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”(Mining subsidence)。
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，由于地下潜水位很高，地表下沉l m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，造成覆岩破坏高度不一致，也会在地表产生漏斗状塌陷坑。图4为某矿用水力采煤法开采浅部煤层时地表出现的塌陷坑。应当指出，在采深很小、采厚很大、用长壁式采煤法开采时，若采厚不一致，地表也可能出现漏斗状塌陷坑。
图4 浅部开采地表塌陷示意图
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，往往也会出现漏斗状塌陷坑。塌陷坑大体位于煤层露头的正上方或略微偏离露头位置，偏离的距离与煤层倾角、顶底板岩性及基岩表面风化程度有关。塌陷坑的形状取决于松散层的性质和厚度。在有厚松散层覆盖的情况下，多呈圆形或井形，有时也呈小肚子大的坛式塌陷漏斗，如图5所示。
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。有铁路通过此处时，会影响列车正常运行，若不能及时发现，将造成行车事故。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。
图5 地表塌陷漏斗示意图
二、地表移动盆地的形成及特征
(一)地表移动盆地的形成
地表移动盆地是在工作面的推进过程中逐渐形成的。一般是当回采工作面自开切眼开始向前推进的距离相当于1/4~1/2H0(H0为平均采深)时，开采影响即波及到地表，引起地表下沉。然后，随着工作面继续向前推进，地表的影响范围不断扩大，下沉值不断增加，在地表就形成一个比开采范围大得多的下沉盆地。
图6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1时，在地表形成一个小盆地W1。工作面继续推进到位置2时，在移动盆地W1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，从而使移动盆地W1扩大而形成移动盆地W2。随着工作面的推进相继逐渐形成地表移动盆地W3、W4。这种移动盆地是在工作面推进过程中形成的，故称动态移动盆地，即还在移动中的盆地。工作面回采结束后，地表移动不会立刻停止，还要持续一度时间。在这一段时间里，移动盆地的边界还将继续向工作面推进方向扩展。移动首先在开切眼一侧稳定，而后在停采线一侧逐渐形成最终的地表移动盆地W04。通常所说的地表移动盆地就是指最终形成的移动盆地，又称为静态移动盆地。在工作面的推进过程中，如果图7所示的工作面停在1、2、3、4的位置上，待地表移动稳定后，其对应的每一个位置都会有一个相应的静态移动盆地W01、W02、W03、W04。
图6 地表移动盆地的形成过程
1、2、3、4—工作面的位置；W1、W2、W3、W4—相应工作面的移动盆地；W04—最终的静态移动盆地
应该指出，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，直至稳定。一般是最先进入移动的点，也最先稳
定下来。
图7 动态和静态的移动盆地比较示意图
(二)地表移动盆地的特征
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取决于采空区的形状和煤层倾角。移动盆地和采空区的相对位置取决于煤层的倾角。
在移动盆地内，各个部位的移动和变形性质及大小不尽相同。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(见图8)：
图8 充分采动时地表移动盆地示意图
a—刚达到充分采动时的移动盆地；b—超充分采动时的移动盆地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2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．推动盆地的内边缘区（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3字标出部分。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4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。
应当指出，在地表刚达到充分采动或非充分采动条件下，地表移动盆地内不出现中间区域。但拉伸区域和压缩区域存在于任何采动条件下所形成的盆地之内。图9中给出了不同采动程度的地表移动盆地内三个区域划分的情况。
图9 地表移动盆地内三个区域划分示意图
为了便于理解和比较，下面分开介绍水平煤层(或近水平煤层)和倾斜煤层开
采后所形成的地表移动盆地的特征。
图10为水平煤层开采时地表达到充分采动的地表移动盆地，它有下列的特征：
(1)地表移动盆地位于采空区的正上方。盆地的中心(最大下沉点所在的位置) 采空区中心是一致的。盆地的平底部分位于采空区中部的正上方。
(2)地表移动盆地的形状与采空区对称。如果采空区的形状为矩形，则移动盆地的平面形状为椭圆形。
(3)移动盆地内外边缘区的分界点，大致位于采空区边界的正上方或略有偏离。
在水平煤层开采的条件下，非充分采动和刚达到充分采动的地表移动盆地的特征，和超充分采动的移动盆地特征相似，所不同的是移动盆地内不出现中性区域，只有一个最大下沉点，而且最大下沉点位于采空区中心的正上方。
图10 水平煤层充分采动时的地表移动盆地示意图
倾斜煤层开采、地表未达到充分采动时，(图11)，地表移动盆地有如下特征：
(1)在倾斜方向上，移动盆地的中心(最大下沉点处)偏向采空区的下山方向，采空区中心不重合。
(2)移动盆地与采空区的相对位置，在走向方向上对称于倾斜中心线，而在倾斜方向上不对称，煤层倾角越大，这种不对称性越加明显。
(3)移动盆地的上山方面较陡，移动范围较小；下山方面较缓，移动范围较大。
倾斜煤层充分采动时，移动盆地出现平底，充分采动区内的移动和变形特点
与水平煤层充分采动区内相似。
图11 倾斜煤层非充分采动时的地表移动盆地示意图急倾斜煤层开采时，地表移动盆地(图12)有如下特征：
(1)地表移动盆地形状的不对称性更加明显。工作面下边界上方地表的开采影响达到开采范围以外很远；上边界上方开采影响则达到煤层底板岩层。整个移动盆地明显地偏向煤层下山方向。
(2)最大下沉值不是出现在采空区中心正上方，而是大致位于采区下边界上方。
(3)地表的最大水平移动值大于最大下沉值。
急倾斜煤层开采时，不出现充分采动的情况。
图12 急倾斜煤层开采时地表移动盆地示意图
第二节开采沉陷预计方法
对一个计划进行的开采，在开采进行以前，根据其地质采矿条件和选用的预计函数、参数，预先计算出受此开采影响的岩层和(或)地表的移动和变形的工作，称为开采沉陷预计。
预计时用到的地质采矿条件有：煤层的法向开采厚度m，煤层倾角α。，采空区下山边界、上山边界、走向主断面上的和平均的开采深度H1、H2、H、H。，采空区走向长D1、倾向斜长D2，顶板管理方法，上覆岩层的性质，工作面形状和工作面推进进度等。
在预计时，这些地质采矿数据和因素，反映在预计的函数和参数中。预计参数，是指在预计函数(解析公式或图形等)中用到的一系列数据，这些数据是根据所预计的那个开采的地质采矿数据和因素确定的。对一个特定的开采来说，预计参数是常数，对不同的开采来说，预计参数的值是不同的。
一、 开采沉陷预计方法
当地下开采范围足够大的时候，岩层移动发展到地表，在地表形成一个下沉盆地。在地表下沉盆地范围内出现各种移动和变形，根据具体地质采矿条件计算下沉盆地内的各种移动和变形值是开采沉陷预计的任务。常用的预计地表移动和变形的方法有：
（一） 基于实测资料的经验方法
经验方法是以实测资料为基础，通过对大量的实际观测资料进行总结和分析，找出地表移动和变形与地下开采条件的关系，确定预计各种移动和变形值的函数形式包括解析公式、曲线或者表格以及计算预计经验公式。目前，应用比较广泛而且具有代表性的经验计算和预计方法主要有剖面函数法和典型曲线法。
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，来确定不同的剖面函数用于描述下沉盆地，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。
在开采沉陷研究初期，人们主要通过观测的手段认识地表开采沉陷现象，随着观测资料的积累，不断加深对地表移动和变形规律的认识，逐渐总结出适合不同地质采矿条件下预计地表移动和变形的经验方法，即剖面函数法。由于实地观
测资料以及对地表移动和变形规律的认识程度不同，因此，总结出的剖面函数有种形式，比如前苏联采用如下剖面函数进行地表下沉预计：
?????????===+-=020121max max 9.0,9.0cos 2sin 211()(H L n H L n n n qm W L x L x W x W g
s αππ 式中：L s 、L g ——分别为工作面走向方向和倾斜方向的开采长度，单位 ：m ；
x ——下沉盆地中心距预计点的距离，单位：m ；
L ——半盆地长，单位：m ；
α——煤层倾角，单位：（o）
m ——开采厚度，单位：m ；
q ——下沉系数。
波兰上西里西亚煤田使用的剖面函数：
ξξππd B B
W x W ?∞???????
