矿山地表沉陷规律探索

第六章矿山开采沉陷规律及观测站设计开采沉陷规律：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岩层移动分区三个移动特征区：Ⅰ—充分采动区（减压区COD）；Ⅱ、Ⅱ’—最大弯曲区；Ⅲ、Ⅲ’—岩石压缩区（支承压力区）GKMC、HLND岩层移动和破坏的形式（1）弯曲（2）垮落（冒落）（3）滚动（垮落岩石的下滑）（4）片帮（挤出）（5）岩石沿层面的滑移（6）底板岩层的隆起岩层移动和破坏形成的“三带”根据岩层移动破坏的不同，把采动岩层分为三个部分，即岩层移动的“三带”：1）垮落带Ⅰ；2）裂缝带Ⅱ；3）弯曲带Ⅲ；在水体上采煤时，将采动岩体底板也分为三带：1）底板采动破坏带；2）底板阻水带；3）底板承压水导升带1、垮落带指工作面开采达到一定宽度时引起上覆岩层顶板垮落的岩层移动区域垮落带内岩层破坏特点是：（1）分区性：不规则垮落带和规则垮落带（2）碎胀性，碎胀系数值恒大于1，一般在1.5～1.80之间。

（3）可压缩性（4）垮落带高度主要取决于采出厚度和上覆岩层的碎胀系数、岩性等，通常为采出厚度的3～5倍2、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称为裂缝带特征：（1）岩体内裂隙多，但仍保持层状结构（2）导水裂隙带高度与岩性密切相关3、弯曲带指裂缝带以上至地表的区域特点：1）保持整体性和层状结构，隔水性能好2）移动过程连续而有规律，不存在或极少存在离层裂缝3）在竖直面内，各部分的移动值相差很小4）当开采深度大时，H弯＞＞H裂地表移动：指地下采空区面积扩大到一定范围后，岩层移动发展到地表，使地表产生移动与变形，在矿山开采沉陷的研究中称这一过程和现象为地表移动分为两种形式：（1）连续的移动与变形；（2）非连续的破坏地表移动主要的三种形式：（1）地表移动盆地当地下开采达到一定范围后，开采影响波及到地表，受波及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范围大得多的沉陷区域，称为地表移动盆地（2）裂缝及台阶（3）塌陷坑下沉：地表移动向量的垂直分量称为下沉，用w表示水平移动：地表移动向量的水平分量称为水平移动，用u表示充分采动：使地表下沉值达到该地质采矿技术条件下应有的最大值的采空区面积为临界开采面积，此时的地表采动影响称为充分采动非充分采动:当采空区尺寸小于该地质采矿条件下的临界开采尺寸时，地表最大下沉值未达到该地质采矿条件下应有的最大值，称这种采动程度为非充分采动超充分采动：当地表达到充分采动后，开采工作面继续推进时，地表酱油多个点的下沉值达到该地质采矿条件下应有的最大下沉值，此时的采动称为超充分采动地表移动盆地的特征特征：移动范围大于采空区范围；形状与倾角有关移动盆地的分区1）中间区；2）内边缘区（压缩区）；3）外边缘区（拉伸）拐点：内外边缘区的分界点称为或下沉曲线的凹凸变化点地表移动盆地的主断面通过地表移动盆地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主断面当地表非充分采动或者充分采动时，沿一个方向的主断面只有一个；当地表达到超充分采动时，垂直于充分采动方向的主断面有无数个地表移动盆地主断面具有以下特征：（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最充分，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描述地表移动盆地内移动和变形的主要指标：下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形地表移动盆地主要角量参数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、充分采动角和最大下沉角（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矿柱一侧的夹角称为边界角走向δ0、下山β0、上山γ0、急倾斜矿层底板λ0以下沉10mm作为移动盆地最外边界点，以这些点圈定的边界称为移动盆地最外边界（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矿柱一侧的夹角称为移动角走向δ、下山β、上山γ、急倾斜矿层底板λ，表土移动角用φ表示，φ与α无关对建筑物有影响的变形主要有：倾斜、曲率、水平变形临界变形值：不需要维修能保证建筑物正常使用所允许的地表最大变形值称为临界变形值（3)裂缝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，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矿柱一侧的夹角称为裂缝角走向δ〃、下山β〃、上山γ〃、急倾斜矿层底板λ〃（4)充分采动角在充分采动条件下，在地表移动盆地主断面上，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的连线与煤层在采空区一侧的夹角称为充分采动角走向ψ3、下山ψ1、上山ψ2（5)最大下沉角在倾斜主断面上，由采空区的中点和地表移动盆地最大下沉点（非充分或充分采动）或地表移动盆地平底中心点（超充分采动）在地表水平上投影点的连线与水平线之间在煤层下山方向一侧的夹角，用θ表示（观测站：开采进行之前，在开采影响范围内的地表，按照一定要求设置的一系列互相联系的观测点观测站的任务(1)研究地质采矿条件与移动变形的关系，获得开采沉陷参数与地质采矿条件的关系(2)获得地表与岩层内部的移动变形规律(3)获得移动变形与建筑物破坏关系，确定临界变形值(4)获得岩体内部破坏规律观测站设计的原则①观测线应布设在地表移动盆地的主断面上②设站地区在观测期间不受邻近开采的影响③观测线的长度要大于地表移动盆地的范围④观测线上的测点应有一定的密度⑤观测站的控制点要设在移动盆地范围以外，埋设要牢固。

