開采損害學(xué)課程講義

1、開采損害學(xué)課程講義（授課對(duì)象：采礦工程專業(yè)2001級(jí)一、二班）西安科技大學(xué)能源學(xué)院采礦工程系余學(xué)義2004年9月課程名稱：開采損害學(xué)； 課時(shí)：72； 授課對(duì)象：采礦工程專業(yè)2001級(jí)一、二班；學(xué)分：4； 教材：余學(xué)義、張恩強(qiáng)編著開采損害學(xué)煤炭工業(yè)出版社，2004.09。主要參考書：1. 何國(guó)清等編 .礦山開采沉陷學(xué).徐州： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 19892. 顏榮貴編 . 地基開采沉陷及其地表建筑 .北京：冶金工業(yè)出版社,19953. 國(guó)家煤炭工業(yè)局 . 建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程 . 北京：煤炭工業(yè)出版社,2000.4. 沈光寒等編 .特殊開采的理論與實(shí)踐 .北京：煤

2、炭工業(yè)出版社,19985. 林肇信等主編 .環(huán)境保護(hù)概論 .北京：高等教育出版社,19996. 韋冠俊編 .礦山環(huán)境保護(hù) .北京：冶金工業(yè)出版社,19907. 趙經(jīng)徹、何滿朝編 .建筑下煤炭資源可持續(xù)開采戰(zhàn)略 . 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,19978. 煤炭科學(xué)院北京開采所編著 . 煤礦地表移動(dòng)與覆巖破壞規(guī)律及應(yīng)用 .北京：煤炭工業(yè)出版社, 19819. 中國(guó)礦業(yè)學(xué)院等編 . 煤礦巖層與地表移動(dòng) .北京： 煤炭工業(yè)出版社, 1981 概述：1.課程基本內(nèi)容與解決的問(wèn)題F 開采引起覆巖及地表沉陷的基本規(guī)律F 地表沉陷預(yù)計(jì)理論：概率積分法F 地表沉陷觀測(cè)與實(shí)驗(yàn)室研究方法F 建（構(gòu)）筑物、

3、水體、道路管線下開采F 減損控制開采方法F 開采引起土地、水資源、環(huán)境損害問(wèn)題F 礦山環(huán)境治理及綜合評(píng)價(jià)2. 我國(guó)能源結(jié)構(gòu)：按人均能源資源占有量分析，我國(guó)2000年人均煤炭可采儲(chǔ)量90t，人均石油剩余可采儲(chǔ)量3t，人均天然氣剩余可采儲(chǔ)量1080m3，分別是世界平均水平（165t、23t和24988m3）的54.9%、11%和4.3%，是美國(guó)（903t、13t和17025m3） 的9.7%、23.1%和6.3%；是經(jīng)合組織國(guó)家（404t、10t和12048m3）的22.3%、30%和9.0%。煤炭占我國(guó)一次性能源的70%左右。煤炭進(jìn)口增加。從國(guó)外進(jìn)口煤炭已由過(guò)去的2001年200萬(wàn)噸左右，增加到

4、2002年的1081萬(wàn)噸。3.能源開發(fā)與環(huán)境的問(wèn)題（列舉神東礦區(qū)、榆神礦區(qū)、山西各礦區(qū)、陜西渭北礦區(qū)等事例）4.能源開發(fā)的可持續(xù)性（清潔生產(chǎn)、廢物利用、資源的破壞及回采率、土地?fù)p害、水資源損害、荒漠化等問(wèn)題）第一章覆巖與地表移動(dòng)規(guī)律重點(diǎn)：F 覆巖“三帶”特征及在開采損害中的重要性F 覆巖與地表移動(dòng)規(guī)律與特點(diǎn)F 地表沉陷盆地類型及其移動(dòng)角值含義F 影響地表沉陷盆地的主要因素1.1 概述1）冒落帶冒落帶也稱垮落帶，是指巖層母體失去連續(xù)性，呈不規(guī)則巖塊或似層狀巨塊向采空區(qū)冒落的那部分巖層。2）裂隙帶裂隙帶又稱裂縫帶。裂隙帶位于冒落帶之上，具有與采空區(qū)相通的導(dǎo)水裂隙，但連續(xù)性未受破壞的那一部分巖層。3

5、）彎曲帶彎曲帶又叫整體移動(dòng)帶，是指裂隙帶頂部到地表的那部分巖層。彎曲帶基本呈整體移動(dòng)，特別是帶內(nèi)為軟弱巖層及松散土層時(shí)。4）覆巖移動(dòng)破壞形式采動(dòng)上覆巖層移動(dòng)破壞形式，按開采空間巖層的移動(dòng)形式可概括為以下六種：（1）彎曲 這是巖層的主要移動(dòng)形式。當(dāng)?shù)叵碌V物采出后，上覆巖層中的各分層即開始沿巖層層面的法線方向，向采空區(qū)依次彎曲。（2）垮（冒）落 礦層采出后，直接頂板巖層彎曲而產(chǎn)生拉伸變形。當(dāng)其拉伸變形超過(guò)巖石的允許抗拉強(qiáng)度時(shí)，直接頂板及其上部的部分巖層便與整體分開，碎成塊度不同的巖塊，無(wú)規(guī)律地充填采空區(qū)。（3）煤的擠出（片幫） 礦層采出后，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（或煤柱）上，

