第七章 矿山开采沉陷预测
开采沉陷的预计方法及发展
煤矿开采沉陷预计理论与方法研究评述
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。
煤矿开采地表沉陷预测及分析方法
目前 中 国大 中型煤 矿 大多 采 用 综合 机 械 化采 煤 工 艺， 条带 式 采 煤 方 法 ， 煤 层 赋 存 条 件 大 多 为 近 水 平 煤 层 。因此 ， 本 次 主要 针 对 以 上 采 煤 工 艺 和 采 煤 方 法 以 及 煤 层倾 角小 于 ４ ５ 。 的井 工煤 矿项 目地 表 沉 陷预 测 方 法进 行 阐述 。 ２地 表 沉 陷预 测 方法 目前 我 国地 表 沉 陷预 测 可 以选 用 负 指 数 函数 法 ；
中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司北京100120煤矿开采过程中及开采后会导致地表沉陷我们可以采用概率积分法进行煤层开采沉陷预测得出地表下沉等值线图和地表移动变形最大值
煤矿开采地表沉陷预测及分析方法
王麒（ 中煤 国际工程集 团 北京华 宇工程 有限公司 ， 北京 １ ０ ０ １ ２ ０ ）
摘 要： 煤矿 开采过 程中及开采后会导致地表沉陷 ， 我们 可以采用概 率积分法进行煤层开采沉陷预测 ， 得 出地表下沉等值线 图和 地表移动变形最大值 。通过 沉陷预 测结果可 以为土地复垦及地表沉陷防治措施提供依据 ， 对 以后煤 炭开采具有参 考价值。
ｓ ｉ ｎ ‘ Ｄ
‘
（ ４ ） 沿 ‘ ｐ 方 向水平 移动 Ｕ
Ｕ （ ｘ ， Ｙ ， ‘ ｐ ） ＝ ｖ 争 ｖ × ［ ｕ ｃ （ ｘ ） × ｗ。 （ Ｙ ） × ｃ ｏ ｓ ｑ ￣ ＋ ｕ 。
０
（ Ｙ ）×Ｗ。 （ ｘ ）×ｓ ｉ ｎ ｃ ｐ ］ （ ５ ） 沿 ‘ ｐ 方 向水平 变形 ８
（ ３ ） 沿 ‘ Ｐ 方 向曲率 ｋ
ｋ（ ｘ ， Ｙ ， ‘ Ｐ ）＝
型 墨
ａ ｙ
＝
矿山开采沉陷学答案整理 2
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。
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。
矿山岩层与地表沉陷的预测方法
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。
矿山开采的局部崩塌预测与控制
局部崩塌的控制策
04
略
局部崩塌的预防措施
01
02
03
优化开采设计
合理规划开采顺序，控制 开采规模，避免因过度开 采导致的局部崩塌。
加强支护措施
采用合适的支护方式，如 锚杆、喷射混凝土等，对 矿体进行加固，提高其稳 定性。
排水与疏干
降低地下水位，减少水对 矿体的压力，降低崩塌风 险。
局部崩塌的监测与预警系统
局部崩塌的定义与特征
总结词
局部崩塌是指矿山开采过程中，在特定条件下，部分岩体因应力集中或失稳而发生的突然垮塌现象。
详细描述
局部崩塌通常发生在矿山的边坡、巷道或采场周围，表现为一定范围内的岩石、土壤或其他地质材料 在短时间内迅速垮落。局部崩塌具有突发性、不规律性和不可预测性等特点，其发生往往与地质构造 、岩体结构、水文条件等多种因素相关。
预测方法
采用地质勘察、岩体应力监测 和数值模拟等方法，对采空区 的稳定性进行评估和预测。
实践效果
经过实施预测与控制措施，该 矿山成功地减少了局部崩塌的 发生，保障了开采作业的安全
。
成功与失败案例的对比分析
对比概述
为了更好地总结经验教训，对成功与失败 的局部崩塌案例进行了对比分析。
失败案例教训
失败的案例往往缺乏科学的管理和技术支 持，导致风险评估不准确和应对措施不到
局部崩塌的产生原因
总结词
局部崩塌的产生原因主要包括地质因素、工程因素和环境因素等。
详细描述
地质因素包括岩体的地质构造、岩性特征、节理裂隙等；工程因素包括开采方法 、边坡设计、采空区处理等；环境因素包括降雨、地震、温差变化等。这些因素 相互作用，可能导致岩体应力失衡，从而引发局部崩塌。
矿山开采沉陷学(知识点)
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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）：
（2）承认线性迭加原理
（3）弯曲带内的岩体只产生形变而不发生体积变化；
（4）移动稳定后地表下沉盆地的体积等于采出体积
单元开采：开采厚度和宽度均为无穷小单位的开采
单元盆地：单元开采形成的盆地
单元下沉：单元盆地中的下沉
单元水平移动：单元盆地中的水平移动
平面问题：指某一方向开采是无限（一般是充分采动），在另一个方向的开采可以是无限的（充分采动），也可以是有限的（非充分采动）
