地表移动与变形

1、 第一章地表移动和变形的规律教学目的与要求：地表移动和变形的规律是开采损害与保护学中最重要的内容之一。本章介绍了矿山开采地表移动和变形规律相关理论知识，通过学习，要求学生学握矿山开采损害与保护相关的基本概念，理解并掌握各种开采条件下、开采过程中及移动盆地稳定后地表沉陷的一般规律。课程内容：地下开采引起的岩层移动及地表的移动和破坏、地表移动盆地内移动和变形分析以及地表移动盆地边界的确定等；移动盆地稳定后主断而内移动和变形分布规律；采动过程中（动态）主断面内移动和变形分布规律；移动盆地稳定后全面积的移动和变形分布规律；地质采矿因素对地表沉陷的影响；复杂地质条件对地表沉陷的影响。教学重点：岩层移动的

2、形式及移动稳定后采动岩层内的三带划分和各特征；各种开采条件下不同采动程度的主断面内移动和变形分布规律；采动过程中的地表移动和变形的一般规律，地表下沉稳定后全而积开采损害与保护分布规律及各等值线的特点。教学难点：地表移动盆地内移动和变形分析以及地表移动盆地边界的确定；对地质采矿因素对地表沉陷的影响进行分析。第一节开采引起的岩层和地表移动一.开采引起的岩层移动和破坏（一）岩层移动和破坏过程当部分矿体被采出后，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。随着工作而的推进，这一过程不断重复。这是十分复杂的物理、力学变化过

3、程，也是岩层产生移动和破坏过程，这一过程和现彖称为岩层移动（StrataMovement）。为了便J：理解，以近水平矿层开采为例，说明岩层移动和破坏过程和应力状态的变化。（-）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以卜儿种：弯曲垮落，又称冒落矿体的挤岀岩石沿层面的滑移岩石的下滑底板的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，不受矿层倾角的影响。在水平矿层条件卜，松散层和某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岩层移动和破坏稳定后按其破坏的程度，人致分为三个不同的开采影响带，即

4、冒落带（CavedZone）、裂缝带（FracturedZone）和弯曲带（ContinuousDefbrmaturnZone）。冒落带冒落带（又称垮落带）是指由采矿引起的上覆岩层破裂并向采空区垮落的岩层范闱。冒落带内岩层破坏特征：（1）在冒落带内，从矿层往上岩层破碎程度逐步减小。（2）冒落岩块间空隙较人，连通性好，有利丁水.砂、泥土通过。（3）冒落岩石具有的碎胀性能使冒落自行停止。（4）冒落带高度主要取决丁采出厚度和上覆岩层的碎胀系数。（5）冒落岩石间的空隙随着时间的延长和工作而推进距离的増加，在上覆岩层压力作用下，在一定程度上可得到压实。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

5、裂，但仍保持层状结构的那部分岩层。裂缝带位J垮落带和弯曲带之间。裂缝带内岩层产生较人的弯曲、变形和破坏，其破坏特征:（1）裂缝带内的岩层不仅发生垂直J：层理面的裂缝或断裂，而且还产生顺层理而的离层裂缝。（2）根据连通性的好坏，裂缝带一般导水、但不利砂、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，在解决水体卜采矿时，垮落带和裂缝带合称为导水裂缝带。（4）导水裂缝带高度与岩性有关。准确地确定导水裂缝带高度，対水体卜采矿至关重要。（5）裂缝带随着工作面推进距离的增加，当釆空区扩人到一定范围时，裂缝带的高度达到最人。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：

6、（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）弯曲带一般情况卜具有隔水性，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）弯曲带的高度主耍受开采深度的影响。当采深较小时，导水裂缝带高度直达地表,不存在弯曲带；当采深较人时，弯曲带高度可人人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”在水平或缓倾斜矿层开采时表现比较明显，由地质采矿条件的不同，覆岩中的“三带”不一定同时存在。

7、二、开采引起的地表移动和破坏（一）地表移动的形式地表移动盆地当地卜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，受釆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人得多的沉陷区域，称为地表移动盆地，或称卜沉盆地（SubsidenceBasin）。裂缝及台阶在地玉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。3塌陷坑塌陷坑多出现在急倾斜矿层开采条件卜，但是在某种特殊的地质采矿条件卜也易产生塌陷坑。在采深很小、采厚很人时，由采厚不一致，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卜采矿时，不适

8、当地提高回采上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，对位丁其上的建筑物危害极人。所以在建筑物b铁路卜或水体下采矿时，应极丿J避免出现人的裂缝.台阶和塌陷坑。（二）地表移动盆地的形成当回采工作面自开切眼开始向前推进的距离相当丁采深的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，采空区面积增人，地表的影响范朗不断扩人，下沉值不断增加，卜沉盆地也逐渐扩人。如图17所示，当采空区达到一定程度时，最人卜沉值将不再增加而形成一个平底的卜沉盆地。当工作而停止以后，地表的移动不会马上停止，要延续一段时间，然后才能稳定，形成最终的地表移动盆地，此时的盆

9、地又称静态移动盆地。 # #（三）充分采动程度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）非允分采动下沉盆地当采空区尺寸小J：该地质采矿条件卜的临界开采尺寸时，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（SubcnticalMining）此时地表移动盆地称为非允分采动卜沉盆地（SubcnticalSubsidenceBasin）,形状为漏斗形（图1-8）. # 图1-8非充分采动时的地表移动盆地（2）充分采动下沉盆地当地表移动盆地内只有一个点的卜沉达到该地质采矿条件卜应有的最人卜沉值的采动状态，称为充分采动（Criti

