巖層與地表移動

1、第第1717章章 地表與巖層移動簡介地表與巖層移動簡介17-1 17-1 地表與巖層移動的幾個基本概念地表與巖層移動的幾個基本概念一、一、 巖層移動的幾種形式巖層移動的幾種形式 由于開采地下礦產(chǎn)資源引起的地表與上覆巖層的巖體遭到破壞而產(chǎn)生的移動與變形統(tǒng)稱為地表與巖層移動。地表與巖層移動的形式主要有以下六種。1 彎曲 當?shù)叵旅簩颖徊沙龊?，從其直接頂?shù)降乇韺⒀仄鋵永淼姆ň€方向，向采空區(qū)方向彎曲。在整個彎曲過程中，巖層整體上保持其連續(xù)性和層狀結(jié)構(gòu)。2 冒落 煤層被采出后，其上覆巖層最初的彎曲達到一定限度后，其直接頂板巖層將與整體分開，破碎成小的巖塊而落下來充填采空區(qū)，這種移動形式稱為冒落。3片幫 煤

2、層采出后，采空區(qū)頂板巖層內(nèi)出現(xiàn)懸空，其壓力便轉(zhuǎn)移到煤壁上，形成增壓區(qū)，煤壁在附加載荷的作用下，一部分被壓碎并垮向采空區(qū)，這種現(xiàn)象稱為片幫。4 巖石沿層面的滑動 當煤層傾斜時，巖石的自重力方向與巖層的層理面不垂直，巖石除產(chǎn)生沿其法向的彎曲外，還將產(chǎn)生沿層理面方向的滑動。巖層傾角越大，沿層理面的滑移越明顯。5垮落巖石的下滑6底板巖層的隆起(又稱底鼓) 如果煤層底板巖石很軟且傾角較大，在煤層采出后，底板在垂直方向減壓，水平方向受壓，造成底板向采空區(qū)方向隆起的現(xiàn)象，稱為底鼓。二、二、 移動穩(wěn)定后采動巖層內(nèi)的三帶移動穩(wěn)定后采動巖層內(nèi)的三帶 煤層采出后，所產(chǎn)生的地表與巖層移動過程較為復雜，為了滿足采礦工程

3、的需要，將移動穩(wěn)定后的采動巖層按其破壞程度不同，分為三個不同的開采影響帶，即冒落帶、斷裂帶和彎曲帶。1 冒落帶 冒落帶是指采用全部垮落法管理頂板時，回采工作面放頂后引起煤層直接頂板產(chǎn)生破壞的范圍。其特點是頂板巖石發(fā)生破碎，而且越是靠近煤層的巖石破壞愈嚴重。冒落帶的高度主要取決于采出煤層的厚度和上覆巖石的碎脹系數(shù)，一般為采出煤層厚度的3-5倍。2 斷裂帶 在采空區(qū)上覆巖層中產(chǎn)生裂縫、離層和斷裂，但仍保持層狀結(jié)構(gòu)的那部分巖層稱為斷裂帶。斷裂帶位于冒落帶和彎曲帶之間。斷裂帶內(nèi)巖層不僅發(fā)生垂直于層理面的裂縫或斷裂，而且產(chǎn)生順層理面的離層裂縫。3 彎曲帶 斷裂帶之上直至地表都屬于彎曲帶。在彎曲帶內(nèi)，巖層

4、在自重力作用下產(chǎn)生沿層面法線方向的彎曲，但仍保持其原有的層狀結(jié)構(gòu)；巖層的移動是連續(xù)而有規(guī)律的。彎曲帶的高度主要受開采深度的影響，當采深很大時，彎曲帶的高度將很大，但地表的移動和變形相對較平緩。三、三、 地表移動盆地地表移動盆地 當開采影響波及到地表之后，受采動影響的地表從原有標高向下沉降，從而在采空區(qū)上方形成一個比采空區(qū)面積大得多的沉陷區(qū)域，這種地表沉陷區(qū)域稱為地表移動盆地。地表移動盆地是在工作面的推進過程中逐步形成的，地表移動盆地的大小和形狀主要與煤層傾角、采空區(qū)的大小和采深是否達到充分采動有關。 所謂充分采動是指地下煤層采出后，地表下沉值達到該地質(zhì)采礦條件下應有的最大值。一般情況下，當采空

5、區(qū)的長度和寬度均達到或超過采深的1.2-1.4倍時，地表可達到充分采動。 凡是采空區(qū)的尺寸沒有達到充分采動的臨界值，地表下沉也未達到該地質(zhì)采礦條件下應有的最大下沉值時，這種采動稱為非充分采動。四、四、 移動盆地的主斷面移動盆地的主斷面 通常情況下，通過采空區(qū)中心與煤層走向平行或垂直的斷面上的地表移動值最大，我們將該斷面稱為移動盆地的主斷面。在主斷面上不僅移動量最大，而且地表移動盆地的范圍也是最大的。 主斷面的位置一般在采空區(qū)中間，但與采動情況和煤層傾角有關。在非充分采動情況下，通過采空區(qū)中心所作的平行于煤層傾向的垂直斷面，即為移動盆地的傾斜主斷面。走向主斷面的位置則需要通過傾斜主斷面上的最大下

