第一章地表移动和变形规律

1、第一章 地表移动和变形规律第一节 开采引起的岩层和地表移动、开采引起的岩层移动和破坏（一）岩层移动和破坏过程在地下煤层被采出前， 岩体在地应力场作用下处于相对平衡状态。 当部分煤 层被采出后，在岩体内部形成一个采空区，其周围岩体应力平衡状态受到破坏， 引起应力重新分布， 从而使岩体产生移动、 变形和破坏，直至达到新的平衡。 随 着工作面的推进， 这一过程不断重复。 这是十分复杂的物理、 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 （Strata Movemen）t 。为了便于理解， 以近水平煤层开采为例， 说明岩层移动和破坏过程和应力状 态的变化。 当地下煤层开

2、采后， 采空区直接顶板岩层在自重应力及上覆岩层重力 的作用下， 产生向下的移动和弯曲。 当其内部应力超过岩层的应力强度时， 直接 顶板首先断裂、 破碎，相继冒落， 而老顶岩层则以梁、 板的形式沿层面法向方向 移动、弯曲，进而产生断裂、离层。随着工作面向前推进，受到采动影响的岩层 范围不断扩大。 当开采范围足够大时， 岩层移动发展到地表， 在地表形成一个比 采空区范围大得多的下沉盆地，如图 1-1 所示。由于岩层移动和破坏的结果， 使采空区周围应力重新分布， 形成增压区 （支 承压力区）和减压区（卸载压力区）。在采空区边界煤柱及其边界上、下方的岩 层内形成支承压力区，其最大压力为原岩应力场的 3

3、4倍。由于支承压力的作 用，使该区煤柱和岩层被压缩， 有时被压碎， 煤层被挤向采空区。 如图 1-2 所示。 由于增压的结果， 使煤柱部分被压碎， 支承载荷的能力减弱， 于是支承压力峰值 区向煤壁深处转移。 在回采工作面的顶、 底板岩层内形成减压区， 其应力小于采 前的正常压力。 由于减压的结果， 使下部岩层发生弹性恢复变形。 上部岩体由于 受下部岩体移向采空区的结果， 可能在顶板岩层内形成离层， 而底板岩层在采空 区范围内卸压， 在煤柱范围内增压， 两种压力作用的结果， 可能出现采空区地板 向采空区隆起的现象。（二）岩层移动和破坏的形式 在岩层移动过程中，采空区周围岩层的移动和破坏形式主要有

4、以下几种： 1弯曲弯曲是岩层移动的主要形式。 当地下煤层被开采后， 从直接顶板开始岩层整 体沿层面法线方向弯曲， 直到地表。 此时，有的岩层可能会出现断裂或大小不一 的裂隙，但不产生脱落，保持层状结构。2垮落垮落（又称冒落） 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。 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， 无规律地充 填在采空区，此时，岩体体积增大，岩层不再保持其原有的层状结构。3煤的挤出 采空区边界煤层在上覆岩层强大的压力作用下，部分煤体被压碎挤向采空 区，这种现象称为煤的挤出（

5、又称片帮）。由于增压区的存在，煤层顶底板岩层 在围岩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层和地表产生 移动。4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滑动。 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。5岩石的下滑当煤层倾角较大， 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， 这种现象称 为岩石的下滑 （又称岩石的滚动） 。从而使采空区上部

6、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。6底板的隆起当底板岩层较软且倾角较大时， 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。在某一个具体的岩层破坏和移动过程中，以上六种移动形式不一定同时出 现。另外，松散层的移动形式是垂直弯曲， 不受煤层倾角的影响。 在水平煤层条 件下，松散层和基岩的移动形式是一致的。（三）岩层移动和破坏稳定后形成的三带 煤层采出后，使周围岩体产生移动，当移动和变形超过岩体的极限变形时， 岩体破坏。 根据工程的需要， 岩层移动和破坏稳定后按其破坏的程度， 大致分为 三个不同的开采影响带，

7、即冒落带（Caved Zone、裂缝带（Fractured Zone和 弯曲带（Continuous Deformation Zone）,如图 1-3 所示。1 冒落带冒落带（又称垮落带） 是指由煤层开采引起的上覆岩层破裂并向采空区垮落 的岩层范围。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。根据冒落岩块的破坏和堆积状况， 冒落带可分为不规则冒落和规则冒落两部分。在不规则冒落部分内， 岩层完全失去了原有的层位，在靠近煤层附近，岩石破碎、堆积紊乱。在规则的冒落带内，