6、增加煤壁承受的壓力，形成增壓區(qū)，煤壁在附加荷載的作用下，一部分煤被壓碎，并擠向采空區(qū)，這種現(xiàn)象稱為片幫。（4）巖石沿層面滑移 在傾斜礦層條件下，巖層的自重力方向與巖層面不垂直。因此，巖石在自重力的作用下，除產(chǎn)生沿層面法線方向的彎曲外，還會(huì)發(fā)生沿層面方向的移動(dòng)。（5）垮落巖石的下滑（或滾動(dòng)） 礦層采出后，采空區(qū)被冒落巖塊所充填。當(dāng)?shù)V層傾角較大，而且開采是自上而下下行開采，下山部分礦層繼續(xù)開采而形成新的采空區(qū)時(shí)，采空區(qū)上部垮落的巖石可能下滑而充填新的采空區(qū)，從而使采空區(qū)上部的空間增大，下部的空間減小，使位于采空區(qū)上山部分的巖層和地表移動(dòng)加劇，而下山部分的巖層與地表移動(dòng)減小。（6）底板巖層隆起 如果

7、礦層底板巖石很軟且傾角大，在礦層采出后，底板在垂直方向上減壓，水平方向增壓，造成底板向采空區(qū)方向隆起。松散層的移動(dòng)形式是垂直彎曲，它不受礦層傾角影響。應(yīng)該指出，以上六種移動(dòng)形式不一定同時(shí)出現(xiàn)在某一個(gè)具體的移動(dòng)過(guò)程中。5）巖層移動(dòng)的典型圖式根據(jù)礦層的賦存條件，可將巖層移動(dòng)的形態(tài)劃分為3種圖式：圖1.3 水平礦層開采巖層移動(dòng)形態(tài)圖1.4 傾斜礦層開采巖層移動(dòng)形態(tài)（1）水平或緩傾斜礦層條件下的巖層移動(dòng)形態(tài)（圖1.3），自重分力導(dǎo)致沿層面滑動(dòng)的主要條件為： ；式中 a礦層的傾角； j¢巖層中最軟弱層面上的摩擦角。（2）傾斜礦層條件下的巖層移動(dòng)形態(tài)（圖1.4），沿層面方向的相對(duì)移動(dòng)，條件是：；

8、在采空區(qū)上山方向的巖層和地表移動(dòng)范圍擴(kuò)大。圖1.5 急傾斜條件下巖層的下盤移動(dòng) 圖1.6 急傾斜礦層開采時(shí)巖層以懸臂梁形式移動(dòng)（3）急傾斜礦層條件下的巖層移動(dòng)形態(tài)（圖1.5）礦層下盤（底板）發(fā)生移動(dòng)，其發(fā)生的條件可近視的用下式計(jì)算：。 式中 j巖石的內(nèi)摩擦角。沉積巖Új=26°36°。礦層傾角為50°60°時(shí)Ú礦層下盤才產(chǎn)生移動(dòng)。礦層下盤巖層的上部移動(dòng)是沿層面的移動(dòng)，而下部是沿的角度移動(dòng)。這種移動(dòng)范圍的大小Ú煤巖傾角Ú礦層底板各巖層的強(qiáng)度1.3 地表移動(dòng)破壞規(guī)律1.3.1 地表移動(dòng)破壞類型從時(shí)間和空間概念出發(fā)，地表

9、移動(dòng)變形分為連續(xù)移動(dòng)變形和非連續(xù)移動(dòng)變形兩大類型。在緩斜、傾斜礦床開采的條件下基本判斷條件：采深與采高比采煤方法頂板管理方法煤柱（巖梁）穩(wěn)定性水文地質(zhì)構(gòu)造地形及煤層傾角4080長(zhǎng)壁式、短壁式、條帶式全部垮落法、充填法、煤柱支撐計(jì)算斷層、褶曲、含水層急傾斜、山區(qū)、溝壑1.3.2 地表移動(dòng)盆地的形成及其特征1. 地表移動(dòng)盆地的形成（1） 起動(dòng)距（1/21/4）H0,地表開始移動(dòng)。（2） 主斷面與開采邊界方向垂直，并通過(guò)地表最大下沉值的垂直剖面。在主斷面上地表移動(dòng)盆地的范圍最大，移動(dòng)最充分，移動(dòng)量最大。根據(jù)采動(dòng)對(duì)地表影響的程度，可將地表下沉盆地劃分為三種類型a) 非充分采動(dòng)下沉盆地(Subcriti

