巖層移動(dòng)的幾種形式由于開采地下礦產(chǎn)資源引起的地表與上

1、第十三章第十三章 地表與巖層移動(dòng)簡介地表與巖層移動(dòng)簡介13-1 13-1 地表與巖層移動(dòng)的幾個(gè)基本概念地表與巖層移動(dòng)的幾個(gè)基本概念一、一、 巖層移動(dòng)的幾種形式巖層移動(dòng)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(dòng)與變形統(tǒng)稱為地表與巖層移動(dòng)。地表與巖層移動(dòng)的形式主要有以下六種。1 1、彎曲、彎曲 當(dāng)?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(gè)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 2、冒落、冒落 煤層被采出后，其上覆巖層最初的彎曲達(dá)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(dòng)形式

2、稱為冒落。3 3、片幫、片幫 煤層采出后，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 4、巖石沿層面的滑動(dòng)、巖石沿層面的滑動(dòng) 當(dāng)煤層傾斜時(shí)，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(dòng)。巖層傾角越大，沿層理面的滑移越明顯。5 5、垮落巖石的下滑、垮落巖石的下滑6 6、底板巖層的隆起、底板巖層的隆起( (又稱底鼓又稱底鼓) ) 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(dòng)

3、穩(wěn)定后采動(dòng)巖層內(nèi)的三帶移動(dòng)穩(wěn)定后采動(dòng)巖層內(nèi)的三帶 煤層采出后，所產(chǎn)生的地表與巖層移動(dòng)過程較為復(fù)雜，為了滿足采礦工程的需要，將移動(dòng)穩(wěn)定后的采動(dòng)巖層按其破壞程度不同，分為三個(gè)不同的開采影響帶，即冒落帶、斷裂帶和彎曲帶。1 1、冒落帶、冒落帶 冒落帶是指采用全部垮落法管理頂板時(shí)，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(diǎn)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(yán)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 2、斷裂帶、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

4、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 3、彎曲帶、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(dòng)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(dāng)采深很大時(shí)，彎曲帶的高度將很大，但地表的移動(dòng)和變形相對較平緩。三、三、 地表移動(dòng)盆地地表移動(dòng)盆地 當(dāng)開采影響波及到地表之后，受采動(dòng)影響的地表從原有標(biāo)高向下沉降，從而在采空區(qū)上方形成一個(gè)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(dòng)盆地。地表移動(dòng)盆地是在工作面的推進(jìn)過程中逐步形成的，地表移動(dòng)盆地的大小和形狀主

5、要與煤層傾角、采空區(qū)的大小和采深是否達(dá)到充分采動(dòng)有關(guān)。 所謂充分采動(dòng)是指地下煤層采出后，地表下沉值達(dá)到該地質(zhì)采礦條件下應(yīng)有的最大值。一般情況下，當(dāng)采空區(qū)的長度和寬度均達(dá)到或超過采深的1.2-1.4倍時(shí)，地表可達(dá)到充分采動(dòng)。 凡是采空區(qū)的尺寸沒有達(dá)到充分采動(dòng)的臨界值，地表下沉也未達(dá)到該地質(zhì)采礦條件下應(yīng)有的最大下沉值時(shí)，這種采動(dòng)稱為非充分采動(dòng)。四、四、 移動(dòng)盆地的主斷面移動(dòng)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(dòng)值最大，我們將該斷面稱為移動(dòng)盆地的主斷面。在主斷面上不僅移動(dòng)量最大，而且地表移動(dòng)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(dòng)情況和煤

6、層傾角有關(guān)。在非充分采動(dòng)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(dòng)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沉點(diǎn)，按最大移動(dòng)角確定(所謂最大下沉角是指采空區(qū)的中點(diǎn)和地表移動(dòng)盆地的最大下沉點(diǎn)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(dòng)和變形對建筑物的影響地表移動(dòng)和變形對建筑物的影響1、地表下沉和水平移動(dòng)對建筑物的影響 地表大面積的均勻下沉和水平移動(dòng)，只會(huì)引起建筑物整體的移動(dòng)，不會(huì)導(dǎo)致建筑物的破壞。但當(dāng)移動(dòng)值很大、地下水位很淺時(shí)，地表移動(dòng)盆地積水，不僅會(huì)使建筑物淹沒在水中，而且易使地基強(qiáng)度降低，嚴(yán)重時(shí)可造成建筑物的倒塌。非均勻的下沉

