第2章 开采沉陷基本概念
矿山开采沉陷观测
经验教训
总结矿区沉陷治理的经验教训，为类似矿区的治理提供借鉴和参考。
05
矿山开采沉陷观测的未来发 展
智能化沉陷观测技术
自动化数据采集
利用无人机、遥感等技 术实现沉陷观测数据的 自动化采集，提高数据 获取的效率和精度。
人工智能分析
利用机器学习、深度学 习等技术对沉陷观测数 据进行智能分析，实现 沉陷形态的自动识别和 预测。
实时监测预警
通过物联网、云计算等 技术实现沉陷区的实时 监测和预警，及时发现 潜在的安全隐患。
沉陷观测数据共享与服务平台
数据整合
将不同来源、不同格式的沉陷观测数据进行整合， 形成统一的数据共享平台。
全自动沉陷观测站能够实现自动化数 据采集，减少人工干预，提高观测效 率和准确性。
全自动沉陷观测站采用高精度测量设 备，能够准确测量矿山开采沉陷的深 度、范围和变形量等参数。
实时监测
全自动沉陷观测站具备实时监测功能， 能够及时发现矿山开采沉陷的变化情况 ，为采取相应的应对措施提供依据。
GPS定位技术
沉陷产生的原因
地下矿藏开采
随着地下矿藏的开采，矿体周围的岩 层失去支撑，导致应力平衡破坏，引 起岩层移动和地表沉陷。
地下水流失
矿藏开采过程中，地下水被大量抽取 ，导致地下水位下降，土层失去水分 支撑，进而产生沉陷。
沉陷对环境的影响
01
02
03
04
地表形态改变
沉陷使地表形态发生明显变化 ，形成塌陷坑或塌陷盆地，影
综合利用率。
03
跨界合作
加强与其他领域的合作，如土地资源管理、环境保护等，共同推进矿区
开采沉陷形成机理及其预测方法
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。
开采沉陷
一、名词解释（共30分，每小题6分）1. 地表移动盆地：地下开采波及到地表，使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大得多的沉陷区域，这种地表沉陷区域称为地表移动盆地。
P52. 最大下沉角：地表最大下沉点与采空区中点的连线和水平线所成的锐角称为最大下沉角。
P103.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。
P144.条带开采：条带开采是一种部分开采方法，它是将要开采的煤层区域划分为比较正规的条带形状，采一条、留一条，使留下的条带煤柱足以支撑上覆岩层的重量，而地表只产生较小的移动和变形。
P1975.开采沉陷预计：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。
P50二、简答题（每小题10分，共计40分）1．为保护地表建筑物采用的主要技术和开采方法有哪些？p141答：（1）开采方法：充填开采方法、部分开采方法、协调开采方法、岩层离充填减沉方法。
（2）建筑物加固方法：设置变形缓冲沟、设置变形缝、设置钢拉杆、设置钢筋混凝土圈梁、设置基础联系梁、设置钢筋混凝土锚固板、堵砌门窗。
2.试分析曲率变形对地表建筑物的影响。
P127答：曲率变形表示地表倾斜的变化程度。
建筑物位于正曲率（地表上凸）和负曲率（地表下凹）的不同部位，其受状态和破坏特征也不相同。
前者是建筑物中间受力大，两端受力小，甚至处于悬空状态，产生破坏时，其裂缝为倒“八”字形；后者中中间部位受力小，两端处于支撑状态，产生破坏时，其裂缝为“八”字形。
曲率变形引起的建筑物上附加应力的大小，与地表曲率半径、土壤物理力学性质和建筑物特征有关。
一般是随曲率半径的增大，作用在建筑物上的附加应力减小；随建筑物长度的增大、底面积增大，建筑物产生的破坏也加大。
深部开采沉陷规律研究与分析