???? ??-=2max
exp )( 式中： B ——预计参数。
匈牙利煤田曾用过的剖面函数[2]：
???
???????? ??+-=2max 21exp )(B B x W x W 式中：B ——预计参数。
我国许多矿区使用过多种剖面函数法，应用最多或有代表性的主要是负指数函数法。负指数函数法是用负指数来表示下沉剖面函数的方法，其走向方向主断面半盆地下沉计算公式为： n H x c a e W x W )(0)(--=
式中：W(x)——地表移动盆地主断面上任意点的下沉值，mm ；
W 0———地表最大下沉值，mm ；
a, c, n ——预计参数，可以根据矿区实测资料求得。
x ——地表下沉盆地主断面上任意点到开采边界的距离，m ；
有了下沉曲线函数公式，根据下沉与其他移动和变形的关系式，可以得到相应移动和变形的计算公式。由于剖面函数不可能考虑更多的地质采矿因素，因此大多数剖面函数仅适用于近似矩形工作面开采时的地表移动和变形的预计。
2、典型曲线法
典型曲线的基本原理与剖面函数完全相同，只是剖面函数是通过解析函数的形式来表述地表的下沉和预计点位置的函数关系，而典型曲线是以表格或诺谟图的形式来表示地表的下沉与预计点位置的函数关系。
在国外，如前苏联、英国等曾采用典型曲线法进行开采沉陷的预计，特别是英国，编制的《地面沉陷工程师手册》就是以典型曲线为基础，指导开采沉陷的预计。我国具有代表性的典型曲线主要有：峰峰矿区和平顶山矿区的典型曲线。
不论是剖面函数还是典型曲线，都是建立在实测资料的基础上的，对由地下开采引起的地表沉陷机理研究较少，有些学者将这种方法称为“唯象说”。由于建立剖面函数或典型曲线需要大量的实测资料，并且所建立的剖面函数和典型曲线仅仅适用于和观测资料相类似条件下的地表移动和变形预计，使这种方法在实践应用中受到很大制约。但是，典型曲线和剖面函数来源于实测资料，并应用到相似条件下地表移动和变形预计中，因此，在目前所有预计方法中，其预计精度最高。
（二） 随机介质理论
1、波兰J.Litwiniszyn 理论
将岩层移动视作随机过程是波兰J.Litwiniszyn 在1954年提出的，他从开采影响传播算子的传递性出发，证明此算子满足Smoluchowski 偏微分方程。在二维情况下，描述岩层在开采影响下的下沉规律：
w z N y w z M x
w z k z w )()()(22+??+??=?? 函数系数k(z) 、M(z) 、 N(z) 是表示介质特征的参数。在半无限开采时候，地表下沉为：
?∞
---=21
2
)(2max
),(z f x d e w z x w λπλ
?=z
dz z k z f 0)()( 2、概率积分法
离散随机介质理论认为上覆岩层是被大大小小的裂隙和断裂所切割的碎块体，地下开采引起的岩层与地表移动规律和随机介质模型中碎块体的移动规律在宏观上相似。在这一基本假设的基础上，首先由波兰学者J.Litwiniszyn 提出了预计地表移动和变形的方法。1965年我国学者刘宝琛、廖国华在《煤矿地表移动基本规律》专著中将这一理论进一步改进、系统、完善，形成了比较完善的预计地表移动和变形的方法，我国将这种方法称之为概率积分法。概率积分法计算走向主断面内地表下沉的方法是：
ds r s x r W x W D )(exp(1)(2
200--=?π 式中：W 0 ——充分采动条件下地表的最大下沉，αcos 0**=m q W ；
q ——下沉系数；
D ——开采长度；
r ——主要影响半径，β
tg H r =
； H ——开采深度；
m ——开采厚度； α——煤层倾角；
刘天泉、仲惟林、焦传武等系统总结了概率积分法在我国实践中的应用，特别分析了概率积分法预计参数与上覆岩层力学性质的关系，使概率积分法在我国得以推广应用。由于概率积分法具有一定的理论基础，预计的参数完全可以通过实测资料求得，而且对于一个矿区参数相对稳定，参数变化遵循一定的规律。同时概率积分法可以适用任何形状工作面、地表任意点的移动和变形预计。因此，概率积分法在我国得到了广泛地应用。特别是在我国最新修订的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中更是将概率积分法作为唯一的一种预计地表移动和变形的方法加以详细的论述，可见概率积分法在我国开采沉陷中起到的重要作用。
二、 概率积分法
（一） 概率积分法基本原理
概率积分法是基于水平层状矿体（如煤层）的开采沉陷预计模型。它将单元开采引起的上覆岩层的下沉视为一随机事件，以事件发生的概率来描述岩体的沉降可能性和沉降量。
取单元坐标系O—xyz 的原点O 作为开采单元的中心，某点Ａ(x,y,z)的领域dS A （面积微元）发生下沉的事件等同于过A 点的垂直剖面上dx 、dy 小块面积
各自同时发生下沉，dx 、dy 小块面积各自发生下沉的概率服从密度为f(x)的分布函数。由于单元开采引起A 点邻域dS A 下沉的概率与坐标轴方向的选择无关，
由此可建立概率分布函数的常微分方程式（1）,并求得其解如式(2)
???????==)()
()()()()(222222y kf y d y df x kf x d x df (1) 2
)(2kx pe x f = (2) 式中: p—积分常数；
k—微分方程系数；
f(x 2)—考虑对称性的概率密度函数。
在下沉等体积假设下，可求得参数p、k，并确立概率分布函数，即单元下
沉盆地剖面表达式为：
图13 单元下沉盆地与下沉全盆地的关系图
22
1)(2r x ex e r x f W π-== （3）
A 点微面dS A 上的概率分布函数以及单元下沉全盆地表达式为：
2221)()(22r y x e e r
y f x f W +-==π （4）
式中：r —主要影响半径。 W e 对整个采面积分即得到下沉全盆地的积分表达式（5）
。单元下沉盆地与下沉全盆地的关系如图13所示。
??=s
e ds W W y x W max ),( （5） qM W =max （6）
式中： q —下沉系数（即水平煤层充分采动时单位采厚引起的地表最大下沉量）；
M —采厚；
ds —水平煤层面积微元开采单元。
（二）计算任意形状工作面地表任意点的移动和变形值
1、建立直角坐标系以及待求点坐标变换
1）坐标系
以工作面水平投影的左边界和下边界的交点作为坐标原点。X ˊ ，Y ˊ轴分别平行于煤层走向和倾斜方向。从而建立直角坐标系。
2）待求点坐标X ˊ，Y ˊ以及计算方向OXˊ夹角φ的确定方法。
为了简化待求点坐标X ˊ，Y ˊ值的确定，X ˊ，Y ˊ值可以直接从坐标系统中量取。如图2.2所示，待求点A 的坐标就是从A 到Y ˊ轴和X ˊ轴所量得X ˊ ，Y ˊ坐标值。