10、cal subsidence basin)。 當(dāng)?shù)乇砣我恻c(diǎn)的下沉值小于該地質(zhì)、采礦條件下的最大下沉值wmax時(shí)，稱之為非充分采動(dòng)下沉盆地。b) 充分采動(dòng)下沉盆地(Critical subsidence basin)。 當(dāng)?shù)乇硐鲁僚璧刂鲾嗝嫔夏骋稽c(diǎn)的下沉值達(dá)到了該地質(zhì)、采礦條件下的最大下沉值wmax時(shí)，即稱為充分采動(dòng)下沉盆地。c) 超充分采動(dòng)下沉盆地(Supercritical subsidence basin)。 當(dāng)?shù)乇碜畲笙鲁咙c(diǎn)的下沉值不再隨開采范圍的增加而增加，并形成一個(gè)平底下沉盆地，即超充分采動(dòng)下沉盆地。（3） 動(dòng)態(tài)移動(dòng)盆地(Dynamic subsidence basin)（4） 穩(wěn)態(tài)

11、移動(dòng)盆地(Final subsidence basin)采空區(qū)的長(zhǎng)度和寬度均達(dá)到1.21.4H0；兩個(gè)方向尺寸影響。引入充分采動(dòng)的概念，主要目的是研究地表移動(dòng)盆地的性質(zhì)。充分采動(dòng)的范圍用充分采動(dòng)角（y）(Angle of full subsidence)確定。y 指充分采動(dòng)下沉盆地平底的邊緣在地表水平線的投影點(diǎn)與開采邊界線和礦層間的夾角，下山Úy1、上山Úy2、走向Úy3。地表移動(dòng)盆地的范圍遠(yuǎn)大于對(duì)應(yīng)的采空區(qū)范圍，它的形狀取決于采空區(qū)形狀和礦層傾角。在移動(dòng)盆地內(nèi)，各部位的移動(dòng)和變形性質(zhì)及大小不盡相同。在水平礦床開采、地表平坦并無(wú)大的地質(zhì)構(gòu)造條件下，最終形成的穩(wěn)態(tài)地

12、表移動(dòng)盆地可劃分為三個(gè)區(qū)域（圖1.9）：a) 中性區(qū) 在該區(qū)域內(nèi)地表下沉均勻，達(dá)到最大值wmax，其它移動(dòng)變形值（地表水平移動(dòng)值 (u)，傾斜值（i），水平變形值（e），曲率值（K）近視等于零，一般不出現(xiàn)明顯的裂縫。b) 壓縮區(qū) 該區(qū)域內(nèi)地表下沉值不等，各點(diǎn)向盆地中心方向移動(dòng)，呈凹形，產(chǎn)生壓縮變形，一般不出現(xiàn)裂縫。c) 拉伸區(qū) 在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，地表下沉不均勻，各點(diǎn)向盆地中心方向移動(dòng)，呈凸形，產(chǎn)生拉伸變形。當(dāng)拉伸變形超過(guò)一定值時(shí)，地表產(chǎn)生拉伸裂縫。2. 地表下沉盆地范圍（1）邊界角(Angle of draw) 邊界角用來(lái)確定下沉影響范圍及邊界。下沉值為±10mm的點(diǎn)作為下沉盆地的邊界。

13、并將開采達(dá)到或接近充分采動(dòng)時(shí)的移動(dòng)盆地主斷面上的盆地邊界點(diǎn)和采空區(qū)邊界點(diǎn)的連線，與水平線在采空區(qū)外側(cè)的夾角稱為邊界角。b0、g0、d0依次表示下山、上山方向和走向的邊界角，急傾斜礦層底板邊界角用l0表示。（2）移動(dòng)角(Angle of critical deformation) 地表的移動(dòng)和變形會(huì)引起地面建筑物的破壞，將剛剛對(duì)地表建筑物產(chǎn)生影響的變形值稱為臨界變形值，它們的大小為：在達(dá)到或接近充分采動(dòng)時(shí)的移動(dòng)盆地主斷面上，臨界變形點(diǎn)和采空區(qū)邊界點(diǎn)的連線與水平線之間在采空區(qū)外側(cè)的夾角稱為移動(dòng)角。移動(dòng)角又分為表土移動(dòng)角和基巖移動(dòng)角。表土移動(dòng)角以j表示，下山、上山和走向方向的移動(dòng)角分別以b、g和d表