综采放顶煤地表沉陷规律及机理面对煤矿综采放顶所带来的沉陷问题，应加强研究，尤其是了解煤层沉陷规律及其机理的研究，以指导开采，促进煤层支护，维护煤矿安全生产。

本文以《综采放顶煤地表沉陷规律及机理》为题，着重对综采放顶沉陷特性进行研究，从总体上讨论沉陷特征、沉陷规律及机理等方面，旨在为开采放顶及煤层支护提供参考。

一、综采放顶沉陷特性采煤放顶过程中，地表沉陷状态复杂，极易受到矿山近端结构特征、采煤工艺及放顶密度等影响。

总之，采煤放顶沉陷的性质和特点是：1）采煤放顶沉陷多发生在地表处，包括地表上边界沉陷、综合放顶型沉陷、工作面大区域沉陷、小区域沉陷等；2）沉陷大小多受采深和采掘范围影响，一般情况下，采深越深，沉陷越大；3）煤层厚度不均匀时，沉陷方向则出现偏斜，给煤层支护和矿山安全生产带来潜在的危害；4）沉陷多以块状形成，沉陷块多与煤体分布状况和采煤工作面呈现一定的相关性；5）沉陷过程较快，其过程可划分为初始沉陷期、核心沉陷期及暂停期三个阶段；6）沉陷块相对较小，而且沉陷块之间也存在一定的空洞，如果在放顶后不及时进行煤层支护，会给矿山安全生产带来更大的危害。

二、综采放顶沉陷规律1）采煤放顶沉陷规律总体上表现为，沉陷量越大，沉陷位置越近工作面；2）放顶方式对沉陷影响较大，全放顶的沉陷量比顶段放顶的沉陷量大；3）煤层厚度越厚，沉陷量越大；4）采深深度越大，沉陷深度越深；5）煤层的厚度、采深及放顶密度的变化均会对沉陷量产生一定的影响；6）采煤放顶对沉陷量有一定的抑制作用，放顶后，沉陷有逐步减小、停止或逆转上升的趋势三、沉陷机理采煤放顶后，矿井内及矿井外部空气压力均有变化，煤层中的气体及水分蒸发，煤体失重，固体收缩，因而发生沉陷。

同时，地下水的变动也会使煤层发生变形，导致沉陷。

另外，采煤放顶过程中，煤层内部的变形及应力的变化，也会对煤层的局部或全局发生沉陷。

总之，综采放顶煤地表沉陷是由多种机理共同作用产生的，根据上述沉陷特征及规律，可以初步推断出可能存在的沉陷机理，即气体水分蒸发及煤层应力释放均可导致煤层沉陷，同时煤层收缩和地下水的变化也会促使煤层沉陷。

绿色矿山密实充填开采地表沉陷规律研究摘要为保护地表建筑物、农田、河流及主要井巷，在城镇范围内留设了大量优质煤柱资源。

该部分矿量属于典型的“三下”开采，因此如何在保证地表及矿山主要井巷安全的前提下，最大限度地回收优质的煤炭资源，对矿山可持续发展意义重大。

我矿充分借鉴其它煤矿连采连充技术，利用煤矸石作为充填骨料，实现高浓度充填，解决煤矸石地表堆放难题、消除环境污染、解放保安煤柱、减轻地表沉降对地表建构筑物的损坏，提高安全开采保障程度和资源回收率。