8、岩层基本保持原有层次，位于不规则冒落带之上。冒落带内岩层破坏特征：（ 1 ）在冒落带内，从煤层往上岩层破碎程度逐步减小。（ 2 ）冒落岩块间空隙较大，连通性好，有利于水、砂、泥土通过。（3）冒落岩石具有的碎胀性能使冒落自行停止。冒落岩石的碎胀性是指冒 落岩石体积大于冒落前的原岩体积， 常用岩石碎胀系数来表示。 岩石碎胀系数是 指从岩体中采掘或崩落下来的岩石， 其整个体积与它在岩体内的体积之比。 岩石 的碎胀系数取决于岩石性质， 坚硬岩石碎胀系数较大， 软岩碎胀系数较小。 碎胀 系数值恒大于1, 一般在1.51.8之间。（4）冒落带高度主要取决于采出厚度和上覆岩层的碎胀系数，通常为采出 厚度的

9、35 倍。薄煤层开采时冒落高度较小，一般为采出厚度的 1.7倍左右。 顶板岩石坚硬时，冒落带高度为采出厚度的 5 6 倍；顶板软弱时，冒落带高度 为采出厚度的 24 倍。（5）冒落岩石间的空隙随着时间的延长和工作面推进距离的增加，在上覆 岩层压力作用下，在一定程度上可得到压实。 一般是稳定时间越长， 压实性越好， 但永远不会恢复到原岩体的体积。2裂缝带裂缝带是指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。 裂缝带位于垮落带和弯曲带之间。 根据垂直层理面裂缝的大小及 其连通性好坏， 裂缝带内的岩层断裂又分为严重断裂、 一般断裂和微小断裂三部 分。严重断裂部分的岩层

10、大多断开， 但仍保持其原有层次， 裂缝的漏水严重。 一 般断裂部分的岩层很少断开，漏水程度一般。较小断裂部分的岩层裂缝不断开， 连通性较差。裂缝带内岩层产生较大的弯曲、变形和破坏，其破坏特征：（1）裂缝带内的岩层不仅发生垂直于层理面的裂缝或断裂，而且还产生顺 层理面的离层裂缝。（2）根据连通性的好坏，裂缝带一般导水、但不利于砂、泥土通过。（3）冒落带和裂缝带合称为两带，又称为冒落裂缝带，在解决水体下采煤 时，垮落带和裂缝带合称为导水裂缝带。 两带之间没有明显的分界限， 均属于破 坏性影响区，一般是上覆岩层离采空区距离越大，破坏程度越小。当采深较小、 采厚较大、 用全部垮落法管理顶板时， 裂缝带

11、可发展到地表， 甚至冒落带达到地 表。这时地表和采空区连通，地表呈现出塌陷或崩落。（4）导水裂缝带高度与岩性有关。软弱岩石条件下，导水裂缝带高度为采 厚的912倍；中硬岩石条件下为采厚的1218倍；坚硬岩石条件下为采厚的 1828倍。准确地确定导水裂缝带高度，对水体下采煤至关重要。（5）裂缝带高度随着工作面推进距离的增加而增大，当采空区扩大到一定 范围时， 裂缝带的高度达到最大。 此时，采空区继续扩大， 裂缝带高度基本上不 再发展，并随着时间的推移， 当岩层移动趋于稳定时， 裂缝带上部裂缝逐渐闭合， 裂缝带高度也随之降低。3弯曲带 弯曲带指的是裂缝带之上直至地表的整个岩系。其岩层移动和破坏特征

12、：（1）弯曲带内岩层在自重的作用下产生层面法向弯曲，在水平方向上处于 双向受压状态，其压实程度比较好。（2）弯曲带内岩层移动过程连续而有规律，并保持整体性和层状结构，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。（4）弯曲带的高度主要受开采深度的影响。当采深较小时，导水裂缝带高 度直达地表， 不存在弯曲带； 当采深较大时， 弯曲带高度可大大超过垮落带和裂 缝带的高度之和，开采形成的裂缝带不会达到地表。“三带”在水平或缓倾斜煤层开采时表现比较明显， 由于地质采矿条件的不 同，覆

13、岩中的“三带”不一定同时存在。二、开采引起的地表移动和破坏（一）地表移动的形式1 地表移动盆地当地下工作面开采达到一定距离后 （约为采深的1/41/2时），开采影响到 地表，受采动影响的地表从原有的标高向下沉降， 从而在采空区上方形成一个比 采空区大得多的沉陷区域，称为地表移动盆地，或称下沉盆地（Subside nee Basin， 如图1-4所示。地表移动盆地的形成，改变了地表原有的形态，引起地表标高、 水平位置发生了变化，对地表的建筑、道路、河流、铁路、生活环境等产生了影 响。2 裂缝及台阶在地表移动盆地的外边缘区，地表可能会产生裂缝，裂缝的深度和宽度与有 无松散层及其厚度有关。松散层的塑