过待求点A 作O X ˊ轴的平行线（指向与O X ˊ同）d ，按逆时针方向旋转与计算方向重合，其夹角即为φ角。
3）坐标变换
为了简化数据准备工作，待求点坐标（X ˊ，Y ˊ）直接从上述坐标系统中量取。而任意点计算公式中所要求的待求点坐标（X ，Y ）则是工作面拐点平移
后的坐标。因此，必须完成坐标转换，其移轴计算公式见（7）
、（8）、（9）、（10）式。
1'S X X += （7）
21'S S l l ++= （8）
)sin(sin '4θαθ
θ+*++=S ctg H Y Y 下 （9） )sin(sin )sin(sin '43θαθ
θθαθθ+*+++*+-=S ctg H S ctg H L L 下上 （10） 式中：S 1 ，S 2 和S 3 ，S 4——分别为工作面左、右边界与上、下山边界在煤层斜面上的拐点移动距，（米）；
H 上 ，H 下—— 分别为工作面上、下山边界的采深，
（米）； θ ——开采影响角，
（度）； l ，
L’ ——分别为工作面走向长度以及倾斜长度的水平投影值，（米）。 2、地表任意点移动和变形值计算的基本公式
1）下沉值 W
)1)(1(),(22max ??----=下上
r y r l
y r x r l
x A d e d e
W y x W ππλπ
πλλπλπ （11） 主剖面最大下沉值 αηcos max **=m W （12） 待求点下沉值 W A （x,y ）=W max · C x ·C y （13） 式中C x ，C y 按下式计算：
?---=r x r
l x x d e C π
πλλπ
21 （14） ?---=下上
r y
r l
y y d e
C ππλλπ21
（15） （14），（15）式概率积分式按（16）计算。
()???????++++*-=+===-∞-∞--??)(211)(11,215544332212222
t C t C t C t C t C e u pu t du e d u u t t u x t πφπφφ （16）
上式中u 用 上
下r l y r y r l x r x )(2,2,)(2,2--ππππ 分别代入便能计算出C x ,C y 值。
当 πππππ2)(2,2,)(2,2≤--上
下r l y r y r l x r x 时C x ,C y 按照（2.29）计算，反之，C x 或C y 取0 。
（p=0.231641 ，C 1=0.31938153，C 2=0.356563782，C 3=1.78147937，C 4= -1.821255978，C 5=1.330274429）
式中： m —— 采厚，（毫米）；
η—— 下沉系数；
α—— 煤层倾角；
l ，
L ——分别为工作面拐点平移后走向长度以及倾斜长度水平投影值，（米）；
r ，
r 下 ，r 上——分别为工作面走向以及倾斜方向下、上山影响半径，（米）； x ，y ——待求点坐标，
（米）； C x ，C y ——分别为待求点在工作面走向及倾斜方向主剖面投影点处的
下沉值与最大值之比。
2）倾斜值T
T φ=T x C y cos φ+T y C x sin φ （17）
T φ+90°=T x C y sin φ+T y C x cos φ （18）
T ′max =T x C y cos φT +T y C x sin φT （19）
)arctan(y x x
y T C T C T =? （20）
式中：T φ，T φ+90°——分别为待求点沿φ以及φ+90°角方向的倾斜值，（毫
米/米）；
T ′max ——待求点的最大倾斜值，
（毫米/米）； φT ——最大倾斜值与OX 轴的夹角，（度）；
T x ，T y ——分别为待求点沿工作面走向及倾斜方向主剖面投影点处迭加后的倾斜值，（毫米/米）。
3）水平移动值U
φ??sin cos x y y x C U C U U += （21）
（22）
??φcos sin 90x y y x C U C U U +-=+? u x y u y x C U C U U ??sin cos max '+= （23）
)arctan(y
x x y u C U C U =? （24） 式中：U φ，U φ+90° —— 分别为待求点沿φ以及φ+90°角方向水平移动
值，（毫米）；
U ′max —— 待求点的最大水平移动值，（毫米）； Φu —— 待求点最大水平移动值与OX 轴的夹角，（度）；
Ux ，
Uy —— 分别为待求点沿工作面走向以及倾斜方向在主剖面投影点处迭加后的水平移动值，对于倾斜方向需加改正值θtg W C y max
，（毫米）。
4）水平变形值ε
max
22cos sin )(sin cos W T U T U C C x y y x x y y x ?
??ε?εε?+++= （25） max 2290cos sin )(cos sin W T U T U C C x y y x x y y x ?
??ε?εε?+++=?+ （26）
max 22max 2cos sin )(sin cos W T U T U C C x y y x x y y x ε
εεε???ε?εε+++= （27）
max 90min min 90max ''εεεεεεεε????-+=-+=??
++ （28）
??
?????-+=)(arctan 21max x y y x x y y x C C W T U T U εε?ε （式中29） ：εφ ， εφ+90°—— 分别为待求点沿φ以及φ+90°角方向的水平变形值，（毫——水平变形最大值，在同一点中，以正值中的大者或以负值中）；
米/米）；
ε′max ，ε的小者为极大值，另一值为极小值，（毫米/米）；
φε——水平变形最大值与OX 轴的夹角，（度
向在主剖面投影点处迭 εx ，εy ——分别为待求点沿工作面走向及倾斜方加后的水平变形值；对于倾斜剖面需要加改正值
θtg T y ，（毫米/米）。 5）曲率值 K max 222sin sin cos W T T C K C K K y x x y y x ?
???++= （30）
max 2902sin cos 2sin W T T C K C K K y x x y y x ????-
+=?+ （31） max 22max 22sin sin cos W T T C K C K K K
x y K x y K y x ???++= （32）
（33）
max 90min min
90max ''K K K K K K K K -+=-+=??++???????