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。
开采沉陷与控制基本概念概要课件
优化开采方法能够提高资源回收率，降低 地表沉陷和对环境的影响，提高矿井的经 济效益和社会效益。
03
沉陷观测与评估
观测方法
全球定位系统（GPS）
用于测量地表移动和变形，具有高精度和高 效率的特点。
数字高程模型（DEM）
利用地形数据建立数字高程模型，分析地表 形变和沉降。
雷达干涉测量
通过比较不同时间拍摄的卫星图像，监测地 表沉降和变形。
经验四
加强与相关部门的沟通协调，形成有效的 合作机制。
谢谢您的聆听
THANKS
行业标准与规范
《煤炭工业发展规划》
该规划是煤炭行业发展的指导性文件， 对煤炭开采过程中的沉陷控制提出了 具体要求。
《煤矿环境保护办法》
该办法规定了煤炭开采过程中的环境 保护要求，对沉陷控制具有指导意义。
05
沉陷控制实践与案例
国外实践与案例
பைடு நூலகம்
案例一
美国宾夕法尼亚州开采沉陷案例
案例二
澳大利亚新南威尔士州开采沉陷案例
技术优势
离层注浆能够避免对地表的破坏，降 低施工成本，提高施工效率。
优化开采方法
总结词
综合技术措施
详细描述
优化开采方法是一种综合技术措施，通过 优化采煤方法、开采顺序、工作面布置等 参数，控制地表沉陷。
开采方法优化
技术优势
优化采煤方法，选择适合的采煤工艺和设 备；优化开采顺序，合理安排工作面接替； 优化工作面布置，降低地表沉陷影响。
自动化观测系统
采用传感器和数据采集技术，实时监测地表 沉降和变形。
评估指标
地表沉降量
评估地表沉降的总量和分布情况。
地表移动速度
评估地表移动和变形的速率。
开采沉陷1
1.开采沉陷：有用矿物被开采出来后，开采区域周围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，岩层和地表产生连续的移动变形和非连续的破坏，这种现象称为开采沉陷。
2.三下采煤：建筑物，铁路，水体下采煤的合称。
3.岩层移动的形式：弯曲，垮落，煤的挤出，岩层沿层面滑移，垮落岩石下滑，底板岩层隆起。
4.上三带：跨落带，断链带，弯曲带。
下三带：地板采动导水破坏带，地板阻水带，地板承压水导升带。
5.跨落带：是指由采煤引起的上覆岩层破裂并向采空区跨落得岩层范围。
特点：①垮落带县有分层性，它分为不规则垮落和规则垮落两部分。
在下部不规则垮落部分，岩层完全失去其原有层位，在靠近煤层附近，岩石破碎，堆积紊乱。
规则的垮落部分，垮落岩层基本保持其原有层位，处于不规则垮落部分之上。
②垮落带岩石具有一定的碎胀性，垮落岩块间的空隙较大，有利于水、砂、泥土通过。
垮落后岩石体积大于垮落前岩石体积。
③垮落岩石具有可压缩性,垮落岩块间的空隙随着时间的推移和工作面的推进在一定程度上可以压实，一般时间越长，压实性越好，但永远恢复不到垮落前原岩体的体积。
④垮落带的高度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。
薄煤层开采时垮落带高度较小，一般为采出厚度的1.7倍。
顶板岩石坚硬时垮落带高度为采出厚度的5~6倍；顶板为软岩时，垮落带高度为采出厚度的2~4倍。
6.断裂带：是指在跨落带上方的岩层产生断裂或裂缝，但保持其原有层状的岩层范围。
特点：不仅发生垂直于层理面的断裂或裂缝，而且产生顺层理面的离层裂缝。
7.弯曲带：是指断裂带上方直至地表产生弯曲下沉的岩层范围。
特点：1.弯曲带内岩层在自重力的作用下产生沿层面法方向弯曲，在水平方向受双向压缩，压实程度较好，具有良好的隔水性；2.弯曲带内岩层的移动过程是连续有规律的，保持其整体性和层状结构，不存在或极少存在采动裂缝；3.弯曲带的高度主要受开采深度的影响。
