地表下沉盆地是什么?关于地表下沉盆地的详细介绍

创闻科学2020-11-17 12:25:31

地表下沉盆地是指由采煤引起的采空区上方地表移动的范围,通常称地表移动盆地或地表塌陷盆地。一般按边界角或者下沉10mm 点划定其范围。采用长壁垮落采煤法,随着采空区面积的增大,岩层移动的范围也随之增大。当采空区面积扩大到一定的范围时,岩层移动波及地表,使地表产生移动和变形。这一过程和现象称为地表移动。当采煤工作面采完,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。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圆形,并与采空区互相对称,盆地的面积比采空区面积要大。

地表下沉盆地的形成过程

移动盆地的形成过程如图所示。岩层移动发展到地表后,随采空区面积增大,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,相应的最大下沉值为 ,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 ,该值不再随采空区面积的增大而增大,但盆地仍呈尖低“碗状”,此时,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,采空区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W,但盆地呈平底的“盘状”,此时,地表的采动影响称超充分采动。

地表下沉盆地的影响因素

采空区对地表稳定性的影响除了受采空区本身的几何尺寸,开采深度等因素影响以外,还受到复杂的上覆岩性、松散层厚度、地形、地质构造因素以及开采方法、采空区布置方式等诸多因素影响。

(1)开采厚度对上覆岩层及地表的沉陷过程的性质有重要的影响。开采厚度越大,冒落带、导水裂缝带的高度越大,地表移动变形值也越大,移动过程表现得越剧烈,因此移动和变形值与开采厚度成正比。

(2)同样条件下的采空区,当其拉伸变形超过岩石的允许抗拉强度时,直接顶板及其上部的部分岩层便与整体分开,破碎成大小不一的岩块,无规律地充填采空区。直接顶板岩层垮落并充填采空区后,由于破碎其体积增大,致使其上部的岩层移动逐渐减弱,埋深越深其对地表的影响越小。

(3)采空区尺寸的大小可影响到地表的充分采动程度。当工作面宽度小于某一极限宽度时,受采动影响的最上部基岩控制层发生最大可能的弯曲,但不出现断裂,该控制层对上覆岩层起着支撑作用,冲积层基本上是随顶部控制层的弯曲而下沉,因而,此时将表现为地面下沉量较小,下沉盆地较缓。但当工作面宽度超过其极限宽度时,控制层因拉应力超过其抗拉强度而断裂,随着下覆岩层的冒落而下沉,地面下沉量将会明显增大。

(4)松散层主要是指第四纪、新第三纪未成岩的沉积层,如冲积层、洪积层、残积层等。地表有无松散层覆盖,对地表移动有很大的影响。在厚松散层地质条件下,在采空区上方,在岩层移动过程中,基岩的下沉引起冲积层下沉,使松散层产生弯曲形式的移动,即横向移动和纵向移动,由于松散层较为松散,强度较弱,不产生离层、裂缝,因此致使地表的沉降值偏大。而在采空区周围的矿柱上方,下沉主要是由于自重压力和岩层弯曲产生的拉应力综合影响引起的,而松散层本身的强度较弱,所受影响明显减小,其地表沉降值也较小。

地面变形观测线设计

地面变形观测线一般可设走向观测线和倾斜观测线各一条,设在移动盆地的主断面位置。也可以在地裂缝、地面塌陷的重点观测区域,增加观测线,设置成网状观测线。地面变形观测中利用剖面线状观测线的设计方法。走向观测线应设在移动盆地的走向主断面上,具体的确定方法为:在倾斜主断面上,从采空区中心用最大下沉角 θ 划线与地表相交于 O 点,通过O 点作平行煤层走向的垂直断面,此断面所在的位置就是走向观测线的位置。