6、沉點，按最大移動角確定(所謂最大下沉角是指采空區(qū)的中點和地表移動盆地的最大下沉點的連線，與水平線之間在煤層下山方向一側(cè)的夾角)。 五、五、 地表移動和變形對建筑物的影響地表移動和變形對建筑物的影響1 地表下沉和水平移動對建筑物的影響 地表大面積的均勻下沉和水平移動，只會引起建筑物整體的移動，不會導致建筑物的破壞。但當移動值很大、地下水位很淺時，地表移動盆地積水，不僅會使建筑物淹沒在水中，而且易使地基強度降低，嚴重時可造成建筑物的倒塌。非均勻的下沉和水平移動對建筑物和交通線路等都有嚴重的不利影響。2 地表傾斜對建筑物的影響 移動盆地內(nèi)非均勻的下沉引起的地表傾斜，將使位于其范圍內(nèi)的建筑物重心發(fā)生偏

7、斜，特別是對于底面積小、高度大的建筑物(如水塔、煙囪和高壓電線鐵塔等)影響更大，嚴重時可導致建筑物發(fā)生折斷或傾倒。 此外，地表的傾斜還會引起公路、鐵路和管道等坡度的變化以及機械設備的傾斜，從而影響它們的正常工作狀態(tài)，因此必須及時進行修復。3 地表曲率變形對建筑物的影響 曲率變形是反映地表彎曲程度的指標，分正曲率(地表上凸)和負曲率(地表下凹)兩種。負曲率變形使建筑物中間受力小，兩端受力大，乃至中央部分處于懸空狀態(tài)，使建筑物產(chǎn)生八字形的裂縫。4 地表水平變形對建筑物的影響 水平變形也分為正負兩種：正值表示拉伸變形；負值表示壓縮變形。水平變形是引起建筑物破壞的重要因素，尤其是拉伸變形。六、六、 地

8、表移動盆地的邊界角、移動角和裂縫角地表移動盆地的邊界角、移動角和裂縫角 在地表移動盆地內(nèi)不同區(qū)域移動和變形的程度不同，人們根據(jù)地表移動和變形的程度和實際需要，將移動盆地劃分為三個邊界。1 1 移動盆地的最外邊界移動盆地的最外邊界 以地表移動和變形都為零的點圈出的邊界，稱為移動盆地的最新邊界。實際工作中是以下沉10 mm的點圈定邊界。 在移動盆地主斷面上盆地的邊界點(或松散巖層與巖層交面上的邊界點)和采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角，稱為邊界角。邊界角分為走向邊界角(）下山邊界角(）和上山邊界角()，以及急傾斜煤層底板邊界角(）2 2 危險移動邊界危險移動邊界 危險移動邊界是以地表移動與

9、變形對建筑物有無危害而劃分的邊界。由于不同建筑物所承受最大變形的能力不同，我國現(xiàn)采用的是以磚木結(jié)構(gòu)的建筑物能承受的最大變形值來作為確定危險邊界的標準，地表移動盆地主斷面上地表危險移動邊界點(有松散層時，則為松散層與基巖交面上的危險邊界點)和采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角，稱為移動角。移動角也分為走向移動角、下山移動角、上山移動角和急傾斜煤層的底板移動角，分別以、和表示。松散巖層的移動角以表示。3 3 移動盆地的裂縫邊界移動盆地的裂縫邊界 裂縫邊界是根據(jù)移動盆地內(nèi)最外側(cè)的裂縫圈定的邊界。在主斷面上移動盆地最外側(cè)的地表裂縫和采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角，稱為裂縫角。裂縫角也分

10、為走向裂縫角、下山裂縫角、上山裂縫角和急傾斜煤層的底板裂縫角，分別以、和表示。14-2 14-2 地表移動的觀測地表移動的觀測 研究地表與巖層移動的方法主要有實地觀測法、理論研究法和相似材料模型法。目前最主要的方法仍是實地觀測法。一、一、 地表移動觀測站的設計地表移動觀測站的設計1 需要收集的資料2 觀測站的設計方法(1) 傾斜觀測線位置及其長度的確定 傾斜觀測線一般設置在移動盆地的傾斜主斷面上 傾斜觀測線的長度，應保證線的兩端在不受開采影響的范圍內(nèi)。 傾斜觀測線的長度是在移動盆地的傾斜主斷面上確定的。lh cot +(h)cot（）（h) cot（）cos(2) 走向觀測線位置及其長度的確定

11、 走向觀測線應設置在移動盆地的走向主斷面上。走向觀測線的位置是在傾斜主斷面上確定的，從采空區(qū)中心按最大下沉角劃線與地面相交于O點，通過O點作垂直于煤層傾向的垂直斷面即為移動盆地的走向主斷面，因此，該斷面與地面的交線即為走向觀測線的位置。走向觀測線的長度是在走向主斷面上確定的。 (3) 測點數(shù)目及其密度 每條觀測線兩端都應設置觀測站控制點，且每端不得少于兩個；如因條件限制，也可只在觀測線的一端設置控制點，但不得少于3個。相鄰控制點的間距不得小于45 m?？刂泣c應布設在觀測線的工作長度之外，且不應受相鄰采區(qū)或工作面開采的影響。每條觀測線的工作長度之內(nèi)應布設觀測點，觀測點的密度主要取決于開采深度。二

