学的开采作出我们的贡献。

20世纪80年代初,在淮北的刘桥一、矿朱仙庄矿等发现在厚冲积层条件下,采矿引起的地表下沉系数大于1,一些专家学者由此开始了对厚松散层的研究。对于下沉系数大于1的现象,学者们经过研究认定采煤和巷道掘进工程中含水地层的局部水位降低,失水地层受附加荷载作用,导致了土层空隙比发生变化,从而引起地表的附加下沉,他们还讨论了下沉机理和附加下沉的计算问题。

对于厚冲积层下开采地表沉陷量的构成,目前理论界已基本达成共识,即:地表下沉量的构成,主要包括两部分:一是开采岩土体的塌陷,包括岩土体的塑性变形、流变及冒落物的压密等,即传统的开采沉陷量;二是开采沉陷土体的固结变形量,而且土体固结变形量在开采沉陷构成中占相当大比例。

原苏联顿巴斯和西顿巴斯矿区厚松散含水层下采煤地表观测显示出下沉系数为0.85,水平移动系数为0.40。最大下沉角为 90°,剧烈期占总移动期的70%,剧烈期下沉值达最大下沉值的 97%。用 k H h / (h 为冲积层厚度,k H 为基岩厚度)衡量冲积层的影响,主要是研究了k H h /对水平移动的影响。波兰的J.什泰拉克研究了由于含水层疏干造成的下沉量,但是,这种情况在厚冲积层地区极少存在,一是因为厚冲积层含水层和隔水层交互沉积,开采中产生如此大的水位下降和水砂溃入矿井的情况较少见;二是因为厚冲积层经长期地质压密作用形成的底部松散层大都为密实砂,含粘粒量较大,难以完全疏干,砂层压密难以解释厚冲积层开采沉陷机理,因此,这种公式并不适合于厚冲积层沉陷变形预计。

迄今为止,对岩层与地表移动变形的研究,尽管各国家专家、学者提出了各种学说,总结出了不同的计算方法,但归纳起来大致可分为二类即经验法及理论模型法。

1.2.1 经验法

这种方法基于实测资料,通过大量的岩移实测资料的数据分析、处理,确定预计各种移动、变形值的函数形式(解析公式、曲线或表格)和计算预计参数的经验公式。

目前,最完善、应用最广,最具代表性的计算和预计方法主要有剖面函数法和典型曲线法。

1.2.1.1剖面函数法

根据地表下沉盆地剖面形状来选择描述下沉盆地剖面的相应函数,作为计算地表移动和变形的公式。剖面函数的函数形式是基于实测资料、凭经验确定的,只要与实测资料符合的好,并非需要有理论模型作依据。剖面函数形式以拟合或最优化方法确定,并常表示为与地质采矿条件数据有关的经验公式,以便在预计时采用。剖面函数的形式很多,卡扎柯夫斯基和阿维尔申提出的指数函数的经验公式在前苏联曾得到广泛的应用;波兰学者柯赫曼斯基在统计理论的基础上也提出了计算方法并为其配备了计算表格;我国许多矿区也使用过剖面函数法。应用较多、最具代表性的主要是负指数函数法。

负指数函数法是采用负指数函数来表示下沉剖面函数的方法。它适用于近似矩形工作面开采时的地表移动与变形预计。负指数函数的经验公式为:

n aZ x e W W -=0 (1-1)

注: x W ——地表移动盆地主断面上任意点的下沉值(mm );

0W ——地表最大下沉值(mm );

e ——自然对数的底;

L X Z /=

(1-2) 注: L ——移动盆地的半长(m );

X ——地表移动盆地主断面上任意点到最大下沉点的距离(m );

a ,n 是待定系数,根据矿区的实测资料,用最小二乘法求出。

根据地表其他移动和变形与地表下沉之间的关系,利用下沉函数可以求的下面函数式: 地表倾斜变形:n aZ n x x e Z W L

na dX dW T ---==10 (1-3) 地表曲率变形:[]

n aZ n n x x e Z n naZ W L na dX W d K -----==2)1(20222)1(/ (1-4) 地表水平移动:n

az n x x e Z W L

na B BT U ---==10 (1-5) 地表水平变形:[]

n az n n x x e Z n naZ W L na B

BK -----==2)1(202)1(ε (1-6) 1.2.1.2典型曲线法: 典型曲线法是采用无因次的典型曲线表示移动盆地主断面上的移动和变形曲线的一种方法,它适用矩形或近似矩形采区的地表移动变形预计。