14、性大，地表拉伸变形值超过610mm/m，才产生裂缝，松散层的塑性小，变形值超过 23mm/m,即可产生裂缝。一般地 表裂缝与地下采空区不连通，到一定深度可能尖灭。当松散层较薄时，地表的移 动取决于基岩的移动特征，地表可能出现裂缝或台阶，如图1-5和图1-6所示。3塌陷坑急倾斜煤层开采时，煤层露头处附近地表呈现出严重的非连续性破坏，往往会出现漏斗状的塌陷坑。塌陷坑大致位于煤层露头的正上方或略偏离露头位置。 但是在某种特殊的地质采矿条件下也易产生塌陷坑。比如，在采深很小、采厚很大时，由于采厚不一致，造成覆岩破坏高度不一致，地表也可能出现漏斗状塌陷 坑。在有含水层的松散层下采煤时，不适当地提高回采上

15、限也会引起地表产生漏 斗状的塌陷坑。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。 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。（二）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采深的1/41/2时，开采影响波及到地表，引起地表下沉。然后，随着工作面继续向前推进，采空区面积增大，地表的影响范 围不断扩大，下沉值不断增加，下沉盆地也逐渐扩大。如图1-7所示，当采空区达到一定程度时，最大下沉值将不再增加而形成一个平底的下沉盆地。当工作面停止以后，地表的移动不会马上停止，要延续一段时间

16、，然后才能稳定， 形成最 终的地表移动盆地，此时的盆地又称静态移动盆地。图1-7地表移动盆地形成过程1、2、3、4工作面推进的位置； W1、W2、W3、W4相应工作面上方的地表移动盆地;W04 最终的静态移动盆（三）充分采动程度1地表移动盆地的类型 根据采动对地表影响的程度，一般将地表移动盆地划分为三种类型： （ 1）非充分采动下沉盆地 当采空区尺寸小于该地质采矿条件下的临界开采尺寸时，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，这种采动称为非充分采动 （ Subcritical Mining ），此时地表移动盆地称为非充分采动下沉盆地（ Subcritical Subside

17、nee Basin，形状为漏斗形（图1-8）。工作面在一个方向（走向或倾向） 达到临界开采尺寸， 而另一个方向未达到临界开采时， 也属非充分采动， 此时的 地表移动盆地为槽形（图 1-9）。（ 2）充分采动下沉盆地 当地表移动盆地内只有一个点的下沉达到该地质采矿条件下应有的最大下沉 值的采动状态，称为充分采动（ Critieal Mining ），又称临界开采。此时地表移 动盆地称为充分采动下沉盆地（Critical Subside nee Basir），形状为碗形（如图 1-10）。现场实测表明，当采空区的长度和宽度均达到和超过1.21.4H0 （H0为平均开采深度）时，地表达到充分采动。（

18、3）超充分采动下沉盆地 当达到充分采动后，开采工作面的尺寸再继续扩大时，地表的影响范围相应 扩大， 但地表最大下沉值不再增加， 地表移动盆地将出现平底。 地表有多个点的 下沉值达到最大下沉值的采动情况，称为超充分采动（Supereritieal Mining），此时地表移动盆地称为超充分采动下沉盆地（ Supereritieal Subsidenee Basin）， 形状为盆形（如图 1-11 ）。2充分采动角引入充分采动的概念主要是研究地表移动盆地的性质， 充分采动程度常用充 分采动角（常用 书表示）来确定。充分采动角（An gle of Full Subside nee）是指 在充分采动条

19、件下， 在地表移动盆地的主断面上， 移动盆地平底的边缘在地表水 平线上的投影点和同侧采空区边界连线与煤层在采空区一侧的夹角称为充分采 动角，确定方法如图1-10和图1-11所示。下山方面的充分米动角以 也表示，上 山方向的充分米动角以 收表示，走向方向的充分米动角以 阴表示。（四）地表移动盆地主断面1 定义通常将地表移动盆地内通过地表最大下沉点所作的沿煤层走向和倾向的垂直断面称为地表移动盆地的主断面（ Major Section of Subside nee Basin。如图 1-12中的AA、BB。沿走向的主断面称为走向主断面，沿倾向的主断面称为倾向 主断面。从以上定义可看出， 当非充分采动