7、和水平移動(dòng)對建筑物和交通線路等都有嚴(yán)重的不利影響。2、地表傾斜對建筑物的影響 移動(dòng)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(yán)重時(shí)可導(dǎo)致建筑物發(fā)生折斷或傾倒。 此外，地表的傾斜還會(huì)引起公路、鐵路和管道等坡度的變化以及機(jī)械設(shè)備的傾斜，從而影響它們的正常工作狀態(tài)，因此必須及時(shí)進(jìn)行修復(fù)。3 3、地表曲率變形對建筑物的影響、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(biāo)，分正曲率(地表上凸)和負(fù)曲率(地表下凹)兩種。負(fù)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)，

8、使建筑物產(chǎn)生八字形的裂縫。4 4、地表水平變形對建筑物的影響、地表水平變形對建筑物的影響 水平變形也分為正負(fù)兩種：正值表示拉伸變形；負(fù)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、 地表移動(dòng)盆地的邊界角、移動(dòng)角和裂縫角地表移動(dòng)盆地的邊界角、移動(dòng)角和裂縫角 在地表移動(dòng)盆地內(nèi)不同區(qū)域移動(dòng)和變形的程度不同，人們根據(jù)地表移動(dòng)和變形的程度和實(shí)際需要，將移動(dòng)盆地劃分為三個(gè)邊界。1 1、移動(dòng)盆地的最外邊界、移動(dòng)盆地的最外邊界 以地表移動(dòng)和變形都為零的點(diǎn)圈出的邊界，稱為移動(dòng)盆地的最新邊界。實(shí)際工作中是以下沉10 mm的點(diǎn)圈定邊界。 在移動(dòng)盆地主斷面上盆地的邊界點(diǎn)(或松散巖層與巖層

9、交面上的邊界點(diǎn))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(xiǎn)移動(dòng)邊界、危險(xiǎn)移動(dòng)邊界 危險(xiǎn)移動(dòng)邊界是以地表移動(dòng)與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(xiǎn)邊界的標(biāo)準(zhǔn)，地表移動(dòng)盆地主斷面上地表危險(xiǎn)移動(dòng)邊界點(diǎn)(有松散層時(shí)，則為松散層與基巖交面上的危險(xiǎn)邊界點(diǎn))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(dòng)角。移動(dòng)角也分為走向移動(dòng)角、下山移動(dòng)角、上山移動(dòng)角和急傾斜煤層的底板移動(dòng)角，分別以、和表示。

10、松散巖層的移動(dòng)角以表示。3 3、移動(dòng)盆地的裂縫邊界、移動(dòng)盆地的裂縫邊界 裂縫邊界是根據(jù)移動(dòng)盆地內(nèi)最外側(cè)的裂縫圈定的邊界。在主斷面上移動(dòng)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(dòng)的觀測地表移動(dòng)的觀測 研究地表與巖層移動(dòng)的方法主要有實(shí)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(shí)地觀測法。一、一、 地表移動(dòng)觀測站的設(shè)計(jì)地表移動(dòng)觀測站的設(shè)計(jì)1、需要收集的資料2、觀測站的設(shè)計(jì)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(shè)置在移動(dòng)

11、盆地的傾斜主斷面上。 傾斜觀測線的長度，應(yīng)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(dòng)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 走向觀測線應(yīng)設(shè)置在移動(dòng)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(diǎn)，通過O點(diǎn)作垂直于煤層傾向的垂直斷面即為移動(dòng)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(diǎn)數(shù)目及其密度 每條觀測線兩端都應(yīng)設(shè)置觀測站控制點(diǎn)，且每端不得少于兩個(gè)；如因條件限制，也可只

12、在觀測線的一端設(shè)置控制點(diǎn)，但不得少于3個(gè)。相鄰控制點(diǎn)的間距不得小于45 m。控制點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在觀測線的工作長度之外，且不應(yīng)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(yīng)布設(shè)觀測點(diǎn)，觀測點(diǎn)的密度主要取決于開采深度。二、二、 地表移動(dòng)觀測站的設(shè)置和觀測地表移動(dòng)觀測站的設(shè)置和觀測 觀測站的設(shè)置就是將設(shè)計(jì)好的觀測點(diǎn)標(biāo)定到實(shí)地上去。標(biāo)定方法是，首先利用礦區(qū)控制點(diǎn)標(biāo)定出觀測站的控制點(diǎn)，再根據(jù)觀測站控制點(diǎn)標(biāo)定出觀測點(diǎn)和另一觀測線與該觀測線的交點(diǎn)，然后再在交點(diǎn)上安置儀器標(biāo)定另一觀測線上的控制點(diǎn)和觀測點(diǎn)。 地表移動(dòng)觀測站觀測工作的基本內(nèi)容是：在采動(dòng)過程中，定期、重復(fù)測定觀測線上各測點(diǎn)在不同時(shí)期內(nèi)空間位置的

