第七章 矿山开采沉陷预测

煤矿开采沉陷预计理论与方法研究评述摘要：开采沉陷预计是矿山开采沉陷学科的核心内容之一,它对开采沉陷的理论研究和生产实践都有重要意义。

本文详细分析了煤矿开采沉陷预计理论与方法。

关键词：开采沉陷；预计方法；影响因素；预计误差开采沉陷预计理论和方法是认识采动地表移动变形规律、明确沉陷移动机理、开展采动损害评价和责任认定及采动损害控制技术研究的基础，也是开采优化设计的先决条件之一。

一、开采沉陷的预计方法1、剖面函数法。

根据不同开采条件下地表下沉盆地剖面形状,确定不同的剖面函数来描述下沉盆地,作为预计地表移动和变形的公式,这种预计地表移动和变形的方法统称为剖面函数法。

它的优点是使用方便且直观；利用数学公式便于进行数学分析和使用计算机解算；利用较少的实测资料就可以确定预报公式的参数值。

但剖面函数不一定符合实际下沉盆地的形状,特别是预报特征点变形值时可能出现较大的偏差。

该方法仅适合于相同地质采矿条件下的矩形工作面上方的地表移动变形预计。

因此,这种方法没有被广泛使用。

2、影响函数法。

目前，此法所用的参数常根据实测资料求定，可适用于任意形状的工作面，任意开采程度、地表任意点及岩层的移动和变形预计，相比剖面函数法应用范围较广，但没有剖面函数法精度高。

目前已成为我国较成熟的、应用最为广泛的预计方法之一。

3、典型曲线法。

通过建立在研究区域的观测站观测地表移动情况，把观测值绘制成无因次曲线，来表示移动盆地主断面上的变形曲线方法，称为典型曲线法。

该方法虽然预计精度比较高，但需要大量的实测数据，由于很多区域数据不足，造成这种方法局限性比较大，并未被广泛使用。

二、预计方法理论知识1、数值模拟沉陷预计理论。

以实测数据为手段的典型曲线法为基础理论，对矿区层进行科学的比例缩小，利用同等质材建立模型，并进行开采模拟，对开采进行全程观测，对地表异动情况进行数据收集、分析，与原地表结构进行比对，推算出岩层的变形函数。

该种方法优点是成本低、准确率高、周期较短、直观地表；缺点是对模型的相似程度不能给予绝对保证，因此该方法还存在受限发展的状态。

1．“三带”的定义?答：冒落带是指用全部垮落法管理顶板时，回采工作面放顶后引起煤层直接顶板岩层产生破坏的范围。

裂缝带：在采空区上覆岩层中产生裂缝、离层及断裂，但仍保持层状结构的那部分岩层。

弯曲带：又称整体移动带，位于裂缝带之上直至地表。

2.地表移动盆地边界的确定（此题答案不确定）一、地表移动盆地边界的划分地表移动盆地划分成如下三个边界：(一)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10mm的点为边界点。

所以，最外边界实际上是下沉为10mm的点圈定的边界。

（图中ABCD）(二)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。

（图中A’B’C’D’）不同结构的建筑机能承受最大变形的能力不一样，所以各种类型的建筑物都应有对应的临界变形值。

在确定移动盆地内危险移动边界时，用相应建筑物的临界变形值圈定，会更接近于实际。

(三)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。

3.地表移动观测站设计内容有哪些？答：观测站设计包括便携设计说明书和绘制设计图两部分工作。

设计说明书应包括下列内容：1)建立观测站的目的和任务2)设站地区的地形、地物及地质采矿条件3)观测站设计时所用的开采沉陷参数4)观测线的位置及长度的确定，测点及控制点的数目、位置及其编号5)工作测点和控制点的构造及其埋设方法6)观测内容及所用仪器，与矿区控制网的联测方法，精度要求，联测的起始数据，定期观测时间、方法及精度要求，有关地表采动影响的测定，编录方法。

7)经费估算：包括观测站所需材料、购地、人工等费用的预算8)观测成果的整理方法与分析步骤，所需获得的成果4.水平煤层(或沿煤层定向主颁)非充分采动时主断面内下沉曲线特征?答：判别：水平煤层开采时的采动程度可用走向充分采动角φ3来判别。

当用φ3 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。

矿山岩层与地表沉陷的预测方法矿山开采是人类活动中对地球表层最大的改变之一，其对地表沉降和地质灾害的影响也是不可忽视的。

因此，预测矿山岩层与地表沉陷是矿山开采中的重要问题之一。

本文将介绍矿山岩层与地表沉陷的预测方法。

一、矿山岩层与地表沉陷的原理矿山开采会对地下岩层产生影响，导致岩层的变形和破坏，从而引起地表沉降。

矿山岩层与地表沉降的原理是：在矿山开采过程中，岩石的应力状态会发生变化，从而导致岩石的变形和破坏。

当岩石的强度不足以支撑上部地层时，岩石就会向下移动，使地表产生沉降。

二、矿山岩层与地表沉降的预测方法（一）经验公式法经验公式法是根据矿山岩层和地表沉降的历史数据，通过统计分析和回归分析，建立预测模型，以预测矿山开采对地表沉降的影响。