?????-=)(2arctan 21max x y y x x y C K C K W T T ε? （34） 式中：K φ，K φ+90°—— 分别为待求点沿φ和φ+90°角方向的曲率值，10-3 1/米； K ′max ，K ——曲率最大值，在同一点中，以正值中的大者，或以负； 倾斜方向在主剖面投影
值中的小者为极大者，另一值为最小值，10-3 1/米； φK ——曲率最大值与OX 轴的夹角，（度） K x ，K y ——分别为待求点沿工作面走向以及点处迭加后的曲率值，10-3 1/米。
开采沉陷知识总结 地表到充分采动时的采空区面积。半无限开采：工作面煤壁一侧的煤层未被采动，而另一侧的煤层全部采空的开采情况。填空（包含解释） 1、岩层移动的形式：弯曲、冒落、片帮、底板隆起、滚动、岩石沿层面滑移（1）弯曲岩体部分下落，向下移动的现象。特点：不在保持其原有的层状性，岩体积增大。（3）片帮当底板角软时，在矿体采出后，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的现象。（5）滚动在开采倾斜矿体时，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。特点：岩层沿层面滑动，层间有错动。 2、岩层三个移动区特征：充分采动区（减压区），最大弯曲区，岩石压缩区。（1）充分采动区移动特征是：1）下部岩体破碎成块状，上部岩体断裂、离层、裂隙；2）竖向方向受拉、横向方向受压，3）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；4）移动量最大。（2）岩石压缩区（支承压力区）特征：沿层面方向受拉、层面法线方向受压。（3）最大弯曲区（Ⅱ、Ⅱ’）特征：1）在此范围内岩层向下弯曲的程度（曲率）最大。2）在层内产生沿层面方向的拉伸变形和压缩变形。
3、移动稳定后岩层内的三带：冒落带，裂缝带，弯曲带。冒落带（垮落带）垮落带是指由采矿引起的上覆岩层破裂并向采空区垮落的岩层范围。、垮落带内岩层破坏特点是：（1）分带性（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、上覆岩层的碎胀系数、岩性等，通常为采出厚度的3～5倍。薄煤层开采时垮落高度较小，一般为采出厚度的 1、7倍左右。顶板岩石坚硬时，垮落带高度为采出厚度的5～6倍；顶板软弱时，垮落带高度为采出厚度的2～4倍。实践中可用下式近似估算垮落带高度：h=m/(k-1)cosα式中 h采出矿层厚度；K矿层倾角。（5）形态，随倾角不同而变化裂缝带（断裂带）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）裂隙带高度与岩性密切相关：硬，高，软，低冒落带+裂缝带=冒落裂缝带（导水裂隙带）软弱岩石：9～12m （m为开采厚度）；中硬岩石：12～18m；坚硬岩石：18～28m。弯曲带弯曲带指的是裂缝带之上直至地表的整个岩系。特点：1）保持整体性和层状结构，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）H 弯＞＞H裂（当H大时）三者的关系：从采空区往上：冒落带→裂
名词解释： 1.半无限开采：沿着工作面推进方向x 区间0到正无穷上被开采，而沿垂直工作面推进方向的开采尺寸足够大，使之达到充分采动。（1.2--1.4H ） 2.主要影响半径：半无限开采主要的地表移动和变形均发生在r x -=～r +的范围之内，称r 为主要影响半径。 2.下沉盆地的角度参数： 边界角：开采达到或接近充分采动是，移动盆地主断面上盆地边界点和采空区边界点连续与采空区外侧水平线的夹角 移动角：开采达到或接近充分采动时，移动盆地主断面上临界变形点和采空区边界点连线与采空区外侧水平线的夹角。下山、上山和走向方向的移动角分别用β、γ和δ来表示；i=± 3.0mm/m ；E=±2.0mm/m ；K=±0.2×10-3/m 。 裂缝角：开采达到或接近充分采动时，采空区上方地表最外侧位置裂缝和采空区边界点连线与采空区外侧水平线的夹角 最大下沉角：在移动盆地的倾斜主断面上，采空区的中点与地表下沉盆地中点的连线与矿层下山方向水平线的夹角 3.启动距：地表开始移动式工作面推进距离 地表开始移动：观测地表下沉值达到10mm 地表移动时间：从地表开始移动到地表停止移动的持续时间。分为启动。活跃。衰减阶段，1.67mm/d ，百分之85 4.减沉开采：是通过改变采场顶板管理方法控制顶板下沉量，达到减缓地表沉陷量 5.协调开采：根据开采引起地表移动变形分布规律，通过合理的开采布局，开采顺序，方向时间等方法，减缓开采地表变形值 6.变形缓冲沟：是在建筑物周围地表挖掘的一定深度的沟槽。沟深超过基础底面深200--300mm ，沟槽不小于600m ，沟外缘建筑物外侧1--2m 7.变形缝：是将建筑物从屋顶到地基分成若干长度较小，刚度较大，自成变形体系的独立单元 8安全开采上限：安全开采边界的标高 9.安全开采深度：地表至安全开采边界的距离，即地面标高与安全开采上限的标高之差 10.安全煤岩厚度：水体地面向下至安全开采上边界水平面之间的距离 11.“三下”采煤：是指在建筑物下、铁路和公路下、水体下进行开采。 12.观测站：是指在开采影响范围内的地表、岩层内部或其他研究对象上，按一定要求设立一系列互相联系的观测点。 13.土地复垦：是指对矿区土地的恢复和再利用。 14.在x 、y 两个方向或任意一个方向未达到该地质采矿条件下的充分采动尺寸时为有限开采； 16.水平变形：是指相邻两点的水平移动差值与两点之间水平距离的比值 填空 1.覆岩移动破坏形式：弯曲，跨落，片帮，岩石沿层面滑移，跨落岩石的下滑。地板岩层隆起。 2.稳态移动盆地划分为三个区域：中性区，压缩区和拉伸区 3.下沉盆地的角度参数： 边界角：开采达到或接近充分采动是，移动盆地主断面上盆地边界点和采空区边界点连续与采空区外侧水平线的夹角 移动角：开采达到或接近充分采动时，移动盆地主断面上临界变形点和采空区边界点连线与采空区外侧水平线的夹角 裂缝角：开采达到或接近充分采动时，采空区上方地表最外侧位置裂缝和采空区边界点连线与采空区外侧水平线的夹角 最大下沉角：在移动盆地的倾斜主断面上，采空区的中点与地表下沉盆地中点的连线与矿层下山方向水平线的夹角 4.启动距：地表开始移动式工作面推进距离 地表开始移动：观测地表下沉值达到10mm 地表移动时间：从地表开始移动到地表停止移动的持续时间。分为启动。活跃。衰减阶段，1.67mm/d ，百分之85 5.开采沉陷预计理论有：影响函数方法，理论模型方
开采沉陷预计方法概述 摘要：本文主要介绍了当前使用的开采沉陷预计方法（基于实测资料的经验方法、影响函数法和理论模拟法）的原理、特点及应用情况，并简要介绍了开采沉陷预计的发展趋势，相信会对开采沉陷工作具有一定的帮助意义。 关键词：开采沉陷；预计方法；概率积分法；理论模拟法 1 引言 开采沉陷预计是矿山开采沉陷的核心内容之一，它对开采沉陷的理论研究和生产实践都有重要意义[1]。由于采矿引起的地面沉陷损坏地面建筑、公路、铁路等，不但给人民生活带来了威胁，而且破坏环境。开采沉陷的预计，对建筑物和生态环境的保护有重要意义。因此，有必要对开采沉陷预计方法进行探讨，以指导矿山的开采。开采沉陷预计方法很多，按建立预计方法的途径可分可分为三类：基于实测资料的经验方法、影响函数法和理论模拟法[2-4]。 2 开采沉陷方法简介 基于实测资料的经验方法是通过对大量的已知开采沉陷实测资料进行数据处理，确定开采沉陷中各种移动变形值的函数形式和计算预计参数的经验公式。这种方法在预测时，首先根据开采的地质条件，确定经验公式中的预计参数，再代入公式确定预计函数进而求出移动和变形值。这种方法是当前最为可靠的一种预测方法，常见的经验方法有：典型曲线法和剖面函数法等。 