12、、二、 地表移動觀測站的設置和觀測地表移動觀測站的設置和觀測 觀測站的設置就是將設計好的觀測點標定到實地上去。標定方法是，首先利用礦區(qū)控制點標定出觀測站的控制點，再根據(jù)觀測站控制點標定出觀測點和另一觀測線與該觀測線的交點，然后再在交點上安置儀器標定另一觀測線上的控制點和觀測點。 地表移動觀測站觀測工作的基本內(nèi)容是：在采動過程中，定期、重復測定觀測線上各測點在不同時期內(nèi)空間位置的變化情況。具體可分為觀測站的連接測量、全面觀測、單獨進行的水準測量、地表破壞的測定和編錄。1 連接測量 根據(jù)礦區(qū)控制網(wǎng)測定出某個測站控制點的平面位置和高程，再根據(jù)該控制點來測定其他觀測點和控制點的位置，以便確定觀測線與回

13、采工作面間的相互位置關系。2 全面觀測 包括采動前的全面觀測和采動后的全面觀測。在連接測量之后，設站地區(qū)未受采動影響之前，應對工作測點進行兩次全面觀測，以確定工作測點在地表移動前的位置。當?shù)乇硐鲁吝_到50100 mm時，應進行采動后的第一次全面觀測；在地表受采動影響穩(wěn)定后，需進行最后一次全面觀測，以確定移動穩(wěn)定后各工作測點的空間位置。在地表移動的活躍期進行不少于四次的全面觀測，并適當加密水準測量。 全面觀測的內(nèi)容主要包括測定各工作測點的高程、丈量兩相鄰工作測點間的距離和測量各測點偏離觀測線方向的距離(又稱支距)。3 日常觀測工作 日常觀測工作是指在地表移動的初始期和衰退期之間適當增加的水準測量

14、工作。測量時可采用單程附合水準路線或往返支水準路線，按四等水準測量的要求進行。 還應測量地表產(chǎn)生裂縫的位置和塌陷要素，注明發(fā)現(xiàn)日期；在每次觀測時，還應實測回采工作面的位置、煤層厚度、采高，并記錄采礦、地質(zhì)和水文地質(zhì)情況。三、三、 地表移動觀測站觀測成果的整理與分析地表移動觀測站觀測成果的整理與分析 包括計算和繪圖兩部分。1 1 觀測成果的計算觀測成果的計算 根據(jù)外業(yè)成果首先計算出各觀測點的高程及相鄰點間的水平距離在觀測線方向上的投影長度，然后再按測線計算各種移動與變形值。(1) 觀測點高程的計算 觀測點高程的計算首先應根據(jù)水準測量成果進行平差，然后再按一般水準路線的計算方法計算出各觀測點的高程

15、。(2) 計算各相鄰測點沿觀測線方向的距離(3) 計算各種移動和變形值 計算下沉值W 計算相鄰兩點間的傾斜i 計算曲率K 計算水平移動U 計算水平變形 計算下沉速率v2 2 觀測成果圖的繪制觀測成果圖的繪制 繪制移動和變形曲線圖時，水平比例尺一般與觀測站平面圖一致，豎直比例尺的選取應以繪制的曲線能夠清楚反映出移動和變形的分布規(guī)律為原則。曲線圖和觀測線的斷面圖應繪制在一起，以便于分析各種地質(zhì)采礦條件對移動和變形分布形態(tài)的影響。14-3 14-3 保護煤柱的留設保護煤柱的留設 保護煤柱是指了為保護煤層上方的巖層和地表的保護對象(如水體、建筑物等)不受開采的影響，而在井下留設的不予開采的部分煤層。一

16、、 保護煤柱的留設方法 確定保護煤柱邊界的方法有垂直剖面法、垂線法和數(shù)字標高投影法等。這里以常用的垂直剖面法為例來介紹留設保護煤柱的過程。1 確定受護邊界 保持受護邊界線與煤層走向平行或垂直，因此當受護邊界與煤層走向斜交時應沿受護邊界點作與煤層走向平行或垂直的直線來確定受護邊界線。2 確定圍護帶的寬度 在受護對象邊界外還應預留出一定的寬度3 確定保護煤柱的邊界 確定出受護范圍后，通過受護范圍的中心分別作沿煤層走向和傾向的垂直剖面；在傾向垂直剖面上，松散層內(nèi)從地面邊界點以松散層移動角向外畫兩條斜線與基巖面相交，再分別從上山和下山方向的交點以下山移動角和上山移動角向外作斜線交煤層面于nk點；將nk投影到平面圖上即得保護煤柱傾向方向的尺寸NK；在走向垂直剖面上按同樣的方法以角和走