开采沉陷形成机理及其预测方法

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1、开采沉陷形成机理及其预测方法有用矿物被采出以后，开采区域周围的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，使岩层和地表产生连续的移动、变形和非连续的破坏(开裂、冒落等)，这种现象称为“开采沉陷”(Miningsubsidence)。有用矿物的开采可以是井工方法开采，也可以是露天方法开采；开采的有用矿物可以是层状的也可以是非层状的。本材料主要指的是层状有用矿物(特别是煤层)的井工开采，“开采沉陷”也是特指煤层地下开采后产生的开采沉陷。岩体本身是一种非常复杂的介质，它不仅是出各种不同性质的岩层组成，而且还由于各种地质作用(如褶

2、皱、断层、开裂、火成岩侵入、陷落柱等)而产生了大量的不连续面。岩体在受到各种不同开采方法的开采影响时，产生的开采沉陷是一个在时间和空间上都是非常复杂的过程。在时间上来说，在移动过程中，开采沉陷的形式和大小在不同的时间是不同的，也就是说，此时的开采沉陷是“动态的”；随着时间的推移，开采沉陷的形式和大小逐渐趋向于稳定，开采沉陷变成“静态的”或“最终的”。从空间上来说，若地下开采的范围较小、开采的矿物的埋藏深度较大，则开采沉陷波及的范围往往只局限于开采区域周围的岩体；若开采范围较大、开采矿物的埋藏深度较小，则开采沉陷波及的范围就会从岩体发展到地表，引起“地

3、表移动”。由于人类的生产和生活活动大部分都是在地表进行，所以地表移动对人类的影响更为普遍。第一节煤矿地下开采引起的地表移动与变形一、地表移动的形式所谓地表移动，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30)或

4、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。地表移动和破坏的形式，归纳起来有下列几种：(一)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(见图1)。在地表移动盆地形成的过程中，改变了地表原有的形态，引起了高低、坡度及水平位置的变化。因此，对位于影响范围内的道路、管路、河渠、建筑物、生态环境等等，都带来不同程度的影响。在华东地区，由于

5、地下潜水位很高，地表下沉lm左右，移动盆地内便可积水，严重影响土地的使用，造成矿区耕地大量减少。图1采空区影响范围内的影响带的划分示意图1-地表下沉曲线；2-支承压力区内的正应力图；3-沿层面法向岩石变形曲线图；4-冒落带(二)裂缝及台阶在地表移动盆地的外边缘区，地表可能产生裂缝。裂缝的深度和宽度，与有元第四纪松散层及其厚度、性质和变形值大小密切相关。若第四纪松散层为塑性大的粘性土，一般是地表拉伸变形值超过6~l0mm/m时，地表才发生裂缝。塑性小的砂质粘土、粘土质砂等，地表拉伸变形值达到2~3mm/m时，地表即可发生裂缝。地表裂缝一般平行于采空区边

6、界发展。当采深和采厚的比值较小时，在推进中的工作面前方地表可能发生平行于工作面的裂缝。但裂缝的宽度和深度都比较小。这种裂缝是随工作面推进先张开而后逐渐闭合。地表裂缝的形状为楔形，地面的开口大，随深度的增大而减小，到一定深度尖灭。但在基岩直接出露地表的情况下，裂缝深度可达数十米。当采深很小、采厚较大时，地表裂缝有可能和采空区相连通。在采深和采厚比值较小时，地表裂缝的宽度可达到数百毫米，裂缝两侧地表可能产生落差。落差的大小取决于地表移动的剧烈程度。在松散层很厚的条件下，分层开采厚煤层时，开采第一分层时地表产生的主要裂缝，会在第二、三、四等分层开采时再次出

7、现。这种裂缝在地表以下几米或十几米的深度上消失。当煤系地层覆盖有含水砂层的厚松散层或地表下沉值较大时，地表移动盆地的边缘区可能产生一系列类似地堑式的张口裂缝。相邻两条张口裂缝发展到一定的宽度和深度后，两条裂缝中间的土层下陷而造成中间低、两侧高的地堑式裂缝。有时在采空区周围的地表形成环形破坏堑沟，如图2所示。图2地表裂缝实测图在急倾斜煤层条件下，地表移动取决于基岩的移动特征，特别是松散层较薄时，地表可能出现裂缝或台阶，如图3所示。图3急倾斜煤层开采地表移动特征(三)塌陷坑塌陷坑多出现在急倾斜煤层开采条件下。但在浅部缓倾斜或倾斜煤层开采，地表有非连续性破

8、坏时，也可能出现漏状塌陷坑。在采深很小或采厚很大的情况下，用房柱式采煤或峒室式水力采煤时，由于采厚不均匀，造