理论模拟法把岩体抽象为某个数学的、力学或数学-力学的理论模型，按照这个模型计算受开采影响岩体产生的移动、变形和应力的分布情况。如认为岩层和地表是一种连续的介质，则此模型属于连续介质模型；否则，就属于非连续介质模型。此法所用的函数一般均由理论研究得出，所用的参数常用实验室试验或理论推导求得，一般与现场实测资料没有直接关系，常用的理论模型法主要有连续介质力学法等。 影响函数法是介于经验方法和理论模型方法之间的一种方法，它的实质是根据理论研究或其他方法确定微小单元开采对岩层或地表的影响（以影响函数表示），把整个开采对岩层和地表的影响看作采区内所有微小单元开采影响的总和，并据此计算整个开采引起的岩层和地表的移动和变形，目前此方法中所用的参数根据实测资料获得。常用的影响函数方法有概率积分法等[5]。 下面分别对各个方法进行简单介绍。 2.1 典型曲线法 典型曲线法是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，它适用于矩形或者近似矩形的采区的地表移动变形预计。典型曲线法由于其分布和参数均是直接基于实测资料，因此其预计误差较小。但是建立典型曲线需要大量的观测数据，在实测数据不足的地区不能使用典型曲线法。；另外，此方法原则上只适用于矩形或近似矩形采区的地表移动和变形预计，在形状不规则的工作面开采时预计误差较大，这些限制了典型
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”(Mining subsidence)。 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，
矿山开采沉陷学》复习题 一、名词解释 1.地表移动盆地主断面：地表移动盆地内通过最大下沉点（或者说移动盆地的中心）所作的沿煤层走向的垂直断面。（P35） 2.临界开采面积：地表到充分采动时的采空区面积。 3.防砂安全煤岩柱：在松散弱含水层底界面至煤层开采上限之间为防止流砂溃入井下而保留的煤和岩层块段。（P321） 4.垮落带（冒落带）：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。（P26） 5.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值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。（P43） 6.地表移动起动距：地表开始移动时工作面的推进距离。（P85） 7.半无限开采：工作面煤壁一侧的煤层未被采动，而另一侧的煤层全部采空的开采情况。 8. 超前影响角：将工作面前方地表开始移动（即下沉10mm）的点与当时工作面的连续，此连线与水平线在煤柱一侧的夹角。（P85） 二、填空题 三、简答题 1.什么是开采沉陷预计，其目的是什么？（P116） （1）对一个计划进行的开采，在开采进行以前，根据其地质采矿条件和选用的预计函数、参数，预先计算出受此开采影响的岩层和（或）地表的移动和变形工作，称为开采沉陷预计。（2）开采沉陷预计对开采沉陷理论的研究和生产实践都有重要意义。①在理论研究生的作用在于，利用预计的结果可以定量地研究受开采影响的岩层与地表移动在时间上和空间上的分布规律。②对指导建筑物下、铁路下、水体下的开采实践具有重要的作用。 2.岩层移动稳定后，覆岩采入影响分为哪几个带？各影响带的主要特征是什么？（P25—P27）（1）冒落带：①随着煤层的开采，其直接顶板在自重力的作用下，发生法向弯曲，当岩层内部的拉应力超过岩石的抗拉强度时，便产生断裂、破碎成块而垮落，冒落岩块大小不一，无规则地堆积在采空区内；②冒落岩石具有一定的碎胀性，冒落岩块间空隙较大，连通性好，有利于水、砂、泥土通过。冒落岩石的体积大于冒落前的原岩体积；③冒落岩石具有可压缩性；④冒落带的高度主要取决于采出厚度和上覆岩石的碎胀系数，通常为采出厚度的3~5倍。实践中可用下式近似估算冒落带高度：h=m/[(k-1)cosα]。（2）裂隙（或称断裂）带：该带内岩层产生较大的弯曲、变形及破坏，其破坏特征是，裂缝带内岩层不仅发生垂直于层理面的裂缝或断裂，而且产生顺层理面的离层裂缝。（3）弯曲（又称整体移动）带：①弯曲带内岩层在自重力的作用下产生层面法向弯曲，在水平方向处于双向受压缩状态，因而其压实程度较好，一般情况下具有隔水性，特别是当岩性较软时，隔水性能更好，成为水下开采时的良好保护层，当透水的松散层在弯曲带内就不能起到这种作用；②弯曲带内岩层的移动过程是连续而有规律的，并保持其整体性和层状结构，不存在或极少存在离层裂缝。在竖直面内，各部分的移动值相差很小；③弯曲带内的高度主要受开采深度的影响。 3.影响地表移动盆地分布规律的地质采矿因素有哪些？(P95-P104) ①覆岩力学性质、岩层层位的影响；②松散层对地表移动特征的影响；③煤层倾角的影响； ④开采厚度与开采深度的影响；⑤采区尺寸大小的影响；⑥重复采动的影响；⑦采煤方法及顶板管理方法的影响。 4.采矿引起开采空间周围岩层移动的主要形式有哪些？每种移动形式具备的条件是什么？（P23-P24） （1）弯曲：当地下煤层采出后，上覆岩层中的各个分层，从直接顶板开始沿层理面的法线
《矿山开采沉陷学》复习题 一、名词解释 1.地表移动盆地主断面：地表移动盆地内通过最大下沉点（或者说移动盆地的中心）所作的沿煤层走向的垂直断面。（P35） 2.临界开采面积：地表到充分采动时的采空区面积。 3.防砂安全煤岩柱：在松散弱含水层底界面至煤层开采上限之间为防止流砂溃入井下而保留的煤和岩层块段。（P321） 4.垮落带（冒落带）：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。（P26） 5.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值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。（P43） 6.地表移动起动距：地表开始移动时工作面的推进距离。（P85） 7.半无限开采：工作面煤壁一侧的煤层未被采动，而另一侧的煤层全部采空的开采情况。 8. 超前影响角：将工作面前方地表开始移动（即下沉10mm）的点与当时工作面的连续，此连线与水平线在煤柱一侧的夹角。（P85） 二、填空题 三、简答题 1.什么是开采沉陷预计，其目的是什么？（P116） （1）对一个计划进行的开采，在开采进行以前，根据其地质采矿条件和选用的预计函数、参数，预先计算出受此开采影响的岩层和（或）地表的移动和变形工作，称为开采沉陷预计。（2）开采沉陷预计对开采沉陷理论的研究和生产实践都有重要意义。①在理论研究生的作用在于，利用预计的结果可以定量地研究受开采影响的岩层与地表移动在时间上和空间上的分布规律。②对指导建筑物下、铁路下、水体下的开采实践具有重要的作用。 2.岩层移动稳定后，覆岩采入影响分为哪几个带？各影响带的主要特征是什么？（P25—P27） （1）冒落带：①随着煤层的开采，其直接顶板在自重力的作用下，发生法向弯曲，当岩层内部的拉应力超过岩石的抗拉强度时，便产生断裂、破碎成块而垮落，冒落岩块大小不一，无规则地堆积在采空区内；②冒落岩石具有一定的碎胀性，冒落岩块间空隙较大，连通性好，有利于水、砂、泥土通过。冒落岩石的体积大于冒落前的原岩体积；③冒落岩石具有可压缩性；④冒落带的高度主要取决于采出厚度和上覆岩石的碎胀系数，通常为采出厚度的3~5倍。实践中可用下式近似估算冒落带高度：h=m/[(k-1)cosα]。 （2）裂隙（或称断裂）带：该带内岩层产生较大的弯曲、变形及破坏，其破坏特征是，裂缝带内岩层不仅发生垂直于层理面的裂缝或断裂，而且产生顺层理面的离层裂缝。 （3）弯曲（又称整体移动）带：①弯曲带内岩层在自重力的作用下产生层面法向弯曲，在水平方向处于双向受压缩状态，因而其压实程度较好，一般情况下具有隔水性，特别是当岩性较软时，隔水性能更好，成为水下开采时的良好保护层，当透水的松散层在弯曲带内就不能起到这种作用；②弯曲带内岩层的移动过程是连续而有规律的，并保持其整体性和层状结构，不存在或极少存在离层裂缝。在竖直面内，各部分的移动值相差很小；③弯曲带内的高度主要受开采深度的影响。 3.影响地表移动盆地分布规律的地质采矿因素有哪些？(P95-P104) ①覆岩力学性质、岩层层位的影响；②松散层对地表移动特征的影响；③煤层倾角的影响； ④开采厚度与开采深度的影响；⑤采区尺寸大小的影响；⑥重复采动的影响；⑦采煤方法及顶板管理方法的影响。 4.采矿引起开采空间周围岩层移动的主要形式有哪些？每种移动形式具备的条件是什么？