关键词绿色矿山密实充填地表沉降一、密实充填开采的背景充填采矿法由于能够确保“三下”开采安全，最大限度地回收矿产资源，保护地下、地表环境，特别是近些年来，由于充填材料、充填工艺、管道输送装备和技术的不断进步、充填成本的不断降低及其无可替代的优势，密实充填开采方法在煤矿开采中有很大的优势。

目前，由于存在以下难题，矿山可持续发展受到一定程度的制约：1、由于多年的强化开采，掘进产生的煤矸石日益增多（按12%的煤矸石产出率，每年新增煤矸石近20万吨），现有煤矸石山容积已近饱和，如何为新增煤矸石堆放寻找出路成为当务之急。

2、煤矸石山位于城区内，靠近柴汶河，对城镇环境和柴汶河水系造成严重污染。

如果能够将这部分煤矸石彻底消化，不仅可以恢复宝贵的土地资源，创造显著的经济效益（按每亩土地20万元计算，占地近200亩的煤矸石山占用资金4000万元），而且会对保护环境、创建绿色矿山作出重大贡献，经济效益、社会效益和环境效益显著。

3、为保护地表建筑物、农田、柴汶河及主要井巷，在城镇范围内留设了大量优质保安煤柱。

由于该部分矿量属于典型的“三下”开采，因此如何在保证地表及矿山主要井巷安全的前提下，最大限度地回收这部分宝贵的煤炭资源，对矿山可持续发展意义重大。

二、开采方法的调研及开采沉降的分析论证1、密实充填开采试验区开采设计方案充填开采试验区位于-210水平西部，开采范围：东至-210～-600原皮带井保安煤柱线，西至充填联络巷，南至矸石充填运输巷，北至矸石充填回风巷。

深部开采沉陷规律研究与分析深部开采沉陷是指采矿开发对地表环境的影响，它可以根据采矿的规模和距离等因素随着空间而改变，其发展过程已深深影响着建筑物、公路、河流和地下水等基础设施与环境的安全。

因此，针对采矿深部开采沉陷的规律研究和分析，显得十分重要。

首先，采矿深部开采沉陷的研究应从采矿深部开采沉陷的影响因素入手进行分析。

采矿深部开采沉陷的影响因素主要包括矿山内的构造活动、采矿方式、采矿深度、抽水量、地表塑性参数等。

采矿深部开采沉陷的影响因素受多种因素的影响，因此，需要从物理力学、岩土力学、水文地质、矿物学、地质测量等方面进行系统研究分析，全面了解采矿深部开采沉陷的影响因素。

其次，采矿深部开采沉陷的研究应从采矿深部开采沉陷的模拟分析入手进行研究。

采矿深部开采沉陷的模拟分析可以采用计算机辅助分析的方法，进行模拟分析，以模拟采矿深部开采沉陷的变化规律，研究采矿深部开采沉陷的演变过程和产生机制，并进行下去的后续决策。

此外，采矿深部开采沉陷的研究应从采矿深部开采沉陷的抑制方法入手进行研究。

采矿深部开采沉陷的抑制方法可以采取穿插设置阻尼层、设置支撑物等空间和结构抑制技术，还可以采取防治措施，如采用新型地面处理材料，做好地面处理工作，加强水文地质探测，建立恶劣气象预报能力，阻止水位上升，并提前采取紧急抢险措施，等等。