14、示，急傾斜礦層底板移動(dòng)角以l表示。（3）裂縫角(Angle of break) 為了確定地面產(chǎn)生裂縫的范圍，可以利用裂縫角。其定義為在達(dá)到或接近充分采動(dòng)時(shí)的情況下，采空區(qū)上方地表最外側(cè)的裂縫位置和采空區(qū)邊界點(diǎn)的連線與水平線之間在采空區(qū)外側(cè)的夾角稱為裂縫角。下山、上山方向和走向裂縫角分別以b²、g²和d²表示，急傾斜礦層底板裂縫角由l²表示。（4）最大下沉角(Subsidence limit angle )為了確定最大下沉點(diǎn)所在的位置，可以利用最大下沉角。其定義為在移動(dòng)盆地的傾斜主斷面上，采空區(qū)的中點(diǎn)與地表最大下沉點(diǎn)或下沉盆地平底的中點(diǎn)的連線與水平線之間在

15、礦層下山方向的夾角稱為最大下沉角（q）（圖1.12）。1.3.3 地表移動(dòng)盆地內(nèi)移動(dòng)和變形分析1. 點(diǎn)的移動(dòng)分析圖1.13展示了地表某點(diǎn)從T1到T2時(shí)刻的相對(duì)位置，可以將點(diǎn)的移動(dòng)分為在x,y,z方向上的分量: u, v, w，其相互關(guān)系為：；描述地表移動(dòng)盆地內(nèi)移動(dòng)和變形的指標(biāo)是：下沉（Subsidence）、傾斜（Slope）、垂直曲率（Curvature）、水平移動(dòng)（Displacement）、水平變形（Horizontal strain）及扭曲和剪切變形(Twisting and Shear strain)。2. 移動(dòng)盆地主斷面內(nèi)的地表移動(dòng)和變形分析根據(jù)圖1.14取2、3、4三個(gè)點(diǎn)為研究對(duì)

16、象，可給出移動(dòng)盆地內(nèi)地表移動(dòng)和變形的計(jì)算公式如下： （1）點(diǎn)n的下沉值 ， mm(1-1)（2）點(diǎn)n的水平移動(dòng)值 ， mm(1-2)（3）點(diǎn)2至點(diǎn) 3 間的傾斜值 ，mm/m(1-3)（4）點(diǎn)3的曲率值 ，10-3/m(1-4)（5）點(diǎn)2至點(diǎn)3間的水平變形值 ，mm/m(1-5)上式中 Hn-0、Hn-m分別表示地表n點(diǎn)在首次和m次觀測(cè)時(shí)的高程；Ln-0、Ln-m分別表示首次觀測(cè)和m次觀測(cè)時(shí)地表n點(diǎn)至觀測(cè)線控制點(diǎn)R間的水平距離；表示 n點(diǎn)至 n+1點(diǎn)的水平距離。重點(diǎn)說(shuō)明：符號(hào)問(wèn)題；距離問(wèn)題；結(jié)果問(wèn)題。1.4 穩(wěn)態(tài)地表移動(dòng)盆地主斷面內(nèi)移動(dòng)變形分布規(guī)律本節(jié)所述的規(guī)律是指地表移動(dòng)盆地穩(wěn)定后主斷面內(nèi)的

17、移動(dòng)變形分布規(guī)律，并且加以典型化。它的必要條件為：（1） 地表移動(dòng)變形為連續(xù)分布形態(tài)；（2） 無(wú)大的地質(zhì)構(gòu)造（大斷層和地質(zhì)構(gòu)造等）；（3） 地表地勢(shì)變化較平緩；（4） 屬單一礦層開采，并不受鄰區(qū)開采影響。主要影響因素：礦層傾角（a）；開采厚度（m）；開采深度（H）；采空區(qū)形態(tài)；采礦方法；頂板管理方法；松散層厚度（h）地質(zhì)構(gòu)造等。1.4.1 水平礦層開采時(shí)地表移動(dòng)盆地主斷面內(nèi)移動(dòng)和變形分布規(guī)律1. 水平礦層充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律1具有以下特征：（1） 最大下沉值位于采空區(qū)中央之上方，自盆地中心至盆地邊緣下沉值逐漸減小，在盆地邊界點(diǎn)處下沉值趨于零；（2） 拐點(diǎn)（指下沉值為最大下沉

18、值的1/2時(shí)的點(diǎn)）一般位于采空區(qū)邊界之上并略偏向采空區(qū)一側(cè)。傾斜為下沉的一階導(dǎo)數(shù)：（1-6）c) 曲率曲線表示地表移動(dòng)盆地內(nèi)曲率的變化規(guī)律，它可由傾斜的一階導(dǎo)數(shù)表示：（1-7）曲率曲線有兩個(gè)極值。正極值稱最大正曲率，位于邊界點(diǎn)和拐點(diǎn)之間。負(fù)極值稱最大負(fù)曲率，位于拐點(diǎn)和最大下沉點(diǎn)之間。拐點(diǎn)處的曲率值為零。水平移動(dòng)用 u(x)表示。拐點(diǎn)極值，拐點(diǎn)兩側(cè)對(duì)稱分布，指向盆地中心。水平移動(dòng)曲線與傾斜曲線分布相似，可以表示為： （1-8）式中 B水平變形系數(shù)， 水平變形曲線有兩個(gè)極值。正極值稱最大拉伸值邊界點(diǎn)和拐點(diǎn)之間。負(fù)極值稱最大壓縮值拐點(diǎn)和最大下沉點(diǎn)之間。拐點(diǎn)處水平變形值為零。水平變形曲線和曲率曲線分布