10、calMnrnig）,又称临界开采。此时地表移动盆地称为充分采动卜.沉盆地（CriticalSubsidenceBasin）,形状为碗形（如图1-10）。图1-10充分采动时的地表移动盆地图1-11超充分采动时的地表移动盆地（3）超充分采动卜沉盆地当达到充分采动后，开采工作面的尺寸再继续扩人时，地表的影响范閘相应扩人，但地表最人下沉值不再増加，地表移动盆地将出现平底。地表有多个点的卜沉值达到最人卜沉值的采动情况，称为超充分采动（SupercnticalMmmg）,此时地表移动盆地称为超充分采动卜沉盆地（SupercriticalSubsidenceBasin）,形状为盆形。2充分采动角引入充分

11、采动的概念主耍是研究地表移动盆地的性质，充分采动的范围常用允分采动角（常用瘁示）來确定。充分采动角（AngleofFullSubsidence）是指在充分采动条件I在地表移动盆地的主断而上，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矿层在采空区一侧的夹角称为充分采动角。卜山方面的充分采动角以0表示，上山方向的充分采动角以血表示，走向方向的充分采动角以约表示。（四）地表移动盆地主断而定义通常将地表移动盆地内通过地表最人卜沉点所作的沿矿层走向和倾向的垂直断面称为地表移动盆地的主断而（MajorSectionofSubsidenceBasin）。如图112中的MJ、沿走向的主断而

12、称为走向主断面，沿倾向的主断面称为倾向主断而。图112地表移动盆地主断而从以上定义可看出，当非充分采动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，地表有若干个最人下沉值，通过任意一个最人下沉值沿矿层走向或倾向的垂直断面，都可成为主断而，此时主断而有无数个；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，只有一个倾向主断而。地表移动盆地主断面的特征从主断而的定义可知，地表移动盆地主断而具有如卜特征：（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

13、主断面上，不存在垂直丁主断而方向的水平移动。由丁主断面的上述特征，在研究开采引起的地表移动和变形分布规律时，为简单明了起见，首先研究主断而上的地表移动和变形。最人卜沉角最人卜沉角（AngleofMaximumSubsidence）就是在倾斜主断面上，由采空区的中点和移动盆地最人卜沉点在某岩面上投影点的连线与水平线之间沿矿层卜山方向一侧的夹角，常用皱示（如图l-13）o实测资料表明,最大下沉角0与覆岩岩性和矿层倾角殖关,在倾斜或缓倾斜矿层条件下,0值随矿层倾角的増大而减小。一般用下式表示】同：(1-2)处90。屜式中，与岩性有关的系数；W层倾角。 # 图1J3嚴大下沉角确定方法示意图7非充分采动

14、时最大下沉角：厶充分采动时最大下沉角主断面的位置（1）在非充分采动情况下在水平矿层条件下，主断而一般位J：采空区中心，如图114所示；在倾斜矿层开采条件下，倾向主断面位于采空区中心,走向主断面偏向矿层下山方向,用最大下沉角确定。如图115所示，在倾斜主断面上，自回采工作而的中点向矿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人卜沉角呂此划线初地表相交点，。点即是倾斜主断而上的最人卜沉点。通过。点作平行J矿层走向的垂直断而，即为走向主断面。最人卜沉点的位置用“來确定，值求取公式如2(1-3)d=HocrgO（2）在允分采动情况卜首先按充分采动角0、申2、旳确定地表允分采动区

15、的范围，然后通过该范围内所作的矿层走向和倾向的垂直断而均为主断而。如图116和图1J7所示。图1-14非充分采动时水平矿层（主断面）A图1J5非充分采动时倾斜矿层（主断面图1J6充分采动水平矿层（主断面）A图1J7充分采动倾斜矿层（主断面）（五）地表移动盆地的特征地表移动盆地的三个区域实测表明，地表移动盆地的范闱远人J对应的采空区范围。地表移动盆地的形状取决J：采空区的形状和矿层倾角。移动盆地和采空区的相对位置取决矿层的倾角。在移动盆地内，各个部位的移动和变形性质及人小不尽相同。在采空区上方地表平坦、达到超充分采动、采动影响范闱内没有人地质构造的条件卜S最终形成的静态地表移动盆地可划分为三个区

16、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丁盆地的中央部位，即图中用2字标出的部分。在此范閘内，地表卜沉均匀，地表卜沉值达到该地质采矿条件卜应有的最人值，其它移动和变形值近似J：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J采空区边界附近到最人卜沉点之间，即图中用3字标出的部分。在此区域内，地表卜沉值不等，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（又称拉仲区域）移动盆地的外边缘区位采空区边界到盆地边界之间，即图中用4字标出的部分。在此区域内，地表下沉不均匀，地而移

17、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。地表移动盆地边界的划分按照地表移动变形值人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，一般取卜沉10mm的点为边界点，最外边界实际上是卜沉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的边界较卜沉为10mm的边界人，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，表示处该边

18、界范围内的建（构）筑物将产生损害。而位该边界外的建（构）筑物将产生不明显的损害。我国一般釆用的临界变形值是：A=3min;m,E=2mm/m,/=0.2miwm2o以这三个变形值中最外一个值确定危险移动边界，如图119中/BfCrDf所示。要注意的是，不同结构的建（构）筑物能承受最人变形的能力不同，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11.5min/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。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1-1