地表岩移观测方法

观测要求

观测区域位于丘陵区,且起伏较小,故地面变形观测线的平面观测采用RTK测量的方法,高程采用全站仪电磁波测距高程测量。埋石工作结束,经过10~15d标石沉降稳定之后,方能进行观测。为了减小误差,提高观测精度,采用固定的观测方式和观测流程,对每个观测点,平面观测采用RTK,高程观测采用三角高程附合导线测量,每次都用相同的方式进行测量。RTK测量时每次都尽量采用相同的基站点、相同的仪器;三角高程测量每次都尽量采用相同的起始点和闭合点。并且对每个观测点尽量固定采用相同的仪器和人员。为了保证所获得观测资料的准确性和可比性,以及气象元素的大体一致,每条观测线上各观测点的观测应尽可能在一日内完成,特别是在移动活跃阶段。在地面变形观测线的观测过程中,不仅要及时地记录和描述地表出现的裂缝位置、宽度的变化,变形的形态和时间,并及时上图,还要记载每次观测时工作面开采的相应位置、实际采出厚度、工作面推进速度、地质、水文等有关情况。在观测过程中,应每6个月测量一次观测站控制点的变化,如发现控制点发生位移,应把控制点作为观测点与其他观测点一起进行观测,而另行布置控制点。

初始观测

在进行观测站控制点连接测量后,标石沉降稳定,地表开始变形之前,应对观测线上的全部观测点独立进行2次全面观测。独立进行的2次全面观测,2次测得的同一点高程差不大于10mm、同一边的长度差不大于4mm时,取平均值作为观测线上各观测点的原始观测数据。同时,按各测点的实测数据展绘到观测站设计平面图上。最初的全面观测获得的原始观测数据是地面平面位移和高程沉降的比较基础。

全面观测

全面观测的内容,包括测定观测线上各观测点的平面位置和高程。最初的全面观测后,在采动影响前进行日常巡视观测,如果发现测点的累计下沉量达到10mm时,即认为地表已经开始变形,进入地表移动初始期。进入地表移动初始期后,进行日常巡视观测,当地表累计下沉达到50~100mm时,进行采动后的第一次全面观测。随后,当日常巡视观测发现每月下沉值大于50mm时,进入地表移动活跃期。在地表移动活跃期按照开采进度进行不少于4次全面观测。在全面观测和巡视观测时,若发现每月下沉值小于50mm时,进入地表移动的衰退期。衰退期的巡视观测直到6个月内的下沉值不超过30mm时为止,此时地表移动稳定,进行最后一次全面观测,获得地表变形稳定后观测点的平面和高程最终数据。在地表移动的发生阶段,一般可根据开采深度、111第5期王博杨昆仑采煤工作面地表岩移观测方法设计回采工作面推进速度和顶板岩性等具体条件,每隔1~3个月进行一次全面观测。

日常巡视

观测日常巡视观测时,可视情况在预计可能沉降剧烈的地区,只进行周期性高程观测。为判定地表是否已开始移动,在回采工作面推进到一定距离(相当于0.2~0.5平均开采深度)后,在预计可能首先移动的地区,选择几个工作测点,测量其高程变化,如果发现测点的累计下沉量大于10mm时,即认为地表已经开始移动。在地表移动初始期、活跃期和衰退期,日常巡视观测的复测时间间隔,视地表下沉的速度而定,一般是每隔15~30d观测一次。在地表移动活跃期,还应在下沉较大的区段,增加观测次数,5~10d观测一次。以上的设计观测过程从采动影响前开始,经过地表移动初始期、地表移动活跃期、地表移动衰退期,直到地表移动稳定后是一个理想的过程,在开采地面变形观测的实际工作中,可能不是从采动影响前就开始工作,要谨慎推断和细心分析、善于总结。

工作面沉降分析方法

根据工作面所有观测数据和已有的地形、地质、开采工艺等数据,对工作面的沉降情况做以下分析。

地表移动盆地的位置、大小、范围—根据观测点的沉降数据,对盆地的位置、大小、范围等进行计算,得到地表移动盆地的大体情况。最大下沉值的分布位置及大小—根据观测点的数据,计算主断面上最大下沉值的点位及工作面的开采沉陷最大下沉值。

地表移动盆地在主断面上的移动和变形的分布与特征—通过观测数据,可以得到地表移动盆地在主断面上的下沉、水平移动等情况,得到地表移动盆地在主断面上的变形规律。

工作面开采沉陷移动盆地的发展过程及相应的主要参数—根据历次观测数据和工作面的开采进度,总结地表移动各个阶段(初始阶段、活跃阶段、衰退阶段)的持续时间以及地表移动持续的总时间,计算工作面开采沉陷发生的起动距、超前距、滞后距等。