典型曲线可以用与因次曲线表示,也可以用诺模图或分布系数表示。

1.2.2理论模型法

理论模型法是通过对岩移过程的全面分析,把岩体抽象为某个数学或力学的理论模型,通过这个模型的性质,推导出计算岩层和地表移动变形最大值及分布态式的解析公式,其中所用的预计参数根据实测资料确定。

1.2.2.1弹塑性理论

阿尔维申曾应用塑性理论研究地表移动,波兰的沙乌斯托维奇及印度的库尔玛等人认为下沉盆地剖面类似于梁或板的弯曲,这种理论能够解释岩层移动的力学现象,但由于受采动岩体力学参数难以确定,起初并不实用,近年来计算机技术的飞速发展,有限单元的广泛应用,使弹塑性理论不断接近实用,目前越来越多的学者采用弹塑性理论来研究和预计岩层及地表移动,并提出岩体力学参数的实验室值与实际值之间的关系,但各有不同。

1.2.2.2概率积分法

概率积分法是我国目前应用最广泛,最成熟的岩层与地表移动变形预计方法之一,概率积分法是由两种理论——随机介质理论和几何理论从不同角度出发研究岩层及地表移动规律得出的相同结果。

随机介质理论是李特维尼申教授于1956年提出的,他把岩石移动过程看做一个随机过程,并用概率论证明岩石下沉场可用随机过程的柯尔莫哥洛夫方程式表示,我国刘宝琛、廖国华教授等专家学者在这方面做了许多工作,完善和发展了这一理论,是任意形工作面开采产生的地表移动与变形预计成为可能,弥补了经验法的不足,并提高了随机介质理论的实用性。

几何理论创始源于上世纪二十年代,按照这一理论用几何方法划分开采影响带,即从几何角度出发研究地表移动规律。1950年以来,这种理论由布德雷克,克诺特教授加以发展和完善,由于有高斯曲线作为开采的连续影响曲线而使几何理论更加严密和符合实际。

虽然随机介质法和几何理论是出发点不同的两种理论,但它们的最终表达式是一致的,由于都用了概率积分函数计算,统称概率积分法。

概率积分法的最终表达式:

??

????+=1)(2)(max x r erf W x W π (1-7)

注: max W ——充分采动条件下地表最大下沉值,

αηcos m ax ??=m W (mm );

m ——采厚(mm );

η ——下沉系数;

r ——主要影响半径;

α ——煤层倾角;

H ——平均采深(m );

β ——主要影响角;

?-=r

U dU e x r erf π

ππ

022)( (1-8) 概率积分函数)(x r erf π可以用r π

为引数,直接查概率积分表求出。得出下沉曲

线函数后,根据下沉与其他移动变形的关系即可求出其他移动和变形。

2002年张德海等人根据豫东永夏矿区的实测资料,分析了巨厚松散层下开采引起的地表移动特征, 阐述了地表采动稳定的判别方法及预计的双重介质模型,得出了厚松散层下开采的地表移动参数与松散层厚度的定量关系以及地表移动期的量化特征。

1.下沉系数

对永夏矿区松散层厚度不同条件下地表下沉系数分析得出, 下沉系数与上覆岩层的性质密切相关。当基岩岩性类似时,下沉系数随松散层厚度所占采深比例的增大而增大; 反之,随松散层厚度所占采深比例的减小而减小。因此, 可将松散层简化视为一自由荷载均布于基岩表面上,松散层厚度占采深比例越大, 基岩所承受荷载越重, 进而缩小了岩层的离层及碎胀系数,加大了地表的下沉。而厚松散层的下沉机理不同于基岩层的下沉, 主要是饱和土体在开采沉陷中的固结变形作用引起的。分析永夏矿区巨厚散层下开采的下沉系数与松散层厚度之间的关系, 可用如下函数表示,即:

)(0

H h Y s f q += (1-9) 经分析永夏矿区厚松散层下开采地表下沉系数与开采深度、松散层厚度的关系为:

)12.01.1(92.00

H h q += (1-10) 2. 地表移动水平系数

水平移动系数是反映地表点最大水平移动值与最大下沉值之间的关系的一个参数。一般条件下,在考虑水平移动系数时, 只考虑水平移动系数与煤层倾角之间的函数关系, 水平移动系数随煤层倾角的增大而加大。对厚松散层矿区研究发现, 一方面松散层随着基岩的移动而移动; 另一方面, 由于松散层的流变和蠕变特性, 本身也以流动的形式充填基岩下沉空间, 水平移动系数数值随着松散层厚度的增大而加大。故倾角及松散层

厚度对水平移动系数均有较大影响。因此, 对于永夏这样具有巨厚松散层的矿区, 研究水平移动系数时, 除考虑煤层倾角影响外, 还要考虑松散层厚度影响; 在煤层倾角不大的情况下, 应着重考虑松散层厚度的影响。他们之间的关系式为

21.1128633.2487336

.6572H h b -= (1-11) 3.主要影响正切角

主要影响角决定下沉盆地的横向发育状况。松散层作为一种与基岩物理特性差异较大的介质, 它影响着地表参数的变化及地表移动盆地的形态。松散层的流变性决定了地表移动范围较大, 这种趋势随松散层厚度的增大而增大。分析永夏矿区厚松散层下开采的地表移动观测成果, 其主要影响角正切与松散层厚度、采深的定量关系为:

)13

.086.1(02.1tan 0

H h -=β (1-12) 1.3本文研究内容与研究方法

1.3.1 主要研究内容

本次是通过已有数据分析,对厚冲积层综放开采角量参数规律进行研究。在这种条件下,如何安全、高效地采出有限的煤炭资源,对于实现煤矿可持续发展具有重要意义。为了掌握厚冲积层综放开采角量参数规律,为“三下”采煤、土地赔偿、土地综合利用、村庄搬迁等工作的顺利开展,提供科学的技术依据。本文拟作下述几个方面的工作:

1.总结地表移动和变化规律。

2.分析预计参数下沉系数q 、主要影响角正切βtg 、水平移动系数b 与冲积层厚度和总采深之比(0/H h )、采厚H 、倾角α之间的关系。

3.分析角量参数边界角δ、移动角δ、下沉角θ、传播角0θ、影响角ω、滞后角φ、边界角δ、充分采动角1φ与冲积层厚度和采深之比(0/H h )、采厚M 、倾角α的关系。

4.总结厚冲积层综放开采角量参数规律。

1.3.2研究方法

本论文以厚冲积层综放开采较量参数规律为研究基础,收集相关方面的文献资料,在借鉴前人取得了理论成果上,通过综合分析法,比较分析法,回归分析法已给数据进行数据处理,结合理论知识,对数据的图形结构进行细致的分析,从而得到其中的规律。

根据主要研究内容和主要研究方法制定出了本论文的研究技术路线,见图1-1。

图1-1 技术路线图Figure 1-1 Technology Roadmap

2.地表移动和变化规律

2.1岩层移动和破坏过程

在地下煤层被采出前,岩体在地应力场作用下处于相对平衡状态。当部分煤层被采出后,在岩体内部形成一个采空区,其周围岩体应力平衡状态受到破坏,引起应力重新分布,从而使岩体产生移动、变形和破坏,直至达到新的平衡。随着工作面的推进,这一过程不断重复。这是十分复杂的物理、力学变化过程,也是岩层产生移动和破坏过程,这一过程和现象称为岩层移动。

为了便于理解,以近水平煤层开采为例,说明岩层移动和破坏过程和应力状态的变化。当地下煤层开采后,采空区直接顶板岩层在自重应力及上覆岩层重力的作用下,产生向下的移动和弯曲。当其内部应力超过岩层的应力强度时,直接顶板首先断裂、破碎,相继冒落,而老顶岩层则以梁、板的形式沿层面法向方向移动、弯曲,进而产生断裂、离层。随着工作面向前推进,受到采动影响的岩层范围不断扩大。当开采范围足够大时,岩层移动发展到地表,在地表形成一个比采空区范围大得多的下沉盆地,如图2-1所示。