19、9表示了急倾斜矿层开采后所形成的三个边界。在这个主断而图上，AB为最外边界、4B为危险移动边界,AB为裂缝边界。0DUULT；图1-19地表移动盆地边界的确定3地表移动盆地边界的角鼠参数通常用角值参数确定移动盆地边界。描述地表移动盆地形态和范甫的角起参数主要是边界角、移动角、裂缝角和松散层移动角，如图120所示。边界角在充分采动或接近充分采动的条件厂地表移动盆地主断面上盆地边界点(卜沉为lOnuii)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(LmutAngle)o当有松散层存在时，应先从盆地边界点用松散层移动角划线和基岩与松散层交接而相交，此交点至采空区边界的连线与水平线在矿柱一侧

20、的夹角称为边界角。按不同断面，边界角可分为走向边界角.卜山边界角、上山边界角、急倾斜矿层底板边界角，分别用沁佩、沁心表示。移动角在充分采动或接近充分采动的条件下，地表移动盆地主断而上三个临界变形中最外边的一个临界变形值点至采空区边界的连线与水平线在矿柱一侧的夹角称为移动角(AngleofCnticalDeformation)。当有松散层存在时，应从最外边的临界变形值点用松散层移动角划线和皋岩与松散层交接而相交，此交点至采空区边界的连线与水平线在矿柱一侧的夹角称为移动角。按不同断而，边界角可分为走向移动角、卜山移动角、上山移动角.急倾斜矿层底板移动角，分别用/队八力表示。裂缝角在充分采动或接近充

21、分采动的条件下，在地表移动盆地主断而上，移动盆地最外侧的地表裂缝至采空区边界的连线与水平线在矿柱一侧的夹角称为裂缝角(AngleofBreak)o按不同断而，裂缝角可分为走向裂缝角.卜山裂缝角、上山裂缝角、急倾斜矿层底板裂缝角，分别用沢卩、八/表示。松散层移动角如图121所示，用某岩移动角自采空区边界划线和基岩松散层交接而相交丁方点，B点至地表I、沉为10mm处的点C连线与水平线在矿柱一侧所夹的锐角称为松散层移动角(CriticalDefbnnationAngleofUnconsolidatedLayei-s),用0表示。它不受矿层倾角的影响,主要与松散层的特性有关。第二节盆地内地表移动和变形

22、分析一、盆地内地表点的移动分析实测表明，地表点的移动轨迹取决J地表点在时间和空间上与工作而和对位置的关系。如图122所示，一个点的移动向量可以分解为垂直分量和水平分瓠垂直分最称为卜沉，水平分鼠称为水平移动。沿断面的水平移动为纵向水平移动，垂直J断而的水平移动称横向水平移动。为了研究问题的方便，将三维空间的移动问题简化为沿走向断而和沿倾向断面的两个平面问题。描述地表移动盆地内移动和变形的指标是：下沉(Subsidence).倾斜(Slope).曲率(Curvature)、水平移动(Displacement)、水平变形(HonzontalStrain)及扭曲和剪切变形(TwistmgandShea

23、rStrain)。图1-23地表冬点的移动和变形分析二、盆地主断面内的地表移动和变形分析在移动盆地内，地表各点的移动方向和移动量各不相同。一般在移动盆地主断而上，通过设点观测來研究地表各点的移动和变形。图123表示在地表移动盆地主断而上设有若干观测点，在地表移动前后，测鼠各点的高程和测点间距，通过计算即可得到各点的移动和变形量。1下沉地表点的沉降叫卜沉，是地表移动向量的垂直分量，用w表示，它反映了一个点不同时间在垂直方向的变化量。用地表某一点的加次与首次观测点的标高差表示：I祕(14)式中，地表点的下沉，mm；4o力am地表点首次和加次观测时的高程，mm。卜沉值正负号的规定：正值表示测点卜沉，

24、负值表示测点上升。水平移动地表卜沉盆地中某一点沿某一水平方向的位移叫水平移动，用表示。用地表某一点的加次与首次测得的从该点至控制点水平距离差表示：”=篇一厶)(1式中，%地表点的水平移动，mm；人0、沧一分别表示首次和W次观测时地表点到观测线控制点R间的水平距离，nmio水平移动值正负号的规定：在倾斜断面上，指向矿层上山方向的为正值，指向矿层卜山方向的为负值；在走向断面上，指向走向方向的移动为正，逆向走向方向的移动为负。3倾斜地表倾斜是指相邻两点在竖直方向的卜沉差与其水平距离的比值，它反映了地表移动盆叶n叫地沿某一方向的坡度，通常以/表示。(1-6)式中，4-nm、两点的倾斜变形，ninVrn

25、；4-n一地表八点间的水平距离，m；”缶、叫一分别为地表八点的卜沉值，mm。倾斜的正负号规定：在倾斜断面上，指向上山方向的为正，指向卜山方向的为负。在走向断面上，指向走向方向的为正，逆向走向方向的为负。4.曲率曲率是两相邻线段的倾斜差与两线段中点间的水平距离的比值，它反映了观测线断而上的弯曲程度。通常用/表示，由卞式计算：km_n_p=7-（1-7）（4-,；+J）式中，Zm-n、/n-p分别表示地表/-和“点间的平均斜率，1!1111血：4-n、Ap分别表示地表m和H-p点间的水平距离，m:心叶一线段/-/和线段mp的平均曲率，innrm2o曲率的正负号规定：地表卜沉曲线上凸为正，地表下沉曲

26、线上凹为负。水平变形水平变形是指相邻两点的水平移动差与两点间水平距离的比值，常用咸示。水平变形是表示单位长度的线段的拉伸或压缩。可由卜式计算：(1-8)一刀一_J1=-ZV-Z7*ZV-/7式中，%、un分别为八点的水平移动，inm：1mn点m、的水平距离9m；点八的水平变形，ixun-ino水平变形的正负号规定：拉伸变形为正，压缩变形为负。 第三节移动稳定后盆地内移动和变形分布规律一、移动稳定后盆地主断面内移动和变形分布规律地表移动和变形规律（GroundMovementandDefbnnationLaws）是指地F开采引起的地表移动和变形的人小、空间分布形态及其与地质采矿条件的关系。其内容