19、相似，可以表示為： （1-9）2. 水平礦層非充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)移動(dòng)和變形規(guī)律圖1.15 b) 表示水平礦層非充分采動(dòng)時(shí)主斷面內(nèi)地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律。與充分采動(dòng)移動(dòng)盆地相比較，有下列不同：（1） 最大下沉值；（2） 在盆地中心出現(xiàn)三個(gè)曲率極值（兩正一負(fù)）及三個(gè)水平變形極值（兩個(gè)水平拉伸值，一個(gè)水平壓縮值），且在盆地中心最大下沉點(diǎn)位置它們都不為零。3. 水平礦層超充分采動(dòng)時(shí)的地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律1.4.2 傾斜礦層非充分采動(dòng)時(shí)移動(dòng)和變形分布規(guī)律（圖1.15） 下沉盆地為非對(duì)稱分布，上山部分的下沉曲線較下山部分的要陡，范圍要小。地表下沉盆地的最大下沉點(diǎn)，不是位于采空區(qū)中心的上方，而是偏向下山方

20、向一側(cè)；隨著礦層傾角的增大，指向上山方向的水平移動(dòng)值逐漸增大，而指向下山方向的水平移動(dòng)值逐漸減??；水平變形的最大拉伸變形在下山方向，最大壓縮變形與水平移動(dòng)值等于零的位置對(duì)應(yīng)于地表的最大下沉點(diǎn)出現(xiàn)的地方；水平移動(dòng)曲線和傾斜曲線不相似，水平變形曲線和曲率曲線也不相似。1.4.3 急傾斜礦層非充分采動(dòng)時(shí)移動(dòng)和變形分布規(guī)律地表下沉盆地的非對(duì)稱性十分明顯，下山方向的影響范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上山方向的影響范圍。隨著礦層傾角的增大，傾斜剖面形狀由對(duì)稱的碗形逐漸轉(zhuǎn)為非對(duì)稱性的瓢形。當(dāng)?shù)V層傾角接近90°時(shí)，下沉盆地又轉(zhuǎn)變?yōu)楸容^對(duì)稱的碗形或兜形（圖1.16）。隨礦層傾角的增大，最大下沉點(diǎn)位置逐漸向上山方向移動(dòng)，

21、當(dāng)?shù)V層傾角接近90°時(shí)，在礦層露頭上方。急傾斜礦層開采時(shí)不出現(xiàn)充分采動(dòng)情況，最大下沉值隨回采階段垂高的增加而增大。當(dāng)開采厚度較大、開采深度小、礦層頂?shù)装鍒?jiān)硬不易冒落而煤質(zhì)又較軟時(shí)，開采后采空區(qū)上方之礦層易沿底板滑落。這種滑落可能一直發(fā)展到地表，使地表礦層露頭處出現(xiàn)塌陷坑。在采深較大、采高較小、頂?shù)装鍘r石較松軟、松散層較厚的情況下，地表不一定出現(xiàn)塌陷坑。a)b)c) 圖1.16 急傾斜礦層條件下采動(dòng)地表移動(dòng)盆地類型2a)a=6°，b)a=80°，c)a=90°1.5 采動(dòng)過(guò)程中地表移動(dòng)表形的一般規(guī)律1. 地表點(diǎn)的移動(dòng)軌跡地表點(diǎn)從移動(dòng)開始到劇烈移動(dòng)，再到移動(dòng)

22、逐漸停止，是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)間空間過(guò)程，如移動(dòng)盆地走向主斷面充分采動(dòng)區(qū)內(nèi)地表點(diǎn)B的移動(dòng)軌跡（圖1.17）（1）當(dāng)工作面由遠(yuǎn)處向B點(diǎn)推進(jìn)、移動(dòng)波及到B點(diǎn)時(shí)，地表下沉速度由小逐漸變大，B點(diǎn)的移動(dòng)方向與工作面推進(jìn)方向相反（第I 階段）；（2）當(dāng)工作面經(jīng)B點(diǎn)繼續(xù)向前推進(jìn)時(shí)，地表下沉速度迅速增大，并逐漸達(dá)到最大下沉速度，B點(diǎn)的移動(dòng)方向近于鉛垂方向（第II階段）；（3）當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，逐漸遠(yuǎn)離地表點(diǎn)B后，點(diǎn)B的移動(dòng)方向逐漸與工作面推進(jìn)方向相同（第III階段）；（4）當(dāng)工作面遠(yuǎn)離地表點(diǎn)達(dá)到一定距離以后，回采工作面對(duì)B點(diǎn)的影響逐漸消失，點(diǎn)B的移動(dòng)趨于停止（第IV 階段）；（5）移動(dòng)盆地穩(wěn)定后，點(diǎn)B的位置并不