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。 （一）下沉曲线 下沉曲线表示地表移动盆地内下沉的分布规律。设沿主断面方向为x轴，下沉曲线为W(x)=F(x) 在讨论分布规律时，先要确定下沉曲线上的三个特征点： 1．最大下沉点o：下沉值最大。在水平煤层开采时，在采区中央正上方。 2．盆地边界点A、B：据走向边界角δ0作边界点A、B，此处下沉值为零。 3．拐点E：拐点是指下沉曲线凹凸的分界点。拐点从理论上讲应位于工作面开采边界的正上方，但由于工作面边界附近的顶板并不切煤壁冒落或呈阶状弯曲，存在悬顶距，因此在四周没采情况下，拐点E不在工作面开采边界的正上方而是略偏向采空区一侧。在地表达充
问题 探讨 采煤沉陷区环境保护与治理研究 孔改红1,李富平2 (1.河北理工大学交通与测绘学院,河北唐山 063009; 2.河北理工大学资源与环境工程学院,河北唐山 063009) 摘 要:在分析了我国采煤区地表沉陷问题的现状、原因及其影响、采煤沉陷区环境保护与治理的现状的基础上,提出了解决该问题的思路和主要方法。 关键词:开采沉陷;采煤沉陷区;环境保护;综合治理 中图分类号:T D163 文献标识码:A 文章编号:1007-1083(2006)01-0004-02 Research on environmental protection and control in mining sinking region K ONG G ai-hong1,LI Fu-ping2 (1.T raffic and Survey Institute of HeBei Science University,T angshan063009,China; 2.Res ources and Environmental Engineering Institute of Hebei Science University,T angshan063009,China) Abstract:Analysis on the actual situation,reas ons and in fluence of the surface subsidence,and on the actual situation of the environmental protection and control of the sinking region in coal-mining fields,suggests,for the above problem,reas ons and main measures。 K ey w ords:subsidence mining,sinking region in coal mining,environmental protection,integrated control 煤炭资源的大规模开采和利用,在给人类带来巨大经济效益的同时,也给人类的生存环境产生一系列的消极影响。随着煤炭资源的开采,我国的采煤塌陷范围以每年200km2的速度递增,严重破坏了矿区的生态环境。采煤沉陷区的环境保护与治理直接关系到矿区的区域经济、社会稳定、生态环境,也关系到矿区的可持续发展,是我国矿区所面临的一个亟待解决的问题。 1 我国采煤区地表沉陷问题现状 井下采掘过程中,顶板冒落后,引起地表面下沉,形成塌陷。塌陷是井下煤田开采对土地破坏的主要形式,塌陷地面一般占井下煤田开发区总土地破坏面积的80%以上。 我国的煤炭工业以井下开采为主,绝大多数是长壁工作面、全陷落法管理顶底板,再加上开采强度开采规模的日益加大、开采方式和工作面结构参数优化不合理、小煤矿的不规范开采等影响,致使采煤区地面塌陷比较严重。据调查统计,每从地下开采1万t煤约使1000～3000m2的土地遭受不同程度的塌陷。目前我国因煤炭开采塌陷土地近3万km2,每年增加200km2。每年的采煤塌陷土地约占全国被破坏土地的1/10,而复垦整治率非常低,仅占20%左右。所以我国当前煤炭开采利用与环境保护严重失衡,环境污染日益严重。 2 采煤区地表沉陷的影响 2.1 对生态环境的影响 (1)地表耕地受到破坏。开采沉陷对耕地的破坏十分严重,有些矿务局平均开采1万t煤要破坏耕地3000～4000m2时,每年破坏耕地3～4km2。 (2)采区水文环境受到很大影响。当开采单一煤层时,塌陷多呈碟形或槽形洼地形态,扇缘洼地塌陷后,埋藏不深的浅层地下水露出地表或地表水系遭到破坏,地表水汇集在塌陷地中部,形成湿地或沼泽、湖泊化,使耕地无法耕种、生态环境恶化。在干早山区还可能由于地表水系受到破坏,使居民生活用水和灌溉用水发生困难。大面积的塌陷引起工程地质条件的改变,加强了水文地球化学作用,促使地下水水质恶化。 (3)地表各项设施遭到毁坏。当开采单一煤层形成稳定性塌陷时,塌陷地边缘地带,虽然下沉深度不大,但因受岩层破碎应力的影响,常见断裂和裂缝致使城镇、乡村地面建筑,排灌水系,道路等遭到破 4 河北煤炭 2006年第1期
1绪论 1．1开采沉陷研究的意义 煤炭资源是我国的主要能源，已探明总储最在9000×10。t以上，含煤面积达 55万多平方公里，是世界上煤炭资源最丰富的国家之一。据预测．到2050年煤炭 资源仍占我国能源需求的70％眦上…，因此对地下各种赋存条件煤炭资源的开采 将是一项长期的任务。我国煤炭资源的分布也十分广泛，平原、丘陵、山区的地下 蕴藏着丰富的煤炭资源，在一些建筑物下、铁路下、水体下(简称“三下”)也压着大 量的煤炭资源．据原煤炭部1982年的不完全统计，我国仅统配煤矿的生产矿井“三 下”压煤就达137 9×10。t。我国煤炭的赋存条件也千差万别．其中急倾斜或大倾 角煤层的开采越来越受到人们关注，其原因有三个方面：一是在全国重点煤矿区有 20处100多个矿井是急倾斜(也称“大倾角”)煤层开采，急倾斜或大倾角煤炭储量 约占全国煤炭储量的15％～20％，特别是在我国的西部矿区50％阻上矿井开采的 是急倾斜煤层，如主要产煤省、市、自治区有四川、重庆、云南、贵州、新疆、甘肃、宁 夏等的急倾斜(大倾角)煤层是许多矿区或矿井的主呆煤层。随着我国西部大开发 战略的实施，我国矿产资源开采重点西移，煤炭资源开采已成为西部地区区域经济 发展的重要支柱，加强对急倾斜(大倾角)煤层开采地表沉陷机理的研究是西部煤 炭开采的重大课题。二是东部矿区赋存条件较好的煤层越来越少．加上多年来高 强度的开采，浅部赋存条件较好煤层的开采也日益枯竭，从而使急倾斜(大倾角)煤 层问题迅速进入了人们的视野，引起了人们的高度重视，如山东兖州矿区、河北邢 台和开滦矿区、安徽淮南与淮北矿区、江苏徐州矿区等的许多矿井不得不由条件相 对优越的煤层开采转向复杂的急倾斜(大倾角)煤层开采。很显然．要保持矿区生 产的高产、高效和可持续发展．也必须加强对急倾斜(大倾角)煤层开采岩层移动与 地表沉陷问题的研究。三是对急颊斜(大倾角)煤层开采岩层移动与地表沉陷问题