27、主耍包括地表移动盆地主断而内的移动和变形分布规律、地表移动稳定后全而积移动和变形分布规律等。由丁地表移动和变形规律受地质采矿条件的影响，不同地质采矿条件匚地表移动和变形规律存在一定的差异，卜而叙述的规律是典型化和理想化的，必须满足以卜儿个条件：（1）深厚比翊（开采深度与开采厚度之比值）大30。在这样的条件厂地表移动和变形在空间和时间上都具有明显的连续性和一定的分布规律；（2）地质采矿条件正常，无人的地质构造（如人断层和地卜溶洞等），并采用正规循环的采矿作业；（3）单一矿层开采，不受邻近工作而开采的影响：（4）采空区的形状规则，一般为矩形。（一）水平矿层非充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律

28、釆动程度判别：如图124所示，水平矿层开采时的采动程度可用走向充分采动角妁来判别。当用妁角作的两条直线交岩层内部而未及地表时，此时地表为非充分采动。用走向边界角&作出边界点厶1下沉曲线（图1-24+的曲线1）卜沉曲线表示地表移动盆地内卜沉的分布规律，用讥才）表示。设主断面方向为才轴,卜沉的分布规律函数为/（x）,则卜沉曲线可表示为：W（T）=f（T）（1-9）在研究地表移动规律时，首先耍确定以下儿个特征点：（1）最人卜沉点O在水平矿层条件卜位采空区中央正上方，此点的下沉值最人；（2）移动盆地边界点,乙方处的下沉为零，可根据走向边界角作出边界点B；（3）拐点2即移动盆地主断面上卜沉曲线凹凸的分界

29、点，即曲率为零的点。拐点的位置一般位J：采空区边界上方而略偏向采空区一侧。卜沉曲线分布规律：在采空区中央上方。处地表卜沉值最人，从盆地中心向采空区边缘下沉逐渐减小，在盆地边界点2、方处卜沉为零，下沉曲线以釆空区中央对称。2倾斜曲线（图1-24+的曲线2）倾斜曲线表示地表移动盆地倾斜的变化规律，用/（X）表示。是卜沉曲线的一阶导数：心）=如（1-10）dx倾斜曲线分布规律：盆地边界至拐点间倾斜渐増，拐点至最人卜沉点间倾斜逐渐减小,在最人下沉点处倾斜为零。在拐点处倾斜最大，有两个相反的最大倾斜值。3曲率曲线（图1-24+的曲线3）曲率曲线表示地表移动盆地内曲率的变化规律，用（才）表示。是倾斜曲线的

30、一阶导数，卜沉曲线的二阶倒数：（丫）=刃(丫)dx/訂（才） 曲率曲线的分布规律：盆地边缘区为正曲率区，盆地中部为负曲率区。曲率曲线有三个极值，两个相等的最大正曲率和一个最人负曲率，两个最人正曲率位j:边界点和拐点之间，最大负曲率位丁最大下沉点处。边界点和拐点处曲率为零。4水平移动曲线（图124中的曲线4）水平移动曲线表示地表移动盆地内水平移动分布规律，用（工）表示。由丁水平移动曲线分布规律与倾斜曲线分布规律相似，可以表示为(1-12)（.丫）=方丿（才）=於彳adx式中，园-为水平移动系数，据有关资料：尿0.130.18禺水平移动曲线的分布规律：与倾斜曲线相似。盆地边界至拐点间水平移动渐增，

31、拐点至最人卜沉点间水平移动逐渐减小，在最人卜沉点处水平移动为零。在拐点处水平移动最人,有两个相反的最人水平移动值。移动盆地内各点的水平移动方向都指向盆地中心。5.水平变形曲线（图124中的曲线5）水平变形曲线表示地表移动盆地内水平变形分布规律，用（才）表示。是水平移动的一阶导数：dx(1-13)水平变形曲线的分布规律：与曲率曲线的分布规律相似：盆地边缘区为拉伸区，盆地中部为压缩区。水平变形曲线有三个极值，两个相等的正极值和一个负极值，正极值为最人拉伸值，负极值为最人压缩值。两个最人拉伸值位丁边界点和拐点之间，最人压缩值位J最人卜沉点处：边界点和拐点处水平变形为零。 # #图1-24水平矿层非充

32、分采动时主断而内地表移动和变形分布规律1下沉：2T顷斜：3曲率：4水平移动：5水平变形（二）水平矿层充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律采动程度判别：如图125所示，当用走向充分采动角约画的两直线刚好交地表一点o时，这时地表刚好达到充分采动。用走向边界角玄作出边界点V、 #图1-25水平矿层充分采动时主断而内地表移动和变形分布规律1一下沉：2倾斜；率：4一水平移动；5-水平变形 地表刚好达到允分采动时主断而内地表移动和变形分布规律与水平矿层非充分采动时相比，有以下特点：（1）卜沉曲线上最人下沉点O的最人卜沉值已达到该地质采矿条件卜的最大值；（2）倾斜.水平移动曲线没有明显变化：（3）在最人

33、下沉点。处，水平变形和曲率变形值均为零，在盆地中心区出现了两个最大负曲率和两个最大压缩变形值，位丁拐点占和最大下沉点。之间；（4）拐点处占的卜沉值约为最人下沉值的一半。（三）水平矿层超充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律采动程度判别：如图126所示，当用约角作的两直线在地表交丁0和G两点，0和彳间出现平底时，地表达到超充分采动。用走向边界角作出边界点A.地表达到超充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律和非充分采动时相比，具有以下特点：（1）K沉盆地出现了平底区，在该区域内，各点下沉值和等，并达到该地质采矿条件卜的最人值；（2）在平底区内，倾斜、曲率和水平变形均为零或接近J：零，各种变形主