13、變化情況。具體可分為觀測站的連接測量、全面觀測、單獨(dú)進(jìn)行的水準(zhǔn)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(gè)測站控制點(diǎn)的平面位置和高程，再根據(jù)該控制點(diǎn)來測定其他觀測點(diǎn)和控制點(diǎn)的位置，以便確定觀測線與回采工作面間的相互位置關(guān)系。2、全面觀測 包括采動(dòng)前的全面觀測和采動(dòng)后的全面觀測。在連接測量之后，設(shè)站地區(qū)未受采動(dòng)影響之前，應(yīng)對工作測點(diǎn)進(jìn)行兩次全面觀測，以確定工作測點(diǎn)在地表移動(dòng)前的位置。當(dāng)?shù)乇硐鲁吝_(dá)到50100 mm時(shí)，應(yīng)進(jìn)行采動(dòng)后的第一次全面觀測；在地表受采動(dòng)影響穩(wěn)定后，需進(jìn)行最后一次全面觀測，以確定移動(dòng)穩(wěn)定后各工作測點(diǎn)的空間位置。在地表移動(dòng)的活躍期進(jìn)行不少于四次的全面觀測，

14、并適當(dāng)加密水準(zhǔn)測量。 全面觀測的內(nèi)容主要包括測定各工作測點(diǎn)的高程、丈量兩相鄰工作測點(diǎn)間的距離和測量各測點(diǎn)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(dòng)的初始期和衰退期之間適當(dāng)增加的水準(zhǔn)測量工作。測量時(shí)可采用單程附合水準(zhǔn)路線或往返支水準(zhǔn)路線，按四等水準(zhǔn)測量的要求進(jìn)行。 還應(yīng)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(shí)，還應(yīng)實(shí)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(dòng)觀測站觀測成果的整理與分析地表移動(dòng)觀測站觀測成果的整理與分析 包括計(jì)算和繪圖兩部分。1 1、觀測成果的計(jì)算、觀測成果的計(jì)算 根據(jù)外業(yè)成果首先計(jì)

15、算出各觀測點(diǎn)的高程及相鄰點(diǎn)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(jì)算各種移動(dòng)與變形值。(1) 觀測點(diǎn)高程的計(jì)算 觀測點(diǎn)高程的計(jì)算首先應(yīng)根據(jù)水準(zhǔn)測量成果進(jìn)行平差，然后再按一般水準(zhǔn)路線的計(jì)算方法計(jì)算出各觀測點(diǎn)的高程。(2) 計(jì)算各相鄰測點(diǎn)沿觀測線方向的距離(3) 計(jì)算各種移動(dòng)和變形值 計(jì)算下沉值W 計(jì)算相鄰兩點(diǎn)間的傾斜i 計(jì)算曲率K 計(jì)算水平移動(dòng)U 計(jì)算水平變形 計(jì)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(dòng)和變形曲線圖時(shí)，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(yīng)以繪制的曲線能夠清楚反映出移動(dòng)和變形的分布規(guī)律為原則。曲線圖和觀測線的斷面圖應(yīng)繪制在一起，以便于分析各種地質(zhì)采礦條件對移動(dòng)和變形分布形態(tài)的影響。14-3 14-3 保護(hù)煤柱的留設(shè)保護(hù)煤柱的留設(shè) 保護(hù)煤柱是指了為保護(hù)煤層上方的巖層和地表的保護(hù)對象(如水體、建筑物等)不受開采的影響，而在井下留設(shè)的不予開采的部分煤層。一、 保護(hù)煤柱的留設(shè)方法 確定保護(hù)煤柱邊界的方法有垂直剖面法、垂線法和數(shù)字標(biāo)高投影法等。這里以常用的垂直剖面法為例來介紹留設(shè)保護(hù)煤柱的過程。1、確定受護(hù)邊界 保持受護(hù)邊界線與煤層走向平行或垂直，因此當(dāng)受護(hù)邊界與煤層走向斜交時(shí)應(yīng)沿受護(hù)邊界點(diǎn)作與煤層走向平行或垂直的直線來確定受