采空区地表沉陷规律的研究

文献标识码： Ａ
文章编号： １６７１ － ９８１６（ ２００７） ０４ － ０００３ － ０３
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｒ ｅｇｕｌａｒ ｐａｔｔｅｒ ｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅａｒ ｔｈ ｓｕｒ ｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｉｎ ｇｏａｆ ａｒ ｅａｓ ＬＶ Ｗｅｎ－ ｙｕ， ＰＡＮ Ｒｅｎ－ ｆｅｉ，ＬＩ Ｙａｎｇ，ＣＵＩ Ｇｕｏ－ ｌｉａｎｇ
（ ２） 随着采空区面积的增 大， 岩层移动的范 围 也 相应地增大。当采空区的面积扩大到一定范围时， 岩 层移动发展到地表， 使地表产生移动与变形， 当回采 工作面采完地表移动稳定后， 在采空区上方地表形成 下沉盆地。对于水平煤层、矩形采空区， 最终移动盆地 直接位于采空区上方呈椭圆形， 并与采空区互相对称。
（ １） — 下 沉 曲 线 （ ２） — 倾 斜 曲 线（ ３） — 曲 率 曲 线 （ ４） — 水 平 移 动 曲 线（ ５） — 水 平 变 形 曲 线
图 ３ 在走向主断面上地表移动和变形分布曲线图
５结语 地下开采破坏了岩体内部原有的力学平衡状
态， 导致上覆岩层 不同程度的变形和破 坏。对于煤系 地层， 由于矿层成因的特殊性， 地层一般均为层状赋 存， 即使有一些例外也是由于后期地质作用的影响， 导致细微的变更， 但大体上仍为层状岩开采沉陷中 的岩层移动都 是遵循“平衡态— ——非 平衡态— ——新 平衡 态”这样一个变化过程 。煤层被采出之后， 形 成 了空间， 其上覆岩层与底板岩层的原始应力平衡状 态遭到破 坏， 从而发生移动、变形 和破坏。本文通过 对矿山开采沉陷的基本特征较为系统地分析得出以 下结论：
时， 地表的采动影响称充分采动， 采空区面积称临界 开采面积。工作面继续推进采空面积超过临界开采 面积时， 移动盆地的下沉曲线为 ５， 最大下沉值仍为 Ｗ４， 但 盆 地 底 呈“ 盘 状 ”， 此 时 ， 地 表 的 采 动 影 响 超 充 分采动。
２ 移动盆地的形成过程及种类
移动盆地的形成过程如图 １ 所示。岩层发展到 地表后， 随着采空区面积的增大移动盆地的面积及 地表最大下沉值也增大， 移动盆地的下沉曲线为 １、 ２、３， 相 应 地 最 大 下 沉 值 为 Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３， 盆 地 呈 尖 底 的“碗状”， 此时 ， 地表的采动影响称 非充分采 动 。随 工作面推进采空区面积继续增大时， 移动盆地的下 沉 曲 线 为 ４， 最 大 下 沉 值 为 Ｗ４， 该 值 不 再 随 采 空 区 面积的增大而增 大， 但盆地仍呈尖底 的 “碗 状 ”， 此
图中各曲线的原点设在移动盆地的中心， 横坐 标 ｘ 表示地表各点距原点 Ｏ 的距离， 纵坐标表示地 表移动或变 形值。曲线（ １） 为下沉曲线， 沿纵 坐 标 向 下为正 值。曲线（ ２） 为倾斜曲线， 左 侧盆地的 倾 斜 值 为正值， 右侧盆地的倾 斜为负值。曲线（ ３） 为 曲 率 曲 线， 凸起曲率为正 值。凹陷曲率为负值。曲 线（ ４） 为水 平移动曲线， 左侧盆地的水平移动为正值， 右侧盆地 的水平移动 为负值。曲线（ ５） 为水平变 形曲线， 拉 伸 变形为正值， 压缩变形为负值。
采矿工程
正曲率的物理意义是地表下沉曲线在地面方向凸 起， 负曲率的物理意义是地表下沉曲线在地面方向 下凹。
４ 地表的移动和变形规律
图 ２ 主断面上地表各点移动示意图
反映地表移动和变形的主要参量有：
（ １） 下沉（ Ｗ） ： 地表移动的垂直分量， ｍｍ；
（ ２） 水平移动（ Ｕ） ： 地表移动的水平分量， ｍｍ；
沉陷规律作了一些研究， 对太平煤矿似膏体充填开采引起的地表沉陷进行了分析预计， 获得了太平煤矿井下