半无限开采：指在平面问题中，开切眼一侧的煤层未被开采，而其他方向的煤层已全部采出有限开采：指在平面问题中，一个方向无限开采，另外一个方向有限开采
参数r的意义
（最大倾斜处的下沉为最大下沉值的一半）
r
β——主要影响角；
tanβ——主要影响角正切
主要影响角：将x=±r的地表点与煤壁相连，其连线与水平线之间所夹得锐角β称为主要影响角
水平煤层半无限开采主断面地表移动与变形计算公式
下沉：Wmax=mqcosɑ
倾斜变形：imax=Wmax/r
曲率：Kmax=±1.52Wmax/r²
水平移动：Umax=bWmax
水平变形：εmax=±1.52bWmax/r
移动及变形曲线的平移
拐点偏距：由于采空区悬顶的作用，使地表下沉曲线的拐点距离煤壁有一定的距离，该距离称为拐点偏距
①当四周未开采时，l=l0 -2S走，L=L0-S上-S下
②当倾向方向两侧已经开采时，L=L0+S上+S下
注意：当周围无老采空区时，拐点偏向采空区内侧；
当周围有老采空区时，拐点偏向采空区外侧
例一：枣庄田屯煤矿开采2024工作面，H0=31米，m=1.45米，α=12°，采宽100米，属充分采动，参数为：
q=0.76，tanβ=2.2,s=4（米），b=0.36
预计采后地表移动变形最大值和主断面上距边界内外10米A，B两点的移动变形。
解：1）预计地表最大移动变形值：
W=qmcosα=0.76×1450×cos12°=1078(mm)
U0=bW0=0.36×1078=388(mm)
r=H0/tanβ=31/2.2=14(mm)
i0=W0/r=1078/14=77(mm/m)
k0=1.52W0/r2=8.4(mm/m2)
ε0=1.52bio=42(mm/m)
2)建立坐标系，求x/r
坐标应建在拐点上方，由于拐点平移距的存在，周围工作面未采，偏向工作面内侧4米： A点坐标：xA=-14米，xA/r=-14/14=-1.0
B点坐标：xB=6米， xB/r =6/14=0.42863
查表，求出A，B两点移动变形值：
同理可求得：
WB=924mm, iB=43.3mm/m，kB=-8.26mm/m2，
UB=218mm, εB=-41.3mm/m
水平煤层有限开采时主断面内地表移动和变形计算
有限开采地表下沉盆地通过迭加两个半无限开采的地表下沉盆地而得到。
（其一开采边界在
s=0点上，下沉取正值；其二为开采边界在s=l 点，下沉取负值）
采动程度系数表示走向或倾向不是充分采动而是不同程度的非充分采动使倾向或走向主断
面上移动和变形值减少的倍数，分为走向采动程度系数和倾向采动程度系数
当计算开采宽度l 为主要影响半径的2倍时，沿此方向即达到充分采动
计算实例：
某矿开采一工作面，走向充分采动，倾向长l0=120米，近水平煤层，采深250米，采厚
2米，岩移参数为：tan β=2.0，q=0.8,b=0.3,S0=0.04H0,试求A ，B ，C 三点的移动变形值。
解：
1）建立坐标系：确定坐标
S0=0.04×250=10米
xA=50, xB=-20， xc=120
2)判断采动程度
10020120=-=l ，非充分采动充分采动
,2,2r l
r l <≥
100<250,非充分采动
3）计算移动变形最大值
W0=qm=0.8×2000=1600mm
查表，计算各移动变形值并叠加：
1)A 点:
概率积分法参数的求取方法
特征值法
（1）下沉系数q
指充分采动条件下，单一煤层开采的下沉系数
（2）水平移动系数b
指充分采动条件下，单一煤层开采最大水平移动与最大下沉之比
（3）主要影响角正切tanβ
r=Wmax/imax，tanβ=H/r
（4）拐点平移距S0
拐点特征：下沉为w0/2，i0，U0最大，k,ε为零。
在半无限开采条件下，在实测下沉曲线上找到下沉值为w0/2的点，量出该点到工作面边界的平距即为拐点偏移距
平行于主断面的某断面上的下沉分布与主断面相同，其值比主断面小
1、典型曲线法
优点：直观、可靠，使用方便，精度高等
缺点：（1）只适用矩形采区或近似矩形采区，不能用于非矩形采区；（2）不能用于其它矿区；（3）不便于进行数学推导
2、剖面函数法
优点：（1）便于数学推导；（2）比较可靠，精度高
缺点：（1）只适用矩形采区或近似矩形采区，不能用于非矩形采区；（2）存在函数的拟合误差；（3）参数的物理意义不太明确
3、概率积分法
优点：（1）便于采取数学手段进行一系列严密的理论推导；（2）实用广、方法通用（3）参数物理意义明确，便于找出其与岩层物理力学性质、地质采矿条件之间的关系
缺点：（1）从方法本身来说可用于任意采区，但推出的剖面函数只适用矩形采区或近似矩形采区，不能用于非矩形采区；（2）方法的理论基础（迭加原理、等影响原理）均是近似的，只能用于某些简单的地质采矿条件。