采煤沉陷

西北地质科学矿层的开采方式一般分为3种：第一种为巷道式开采，此方法多为私人，集体企业等所采用。特点是距地表浅，以水平巷道为主，沿矿层掘进、巷道在平面上呈不规则分叉、支护简单、开采后巷道不做任何处理废弃。第二种，壁式开采，国营企业采用。特点是常具有较长的回采工作面，其两端各有一条巷道，用于通风和运输，分为两种推进方式，即走向长壁法，和倾斜长壁法，随着工作面推进，对采空区进行处理。第三种，柱式开采方式，大型企业、乡镇企业采用。特点是在采矿范围内，先开掘巷道，开采矿体，留矿柱支持顶板，再将矿柱有计划回采，采空区不处理。2对采空区采用的几种处理方法2.1垮落法即有步骤地将矿柱部分或全部回采，使采空区直接顶人为地冒落下来，从而减轻直接顶的压力，并利用垮落的岩石支撑上部未垮落的岩体。此法经济，矿体损失少。2.2矿柱支撑法即用适当宽度矿柱支撑顶板，此法因矿体损失较大，采用少。2.3充填法特点是采矿过程中留下矿柱，然后用砂石及其他材料把采空区填满，利用充填物支撑顶板，回采或部分回采矿柱。此法主要用于特厚矿层。在“三下”（建筑物、铁路、水下）进行采矿时常用全部充填法。3采空区冒落组成部分和地质特征煤层采出后，在采空区周围的岩层中发生了较为复杂的移动和变形。移动稳定后的岩层按其破坏程度，大致可分为3个不同的采动影响带，即冒落带、裂隙带、弯曲带。3.1冒落带随着矿层的开采，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。冒落岩石具有一定的碎胀性。冒落岩块间空隙较大，连通性好，冒落岩石的体积大于冒落前的原岩体积。岩石具有碎胀性是使冒落能自行停止的根本原因。冒落岩具有可压缩性。一般是冒落后岩石稳定时间越长，压实性越好，但永远不会恢复到原岩体的体积。冒落带的高度主要取决于采出厚度和上覆岩石的碎胀系数，通常为采出厚度的3～5倍。薄煤层开采时冒高较小，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：顶板为软岩时，冒落带的高度为采出厚度的2～4倍。实践中可用下式近似估算冒落带高度：h＝m／（k－1）cosα式中，h——冒落带高度；m——采出煤层厚度；k——岩石碎胀系数，α——煤层倾角。岩石的碎胀系数取决于岩石性质，坚硬岩石碎胀系数较大、软岩则较小。碎胀系数值恒大于1，一般在1.05～1.80之间。3.2裂缝带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称为裂缝带。裂缝带位于冒落带和弯曲带之间。裂缝带内岩层产生较大的弯曲、变形及破坏。其破坏特征是：裂缝带内岩层不仅发生垂直于层理面的裂缝或断裂，而且产生顺层理面的离层裂缝。下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。上部分的岩层裂缝不断开、连通性较差。冒落带和裂缝带合称为两带，又称冒落裂缝带。之间没有明显的分界限、均属破坏性影响区。上覆岩层离采空区距离越大、破坏程度越小。3.3弯曲带弯曲带位于裂缝带之上直至地表，此带特点是，弯曲带内岩层在重力的作用下产生层面法向弯曲，在水平方向处于双向受压缩状态，因而其压实程度较好。弯曲带内岩层的移动过程是连续而有规律的，并保持其整体性和层状结构，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。弯曲带的高度主要受开采深度的影响。当采深很大时，弯曲带的高度可大大超过冒落带和裂缝带的高度之和。此时，开采形成的裂缝带不会达到地表，地表的移动和变形相对比较平缓，有时地表也可能产生一些裂缝，但这些裂缝表现为上大、下小，到一定深度自行闭合。4影响空洞上覆岩层冒落的因素4.1来压情况根据采空区顶板地质特征不同，矿山压力的特征划分为5类（表1）。表1采空区上覆岩体顶板分类表Tab．