山区煤岩采动对地表移动和变形的影响研究

第1页山区煤岩采动对地表移动和变形的影响研究姓名：学号：专业：年级：授课教师：山区煤岩采动对地表移动和变形的影响研究摘要：地下煤层部分被采出后，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，直至达到心的平衡。随着工作面的推进，这一过程不断重复，导致地表产生移动和变形。地表移动变形的过程十分复杂，它是许多地质采矿因素综合影响的结果，本文主要研究山区煤岩采动对地表移动和变形的影响。关键词：煤岩采动；地表移动；变形；影响一、绪论我国有1/3的煤矿位于山区，由于山区的地形起伏、复杂，开采煤炭资源对地表产生的影响远大于平原地区，其中最突出的问题是开采地下煤炭资源使地表产生移动、变形和下沉，移动范围较难掌握，而且可能出现滑移甚至滑坡现象等。最终导致地表建筑物、水体、公路铁路等受到影响。而且会给煤炭企业带来巨大的经济赔偿负担同时也会影响到矿区乃至社会的稳定和可持续发展。因此对山区煤岩采动对地表移动和变形的影响研究尤为重要。二、开采引起的地表移动和破坏第2页（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）。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[1]。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。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[2]。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2-1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[3]。图2-1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（SubcriticalMining），此时地表移动盆地称为非充分采动下沉盆地（SubcriticalSubsidenceBasin），形状为漏斗第3页形。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。（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。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（SupercriticalMining），此时地表移动盆地称为超充分采动下沉盆地（SupercriticalSubsidenceBasin），形状为盆形[4]。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ψ表示）来确定。充分采动角（AngleofFullSubsidence）是指在充分采动条件下，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3-1所示。下山方面的充分采动角以ψ1表示，上山方向的充分采动角以ψ2表示，走向方向的充分采动角以ψ3表示[5]。图3-1地表移动盆地主断面（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（MajorSectionofSubsidenceBasin）。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[6]。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，倾向未达第4页到充分采动时，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[7]。3．最大下沉角最大下沉角（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θ表示。实测资料表明，最大下沉角θ与覆岩岩性和煤层倾角α有关，在倾斜或缓倾斜煤层条件下（α＜60°-70°），θ值随煤层倾角的增大而减小。一般用下式表示：Θ=90°-kα式中k—与岩性有关的系数；α—煤层倾角[8]。(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采空区范围。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：（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，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。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。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[9]。三、盆地主断面内的地表移动和变形分析（一）下沉地表点的沉降叫下沉，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。（二）水平移动地表下沉盆地中沿某一点水平方向的位移叫水平移动，用U表示。（三）倾斜地表倾斜是指相邻两点在竖直方向的下沉差与其基本水平距离的比值，它反映了地表移动盆地沿某一方向的坡度。（四）曲率曲率是相邻线段的倾斜差与水平距离的比值，它反映了观测线断面上的弯曲程度，通常用K表示。（五）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，它反映了单位长度的线段的拉伸或压缩，通常用ε表示[10]。第5页四、结论为了便于分析理解，本文以近水平煤层开采为例，说明岩层移动和破坏过程及应力状态的变化等，简要分析了山区煤岩采动对地表移动和变形的影响，说明了地表移动和变形的形式。随着大量煤炭资源从地下采出，开采所引起的岩层与地表沉陷及其环境灾害问题日益突出，因此开采损害与保护是一项重要的技术。参考文献：[1]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京:煤炭工业出版社,2000:51-55.[2]何国清,杨伦,凌赓娣,等.矿山开采沉陷学[M].徐州:中国工业大学出版社,1991:103-105.[3]郭文兵,柴华彬.煤矿开采损害与保护[M].北京:煤炭工业出版社,2008:78-79.[4]邹友峰.矿山开采沉陷工程[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003:151-154.[5]邹友峰.采动损害与保护[M].徐州:中国矿业大学出版社,1995:99-100.[6]中国矿业大学,等.煤矿岩层与地表移动[M].北京:煤炭工业出版社,1989:131-132.[7]钱鸣高.煤矿绿色开采技术[J],中国矿业大学学报,2003,32(4):343-348.[8]钱鸣高.资源与环境协调开采[J],煤炭学报,2007,32(1):1-7.[9]张荣立.采矿工程设计手册[M].北京:煤炭工业出版社,2003；88-90.[10]郭文兵.煤矿开采损害与保护[M].北京:煤炭工业出版社,2013;1-20.