第十二章、岩层与地表移动

矿山测量第十二章、岩层与地表移动第十二章岩层与地表移动第一节岩层与地表移动概念一、踩空区上覆岩层分带二、地表移动盆地三、地表移动变形对建筑物的影响第二节确定移动角的方法一、实测法确定移动角第三节保护煤柱的留设一、垂直断面法二、垂线法第四节测量与“三下”采煤一、测量技术在“三下”采煤中的应用二、“三下”采煤时的测量工作第一节岩层与地表移动概念一、踩空区上覆岩层分带地下煤炭采出后，破坏了地层内部原有的应力平衡状态，采空区顶板岩层在重力作用下，向下弯曲下沉，乃至断裂而充填采空区。当采空区的面积达到一定范围时，这种移动和变形便波及到地表，导致地表出现下沉、裂缝甚至塌陷，严重威胁着地面建筑物的安全。因此，在建筑物下、铁路下、水体下（简称“三下”）采煤时，需要认真研究和掌握岩层与地表移动规律，确保地面和井下的安全当采用全部垮落法管理顶板时，顶板岩石破碎、垮落充填采空区。顶板垮落的范围称为垮落带，如图中Ⅰ所示。垮落带的高度取决于采出煤层的厚度和岩石的碎胀系数，它通常为采出煤层厚度的3~5倍。垮落带的碎石块充满采空区，使上部岩层不再冒落，而只出现弯曲、层离、裂缝，这部分通常称为断裂带，如图中Ⅱ所示。垮落带和断裂带合起来一般称为导水断裂带。导水断裂带的高度约为采空区高度的15~25倍，个别矿区也有小于12倍的。岩层移动再向上发展则出现平缓弯曲知直到地表，称为弯曲带。如图中Ⅲ所示。弯曲带中岩层不再断裂，而是产生法向弯曲，保持了层状结构，移动过程连续而有规律。实际上，上述三个带的界限并不明显。对于不同采区，可能只出现其中的两个带。影响岩层与地表移动的因素很多，主要有岩石的物理、力学性质、煤层的倾角，开采厚度及开采深度，采空区的形状、大小及采煤方法，地表的地形条件以及地质结构、水文地质条件等图“三带”划分Ⅲ表土层ⅠⅡⅠ—垮落带；Ⅱ—断裂带；Ⅲ—弯曲带二、地表移动盆地研究岩层与地表移动的主要任务，就是观测移动盆地的变形规律，确定各种移动参数，以便正确的留设保护煤柱以及研究在“三下”进行采煤的方法和措施。1·地表移动盆地当开采的影响到达地表以后，受采动影响的地表从原有标高向下沉降，从而在采空区上方形成一个比采空区面积大得多的洼地。这种地形称为地表移动盆地。移动盆地和采空区的相对位置取决于煤层的倾角。当开采水平煤层时，移动盆地在采空区顶部呈对称分布，若采空区为长方形时，移动盆地大致为椭圆形；当开采倾斜煤层时，移动盆地向煤层倾斜方向偏移，如图所示，只在走向断面上，移动盆地在采空区上部呈对称分布。图移动盆地与主断面采空区Wδ0δ0θβ0γ0αCBCBAADD2·移动盆地的主断面为了表示移动盆地的特征，通过移动盆地中的最大下沉点，分别作平行于煤层走向和倾向的断面，称为走向主断面和倾向主断面。主断面上既可以反映出移动盆地的最大范围，又可以反映出地表的最大移动量。为了研究移动盆地的变形规律，可以沿主断面设置地表移动观测站。倾向主断面的位置在采空区的中央。走向主断面的位置，可由图中的θ角来确定，θ角为倾向主断面上最大下沉点和采空区中心的连线与水平线的夹角，称为最大下沉角。θ角值可以从实际观测资料中求得，也可以按下列近似公式计算当α＜45°时，θ=90°-0.5α（1）当α＞45°时，θ=90°-（0.4~0.2）α（2）式中，α为煤层倾角。3·边界角、移动角和裂缝角在移动盆地内各点的地表移动和表形值是不相同的。在主断面上，可按移动和表形值的大小，将移动盆地划分为三个边界，如图所示。盆地边界A点是盆地内主断面上地表下沉为10mm的边界点，称为盆地边界。危险边界B点是盆地内主断面上地表移动和变形值对建筑物有危险的边界点，称为危险边界。裂缝边界C点是盆地内主断面上地表出现裂缝的最外边界点，称为裂缝边界。在移动盆地的主断面上，采空区边界点和危险边界点B的连线与水平线在煤柱一侧所夹之角，称为移动角。移动角分为表土层移动角和基石移动角。表土层移动角的大小与煤层倾角无关，用ψ表示。基岩移动角与煤层倾角有关，基岩移动角用δ表示。