1Dividingtheoverlyingbedsofoverlyingrocksabovetheminied-outarea老顶类别（Ⅰ）（Ⅱ）（Ⅲ）（Ⅳ）（Ⅴ）来压情况无周期来压或来压不明显有周期来压周期来压比较剧烈顶板大面积来压时形成暴风，易摧垮工作面比较稳定基本情况1.直接顶厚为采高的4～5倍。其上为老顶。∑h＞（4～5）m2．直接顶是坚硬岩层。但节理裂隙发育。且其厚度同上1．直接顶厚小于采高的4～5倍。但仍有一定厚度∑h＜（4～5）m2．直接顶垮落后不能填满采空区1．老顶直接位于煤层之上。∑h→02．老顶在采空区悬露一定距离，而后垮落3．老顶垮落时岩层破断角α≤45°1.老顶位于煤层之上∑h＝02．老顶坚硬而厚，节理裂隙不发育，能在采空区大面积悬露而不垮落1.直接顶为石灰岩、砂岩等岩层，富于节理、裂隙且破断角α≤60°2．岩层分层厚h大于采高，h＞m3．岩层能在采空区塑性弯曲直接顶类别ⅠaⅠbⅡaⅡbⅢaⅢb基本情况1.顶板不稳定：强度低，其断破角α＝90°2．有切顶线前移现象1．顶板岩层有一定强度但富于裂隙2．破断角α＝60～75°同Ⅰa同Ⅰb同Ⅰa同Ⅰb采空区处理方法全部垮落法全部垮落法全部垮落法有时采取放顶措施矿柱或强制放顶缓慢下沉表1为这5类顶板的概貌。在表中把直接顶的情况也附在各类顶板中形成小分类。4.2采空区上覆岩层的岩性、岩石组合及构造特征采空区上覆岩层的岩性多种多样，但常见的为砂岩、粉砂岩、页岩（泥页）、灰岩等。可由单一的岩性组成，也可由两种或两种以上岩石组成。常将岩石粗略地划分为3种，硬度系数f大于8的为硬岩石、如硬的砂岩、砂质页岩和石灰岩等；f介于3～8之间的为中硬岩石，包括砂岩、灰岩和泥页岩等；f值小于3的为软弱岩石，包括粉砂岩、页岩、粘土和煤等。采空区上覆岩石的软硬不同，岩性不同，类型不同和岩性组合不同，对冒落的影响也不同。影响采空区冒落的构造主要以断裂构造为主，分为构造简单、构造中等，构造复杂，具有断层和褶皱等5类。它们对冒落的影响也是不相同的。4.3顶板管理方法的影响采矿方式和顶板管理方式决定着采空区的大小和采空区内冒落岩块的不同运动形式。开采缓倾斜煤层时，一次采高不大，冒落岩块不易产生再次运动，覆岩破坏的规律性明显。开采急倾斜煤层时，采高增加，冒落岩块易产生再次运动，其三带划分准确性不如缓倾斜煤层采空区。4.4煤层倾角的影响煤层倾角对覆岩破坏影响主要表现在使覆岩破坏产生不同形态。4.4.1开采水平煤层及缓倾斜煤层（α＝0～35°）时在这种开采条件下，冒落带在上覆岩层重量作用下，中央压得很实。因此，裂缝带呈中间低两端高的马鞍型。冒落带和裂缝带形态一致。4.4.2开采倾斜煤层（α＝36～54°）时在倾斜层开采条件下，顶板冒落岩块落到采空区底板以后，首先将采空区下边界填满，上边界以上岩层破坏显著增大。在倾斜方向上，冒落带和裂缝带呈抛物线拱形，而走向方向仍为马鞍型。4.4.3开采急倾斜煤层（α＝55～90°）时在急倾斜煤层开采条件下、倾斜煤层开采条件下的覆岩破坏形态得到更加发展，即上边界破坏高度更高，下边界的破坏高度更低、破坏范围由抛物线拱型渐变为拱型，完全垂直时成抽象的心形。4.5时间因素覆岩破坏一般滞后于回采、而冒落岩块的压实又滞后于冒落过程。覆岩破坏的发展可以分为两阶段：在发展到最大高度之前，破坏高度随时间的推移而增大，在工作面回柱放顶后1～2个月以内导水裂缝带发展到最大值。然后导水裂隙带随着冒落带的压实而逐渐降低，降低的幅度与覆岩性质有关。覆岩坚硬，降低幅度小；覆岩软弱，降低幅度大。4.6重复采动不管是煤层群开采第一层还是原煤层开采第一分层，初次开采总是改变了覆岩的力学性质，特别是强度性质，即岩层发生了软化，使得从以后的回采相当于在变软了的岩层内进行。因此，从第一次重复采动开始，覆岩破坏规律与初次采动时的规律有所不同，并且逐次的重复采动又各不相同。覆岩破坏高度与累计开采厚度呈抛物线关系。5采空区覆岩破坏高度的计算方法覆岩破坏高度的计算包括冒落带和导水带高度的计算。下面只是一些由数理统计方法获得的一些经验公式。