开采引起的地表移动的基本特征和地表变形的相关参数， 揭示了地表移动及变形的规律， 研究成果对太平矿
今后的充填开采实践具有一定的参考价值。
关键词：移动盆地； 采空区； 地表沉陷； 地表移动
中图分类号： ＴＤ ３２５
（ ３） 地 表 岩 层 受 开 采 影 响 所 发 生 的 变 形 和 移 动 导致的有害后果表 现为： 地面沉降损害、地 面 倾 斜 损 害、地表弯 曲损害和地面水平变 形损害。
参考文献： ［ １］ 何 国 清 ， 杨 伦 ， 凌 庚 娣 ， 等． 矿 山 开 采 沉 陷 学［ Ｍ］ ． 徐
州：中 国 矿 业 大 学 出 版 社 ， １９９１． ［ ２］ 李怀生， 罗 翔． 浅谈土地复垦在刘桥第二煤矿的应用［ Ｊ］ ．
采矿工程
露天采矿技术 ２００７ 年第 ４ 期
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采空区地表沉陷规律的研究
吕文玉， 潘仁飞， 李 杨， 崔国亮 （ 中 国 矿 业 大 学 北 京 校 区 ， 北 京 １０００８３）
摘 要 ： 以“太 平 煤 矿 采 空 区 地 表 沉 陷 规 律 研 究 ”项 目 为 依 托 ， 以 开 采 沉 陷 等 理 论 为 基 础 ， 对 采 空 区 地 表
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（ 上接第 ２ 页）
经 过 计 算 可 多 采 ２７．３６ ｄ， 将 移 设 时 间 滞 后
驱动站之间的主 采台阶不存在高差转载的问题， 故 此 区 域 的 主 台 阶 高 度 仅 受 限 于 ＷＫ－ ２０ 电 铲 的 挖 掘 高度。ＷＫ－ ２０ 电 铲 最 大 挖 掘 高 度 为 １４．４ ｍ， 如 果 西
矿山测量， ２００１，（ ６） ． ［ ３］ 隋 旺 华 ， 陈 奇． 简 论 煤 层 开 采 沉 陷 土 体 变 形 的 研 究 意
义 、现 状 、机 理 及 预 测 方 法［ Ｊ］ ． 北 京：中 国 地 质 灾 害 与 防 治 学 报 ， １９９５，（ ６） ． ［ ４］ 郭 达 志． 开 采 沉 陷 及 其 防 治［ Ｊ］ ． 四 川 测 绘 ， １９９９， ２２（ ２） ： ６０－ ６２． ［ ５］ 刘 天 泉． 矿 山 岩 体 采 动 影 响 与 控 制 工 程 学 及 其 应 用［ Ｊ］ ． 煤 炭 学 报 ， １９９５， ２０（ ｌ） ．
ｄｘ
因此， 水平变形是水平 移动的导数。水平变形 正
值的物理意义为地表受拉伸变形， 负值的物理意义
为地表受压缩变形。
（ ５） 曲 率（ Ｋ） ： 曲 率 系 指 地 表 单 位 长 度 内 倾 斜 的
变化量。在移动盆地内有任意三点 Ａ、Ｂ、Ｃ， ＡＢ 段的
倾斜为
ｉＡＢ
＝
ＷＢ － ＷＡ △ｘ
＝ △Ｗ △ｘ
根据图 ３ 得：
ｋ ＝ ｉ２ － ｉ１ △ｘ
＝ △ｉ 或 ｋ ＝ ｄｉ
△ｘ
ｄｘ
＝
ｄ２Ｗ ｄｘ２
因此， 曲率是倾斜的一阶导数， 或下沉的二阶导
数。有时用曲率半径 Ｒ 来表示曲率大小， 即 Ｒ＝ｍ／Ｋ。
图３ 为最终移动盆地的走向主断面上， 非充分 采 动 、充 分 采 动 和 超 充 分 采 动 时 ， 下 沉 、倾 斜 、曲 率 、 水平移动和水平变形的分布曲线。
１ 地表移动及移动盆地的形成及其特征
采用长壁垮落采煤法， 随着采空区面积的增大， 岩层移动的范围也相应地增大。当采空区的面积扩 大到一定范围时， 岩层移动发展到地表， 使地表产生 移动与变形。这一过 程和现象称为地表移 动。当回采 工作面采完地表移动稳定后， 在采空区上方地表形 成沉陷的区域， 称为最终移动盆地或最终下沉盆地。
（ １） 上 覆 岩 层 移 动 稳 定 后 ， 其 移 动 、变 形 和 破 坏 具 有明显的分带性。上 覆岩层移动、变形与破 坏可分 为 ３ 个 带 ， 即 垮 落 带 、裂 缝 带 或 导 水 裂 缝 带 、弯 曲 带
