第一章地表移动和变形规律

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一、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（StrataMovement）。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3～4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（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，即冒落带（CavedZone）、裂缝带（FracturedZone）和弯曲带（ContinuousDeformationZone），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，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1.5～1.8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3～5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2～4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9～12倍；中硬岩石条件下为采厚的12～18倍；坚硬岩石条件下为采厚的18～28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：（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1/4～1/2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（SubsidenceBasin），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。松散层的塑性大，地表拉伸变形值超过6～10mm/m，才产生裂缝，松散层的塑性小，变形值超过2～3mm/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1/4～1/2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，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—最终的静态移动盆工作面推进方向H01/4~1/2H0w1w2w3w4w′041234（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（SubcriticalMining），此时地表移动盆地称为非充分采动下沉盆地（SubcriticalSubsidenceBasin），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（CriticalMining），又称临界开采。此时地表移动盆地称为充分采动下沉盆地（CriticalSubsidenceBasin），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1.2～1.4H0（H0为平均开采深度）时，地表达到充分采动。（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（Supercrit