图2-1 采空区上覆岩层移动破坏示意图

Figure 2-1 mined strata movement and failure diagram

由于岩层移动和破坏的结果,使采空区周围应力重新分布,形成增压区(支承压力区)和减压区(卸载压力区)。在采空区边界煤柱及其边界上、下方的岩层内形成支承压力区,其最大压力为原岩应力场的3~4倍。由于支承压力的作用,使该区煤柱和岩层被压缩,有时被压碎,煤层被挤向采空区。由于增压的结果,使煤柱部分被压碎,支承载荷的能力减弱,于是支承压力峰值区向煤壁深处转移。在回采工作面的顶、底板岩层内形成减压区,其应力小于采前的正常压力。由于减压的结果,使下部岩层发生弹性

恢复变形。上部岩体由于受下部岩体移向采空区的结果,可能在顶板岩层内形成离层,而底板岩层在采空区范围内卸压,在煤柱范围内增压,两种压力作用的结果,可能出现采空区地板向采空区隆起的现象。

2.2岩层移动和破坏的形式

在岩层移动过程中,采空区周围岩层的移动和破坏形式主要有以下几种:

1.弯曲

弯曲是岩层移动的主要形式。当地下煤层被开采后,从直接顶板开始岩层整体沿层面法线方向弯曲,直到地表。此时,有的岩层可能会出现断裂或大小不一的裂隙,但不产生脱落,保持层状结构。

2.垮落

垮落(又称冒落)这是岩层移动过程中最剧烈的形式,通常只发生在采空区直接顶板岩层中。当煤层采出后,采空区附近上方岩层弯曲而产生拉伸变形。当拉伸变形超过岩层的允许抗拉强度时,岩层破碎成大小不一的岩块,无规律地充填在采空区,此时,岩体体积增大,岩层不再保持其原有的层状结构。

3.煤的挤出

采空区边界煤层在上覆岩层强大的压力作用下,部分煤体被压碎挤向采空区,这种现象称为煤的挤出(又称片帮)。由于增压区的存在,煤层顶底板岩层在围岩压力作用下产生竖向压缩,从而使采空区边界以外的上覆岩层和地表产生移动。

4.岩石沿层面的滑移

在开采倾斜煤层时,岩石在自重力的作用下,除产生沿层面法线方向的弯曲外,还会产生沿层面方向的滑动。岩层倾角越大,岩层沿层面滑移越明显。沿层面滑移的结果,使采空区上山方向的部分岩层受拉伸,甚至剪断,而下山方向的部分岩层受压缩。

5.岩石的下滑

当煤层倾角较大,而且开采自上而下顺序进行,下山部分煤层继续开采而形成新的采空区时,采空区上部垮落的岩石可能下滑而充填新采空区,这种现象称为岩石的下滑(又称岩石的滚动)。从而使采空区上部的空间增大,下部空间减小,使位于采空区上山部分的岩层移动加剧,而下山部分的岩层移动减弱。

6.底板的隆起

当底板岩层较软且倾角较大时,在煤层采出后,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。

在某一个具体的岩层破坏和移动过程中,以上六种移动形式不一定同时出现。另外,松散层的移动形式是垂直弯曲,不受煤层倾角的影响。在水平煤层条件下,松散层和基岩的移动形式是一致的。

2.3地表移动的形式

1.地表移动盆地

当地下工作面开采达到一定距离后(约为采深的1/4~1/2时),开采影响到地表,受采动影响的地表从原有的标高向下沉降,从而在采空区上方形成一个比采空区大得多的沉陷区域,称为地表移动盆地,或称下沉盆地,地表移动盆地的形成,改变了地表原有的形态,引起地表标高、水平位置发生了变化,对地表的建筑、道路、河流、铁路、生活环境等产生了影响,如图2-2所示。

图2-2 地表移动盆地形成的过程

Figure 2-2 The formation process of ground movement Basin

1,2,3,4——工作面推进的位置;1ω,2ω,3ω,4ω——相应工作面上方的地表移动盆地;04ω——最终的静态移动盆地

2.裂缝及台阶

在地表移动盆地的外边缘区,地表可能会产生裂缝,裂缝的深度和宽度与有无松散层及其厚度有关。松散层的塑性大,地表拉伸变形值超过6~10mm/m ,才产生裂缝,松散层的塑性小,变形值超过2~3mm/m ,即可产生裂缝。一般地表裂缝与地下采空区不连通,到一定深度可能尖灭。当松散层较薄时,地表的移动取决于基岩的移动特征,地表可能出现裂缝或台阶,见图2-3