34、要分布在采空区边界上方附近；（3）最人倾斜和最人水平移动位丁拐点处；最大正曲率、最人拉伸变形位J：拐点和边界点之间；最犬负曲率、最人压缩变形位丁拐点和最大卜沉点。之间。（4）盆地平底0广0、区内水平移动理论上为零，实际存在残余水平移动。（4）厂:；（5）&广、/丿V：Os1:八E1I11111111:”Zz/、Xr、:、/:/丨予;图1-26水平矿层超充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律1一下沉：2倾斜；3-曲率：4-水平移动：5水平变形（四）倾斜矿层（15。a55）非充分采动时主断而内地表移动和变形分布规律（图1-28）急倾斜矿层非充分采动时主断而内地表移动和变形分布规律与倾斜矿层非允分

35、采动时地表移动分布规律相比，具有以下特点：（1）F沉盆地形态的非刈称性十分明显，卜山方向的影响范围远人J：上山方向的影响范围。随着矿层倾角的增人，地表卜沉曲线由対称的碗形逐渐变为非対称的瓢形。当矿层倾角接近90时，下沉盆地剖面又转变为刈称的碗性或兜形；（2）随着矿层倾角的增加，最人卜沉点位置逐渐移向矿层上山方向，当矿层倾角接近90。时，在矿层露头上方。急倾斜矿层开采时不现充分采动情况，最人卜沉值随回采阶段垂高的增加而增大;（3）在松散层较薄的情况下，可能只出现指向上山方向的水平移动；（4）当开采厚度较人.开采深度较小、矿层顶底板坚硬不冒落而矿质又较软时，开采后采空区上方的矿层容易沿矿层底板滑落

36、。这种滑落可能一直发展到地表，使地表矿层露头处出现塌陷坑；（5）当采深较人、采厚较小、顶板岩石较松软、松散层较厚的情况下，地表不一定出图1-28急倾斜矿层非充分采动时上断面内地表移动和变形分布规律1一下沉：2倾斜：3-曲率：4-水平移动：5-水平变形二、移动稳定后全盆地内移动和变形分布规律在解决建筑物和铁路卜采矿问题时，由建筑物和诙路往往不在地表卜沉盆地主断而位置上，按主断而计算方法计算不能满足要求，因此研究卜沉盆地全面积开采的沉陷规律有其实际的意义。（一）下沉等值线卜沉等值线呈近似圆形分布，在圆形中心处卜沉值最人，在同一方向上离中心愈远卜沉值减小,如图1-29所示。y图1-29下沉等值线 #

37、 #（二）倾斜等值线除了与点的位置有关外，还与给定方向有关。沿走向和倾斜方向的倾斜和水平移动等值线全面积分布均为两组椭圆。椭圆长轴方向与所指定的方向垂直。如图130所示。 # #沿走向方向沿倾向方向图1-30倾斜等值线 （三）水平移动等值线与给定方向有关。沿走向和倾斜方向的倾斜和水平移动等值线全面积分布均为两组椭圆。椭圆长轴方向与所指定的方向垂直，如图1-31所示。 # #（四）曲率等值线与给定方向有关。沿走向和倾斜方向的曲率等值线全面积分布均为四组椭圆。椭圆长轴方向与所指定的方向垂直，如图132所示。沿走向方向沿倾向方向图1-32曲率等值线（五）水平变形等值线与给定方向有关。沿走向和倾斜方向

38、的水平变形等值线全而积分布均为四组椭圆。椭圆长轴方向与所指定的方向垂直，如图133所示。 沿走向方向图1-33水平变形等值线 第四节采动过程中主断面内移动和变形分布规律一、研究采动过程中地表移动和变形分布规律的作用和意义地卜矿层采出后引起的地表沉陷是一个非常复杂的时间和空间过程。随着工作而的推进，不同时间的回采工作而与地表点的相对位置不同，开采对地表点的影响也不同。地表点的移动经历一个由开始移动到剧烈移动，最后到停止移动的全过程。在生产实践中经常会遇到卜述情况，即仅仅根据稳定后（或静态）的沉陷规律还不能很好地解决实际问题，必须进一步研究移动和变形的动态规律。例如，在超允分采动条件下，地表下沉盆

39、地出现平底，在此平底范闱内地表卜沉相同，地表变形等丁零或接近零，但不能认为在此区域内的建筑物不受到破坏，因为在工作而推进过程中该区域内的每一个点均耍经受动态变形的影响，虽然这种动态变形是临时性的，但它同样可以使建筑物遭到破坏。研究采动过程中的地表移动规律，对J铁路、公路、建（构）筑物卜采矿十分重要。在建筑物卜采矿时，需要随时确定建筑物受采动影响的开始时间和在不同时期的地表移动和变形甌以便对建筑物采取适当措施习。如加强观测、加固.临时迁出或改变用途等。在铁路卜采矿时，需根据动态变形规律确定铁路维修范朗，预计铁路上部建筑起垫虽等。在进行协调开采（HamiomcExtraction）时，根据动态变形