最后，采矿深部开采沉陷的研究应从采矿深部开采沉陷的防治技术入手进行研究。

采矿深部开采沉陷的防治技术包括实际控制措施、采矿预先分析技术、采矿控制策略研究等。

实际控制措施可以通过研究和改善穿插设置阻尼层、支撑物等基础结构，使其可以有效地抑制采矿深部开采沉陷的发展并达到沉陷的控制。

采矿预先分析技术可以通过对采矿开发过程中的构造活动、采矿方式、采矿深度、抽水量及空间变化等因素进行分析，预测采矿深部开采沉陷的变化趋势。

采矿控制策略研究可以根据预测分析的结果，对抑制采矿深部开采沉陷的方法进行综合分析，并制定出有效的采矿控制策略，为实现安全开采提供可靠的依据。

深部开采沉陷规律研究与分析开采沉陷是深部矿产资源开采过程中最为重要的领域之一，开采后沉陷规律的研究与分析是科学决策开采比较充分及有效的前提之一。

本文就深部矿产资源开采沉陷的规律研究与分析进行深入的论述，并给出了具体的研究方法和分析案例。

一、深部矿产资源开采沉陷规律研究1、概念浅析施工开采的沉陷是长期的应力释放、地层改变以及外因影响所引起的矿山构造变化，它是影响矿山发展和安全生产的重要参数之一。

深部矿产资源开采沉陷规律是以深部矿产资源开采为主导，以其所带来的构造改变和地面沉陷运动为基本特征的地质现象。

对深部矿产资源开采沉陷规律研究可以更加深入、准确的了解深部开采所引起的构造改变及地面沉陷的规律及特征，为深部开采的质量控制、生产安全和地表沉陷的综合控制提供重要的理论依据和参考数据。

2、研究流程深部开采沉陷规律研究要求有全面、系统、深入的研究方法。

通常研究流程分为以下几个步骤：（1）突出研究对象的特性和规律：即定位和调查研究对象的特征并归纳汇总；（2）综合统计分析归纳：利用诸如数据处理、描述统计分析、图表绘制等方法，对归纳汇总的资料进行统计分析；（3）研究规律及其影响机理：深入探讨开采沉陷的规律及其影响机理，以及开采方式、技术措施等对矿山构造变化、地面沉陷及安全隐患及生态影响等的影响；（4）制定有效的预测与解决方案：根据研究得出的规律，运用预测与预报技术，结合实际情况，制定出有效的预测与解决方案，为矿山安全开采提供技术指导。

二、深部矿产资源开采沉陷规律分析1、测量技术测量技术是深部矿产资源开采沉陷规律分析的基础，我们可以通过垂直测量、水平测量以及数字测量等技术手段，来科学测量矿山构造特征及沉陷变化情况，从而对沉陷运动规律及外部因素的影响等深入分析。

2、数值模拟利用一定的数值模拟技术可以探索不同的长期沉陷规律，预测深部开采可能造成的地表沉陷情况。

数值模拟可以模拟矿山构造变化过程，从而更加精准的研究和预测深部开采沉陷规律。

煤矿地表塌陷规律及预测方法探讨煤矿地表塌陷形态多样、破坏程度可大可小，与开采深度、开采活动、矿体倾角、工作面开采区域、工作面数等因素有关。

我国常用的煤矿地面沉陷预测方法包括经验法、负指数法、概率积分法等。

概率积分法理论、方法基本成熟，国内正积极构建基于GIS技术构建的沉陷数据管理系统，已取得一定进展，但进行推广应用尚有一段时日。

标签：煤矿地表塌陷规律预测我国是一个煤炭资源利用大国，煤炭开采量居世界第一位，煤炭产生能源约占我国总能源消耗75%～80%，煤炭还是煤炭化工重要原料，为国民经济发展做出了巨大的贡献[1]。

但与此同时，煤炭开采与利用也带来一系列社会、环境问题。

我国煤炭多埋藏于地下，煤矿开采主要依赖于地下开采，约占90%。

地下开采可能致地表土地大面积塌陷、损毁，破坏耕地、林地以及地面建筑，存在安全隐患。

近年来，煤矿地表塌陷事故屡见不鲜，累计塌陷面积已达100km2，塌陷所造成的损失大、影响深远、恢复困难，引发的社会的广泛讨论。

深入研究煤矿地表塌陷，并进行预测，是降低煤矿塌陷危害的可行方法，本次研究就此进行探讨。

1煤矿地表塌陷规律1.1煤矿地表塌陷主要表现煤矿引起的地表塌陷具体表现不尽相同，按照形态、破坏程度大体可分为两类：（1）浅部开采，急倾煤层或厚煤层形成的漏斗状陷坑、台阶状断裂，此类塌陷往往发生较突然，破坏性较大，但多仅限于局部，范围小；（2）深部开采，急倾煤层和开采深度大、倾角较小的煤层发生大范围平缓下沉，发生较缓，但也可造成较大的损失，损毁地面构筑物。

按照塌陷体积与深度占开采面比重高低可分为充分开采塌陷与非充分开采塌陷，前者占比在70%以上，只有当采煤区长、宽尺寸达到过超过开采深度1.4倍才可能发生，后者占比在70%以下，可发生于任何类型开采区[2]。

通常来说，除开采区外，地下还留存各种未开采或无开采价值的煤柱，这些煤柱对地面具有一定的支撑作用，使地面塌陷空间并不完全与矿道相同，形成凹凸不平的复杂形状。