23、以定在其起始位置的正下方，一般略偏向回采工作面停止位置的一側(cè)（第V階段）。2）工作面推進(jìn)過(guò)程中的超前影響 （1）起動(dòng)距 地下開采達(dá)到一定范圍后巖層移動(dòng)開始波及到地表，通常將地表開始移動(dòng)時(shí)工作面的推進(jìn)距離稱為起動(dòng)距。（2）開采地表超前影 在工作面開采過(guò)程中，在它前方的地表開始移動(dòng)。將工作面前方地表開始移動(dòng)的點(diǎn)與當(dāng)時(shí)工作面的連線和水平線在礦柱一側(cè)的夾角稱為超前影響角(The angle of advance influence)，用w表示。超前影響角的計(jì)算公式為：（1-10）式中 超前影響距。超前影響角的大小與采動(dòng)程度、工作面開采速度及采動(dòng)次數(shù)有關(guān)。w角隨開采范圍增大而減??；充分采動(dòng)后，w趨于定值

24、；地表移動(dòng)穩(wěn)定后，w等于邊界角d0。w值隨著工作面的推進(jìn)速度增大而增大。掌握了超前影響規(guī)律，就可以在工作面推進(jìn)過(guò)程中，確定工作面在任意位置時(shí)的地表影響范圍。（3）地表點(diǎn)的下沉速度vn 地表點(diǎn)的下沉速度計(jì)算公式為：（1-11）式中 地表n點(diǎn)在兩次觀測(cè)中得到的下沉差， mm；t兩次觀測(cè)的間隔時(shí)間，d 。在非充分采動(dòng)條件下，隨著采空區(qū)面積的增大，地表各點(diǎn)的下沉速度逐漸增大。當(dāng)達(dá)到充分采動(dòng)后，地表各點(diǎn)的下沉速度分布基本相同，經(jīng)歷開始下沉達(dá)到最大下沉速度逐漸衰減變小至下沉結(jié)束過(guò)程。地表點(diǎn)的最大下沉速度一般發(fā)生在工作面推過(guò)該點(diǎn)以后，通常以最大下沉速度滯后距離L及最大下沉速度滯后角 (The angle o

25、f delay) f 來(lái)描述，其關(guān)系如下：（1-12）掌握了地表最大下沉速度滯后角的變化規(guī)律，便可確定在回采過(guò)程中對(duì)應(yīng)地表移動(dòng)的劇烈區(qū)，這對(duì)采動(dòng)地面保護(hù)具有重要的實(shí)踐意義。3. 地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間 從地表開始移動(dòng)（下沉量wb³10mm），到地表移動(dòng)停止（連續(xù)六個(gè)月內(nèi)地表下沉量we£30mm）的持續(xù)時(shí)間稱為地表移動(dòng)時(shí)間。地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間劃分為三個(gè)階段：開始階段；活躍階段；衰減階段（圖1.19）。在開始階段和衰減階段地表下沉速度v1.67mm/d，活躍階段v>1.67mm/d。從圖1.19中可以看出，在活躍階段內(nèi)地表點(diǎn)的下沉量可達(dá)其總下沉量的85%以上，說(shuō)明地表點(diǎn)的下沉主要

26、發(fā)生在活躍階段內(nèi)。地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間主要與覆巖巖性、開采深度與采高之比及開采速度等因素有關(guān)。覆巖越軟、推進(jìn)速度越大、采深與采高比越小，則下沉速度越大。重復(fù)采動(dòng)時(shí)的最大下沉速度比初次采動(dòng)時(shí)大。文獻(xiàn)5認(rèn)為地表最大下沉速度與地表最大下沉值、開采速度、覆巖巖性以及工作面推進(jìn)速度有關(guān)，式1-13為常用的經(jīng)驗(yàn)公式。（1-13）式中 K 下沉速度系數(shù)（見(jiàn)表1-2）； V 工作面開采速度，m/d 。圖1.19 地表點(diǎn)的下沉速度及下沉曲線地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間一般要持續(xù)1.52.5a，在采深較大，覆巖堅(jiān)硬的條件下，甚至可能會(huì)持續(xù)56a。4. 工作面移動(dòng)過(guò)程中的地表移動(dòng)和變形規(guī)律圖1.20表示工作面推進(jìn)過(guò)程中水平移動(dòng)的變