开采沉陷计算过程说明 一、数据准备 1．地形图数据 （1）AutoCAD图数据 首先将AutoCAD文件备份，然后在AutoCAD中将地形图中的等高线、高程点分别设置到图层上，并逐条等高线赋高程值，高程点赋高程值，然后将其它内容全部删除，处理完后另存为AutoCAD2000格式的dxf类型文件。 注意：一定要将不是等高线、高程点的内容删除，特别是块信息须全部删除，否则会引起读入数据不正确。 （2）扫描图矢量化数据 将扫描的地形图应用矢量化软件对等高线、高程点进行矢量化，并对所有等高线、高程点赋高程值，处理完后转换成AutoCAD2000格式的dxf类型文件。（3）文本格式数据文件 地形图数据一般包括三个数据文件：线数据文件、点数据文件、文字注记数据文件。 线数据文件格式： 序号曲线开闭标志(开=1;闭=2) 等高值线型颜色值点数n X1 Y1 ……Xn Yn。数据之间用空格隔开，一条等高线数据为一行，第二条等高线数据另起一行。例： 1 2 500.0 255 6 100.0 100.0 120.0 120.0 140.0 140.0 140.0 160.0 120.0 180.0 100.0 100.0 2 1 505.0 0 8 128.284271 100.0 134.142136 105.857864 154.142136 125.857864 174.142136 145.857864 194.142136 165.857864 214.142136 185.857864 234.142136 205.857864 254.142136 225.857864 …………… 64 1 515.0 0 4 100.0 976.812409 101.593796 978.406204 121.593796 998.406204 123.187591 1000.0 点数据格式: X坐标 Y坐标 Z坐标（高程值）。例： 99973.751000 86063.929000 1022.200000 98981.372000 86069.009000 897.800000 98699.407000 86035.140000 935.900000 98412.786000 86079.170000 1000.400000 98039.797000 86055.038000 943.100000 98181.626000 86245.978000 947.000000 98436.918000 86150.296000 984.100000 98430.991000 86331.499000 935.200000 98653.683000 86258.679000 891.900000 …………… 文字注记数据格式：
矿井沉陷区治理方案及防护措施 登封市向阳煤业有限公司 二〇一六年
沉陷区治理方案及防护措施 一、沉陷区治理方案 （一）地面塌陷、地裂缝 矿区现状条件下未发生地面塌陷、地裂缝灾害，随着开采活动的进行，在开采影响范围内可能产生，治理时要统筹考虑开采沉陷与地裂缝的关系，防治结合，综合治理。 1、地表塌陷区管理小组成员每次对地表裂隙检查后，分析制定具体的处理办法并实施。 2、重点加强雨季前对地表塌陷区的检查工作，雨季期间要加强气象资料的收集和水情检测，加强防洪防汛管理工作。 3、建立完善的封闭系统。首先将采空区用密闭与巷道隔离开来，采空区建立观察站，进行观察并记录。 4、地下已废弃巷道或采空区出现地面塌陷、地裂缝时，采取地下回填废渣，减缓地面沉陷速度；为制止地面塌陷形成，通过地面裂缝灌注尾矿砂浆（或水泥砂浆），加快充填废渣的固化。 5、地下坑道尚在使用阶段，地面出现地面塌陷和地裂缝迹象时，对地裂缝发育地段采取灌浆、密实等措施；在地下坑道采取修筑支护工程等防塌措施，必要时停止该区段的开采。 6、地下已废弃巷道，地面形成塌陷但规模不大时，采取由地面至外向内将废渣填入下部，中上部用细粒尾矿充填，夯实、上部复土的方式处理。
7、地下已废弃巷道，地面塌陷规模巨大，难以治理的特殊地段，圈定为矿山地质灾害监测研究区，制定监测方案，在确保安全的前提下，划定出禁入区、监测区，修建栅栏和观测道路，立明显标志，防止人畜误入造成生命财产的损失。 8、因采空塌陷，造成的民房屋不同程度开裂的，已与矿方达成协议，组织刘东村、刘西村、狮子口等搬迁。 9、地面恢复耕地。 10、建立完善的封闭系统。首先将采空区用密闭与巷道隔离开来，每个采空区地面建立一个观察站，每1——2月进行1次观察并记录。（二）其它 固体废物及处置 矿山固体废弃物有煤矸石、矿井水处理站的煤泥、动筛车间的煤泥、燃煤锅炉炉渣、生活垃圾、生活污水处理站的污泥等，矸石运至矸石场排放，煤泥经压滤脱水后参如煤泥销售。严禁河道内堆放垃圾,要保持河道畅通。 二、防护措施 1、坚持长期、认真的矿山环境及地质灾害监测，随时注意矿山开采进度造成的地质环境变化，对可能引发的地质灾害进行监测并采取相应措施，尽量避免人为灾害发生。 2、必须规范开采施工、必须建立健全安全规章制度、必须加强安全生产管理。矿山开采过程中，必须严格遵守国家相关法律法规，对生产过程中产生的废渣、废弃物，必须存放至安全的场所，严禁随
第七章矿山开采沉陷预测 开采沉陷预计：根据已知的地质采矿条件在开采之前预先算出地表可能产生的移动和变形叫开采沉陷预计 预计参数：指在预计函数中所用到的一系列数据 按预计方法的形式： ①剖面函数；②影响函数；③典型曲线 （一） （1）充分采动条件下地表最大下沉值 Wmax=qmcosα m——煤层法向开采厚度，mm；α——煤层的倾角；q}——充分采动条件下的下沉系数 影响最大下沉值的因素：1）采厚；2）岩性；3）倾角；4）开采方法及顶板管理方法；5）采空区尺寸大小；6）采动次数；7）采深等 （2）非充分采动条件下的最大下沉值 Wmax=qmcosα.k√n1n2 k——系数，取2~3 n1，n2——沿倾向和走向的充分采动程度系数 n1=D1/D01，n2=D2/D02 D1，D2分别是采空区沿倾向和走向的长度；D01，D02分别为地表达到充分采动时采空区的临界长度 当倾向和走向的充分采动程度系数n1，n2同时等于或大于1时，地表达到充分采动，计算时取n1=n21=1，否则为非充分采动 （二）最大水平移动值预测 在充分采动或接近充分采动条件下，最大水平移动： （1）走向方向 Umax =bWmax Umax——最大水平移动；b——水平移动系数，b=0.2~0.3 （2）倾向方向 Umax= bαWmax 表土层较薄时：bα=b+0.7cotθ 表土层较厚时：bα=b+0.7（tanɑ-h/（H0-h）），其中H0——平均开采深度；θ开采影响传播角；h——表土层厚度 ，P=0 概率积分法 作为开采沉陷的研究主体——岩层可以用两种完全不用的介质模型来模拟：一种是连续介质模型，另一种是非连续介质模型 基本假定： （1）岩体是各向同性的、均质的、不连续介质，开采引起的各方向移动与方向无关（等影响原理）：