该方法简单易行，适用于类似矿山的预测。

但是，由于该方法只考虑了历史数据，没有考虑到岩层和地表沉降的物理机理，因此预测精度较低。

（二）数值模拟法数值模拟法是使用计算机模拟矿山开采对岩层和地表沉降的影响。

该方法可以考虑岩层和地表沉降的物理机理，预测精度较高。

但是，该方法需要大量的数据和计算资源，建模和计算复杂，需要一定的专业知识和技能。

（三）物理模拟法物理模拟法是通过实验室模拟矿山开采对岩层和地表沉降的影响，以预测矿山开采对地表沉降的影响。

该方法可以直接观测到岩层和地表沉降的变化，预测精度较高。

但是，该方法需要大量的实验室设备和人力物力，成本较高，且实验结果可能受到实验条件的限制。

三、矿山岩层与地表沉降的预测案例以某矿山为例，使用数值模拟法预测该矿山开采对地表沉降的影响。

首先，建立矿山岩层和地表沉降的模型，采用有限元法进行模拟计算。

然后，根据矿山开采的方案和时间表，预测矿山开采对地表沉降的影响。

最后，与实际监测数据进行比对，验证预测精度。

预测结果显示，该矿山开采对地表沉降的影响较小，最大沉降量为10毫米。

与实际监测数据进行比对，预测精度较高，误差小于5毫米。

四、结论矿山岩层与地表沉降的预测是矿山开采中的重要问题之一。

矿山开采沉陷学第一章：1：在地下开采前，岩体在地应力场作用下处于相对平衡状态。

局部矿体被采出后，在岩体内部形成一个采空区，导致周围岩体应力状态发生变化，引起应力重分布，从而使岩体产生移动变形和破坏，直至到达新的平衡。

随着采矿工作的进展，这一过程不断重复。

它是一个十分复杂的物理、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。

2：充分采动区COD位于采空区中部上方，其移动特征是：煤层顶板在上覆岩体重力作用下，先向采空区方向弯曲，然后破碎成大小不一的岩块向下冒落而充填采空区。

此后，岩层成层状向下弯曲，同时伴随有离层、裂隙、断裂等现象。

成层状弯曲的岩层下沉，使冒落破碎的岩块逐渐被压实。

移动完毕后，此区内下沉的岩层仍平行于它的原始层位，层内各点的移动向量与煤层法线方向一致，在同一层内的移动向量彼此相等。

3：岩层移动形式〔一〕弯曲，这岩层移动的主要形式。

当地下开采后，从直接顶板开场沿层面法线方向弯曲，直到地表。

〔二〕岩层的垮落〔或称冒落〕。

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，冒落充填于采空区。

此时，岩层不再保持其原有的层状构造。

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。

〔三〕煤的挤出〔又称片帮〕。

采空区边界煤层在支承压力作用下，一局部被压碎挤向采空区，这种现象称为片帮。

由于增压区的存在，煤层顶底板岩层在支承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岩层和地表产生移动。

〔四〕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移动。

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局部岩层受拉伸，甚至剪断，而下山方向的局部岩层受压缩。

〔五〕垮落岩石的下滑〔或滚动〕。

煤层采出后，采空区为冒落岩块所充填。

第七章 开采沉陷的一般规律名词索引：地表移动 下沉盆地 基本规律 下沉 倾斜 曲率 水平移动 水平变形 空间分布 时间过程 地表移动预计 基本参数第一节 地表移动变形的概念一、地表下沉盆地形态及其基本指标如第六章所述，当地下煤层被采空后，上覆岩层的原始状态遭到破坏，煤层以上一定范围的岩层发生冒落，发生冒落的区间叫冒落带。

冒落带以上一定范围的岩层产生裂缝和断裂，该区间叫裂缝带。

裂缝带以上直至地表的岩层发生弯曲和整体下沉，叫弯曲下沉带。

处于弯曲下沉带上部的地表各点向采空区中心方向移动，并形成地表下沉盆地（图7—1）。

上述过程统称岩层和地表移动。

地表移动的状态可用垂直移动和水平移动描述。

其具体的定量指标有下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形、扭曲和剪应变。

目前对于前五种指标的规律研究得比较充分，而对扭曲和剪应变则处于开始阶段，使用尚不广泛。

图7－1下沉地表点的沉降叫下沉（符号W ）。

以本次与首次测得的点的标高差表示，即W =h 1-h j =Δh ，mm （7－1）式中h 1和h j 是第1次和第j 次测得的点的标高，mm 。

倾斜地表下沉盆地沿某一方向的坡度叫倾斜（符号 i ），也叫斜率（图7—2）。

其平均值以两点间下沉差ΔW 除以点间距l 0表示，即i AB =0110l W l W W AB A B ∆=- mm/m （7－2）图7－2曲率下沉盆地剖面线的弯曲度叫曲率（符号K ）。

其平均值以相邻两线段倾斜差Δi 除以两线段中点的间距表示，即：K B =()()02015.05.0l l iBC AB i i ABBC +∆=+-×10-3或 mm/m ² （7－3） 水平移动地表下沉盆地点沿某一水平方向的位移叫水平移动（符号u ），以本次与首次测得的从该点至控制点的水平距离差Δi 来表示，即：U =Δi =i 0 －i j 、mm （7－4）式中l j 、l 0—第j 次和首次测得的该点与控制点的水平距离，mm 。