沿煤层倾斜方向，采空区上边界的移动角用γ表示，采空区下边界的移动角用β表示。急倾斜煤层开采之后，地板岩层将向采空区隆起，造成底板岩层的移动。所以，急倾斜煤层顶板移动角用β表示，底板移动角用γ表示。同样，边界角用βo、γo（或λo）、δo表示，裂缝角用β″、γ″（或λo）、δ″表示，如图所示。图边界角、移动角和裂缝角β″ββoγ″γγoψoψψψoδoδδ″δoδδ″ψψoψψoAABBCCβ″ββoγ″γγoψoψψψoAABBCC三、地表移动变形对建筑物的影响地表移动与变形，将引起建筑物基础及建筑物本身产生移动和变形。如图所示为沿走向主断面上的地表下沉曲线。地面上α点的移动后位于C点，向αC为总位移，ab水平分量，是ａ点的水平位移，bC为垂直分量，是a点的垂直位移，称为下沉。由图可知，各点的水平位移和下沉值都不相同，因此就会使地面产生各种变形，从而对位于移动盆地内的建筑物产生不同程度的破坏作用。图地表下沉曲线CδδAB1·地表均匀下沉和均匀水平位移当地表均匀下沉和均匀水平移动的时候，由于建筑物整体随地表均匀运动，建筑物各构件上不产生附加应力，建筑物各构件仍保持它原有工作状态，这对建筑物危害不大。只是由于下沉而呈现出洼地，积水不易排出。2·地表倾斜地表的倾斜，可以使建筑物歪斜，甚至有倒塌的危险，尤其对于底面积小而高度大的建筑物（如水塔、烟囱、高压线铁塔及塔式建（构）筑物）危害较大。如图所示，由于地表倾斜，建筑物的中心发生偏移，引起应力重新分布。图地表倾斜3·地表曲率变形地表的曲率变形对长度较大的建筑物有危害。因为这类房屋在承重结构上，没有足够的刚度以抵抗地表变形的力量，也没有足够的柔性以适应地表变形。当出现图a中的情况时，房屋中部悬空，建筑物两端的地表对房屋基础的反作用力增大，建筑物中部因其自重作用而下沉，在底部中央形成裂缝。当出现图b中的情况时，房屋两端成悬空状态，其中央所产生的应力大于原有的应力，如果超过建筑物基础强度的极限值，则会受到破坏，建筑物两端由于悬空而下沉，结果在建筑物顶部中间出现裂缝图a地表曲率变形图b地表曲率变形4·水平变形水平变形是指地表相邻两点水平位移不相等而出现的拉伸和压缩。拉伸变形会使建筑物地基断裂。压缩变形会使建筑物结构中产生附加应力，从而使建筑物遭到破坏。建筑物的破坏程度不仅与地表变形性质有关，而且也决定于变形值的大小，而变形值的大小和矿体的开采深度、开采厚度、顶板管理方法等密切相关。当开采深度较大，开采厚度较薄，顶板管理方法采用充填法时，可减轻对建筑物的破坏程度第二节确定移动角的方法地表移动参数是反映地表移动与变形在空间和时间上的特征和大小的系数，是表示地表移动变形规律是主要指标。移动角是地表移动参数的主要内容之一。确定移动角的方法有实测法和类比法两种。实测法是在采空区上方的地面上建立地表移动观测站，测定各点高程与水平距离的变化情况。然后，根据观测资料进行分析、研究，计算出移动角值。类比法是借用地质条件相类似的矿区所测得的移动参数计算出移动角值一、实测法确定移动角（一）地表移动观测站在地表出现移动之前，沿移动盆地主断面设置若干测点构成地表观测站，由这些测点连成的直线，称为观测线。观测线延伸至移动盆地之外，与特设的控制点相连接。如图所示，沿倾向主断面与走向主断面设置AB、CD两条观测线，R1、R2、R3、R４为设置的控制点，控制点与工作面测点相距50~100m。观测点的构造和导线点相同。观测点之间的距离应尽可能相等，其间距与开采深度有关，见下表。图地表移动观测站采空区DAR1CR2R1R2P工作面中心线20°表地表观测站测点间距开采深度/m＜5050~100100~200测点间距/m51015开采深度/m200~300＞300测点间距/m2025建立地表移动观测站的地点，应尽量满足以下条件：煤层走向、倾斜及厚度较为稳定；地质条件较为简单，无大断层；开采深度为100~300m；仅开采一层煤；四周无采空区，且地面较为平坦。观测站设置好后，应定期进行全面观测，内容包括：（1）用水准测量仪测定各点的高程。