40、规律可以更合理地安排回采作而之间的相互关系等。二、地表点的移动轨迹当地表点与工作面和对位置不同时，地表点的移动方向和人小不同。图1-34给出了地表最人下沉值点从开始移动到移动结束的全过程，据此可将地表移动分为四个阶段2：（1）当工作面由远处向点推进，移动波及到点，伙点开始下沉，随着工作面的推进点卜沉速度由小逐渐变人，此时点的移动方向与工作而推进方向相反，此时为移动的第I阶段；（2）当工作面通过点正卜方（如2处）继续推进时，点的卜沉速度增人，并逐渐达到最人下沉速度，3点的移动方向近铅垂方向，此为移动的第II阶段；（3）当工作面继续推进，逐渐远离地表点乂后，点的移动方向逐渐与工作面推进方向相同，此

41、为移动的第III阶段；（4）当工作面远离3点一定距离后，回采工作面対点的影响逐渐减小，伙点卜沉速度逐渐趋丁零，点，（移动停止，此为移动的第IV阶段；（5）移动稳定后，点2的位置并不一定在其起始位置的正下方，一般略微偏向回采工作面停止位置一则。此为移动的第V阶段。m1-34主断面内地表最大下沉点移动轨迹上面表述了位J：采空区中心的最人卜沉点的移动过程，它代表了地表点移动的全过程。由地表点所处的位置不同，地表点的移动轨迹不一定完成上述全过程，而只是上述过程的一部分。位J：开切眼一侧的地表点只有指向工作面推进方向的移动，而位J停采线一侧的地表点只有逆向工作而方向的移动。总的來说，地表点的移动具有以卜

42、特点：（1）移动方向开始都指向工作面，移动稳定后的移动向量均指向工作面中心；（2）点移动轨迹的弯曲程度与工作面推进速度有关，工作而推进速度越人，点移动轨迹曲线的弯曲程度越小，反之亦然。三、工作面推进过程中地表移动和变形规律（一）起动距在走向主断面上，工作而由开切眼推进到A点时，岩层移动开始波及到地表（见图1-35）6通常把地表开始移动（卜沉为lOmrn）时的工作面推进距离称为起动距（StartingDistanced起动距的人小主要和开采深度及岩石的物理力学性质有关。一般在初次采动时，起动距约为1/41/2禺，禺为平均开采深度。随着工作面继续推进，地表移动盆地的范围和移动駅均增加。当工作面推进

43、到点U时，地表达到充分采动，地表移动最人值达到该地质采矿条件卜的最人值。工作而再推进到点Q时,地表移动范围增大,但地表下沉量不再增加（如殆）,当工作面停止后,地表移动范围和移动鼠较推进过程中有所增人（如比|）。说明地表动态移动量和移动范围小J稳定后的移动量和移动范围。（二）超前影响如图135所示，当工作面推进到点3时,下沉曲线为明,工作面前方1点开始受采动影响而卜沉；当工作面推进到点U时，卜沉曲线为旳，地表2点开始受采动影响而卜沉。由此可见，在工作面推进过程中，工作面前方的地表受采动影响卜沉，这种现彖称为超前影响（ForeEffect）。将工作而前方地表开始移动（卜沉10mm）的点与当时工作面

44、的连线和水平线在矿柱一侧的夹角称为超前影响角（ForeEffectAngle）,用0表示。开始移动的点到工作而的水平距离/称为超前影响距（ForeEffectDistance）,超前影响角e和超前影响距/的关系如下:（D=arctg-!（1-14）Hq式中，超前影响距；%_平均开采深度。影响超前影响角大小的因素：（1）采动程度。非充分采动时，Q角值随着开釆而积的增人而减小；充分采动后，Q值基本趋丁定值；地表移动稳定后，0角等丁边界角血。（2）工作而推进速度。Q值随着工作而推进速度増人而增人。（3）采动次数。重复采动时的超前影响角比初次采动时小。掌握了超前影响规律，就可以在工作而推进过程中，确定

45、工作面在任意位置时的地表影响范围。图1-35工作而推进过程中地表移动和变形规律工作面推进过程中的下沉速度（一）下沉速度的计算下沉速度的计算公式：(1-15)r_-叫_H”泊-號式中，“I一第加+1次测得的号点的下沉量,mm；必一第m次测得的号点的下沉量，nun：两次观测的时间间隔。Hz/一分别为第小次和第加次测得的号点的高程，mm。（二）下沉速度曲线在采动过程中，各点的卜沉速度并不相等。将各点卜沉速度绘制成曲线，称为卜沉速度曲线（SubsidenceelocityCunre）o如图136所示，工作而推进过程中的卜沉速度曲线，横坐标表示为X,纵坐标表示为p（x）o1,2为非充分采动时下沉速度曲线

46、;3,4为充分采动时卜沉速度曲线。（三）卜沉速度曲线的变化规律非充分采动时的地表卜沉速度曲线变化规律当工作而开采距离达到起动距时，地表开始移动，在地表非允分采动时，随着工作而的推进，地表各点下沉速度逐渐增人，最人卜沉速度也增人。如图136所示，当工作而由点*推进到点方时，地表各点的平均卜沉速度曲线为曲线1.最人卜沉速度为b：当从方推进到C时，地表各点的平均卜沉速度曲线为曲线2、最人下沉速度为s充分采动时的地表下沉速度曲线变化规律如图136中的曲线3和曲线4所示，当达到充分采动后，下沉速度分布曲线有如下特征：（1）当工作面继续推进，地表卜沉速度曲线形状基本不变；（2）地表最大卜沉速度达到该地质采