8.地板踩动导水破坏带：是指煤层底板岩层受采动影响而产生导水裂缝的岩层范围，其深度为自煤层底板至采动导水裂缝最深处的发现距离。
《矿山开采沉陷观测》课件
智能化沉陷观测技术是指利用先进的信息技术、传感 器技术和数据处理技术，实现沉陷观测的自动化、智 能化和高效化。
智能化沉陷观测技术能够提高观测精度和效率，减少 人工干预和误差，为矿山安全生产提供更加可靠的技 术支持。
自动化数据处理与分析
自动化数据处理与分析是指利用计算机技术和软件技术， 对沉陷观测数据进行自动处理、分析和挖掘，以获取更加 准确和深入的矿山开采沉陷信息。
观测结果
发现矿区地面沉陷深度达到 1.5米，沉陷面积超过3平方公 里，主要集中在采空区附近。
结论
该矿区地面沉陷严重，需采取 措施控制沉陷进一步发展，加
强矿区环境保护。
某矿区地下水位观测案例
观测目的
了解矿区地下水位变化情况， 预测矿坑突水等安全事故，保
障矿区安全生产。
观测方法
建立地下水位观测井，定期进 行水位测量，分析水位变化规 律。
GIS技术的优点包括强大的数据 管理和空间分析能力、可视化效 果好等，能够为矿山开采沉陷观
测提供全面的技术支持。
04 矿山开采沉陷观测案例分 析
某矿区地面沉陷观测案例
01
02
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04
观测目的
了解矿区地面沉陷程度、范围 和规律，为矿区安全和环境保
护提供科学依据。
观测方法
采用水准仪、全站仪等测量仪 器，定期对矿区地面进行高程 测量，分析地面沉降数据。
《矿
• 矿山开采沉陷概述 • 矿山开采沉陷观测方法 • 矿山开采沉陷观测技术 • 矿山开采沉陷观测案例分析 • 矿山开采沉陷观测的未来发展
01 矿山开采沉陷概述
矿山开采沉陷的定义
矿山开采沉陷是指由于地下矿藏的开 采，导致地表及地表下的岩层和土体 发生变形、位移和破坏的现象。
沉陷预计技术交流
充填开采
矸石自溜充填 带状充填 混凝土充填
3、非充分采动条件下的最大下沉值 当其它条件相同时，非充分采动条件下的最大下沉值为：
Wm qmcos k n1n 2
式中 k──系数，一般取为2~3； n1 、n2──沿倾向和走向的采动系数。其值可按下式进行计算：
D1 n1 D01
式中
D2 n2 D02
D1、D2 ──分别为采空区沿倾向和沿走向的长度； D01 、D02 ──地表达到充分采动时采空区相应的临界长度。
当平均开采深度、最大下沉角θ 、下边界充分采动角、上边 界充分采动角和走向充分采动角已知时，采空区临界长度的值应 为：
当倾向和走向的充分采动程度系数、同时大于1时，地表 达到充分采动，计算时取n1=1、n2=1，否则为非充分采动。
注：实测表明，通常在 采空区的长度和宽度均 达到和超过1.2～1.4H0 （H0为平均开采深度） 时，地表可达到充分采 动——临界开采尺寸
A W0
B
δ
0
ψ3
ψ3
δ
0
图2 a—刚达到充分采动时的移动盆地
b .有多个地表点达到最大下沉值――超充分采动――超临界开 采(Supercritial extraction)，地表移动呈盘形（如图2b和图3）
（二）地表裂缝(Surface fracture)及台阶（step）：
在一定条件下，地表移动盆地 外边缘拉伸变形区可能 产生裂缝。 裂缝的深度、宽度与有无第四系松 散层及其厚度、性质和变形值大小 有关。国内外观测表明，对于塑性 大的粘土，一般是地表拉伸变形值 超过6～10mm/m时，地表才发生裂 缝。塑性小的粘土的砂质粘土、 粘 土质砂或岩石，当地表拉伸变形达 到2～3mm/m时就发生裂缝。