27、化規(guī)律。動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形隨工作面移動(dòng)；穩(wěn)定后的最大水平移動(dòng)值比工作面推進(jìn)過(guò)程中的地表最大水平移動(dòng)值大。工作面推進(jìn)過(guò)程中的傾斜變化規(guī)律與水平移動(dòng)變化規(guī)律基本相同。工作面推進(jìn)過(guò)程中的地表水平變形變化規(guī)律與曲率變化規(guī)律基本相同。圖1.20 隨工作面推進(jìn)地表水平移動(dòng)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律1.6影響地表移動(dòng)和變形的地質(zhì)采礦因素采動(dòng)地表移動(dòng)變形分布規(guī)律取決于地質(zhì)和采礦的綜合影響。只有正確地認(rèn)識(shí)和掌握這些因素的影響，才能有效合理的解決礦山生產(chǎn)實(shí)踐中遇到的實(shí)際問(wèn)題，才能進(jìn)一步改進(jìn)移動(dòng)預(yù)計(jì)方法。影響地表移動(dòng)變形的主要采礦地質(zhì)因素為：a) 覆巖力學(xué)性質(zhì)對(duì)覆巖移動(dòng)破壞的影響；b) 覆巖力學(xué)性質(zhì)對(duì)開采沉陷分布規(guī)律的影響；c) 松散

28、層對(duì)地表移動(dòng)特征的影響；d) 礦層傾角的影響；e) 采深與采高的影響；f) 開采范圍大小的影響；g) 開采方法及頂板管理方法的影響；h) 開采速度的影響；i) 重復(fù)采動(dòng)的影響。1. 巖力學(xué)性質(zhì)對(duì)覆巖移動(dòng)破壞的影響覆巖：堅(jiān)硬、中硬、軟弱巖層或其互層；是否存在關(guān)鍵層；采深與采高之比。（1）覆巖中均為極軟弱巖層或第四紀(jì)土層，礦層頂板（覆巖）即是小面積暴露，也會(huì)在局部地方沿直線向上發(fā)生冒落，并可直達(dá)地表。這時(shí)覆巖產(chǎn)生抽冒變形，地表出現(xiàn)漏斗形塌陷坑。（2）當(dāng)覆巖中僅在一定位置上存在厚層狀極堅(jiān)硬巖層，覆巖冒落發(fā)展到該堅(jiān)硬巖層時(shí)會(huì)形成懸頂，堅(jiān)硬巖層將產(chǎn)生拱冒變形，則地表產(chǎn)生緩慢的連續(xù)移動(dòng)變形。（3）覆巖中均

29、為厚層狀極堅(jiān)硬巖層，礦層頂板（覆巖）局部或大面積暴露后形成懸頂，不發(fā)生任何冒落而發(fā)生彎曲變形，地表產(chǎn)生緩慢的連續(xù)變形。2. 巖力學(xué)性質(zhì)對(duì)開采沉陷分布規(guī)律的影響覆巖巖性越堅(jiān)硬，開采影響范圍就越大，下沉盆地越平緩；由于堅(jiān)硬頂板懸頂距大，故拐點(diǎn)偏移距也相對(duì)大。相反，覆巖巖性越軟弱，開采影響范圍就越小，下沉盆地越陡立；拐點(diǎn)偏移距也相對(duì)小。地表裂縫Ú巖土性質(zhì)。塑性大的粘土（拉伸變形超過(guò)610 mm/m），塑性小的砂質(zhì)粘土（拉伸變形達(dá)到23mm/m）時(shí)發(fā)生裂縫，其延展深度為25m。在巖石中，拉伸變形超過(guò)了37mm/m時(shí)發(fā)生裂縫，其延展深度大于在土層中的深度，若為堅(jiān)硬巖石，這類裂縫可使地表與采空區(qū)

30、溝通。在第四紀(jì)土層較厚的地區(qū)，地表常出現(xiàn)地塹式裂縫，這是在下沉盆地邊緣區(qū)兩條裂縫之間的地表下沉大于其兩側(cè)的緣故。3. 松散層對(duì)地表移動(dòng)特征的影響基巖下沉引起松散層的下沉，使松散層產(chǎn)生彎曲形式的移動(dòng)可分成下列兩種情況：當(dāng)基巖為水平或近水平（a<10°）時(shí)，松散層的移動(dòng)形式與基巖移動(dòng)形式基本一致 ，兩者都呈垂直彎曲形式，移動(dòng)向量都指向采空區(qū)中心，水平移動(dòng)呈對(duì)稱分布。當(dāng)巖層傾斜時(shí)，基巖水平移動(dòng)指向上山方向。由于摩擦力的作用，基巖移動(dòng)會(huì)帶動(dòng)松散層產(chǎn)生指向上山方向的水平移動(dòng)。這種移動(dòng)在松散層中由下往上逐漸減弱（圖1.22）。4. 礦層傾角的影響隨礦層傾角的增大，在傾斜和緩傾斜礦層開采條件