47、矿条件卜的最人值；（3）随着工作面的推进，距工作面水平距离相同的点卜沉速度相同，卜沉速度最人的地表点与回采工作而的相対位置基本不变，最人卜沉速度点有规律地向前移动。最人下沉速度的滞后当地表达到充分采动后，在地表卜沉速度曲线上，最人下沉速度点的位置总是滞后回采工作面一固定距离，这种现彖称为最人卜沉速度滞后现彖。此固定距离称为最人I、沉速度滞后距（LagDistanceofMaxunumSubsidenceelocity）,用Z表示。把地表最人卜沉速度点与相应的回采工作面连线和矿层（水平线）在采空区一侧的夹角，称为最人卜沉速度滞后角（LagAngleofMaxinnunSubsidencerelo

48、city）,用表示，其计算式如卜：(1-16)式中，Z滞后距；禺一平均采深。影响最人卜沉速度滞后角的主耍因素是岩石的物理力学性质、采深与采厚之比.工作而推进速度。一般來说，采深与采厚之比越人、岩石越坚fi更、工作而推进速度越快，最人卜沉速度滞后角越小；反之，采深与采厚之比越小、岩石越软、工作而推进速度越慢，最人卜沉速度滞后角越大。最人下沉速度的点是地表移动最剧烈的点。掌握了地表最人下沉速度滞后角的变化规律，便可确定在回采过程中対应地表移动的剧烈区，这対采动地面保护具有重要的实践意义。五、地表移动持续时间地表移动持续时间（或移动过程总时间）是指在允分采动或接近充分采动的情况卜，地表卜沉值最人的点

49、从移动开始到移动稳定所持续的时间。移动持续时间应根据地表最人卜沉点求定，因为在地表移动盆地内各地表点中，地表最人卜沉点的卜沉鼠最兄卜沉的持续时间最长。地表下沉速度的人小反映地表移动的剧烈程度。一般按照地表卜沉速度对建筑物的影响程度不同，将地表点的整个移动过程分为三个阶段2T：（1）开始阶段：卜沉量达到10mm的时刻为移动开始时刻。从移动开始至卜沉速度刚达到1.67mm/d（或50mm/月）时刻为移动开始阶段。（2）活跃阶段：下沉速度人J：1.67mnvd（或50mm/月）的阶段。由J：在该阶段内，地表点的卜沉占总卜沉的85%95%,地表移动剧烈，是地而建筑物损坏的主耍时期，因此也称该阶段为.危

50、险变形阶段。（3）衰退阶段：卜沉速度刚小J;1.67mm/d（或50mm/月）起至六个月内地表各点卜沉累计不超过30inm时为移动衰退阶段。开始阶段、活跃阶段.衰退阶段这三个阶段的时间总和，称为移动过程总时间或移动持续时间。影响地表移动持续时间的因素主要是岩石的物理力学性质、开采深度和工作而推进速度。一般的规律为：开采深度越人.覆岩越坚硕，地表移动持续时间越长，反之亦然。当采深在100200m时，地表移动持续时间一般为12年。有的可达十几年，但大多数不超过5年。六、工作面推进过程中地表移动和变形规律（一）工作面推进过程中地表水平移动变化规律在非充分采动时，从图137中可知，随着工作而的开采，釆

51、空区面积不断扩人，水平移动逐渐增大。如当工作面位B、C、Q处时，水平移动曲线分别为乙）6、5UD.水平移动值为零的点随着工作面的推进而向前推进，如、6、达到充分采动时，工作面推进至从图1-37+可知，开切眼上方的水平移动渐趋稳定，水平移动值等丁零的点（如乞）不再向前移动，水平移动曲线为乞。当达到超充分采动时，工作而推进至用从图137中可知，水平移动值等零的区域扩人，零值区域为/水平移动曲线为的和E曲线形态基本相似，最人水平移动值基本相等。当工作面停采后，最人水平移动仍继续增加，直至地表移动稳定为止。曲线乙为移动稳定后的水平移动曲线。地表稳定后的增人水平移动值比工作面推进过程中的地表最人水平移动

52、值人。图1-37采动过程中地表水平移动曲线变化规律（-）工作面推进过程中地表倾斜变化规律工作而推进过程中倾斜变化规律与水平移动变化规律基本相同。（三）工作面推进过程中地表曲率变化规律在非充分采动时,从图138中可知,随着工作面的推进,地表正、负曲率逐渐增大,曲率影响的范围也増人，此时有二个正曲率和一个负曲率；当工作面推进到一定距离后（如到方），地表负曲率达到最人（只有一个负曲率），随着工作而的再推进，地表负曲率最人值减小，且出现两个负曲率最大值（心曲线）。当达到充分釆动,从图138中可知,工作面推进到刀，盆地出现两个负最大负曲率,盆地中心点处曲率值等丁零（应曲线九当达到超充分采动时，从图138

53、中可知，推进过程中工作而前后的曲率变形曲线随着工作而的推进而均匀向前移动，曲线形状基本相似，最人正负曲率变形值基本相同，曲率变形零值区不断扩大。当工作而停止后，工作面上方地表曲率值和范围均要增人，直到地表移动稳定。阵为移动稳定后的曲率变形曲线，如图l-38o但是，工作面推进过程中的地表非充分采动时的负曲率最人值人J充分采动时的负曲率最人值。图1-38采动过程中地表曲率变形曲线变化规律（四）工作面推进过程中地表水平变形变化规律工作而推进过程中地表水平变形变化规律与曲率变形变化规律某本相同。（五）垂直丁工作面推进方向断而上的地表移动变化规律与推进方向和比，地表移动过程中的移动和变形只有由小到人逐渐