5.1冒落带高度计算（适用于倾角为0～54°煤层）根据覆岩性质的不同，冒落带高度计算有下列几种情况：（1）煤层顶板覆岩内有极坚硬岩层，采后能形成悬顶，冒落带最大高度采用下式计算：H＝M／（K－1）cosα式中M＝煤层开采厚度；K＝冒落岩石碎胀系数；α＝煤层倾角。（2）煤层顶板覆岩内为坚硬、中硬、软弱、极软弱岩层或其互层时，开采单层的冒落带最大高度可采用下式计算：H＝M－W／（K－1）.cosα式中W＝冒落过程中顶板下沉值，由实测得到。很难测此数据时，可用上一公式。（3）原煤层分层开采时冒落带最大高度采用表2中给出的经验公式计算。表2公式中±后面的数字为误差；∑M为累计开采厚度。表2厚煤层分层开采的冒落带高度计算公式Tab.2Calulatingformulaaboutthehightnessofthecollapsezonewhichcausedbythedividingbedminingofthethickcoalbcds覆岩岩性（单向抗压强度MPa，主要岩石组成）经验公式（m）坚硬（40～80，石英砂岩、石灰岩、砂质页岩、砾岩）中硬（20～40，砂岩、泥质灰岩、砂质页岩、页岩）极弱（10～20，泥岩、泥砂质岩）极软弱（＜10，铝土岩、风化泥岩、粘土、砂质粘土）5.2裂缝带高度计算（适用于倾角为0～54°煤层）煤层覆岩内为坚硬，中硬、软弱、极软弱岩层或其互层及厚煤层分层开采时导水裂缝带最大高度均可用表3中的两种公式。5.3开采急倾斜煤层（倾角55～90°）时冒落带高度和导水带高度计算煤层顶底板岩内为坚硬、中硬、软弱岩层，用全陷法开采时的冒落带高度和裂缝带高度可用表4给出的经验公式计算。5.4开采近距离煤层群时，冒落带和裂缝带的高度计算笔者采用的计算公式见表3及表4。表3中经验公式的适用范围：单层采厚1～3m，累计采厚小于15m。表3缓倾斜和倾斜煤层开采时裂隙带高度计算公式Tab.3Calculatingformulaaboutthehightnessofthefracturezonewhenthesmoothingslopeandslopecoalbedsareminied覆岩岩性经验公路之一（m）经验公式之二（m）坚硬中硬软弱极软弱表4急倾斜层冒落带和裂隙带高度计算公式Tab.4Calculatingformulaaboutthehightnessofthecollapseandfracturezoneswhichcausedbytheminingoftheslarp-slopecoalbeds岩性导水裂缝带高度（m）冒落带高度（m）坚硬Hm＝0.4～0.5Hli中硬、软弱Hm＝0.4～0.5Hli表4中的h为回采阶段垂高，M为煤层的法线厚度。6地表破坏形式和地表变形特征6.1地表破坏形式6.1.1地面沉陷的发展过程随着地下采掘活动的进展和采空区逐渐扩大，地面沉陷的发展过程具有阶段性特点。由于矿洞顶板塌落及沉陷发展的不平衡，初始阶段中地面出现裂缝及小范围塌陷坑；在采空区累进性破坏过程中，地面沉陷范围扩大并逐步形成沉陷洼地，洼地中分布着一些小的塌陷坑；当采空区范围已停止扩展时，地面最终形成以张裂缝为边的沉陷盆地、其宽度可在采空区上覆地层厚度的10倍以上。6.1.2地表移动盆地开采的影响到达地表以后，使受采动的地表从原有标高向下沉降，从而在采空区上方的地表形成一个比采空区面积大得多的洼地被称为地表移动盆地，这种洼地出现，严重的破坏了地面道路、管道和沟渠的正常状态，有的常年积水。6.1.3裂缝开采缓倾斜煤层时，在移动盆地的外缘地区，地表可能出现裂缝。裂缝的发生及其宽度、深度与表土的塑粘性大小及表土受到的拉伸变形大小密切相关，即与采深、采厚、顶板管理方法、表土厚度和岩性有关。塑性大的粘性土，一般在地表位拉伸变形超过6～10mm／m才会发生裂缝；塑性小的砂质粘土、粘土质砂岩石，当地表拉伸变形达到2～3mm／m时，就会发生裂缝。地表裂缝一般平行于采空区发展。裂缝的形状如楔型，上口大、下口小、在一定深度尖灭。一般在地面以下5m左右消失了。个别的裂缝可达10m。6.1.4台阶状塌陷盆地在开