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（1）中间区特点：下沉均匀、下沉值最大，各处下沉近于 相同，变形值为零，一般无裂缝 （2）内边缘区：地表下沉不等，地面向盆地中心方向倾斜， 呈凹形，产生压缩变形，一般不出现裂缝 （3）外边缘区：地表下沉不等，地面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值后，地面出 现裂缝
• 地表移动盆地的采动程度
充分采动（Critical Mining）：地表最大下沉值不 随采空区尺寸增大而增加的临界开采状态。此时形成的
地表移动盆地称为充分采动下沉盆地
盆地内只有一个点的下沉值达到该地质采矿条件下
应有的最大下沉值。
一般当采空区的长度和宽度均达到1.2~1.4H0（H0为
平均开采深度）时，地表达到充分采动。
• 地表移动盆地的主断面
主断面：通过地表移动 盆地最大下沉点沿煤层倾
向或走向的垂直断面。主
断面个数与采动程度有关。
槽型盆地示意图
AB:走向主断面 CD:倾向主断面
主断面的特征：
主断面上地表移动盆地的范围最大；
主断面上地表移动最充分，移动变形量最大；
主断面上的点，通常不产生垂直于主断面方 向的水平移动。
尺寸，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。
超充分采动（Supercritical Mining）：地表最大下 沉值不随采区尺寸增大而增加且超出临界开采的状态，又 称超临界开采。此时形成的地表移动盆地为超充分采动下 沉盆地，盆地中央出现平底，平底区域点的下沉值均达到 最大下沉值。
主断面的位置：与采动程度和煤层倾角有关。
最大下沉角：倾斜煤层
开采时，地表移动盆地主断
面上，采空区中点和地表最
大下沉点在地表投影点（在 非充分采动条件下）或覆岩 充分采动区界线延长线交点 （充分采动条件下）的连线
与水平线在下山方向的夹角。
最大下沉角的确定
跟开采影响传播角加以区分
• 地表移动盆地特征
β0 ψ 1
ψ
2
0
② 倾斜煤层非充分采动地表移动
盆地特征： 倾斜方向上，移动盆地的最大 下沉点偏向采空区的下山方向；
A
采空区
盆地与采空区的相对位置，在
W0
走向方向上对称于倾斜中心线；
而在倾斜方向上不对称； 盆地的上山方向较陡，移动范 围小；下山方向较平缓，移动 范围大。
A
W0
B
A
δ0
ψ3
ψ3
δ0
倾斜煤层非充分开采地表移动盆地示意图
B
10
β0
ψ1θ ψ2
A
O
γ0
B
B
③ 急倾斜煤层开采地表移动盆 地特征:
整个移动盆地明显偏向下山方
采 空 区
向。
下沉点不出现在采空区中心上 方，而是大致位于采空区下边 界上方。 最大水平移动值可能大于最大
A
B
θ
下沉值，不出现充分采动情况。
急倾斜煤层开采地表移动盆地示意图
充分采动地表移动盆地
A、B—地表移动盆的的边缘O—地表移动盆地的最大下沉点W0—地表移动盆地最大下
沉值δ 0—走边界角ψ 3—走向充分采动角
非充分采动（Subcritical Mining）：地表最 大下沉值随采空区尺寸增大而增加的开采状态。此
时形成的地表移动盆地称为非充分采动下沉盆地
采空区的尺寸小于该地质采矿条件下的临界开采
① 水平煤层充分开采地表移动
γ
采空区
盆地特征：
地表移动盆地位于采空区的 正上方；
A a
B b b B
B
W0 B
9
a
A
地表移动盆地的形状与采空 区对称；
A W
0
A
移动盆地内外边缘区的分界
点，大致位
ψ3
ψ3
δ
0
水平煤层超充分采动地表移动盆地示意图
拐点——内外边缘区的分界点称为～，或下沉曲线的 凹凸变化点叫～，下沉为最大下沉的一半。
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