图2-3 开采引起的地表裂缝

Figure 2-3 surface cracks caused by mining

图2-4 开采引起地表台阶裂痕及建筑物损害

Figure 2-4 Steps cracks and surface mining caused damage to buildings 3.塌陷坑

急倾斜煤层开采时,煤层露头处附近地表呈现出严重的非连续性破坏,往往会出现

漏斗状的塌陷坑。塌陷坑大致位于煤层露头的正上方或略偏离露头位置。但是在某种特

殊的地质采矿条件下也易产生塌陷坑。比如,在采深很小、采厚很大时,由于采厚不一

致,造成覆岩破坏高度不一致,地表也可能出现漏斗状塌陷坑。在有含水层的松散层下

采煤时,不适当地提高回采上限也会引起地表产生漏斗状的塌陷坑,见图3-5.

图2-5 开采引起的地表塌陷坑

Figure 2-5 surface subsidence caused by mining pit

地表出现的裂缝、台阶或塌陷坑,对位于其上的建筑物危害极大。所以在建筑物下、

铁路下或水体下采煤时,应极力避免出现大的裂缝、台阶和塌陷坑。

2.4充分采动程度

1.地表移动盆地的类型

根据采动对地表影响的程度,一般将地表移动盆地划分为三种类型:

(1)非充分采动下沉盆地

当采空区尺寸小于该地质采矿条件下的临界开采尺寸时,地表任意点的下沉值均未达到该地质采矿条件下应有的最大值,这种采动称为非充分采动,此时地表移动盆地称为非充分采动下沉盆地,形状为漏斗形。工作面在一个方向(走向或倾向)达到临界开采尺寸,而另一个方向未达到临界开采时,也属非充分采动,此时的地表移动盆地为槽形,如图2-6所示。

图2-6 非充分采动时的地表移动盆地

Figure 2-6 Non-sufficient ground movement during mining basin

(2)充分采动下沉盆地

当地表移动盆地内只有一个点的下沉达到该地质采矿条件下应有的最大下沉值的采动状态,称为充分采动,又称临界开采。此时地表移动盆地称为充分采动下沉盆地,形状为碗形,如图2-7所示。现场实测表明,当采空区的长度和宽度均达到和超过1.2~

1.40H (0H 为平均开采深度)时,地表达到充分采动。

图2-7 充分采动时的地表移动盆地

Figure 2-7 Full recovery when the ground movement Basin

(3)超充分采动下沉盆地

当达到充分采动后,开采工作面的尺寸再继续扩大时,地表的影响范围相应扩大,但地表最大下沉值不再增加,地表移动盆地将出现平底。地表有多个点的下沉值达到最

大下沉值的采动情况,称为超充分采动,此时地表移动盆地称为超充分采动下沉盆地,形状为盆形,如图2-8所示。

图2-8 超充分采动时的地表移动盆地

Figure 2-8 over the full surface movement during mining basin 2.充分采动角

引入充分采动的概念主要是研究地表移动盆地的性质,充分采动程度常用充分采动角(常用ψ表示)来确定。充分采动角是指在充分采动条件下,在地表移动盆地的主断面上,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连线与煤层在采空区一侧的夹角称为充分采动角。下山方面的充分采动角以ψ

1

表示,上山方向的充分

采动角以ψ

2表示,走向方向的充分采动角以ψ

3

表示。

2.5地表移动盆地主断面

1.定义

通常将地表移动盆地内通过地表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的主断面。

从以上定义可看出,当非充分采动和刚达到充分采动时,沿走向和倾向分别只有一个主断面;当超充分采动时,地表有若干个最大下沉值,通过任意一个最大下沉值沿煤层走向或倾向的垂直断面,都可成为主断面,此时主断面有无数个;当走向达到充分采动,倾向未达到充分采动时,有无数个倾向主断面,只有一个走向主断面;当倾向达到充分采动,走向未达到充分采动时,有无数个走向主断面,只有一个倾向主断面。