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整体移动带。且岩层移 动的分带性特征， 可能 随地质 和采矿条件的变化而变化。
， ＢＣ 段 的 倾 斜 为 ｉＢＣ ＝
ＷＣ － ＷＢ △ｘ
＝
△Ｗ △ｘ
， ｉＡＢ 和 ｉＢＣ 分 别 相 当 于 ＡＢ 段 中 点
１ 和 ＢＣ 段中点 ２ 的倾斜， 即 ｉＡＢ＝ｉ１， ｉＢＣ＝ｉ２。１ 和 ２ 点之 差 被 ２ 点 之 间 的 距 离 除 ， 称 曲 率 ， 其 单 位 为 １０－ ３／ｍ。
线上任意点的切线与 ｘ 轴正向所夹的锐角为正时，
倾斜为正， 地表下沉曲线上任意点的切线与 ｘ 轴正
向所夹 的锐角为负时， 倾斜为 负。倾斜正负号的物 理
意 义 是 ： 垂 直 于 地 表 下 沉 曲 线 的 杆 状 物 ， 如 电 杆 、水
塔或烟囱等倾倒的趋向与 ｘ 轴正向相同时， 倾斜为
正； 当这些杆状物倾倒的趋向与 ｘ 轴负向相同时， 倾
（Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｓｕｐｐｏｒｔ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔ ｏｆ“ｔｈｅ ｒｅｇｕｌａｒ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅａｒｔｈ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｉｎ ｇｏａｆ ａｒｅａｓ ｏｆ Ｔａｉｐｉｎｇ ｃｏｌｌｉｅｒｙ” ｐｒｏｊｅｃｔ， ｗｅ ｈａｖｅ ｍａｄｅ ａ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｇｕｌａｒ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｉｎ ｇｏａｆ ａｒｅａｓ， ｍａｄｅ ｓｏｍｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｍｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｆｉｌｌｉｎｇ ｉｎ Ｔａｉｐｉｎｇ ｃｏｌｌｉｅｒｙ． ｗｅ ｈａｖｅ ｇｏｔ ｒｅｌａｔｅｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｅｐｉｄｅｒｍａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｆｅａｔｕｒｅ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｍｉｎｉｎｇ ｉｎ Ｔａｉｐｉｎｇ ｃｏｌｌｉｅｒｙ，ｒｅｖｅａｌｅｄ ｔｈｅ ｒｅｇｕｌａｒ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｅｐｉｄｅｒｍａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｍｉｎｉｎｇ， ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｏｆｆｅｒ ｓｏｍｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｍｉｎｉｎｇ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｉｎ Ｔａｉｐｉｎｇ ｃｏｌｌｉｅｒｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｍｏｖｉｎｇ ｂａｓｉｎ；ｇｏａｆ／ｇｏｂ ａｒｅａｓ；ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ；ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