31、下，地表連續(xù)移動(dòng)和變形有以下特點(diǎn)：（1） 下沉盆地呈非對(duì)稱形分布，下山方向的移動(dòng)和變形范圍擴(kuò)大，上山方向的移動(dòng)和變形范圍縮小；（2） 地表下沉盆地的最大下沉點(diǎn)向采空區(qū)下山方向移動(dòng)；（3） 在采空區(qū)上、下山及走向礦柱邊界的點(diǎn)拐偏移距不同。下山一側(cè)大，向礦柱一側(cè)偏離。上山一側(cè)小，向采空區(qū)一側(cè)偏離；（4） 水平移動(dòng)、水平變形、曲率和傾斜極值增大。5. 采深與采厚的影響采深與采厚比是確定地表移動(dòng)變形的重要指標(biāo)。采深越大，開采影響范圍就越大。但移動(dòng)盆地越平緩，地表移動(dòng)和變形值越小。圖1.23給出在其它條件相同情況下，隨開采深度增加，地表移動(dòng)半盆地的影響范圍和盆地坡度情況。圖1.23 不同采深形成的下沉盆

32、地形態(tài)分析圖36. 開采范圍大小的影響開采范圍的大小會(huì)影響地表的充分采動(dòng)程度。7. 開采方法及頂板管理方法的影響開采方法和和頂板管理方法是影響圍巖應(yīng)力變化、巖層移動(dòng)、覆巖破壞的主要因素。（1） 長(zhǎng)壁式全部跨落法管理頂板開采，下沉量一般可達(dá)開采高度的45%95%；（2） 應(yīng)用充填開采（長(zhǎng)壁式或短壁式）下沉量一般為開采高度的6%30%。地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；（3） 應(yīng)用條帶式或房柱式垮落式管理頂板時(shí)，地表移動(dòng)量較小，一般為開采高度的10%20%。8. 開采速度的影響開采速度Ú覆巖移動(dòng)速度Ú變形速率Ú非均勻速度影響9. 重復(fù)采動(dòng)的影響特點(diǎn)：下沉速度、下沉系數(shù)加大；移動(dòng)期

33、減小，巖移參數(shù)均發(fā)生變化。1.7 復(fù)雜地質(zhì)條件對(duì)地表沉陷的影響在地質(zhì)條件復(fù)雜（如遇到大的斷層、褶曲、富含水層或在山區(qū)地表?xiàng)l件下），地表移動(dòng)變形的正常規(guī)律被掩蓋，表現(xiàn)出特殊的規(guī)律性。這方面的理論研究還很不夠，是采動(dòng)損害領(lǐng)域研究中的難題。1. 斷層對(duì)開采沉陷規(guī)律的影響當(dāng)覆巖中存在傾角大于20°，落差大于10m的斷層時(shí)，斷層對(duì)地表沉陷便有明顯的影響。圖1.24 正斷層對(duì)下沉盆地的影響 圖1.25逆斷層對(duì)下沉盆地的影響2. 向斜構(gòu)造時(shí)的地表移動(dòng)特征3. 山區(qū)地表移動(dòng)及變形特征采動(dòng)影響下的山區(qū)地表移動(dòng)規(guī)律與平地的移動(dòng)規(guī)律有很大的差別。山區(qū)地表移動(dòng)除了一般的地表移動(dòng)形式外，還可能伴隨山體滑移，甚

34、至引起山體滑坡(Landslide)破壞?；剖侵冈陂_采引起的地表移動(dòng)過(guò)程中，表土層或風(fēng)化層在重力分量的作用下沿山坡向下的緩慢移動(dòng)。它是在采動(dòng)沉陷過(guò)程中同時(shí)發(fā)生的?；率侵冈摰貐^(qū)本來(lái)就存在滑坡條件或古滑坡，由采動(dòng)誘發(fā)滑坡或引起新的滑動(dòng)。這種滑坡的移動(dòng)量和移動(dòng)速度都較大，移動(dòng)方向不一定指向下山方向。下面主要給出不發(fā)生滑坡的山區(qū)地表移動(dòng)特征：（1）山區(qū)地表移動(dòng)除了有向采空區(qū)移動(dòng)的分量外，還有向山坡下方移動(dòng)的分量。在緩傾斜礦層開采條件下，山區(qū)地表滑移主要發(fā)生在風(fēng)化表土層內(nèi)，因而在基巖與風(fēng)化表土層接觸面上有較大的錯(cuò)動(dòng)。（2）由于坡度變化和地形起伏導(dǎo)致山區(qū)滑移產(chǎn)生波動(dòng)：在山坡上，因拉（推）應(yīng)力作用產(chǎn)生向下坡