2. 地表移动盆地主断面的特征

从主断面的定义可知,地表移动盆地主断面具有如下特征:

(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。

由于主断面的上述特征,在研究开采引起的地表移动和变形分布规律时,为简单起见,首先研究主断面上的地表移动和变形。

3.最大下沉角

最大下沉角就是在倾斜主断面上,由采空区的中点和移动盆地最大下沉点在基岩面上投影点的连线与水平线之间沿煤层下山方向一侧的夹角,常用θ表示(如图2-9)。实测资料表明,最大下沉角θ与覆岩岩性和煤层倾角α有关,在倾斜或缓倾斜煤层条件下(α<60°~70°),θ值随煤层倾角的增大而减小。一般用下式表示:

θ+?

α

=90(2-1)注:k—与岩性有关的系数;

α—煤层倾角。

图2-9 最大下沉角确定方法示意图

Figure 2-9 Schematic method for determining angle of maximum subsidence

2.6地表移动盆地的特征

1.地表移动盆地的三个区域

实测表明,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和位置取决于采空区的形状和煤层倾角[1]。在移动盆地内,各个部位移动和变形的大小不尽相同。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三个区域(图2-10):

图2-10 地表移动盆地内的三个区域

Figure 2-10 basin surface movement within the three regions (1)移动盆地的中间区域(又称中性区域)

移动盆地的中间区域位于盆地的中央部位,即图中用1字标出的部分。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。

(2)移动盆地的内边缘区(又称压缩区域)

移动盆地的内边缘区一般位于采空区边界附近到最大下沉点之间,即图中用2字标出的部分。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。

(3)移动盆地的外边缘区(又称拉伸区域)

移动盆地的外边缘区位于采空区边界到盆地边界之间,即图中用3字标出的部分。在此区域内,地表下沉不均匀,地面移动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数值后,地面将产生拉伸裂缝。

2.7地表移动盆地边界的角量参数

通常用角值参数确定移动盆地边界。描述地表移动盆地形态和范围的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2-11所示。

图2-11 地表移动盆地边界的确定

Figure 2-11 to determine the boundaries of the basin surface movemen t

(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(下沉为10mm )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,边界角可分为走向边界角、下山边界角、上山边界角、急倾斜煤层底板边界角,分别用δ0、β0、γ0、λ0表示。

(2)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。按不同断面,边界角可分为走向移动角、下山移动角、上山移动角、急倾斜煤层底板移动角,分别用δ、β、γ、λ表示。

(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煤柱一侧的夹角称为裂缝角。按不同断面,裂缝角可分为走向裂缝角、下山裂缝角、上山裂缝角、急倾斜煤层底板裂缝角,分别用δ〃、β〃、γ〃、λ〃表示。

(4)松散层移动角

如图2-12所示,用基岩移动角自采空区边界划线和基岩松散层交接面相交于B 点,B 点至地表下沉为10mm 处的点C 连线与水平线在煤柱一侧所夹的锐角称为松散层移动角。它不受煤层倾角的影响,主要与松散层的特性有关。

图2-12 松散层移动角示意图

Figure 2-12 Schematic loose layer of movement angle

2.7.1 角量参数的计算

《建筑物、水体、铁路及其主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的规定,地表临界变形值的点规定的变形为T=3mm/m ,ε=2mm/m ,K=0.2*310-/m 。而该点至工作面上、下山及走向边界的距离为1L 、2L 、0L ,则地表移动受诸多地址因素的综合移动角的计算

公式为:

arcctg =综β1

1H L (2-2) 2

2H L arcctg =综γ (2-3)

0arcctg H L =综δ (2-4) 从上面的公式看不出移动角与地质采矿条件的关系,有关资料表明,厚表土矿区的移动角随采厚m 与采深之比(m/H ),倾角α的增大而减小,边界角、裂缝角也是如此,但上述角量参数应根据充分或接近充分开采条件的实测资料而求出,由于现有观测站的工作面在倾斜方向几乎都为非充分采动,因此现有资料无法再上述角量参数变化规律的分析,而若有那个所求基本参数进行地表移动变形的反计算而回归出角量参数的变化规

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