采煤塌陷引起的地质环境问题及其治理 摘要：矿区采煤塌陷地环境整治直接关系到矿区的区域经济、社会稳定、生态环境，也关系到矿区的可持续发展，是我国采煤矿区所面临的一个十分严峻的问题。因此本文在介绍了我国现阶段采煤塌陷现状的基础上，分析了采煤塌陷带来的危害及现阶段我国塌陷治理工作的不足之处，并进一步提出了采煤塌陷地的综合管理方法。 关键字：采煤塌陷，地质环境问题，治理措施 1.背景与意义 1.1我国煤炭开采现状 我国当前煤炭开采利用与环境保护严重失衡，环境污染日益严重，矿区的环境容量逐渐缩小。据有关资料表明，每年的采煤塌陷土地约占全国被破坏土地的十分之一，而复垦整治率，仅占20 %左右。 采空区的大小、分布与各地区煤炭的累计开采量成正比。根据1949~2002年的统计资料分析，按累计原煤产量占全国比重从大到小排序，依次是山西、河南、河北、黑龙江、山东、湖南、四川（含重庆）、辽宁、贵州、内蒙古、江苏、云南、安徽、陕西、甘肃、吉林、江西等，以上17个省区合计原煤产量占全国总产量的90%。 1.2采煤塌陷的危害 采煤塌陷的危害是多方面的,如地面建筑和市政基础设施受到破坏、人民的生命财产受到损失,农田遭到严重破坏以及影响社会安定团结等等,其中,农田遭到破坏最为普遍和严重,采煤塌陷减少大量耕地,深层塌陷对耕地的破坏可以说是毁灭性的,对它的治理具有相当大的困难。 例如，位于华北平原的开滦煤矿的优质炼焦煤为我国工农业生产提供了大量能源，为我国的出口创汇以及唐山市的繁荣和发展做出了重要贡献。但经过140多年的开采，到2000年底，因地下采煤地表塌陷面积已达31.2万亩，其中绝产耕地6万余亩，形成大小塌陷积水坑53个，积水总面积3.14万亩，最大积水深度12米；因采煤塌陷已搬迁村庄94个，旧村址废弃地面积达1.06万亩；开滦各矿采煤排矸石形成16座矸石山，占地0.45万亩，季节性积水塌陷波及耕地20多万亩。据预测，随着煤炭不断开采，今后每年将新增塌陷地2400亩。 矿区绝大部分位于平原地区，地面多为良田和城镇建筑。由于矿区为多煤层开采，地下煤层全部采出后，地表最大下沉多达十多米。塌陷使原本平整的土地变得凹凸不平，造成水土流失、季节性或常年积水。据调查统计，矿区每采出万吨煤，塌陷土地2.4亩、塌陷水面0.75亩。几个距市区较近的积水塌陷区过去成为煤矿矸石、电厂排灰、城市生活垃圾、建筑垃圾的排放地，加之部分工矿企业生产、生活污水的排放，矸石自燃释放出二氧化硫、一氧化碳，致使塌陷区生态环境和自然景观遭到严重破坏。 1.3意义
◎◎解答◎◎ 由于采矿企业的多年采矿导致甲村的地表土地塌陷，并造成部分房屋损坏的，甲村村民有权要求采矿企业采取措施防止危险的发生，并且可以要求采矿企业给予赔偿。 ◎◎法律依据◎◎ 《中华人民共和国煤炭法》 第三十二条因开采煤炭压占土地或者造成地表土地塌陷、挖损，由采矿者负责进行复垦，恢复到可供利用的状态；造成他人损失的，应当依法给予补偿。 《中华人民共和国民法通则》 第一百零六条公民、法人违反合同或者不履行其他义务的，应当承担民事责任。 公民、法人由于过错侵害国家的、集体的财产，侵害他人财产、人身的，应当承担民事责任。 没有过错，但法律规定应当承担民事责任的，应当承担民事责任。 第一百一十七条侵占国家的、集体的财产或者他人财产的，应当返还财产，不能返还财产的，应当折价赔偿。 损坏国家的、集体的财产或者他人财产的，应当恢复原状或者折价赔偿。 受害人因此遭受其他重大损失的，侵害人并应当赔偿损失。 《中华人民共和国土地管理法》 第四十二条规定因挖损、塌陷、压占等造成土地破坏，用地单位和个人应当按照国家有关规定负责复垦；没有条件复垦或者复垦不符合要求的，应当缴纳土地复垦费，专项用于土地复垦。 第四十七条征收土地的，按照被征收土地的原用途给予补偿。 征收耕地的补偿费用包括土地补偿费、安置补助费以及地上附着物和青苗的补偿费。征收耕地的土地补偿费，为该耕地被征收前三年平均年产值的六至十倍。征收耕地的安置补助费，按照需要安置的农业人口数计算。需要安置的农业人口数，按照被征收的耕地数量除以征地前被征收单位平均每人占有耕地的数量计算。每一个需要安置的农业人口的安置补助费标准，为该耕地被征收前三年平均年产值的四至六倍。但是，每公顷被征收耕地的安置补助费，最高不得超过被征收前三年平均年产值的十五倍。 征收其他土地的土地补偿费和安置补助费标准，由省、自治区、直辖市参照征收耕地的土地补偿费和安置补助费的标准规定。 被征收土地上的附着物和青苗的补偿标准，由省、自治区、直辖市规定。 征收城市郊区的菜地，用地单位应当按照国家有关规定缴纳新菜地开发建设基金。 依照本条第二款的规定支付土地补偿费和安置补助费，尚不能使需要安置的农民保持原有生活水平的，经省、自治区、直辖市人民政府批准，可以增加安置补助费。但是，土地补偿费和安置补助费的总和不得超过土地被征收前三年平均年产值的三十倍。 国务院根据社会、经济发展水平，在特殊情况下，可以提高征收耕地的土地补偿费和安置补助费的标准 《安徽省实施<中华人民共和国土地管理法>办法》 第二十三条因挖损、塌陷、压占等造成土地破坏的，用地单位和个人应当按照国家有关规定负责复垦；没有条件复垦的，按照被破坏土地每平方米6至9元的标准缴纳土地复垦费；复垦不符合要求的，参照上述标准缴纳复垦费。土地复垦的具体办法，由省人民政府制定。
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，直至达到新的平衡。随着采矿工作的进行，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。移动结束后，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，从直接顶板开始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结构。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，一部分被压碎挤向采空区，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部分岩层受拉伸，甚至剪断，而下山方向的部分岩层受压缩。 （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。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，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。 （六）底板岩层的隆起。当底板岩层较软时，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。
摘要 采煤沉陷是严重影响人民生活和生产建设的主要地质灾害之一，采煤沉陷形成的塌陷地有严重的危害，对在全面分析文献及前人研究的基础上, 通过理论分析, 提出了采煤塌陷地复垦模式的概念、分类体系和确定的理论方法,最后总结了采煤塌陷地复垦模式的特点。对矿区采煤塌陷地复垦模式的合理选择,实现矿区的可持续发展具有一定的指导意义。 关键字：采煤塌陷地；土地复垦；复垦模式；分类 ABSTRACT The mining subsidence is one of the most popular geologic hazard that influences our lives and constructions in the country, the subsided land by coal mining has serious harm. based on the overall analysis of documents and the predecessor’study ,through the theoretical analysis , the conception、the classification and the abstract method of definition about the reclamation model of the subsided landby coal mining are put forward ,finally characteristics of the reclamation model of the subsided land by coal mining are summarized. The choice for the model of the subsided land by coal mining has a certain guiding significance to the mine’s sustainable development. Keywords: the subsided land by coal mining; land reclamation; r eclamation model; classification