54、增人的过程，没有正负曲率和拉压变形的交替变化的现象。 第五节岩层与地表移动与地质采矿条件的关系一、影响开采沉陷分布规律的地质和釆矿因素多年的实践经验表明，开采沉陷的分布规律取决地质和采矿因素的综合影响。在这些地质和采矿因素中，一类是人们无法对其产生影响的，称为自然地质因素；另一类为采矿技术因素。一些学者对这些地质采矿因素进行了分类。_矿层厚度一倾角埋就深度一松散层厚度埋藏条件的可靠性褶皴程度I折层的密度H然地质因素构造冈索成层程度一裂隙程度一地层不整合I变质作用性质的不同对层状矿体开采引起的岩层和地表移动过程影响很人，不同覆岩性质条件匚移动量大小.形式不相同。学性质湿度5物理力学和化胀鼓性能水

55、文地质性能岩石驶度系数空间密度采矿技术因索岩体被采矿破坏程度厂采出矿虽L采空区的位汽采区系统的几何因素p开采厚度巷道尺寸一丁作而对解理方向的偏转技术因索厂开采方法顶板管理方法开采系统_工作面推进速度选择开采图1-40影响开采沉陷分布规律的地质采矿因索二、覆岩力学性质、岩层层位的影响$7（一）覆岩力学性质的影响组成岩层的岩石可分为坚硕（06）、中硕（戶36）和软弱（严3）三种类型。岩石力学在覆岩坚硬的条件下，岩层及地表移动具有如下特征：（1）采空区悬顶面积人.地表易产生非连续性变形。（2）岩层及地表下沉量小，拐点平移距大。（3）急倾斜矿层开采条件下，地表易岀现塌陷坑或塌陷漏斗。（4）移动角较大。

56、（5）导水裂缝带高度较人。在覆岩较弱的情况卜S有与以上相反的特征。（-）覆岩组成及层位的影响覆岩组成及层位对地表移动量、移动规律有较人影响，主要表现如卜I（1）直接顶坚硕.老顶软弱地表的卜沉量小J：直接顶软弱，老顶坚硬的地表下沉屋；（2）流沙层距采空区近比流砂层距采空区远的地表卜沉鼠大。主要原因为流砂层距采空区远，失水、失砂少，地表下沉量小。（3）地表有软弱覆盖层比无软弱覆盖层时，移动更平缓、均匀，连续性更好。三、松散层对地表移动特征的影响1.当基岩为水平或近似水平时（X10。）：松散层移动形式和基岩移动形式基本一致，两者都呈垂直弯曲的形式，移动向量都指向采空区中心，水平移动呈对称分布2。2当

57、岩层倾斜时，水平移动指向上山方向量增大。基岩沿法向弯曲。水平移动均指向上山方向。由J：摩擦力的作用，棊岩移动带动松散层产生指向上山方向的水平移动。这种移动在松散层中由卜往上逐渐衰减】刖，如图1-41所示。 # 图141松散层对水平移动的影响（1）基岩移动引起的松散层水平移动曲线；（2）一松散层垂直弯曲引起的松散层水平移动曲线；（3）一地表最终水平移动1111线。在图1-41+，cd、w表示基岩面上点移动前的位置，cl袋示移动后的位置，其以和水平移动向量为左、石和石。这儿个移动向量可分解为垂直移动分鼠歹、移动分量夫-面、石。由J基岩移动产生的摩擦力的作用，此水平移动分鼠带动松散层产生指向上山方向

58、的水平移动。60、力代表地表三个点。o点为移动盆地中心。松散层移动形式为垂直弯曲。因此地表点的水平移动分彊对称j:盆地中心点。是点的水平移动指向上山方向，力点水平移动指向卜山方向，。点只有垂直移动，水平移动为零。由以上分析可以看出，地表点久6力承受了两种水平移动，即松散层水平移动和基岩水平移动的影响。在地表点处，由丁基岩和松散层水平移动方向一致，“点的水平移动值为两者之和，指向上山方向，在地表点处，由r两者方向相反，其值是两者之差；在地表点0的水平移动，仅是基岩面上点的水平移动，指向上山方向。在图141的上部，分别为棊岩水平移动引起的松散层水平移动曲线（1）,松散层垂直弯曲引起的松散层水平移动

59、曲线（2）,两者进行叠加，得到地表最终水平移动曲线（3）。从曲线（3）可以看岀，在倾斜矿层开采的情况卜地表移动盆地内的水平移动曲线呈不対称分布，增人了指向上山方向的水平移动，减小了指向下山方向的水平移动，随着岩层倾角的増人，此特征表现得更加明显。当松散层很厚时，基岩移动产生的水平移动在松散层内传递时衰减而达不到地表，这时地表就只有由J松散层垂直弯曲1何引起的水平移动。根据经验I】。,当松散层厚度人丁75巧如（“二为地表最人卜沉值，0为矿层倾角）时，棊岩移动产生的水平移动就不能到达地表。四、矿层倾角的影响矿层倾角变化，对上覆岩层的移动和破坏形式有很大的影响。矿层倾角不同，覆岩移动形式、破坏形态、

60、地表移动盆地的形态均有较大的差异2】。（一）对地表移动盆地形态的影响在水平和近水平矿层开采条件下，地表移动盆地是以采空区中心対称的椭圆。在倾斜矿层开采条件厂地表移动盆地为偏向卜山方向的非対称椭圆，形状为碗形或盘形。随着倾角的增人，这种非对称性增人，当矿层倾角接近90。时，又成为对称的椭圆，地表移动盆地为碗形或兜形。（-）对覆岩移动形式.破坏形态的影响在水平及缓倾斜矿层（035。）开采条件卜：岩层移动形式主耍为沿岩层的法向弯曲和崩落。冒落带、导水裂缝带最终呈马鞍形，地表卜沉盆地为对称的碗形和盘形。在矿层倾角在35。54。之间时：岩层移动的形式除有法向弯曲外，述伴随有沿层面的剪切移动和岩石卜滑，覆