（2）用钢尺（测距仪）测量各点之间的距离。（3）测量各点偏离测线的距离（即支距测量）（4）对地表原有破坏状态（如地面、建筑物的裂缝等）进行丈量素描，必要时应摄影存查。地表移动去昂过程通常分为初期、活跃期与衰减期三个阶段。当采动影响使地表下沉值达10mm时，即进入初期阶段，此阶段每隔一个月至三个月观测一次。当开采缓倾斜和倾斜煤层时，每月下沉大于50mm；开采急倾斜煤层时，每月下沉值大于30mm，即进入活跃期。活跃期每半个月至一个月观测一次，但整个活跃期内的观测次数不得少于四次。此后，每月下沉值小于50mm时，即进入衰减期，衰减期内每隔一个月至三个月观测一次。六个月内地表下沉的累计值不超过30mm时，即认为移动终止。外业测量工作中的有关规定可参照《煤矿测量试行规程》1n~nWn1Wn1n~in）（—1n~nn~1-nn~1-in1n~inKn21（二）地表移动的观测成果按观测线计算各工作点的移动与变形值。（1）下沉值W。Wn=Hn-Hon（3）式中Hn——n号点采动后的高程；Hon——n号点采动前的高程。下沉量为正值表示测点下降，负值表示测点上升。（2）倾斜i。倾斜是指相邻两测点的下沉差与测点间距离之比，即（4）式中Wn、Wn+1——地表受采动后n号点和n+1号点的下沉值；∫n~n+1——n号点到n+1号点的水平距离。倾斜按其方向不同，有正、负之分，向上山方向的倾斜为正，向下山方向倾斜为负；顺走向方向的倾斜为正，逆走向方向的倾斜为负。（3）曲率K（5）曲率也有正负之分，地表呈凸形曲率为正，地表呈凹形曲率为负。（4）水平移动U。水平移动是指测点到控制点之间的距离变化，即Un=Ln-Lno（6）式中Ln——地表采动后n号点到控制点的水平距离；Lno——地表采动前n号点到控制点的水平距离。2·绘制地表移动和变化曲线根据计算结果，绘制沿观测线的断面图和各种观测线上的地表移动和变形曲线。在断面图上绘制出：地表剖面、测点位置及编号、冲积层厚度、煤层厚度和倾角、采空区的位置、岩层柱状以及观测时的采煤工作面位置等。地表移动和变形曲线，绘于断面图的上方，以便比较。其水平比例尺和断面比例尺应一致，竖立比例尺可适当扩大，如图所示图地表移动与变形曲线A1P2345678910111213δδoH=75mm=2mM1：100013m543213·确定移动角值移动角δ、β、γ的数值直接从断面上用量角器量得。在已绘出的地表移动和变形曲线上，找出对建筑物有危险的边界值（一般采用砖石结构建筑物的临界变形值），即曲线上i=3mm/m,K=0.2×10³，ε=2mm/m的三个点中最外边的一点，投影到断面图上，即得到移动盆地危险的边界点。该点与采空区边界的煤层地板连线（表土层很薄时，可不予考虑），在煤柱一侧与水平线的夹角，如图中所示，即为岩层走向移动角δ。同法在沿倾向主断面图上，可求得采空区上边界移动角γ和下边界移动角β。边界角δo、βo、γo是以下沉量为10mm的点作为移动零点在断面图上来确定第三节保护煤柱的留设为了使地表的建筑物、铁路、水体不受地下开采的影响，可以采取留设保护煤柱的方法。留设保护煤柱的优点是安全可靠，缺点是部分煤炭资源暂时或长期不能采出，以及因留设煤柱而使采煤工作复杂化等。只有正确地选用岩层移动参数，才能合理地留设保护煤柱。因为煤柱留得过大，会造成国家资源浪费；煤柱留得过小，又起不到保护作用。为了保护建筑物、构筑物的安全，被保护的面积除了建筑物和构筑物本身所占有的面积之外，还留有围护带。根据原煤炭工业部1985年颁布的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设外与压煤开采规程》的规定，围护带的宽度分为四级：Ⅰ级围护带的宽度为20m；Ⅱ级围护带的宽度为15m；Ⅲ级围护带的宽度为10m；Ⅳ级围护带的宽度为5m。保护煤柱的留设方法主要有两种：垂直断面法和垂线法。一、垂直断面法现以房屋为例，说明垂直断面法设计煤柱的方法和步骤。某建筑