20、和刚达到充分采动时， 沿走向和倾向分别 只有一个主断面； 当超充分采动时， 地表有若干个最大下沉值， 通过任意一个最 大下沉值沿煤层走向或倾向的垂直断面， 都可成为主断面， 此时主断面有无数个； 当走向达到充分采动， 倾向未达到充分采动时， 有无数个倾向主断面， 只有一个i走向主断面；当倾向达到充分采动，走向未达到充分采动时，有无数个走向 主断面，只有一个倾向主断面。2.地表移动盆地主断面的特征从主断面的定义可知，地表移动盆地主断面具有如下特征：（1）在主断面上地表移动盆地的范围最大；（2）在主断面上地表移动量最大；（3）在主断面上，不存在垂直于主断面方向的水平移动。由于主断面的上述特征，在研

21、究开采引起的地表移动和变形分布规律时，为 简单起见，首先研究主断面上的地表移动和变形。3 最大下沉角最大下沉角（An gle of Maximum Subside nee）就是在倾斜主断面上，由采空区的中点和移动盆地最大下沉点在基岩面上投影点的连线与水平线之间沿煤层 下山方向一侧的夹角，常用B表示（如图1-13）。实测资料表明，最大下沉角 9 与覆岩岩性和煤层倾角a有关，在倾斜或缓倾斜煤层条件下（a< 60°70° ，9值随煤层倾角的增大而减小。一般用下式表示1,4:9=90° a（1-1）式中，k与岩性有关的系数；0煤层倾角。4 主断面的位置（1）在非充分

22、米动情况下在水平煤层条件下，主断面一般位于采空区中心，如图1-14所示；在倾斜煤层开采条件下，倾向主断面位于采空区中心，走向主断面偏向煤层下山方向， 用最大下沉角9确定。如图1-15所示，在倾斜主断面上，自回米工作面的中点 向煤层下山方向作水平线，然后以工作面中点为角的顶点，从水平线开始划出最 大下沉角9,此划线与地表相交于o点，o点即为倾斜主断面上的最大下沉点。 通过o点作平行于煤层走向的垂直断面，即为走向主断面。最大下沉点的位置用 d来确定，d值求取公式如下：d=Hoctg 9 (1-2)(2) 在充分米动情况下首先按充分米动角书1、书2、书3确定地表充分米动区的范围，然后通过该范 围内所

23、作的煤层走向和倾向的垂直断面即为走向和倾向主断面。如图1-16和图(五) 地表移动盆地的特征1 .地表移动盆地的三个区域实测表明，地表移动盆地的范围远大于对应的米空区范围。地表移动盆地的 形状和位置取决于采空区的形状和煤层倾角 。在移动盆地内，各个部位移动和 变形的大小不尽相同。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(图 1-18):(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1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

24、和变形值近似于零，一般不出现明显裂缝。(2) 移动盆地的内边缘区(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2字标出的部分。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3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。2.地表移动盆地边界的划分按照地表移动变形值大小对建筑物及地表的影响程度，将地表移动盆地分为 三个边

25、界：(1)移动盆地的最外边界移动盆地的最外边界是以地表移动变形为零的盆地边界点所圈定的边界。现场实测中，考虑到观测误差，一般取下沉10mm的点为边界点，最外边界实际上 是下沉10mm的点圈定的边界，见图1-19中ACBD。近年观测表明，有时水平 移动为10mm的边界较下沉为10mm的边界大，有的学者建议取两者的最外边 界作为移动盆地的最外边界。（2）移动盆地的危险移动边界 危险移动边界是以临界变形值确定的边界，表示处于该边界范围内的建（构）筑物将产生损害。而位于该边界外的建（构）筑物将产生不明显的损害。我国一般采用的临界变形值是：i=3mm/m, £ =2mm/m k=0.2mm/m

26、2。这组临界 变形值针对一般砖木结构建筑物求出的， 以这三个变形值中最外一个值确定危险 移动边界，如图1-19中A Bz Cz Dz所示。要注意的是， 不同结构的建（构）筑物能承受最大变形的能力不同， 各种类 型的建筑物都对应有相应的临界变形值。如华东地区部分村房，采用泥浆砌筑， 当拉伸变形达到11.5mm/m时，房屋即破坏。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，会更接近实际。（3）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。 如图 1-19中的 ACBD。图1-19表示了急倾斜矿层开采后所形成的三个边界。在这个主断面图上，AB为最外边界，A为危险移动边界，AB为裂缝边界。3地表移动盆地边界的角量