巖層與地表移動(dòng)

巖層與地表移動(dòng)第一頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)地表與巖層移動(dòng)的概念一、巖層移動(dòng)的形式

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。第二頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日1、彎曲

當(dāng)?shù)叵旅簩颖徊沙龊螅瑥钠渲苯禹數(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、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)形式稱為冒落。第三頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日3、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、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。第四頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日5、垮落巖石的下滑

當(dāng)煤層傾角大時(shí)，冒落的巖石碎 塊會(huì)由上山方向滑移或滾動(dòng)。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。第五頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日二、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、彎曲帶。第六頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日第七頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日1、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。第八頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日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。第九頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日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(duì)較平緩。第十頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日三、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)。

第十一頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日

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(zhǎng)度和寬度均達(dá)到或超過采深的倍時(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)。第十二頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日四、移動(dòng)盆地地主斷面

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。

第十三頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日

主斷面的位置一般在采空區(qū)中間，但與采動(dòng)情況和煤層傾角有關(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。

第十四頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日 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θ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)。第十五頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日五、地表移動(dòng)和變形對(duì)建筑物的影響1、地表下沉和水平移動(dòng)對(duì)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。 非均勻的下沉和水平移動(dòng)對(duì)建筑物和交通線路等都有嚴(yán)重的不利影響。第十六頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日2、地表傾斜對(duì)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(duì)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)。第十七頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日3、地表曲率變形對(duì)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)，使建筑物產(chǎn)生八字形的裂縫。第十八頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日4、地表水平變形對(duì)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。第十九頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日六、地表移動(dòng)盆地的邊界

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、移動(dòng)盆地的最外邊界 2、危險(xiǎn)移動(dòng)邊界 3、移動(dòng)盆地的裂縫邊界第二十頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日1、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10mm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(δ０）；下山邊界角(β０）；上山邊界角(γ０)；急傾斜煤層底板邊界角(λ０）。第二十一頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日2、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(duì)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(guó)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δ、β、γ和λ表示。松散巖層的移動(dòng)角以φ表示。第二十二頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日3、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δ″、β″、γ″和λ″表示。第二十三頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日

第二節(jié) 確定移動(dòng)角的方法地表移動(dòng)的觀測(cè)：

研究地表與巖層移動(dòng)的方法主要有實(shí)地觀測(cè)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(cè)法。第二十四頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日一、地表移動(dòng)觀測(cè)站的設(shè)計(jì)1、需要收集的資料2、觀測(cè)站的設(shè)計(jì)方法(1)傾斜觀測(cè)線位置及其長(zhǎng)度的確定

傾斜觀測(cè)線一般設(shè)置在移動(dòng)盆地的傾斜主斷面上。

傾斜觀測(cè)線的長(zhǎng)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(cè)線的長(zhǎng)度是在移動(dòng)盆地的傾斜主斷面上確定的。LＡＢ＝２hcotφ+(Ｈ１－h(huán))cot（β－Δβ）

＋（Ｈ２－h(huán))cot（γ－Δγ）＋Ｌcosα第二十五頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日(2)走向觀測(cè)線位置及其長(zhǎng)度的確定

走向觀測(cè)線應(yīng)設(shè)置在移動(dòng)盆地的走向主斷面上。走向觀測(cè)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θ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(cè)線的位置。走向觀測(cè)線的長(zhǎng)度是在走向主斷面上確定的。第二十六頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日(3)測(cè)點(diǎn)數(shù)目及其密度

每條觀測(cè)線兩端都應(yīng)設(shè)置觀測(cè)站控制點(diǎn)，且每端不得少于兩個(gè)； 如因條件限制，也可只在觀測(cè)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45m。 控制點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在觀測(cè)線的工作長(zhǎng)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(cè)線的工作長(zhǎng)度之內(nèi)應(yīng)布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)的密度主要取決于開采深度。第二十七頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日二、地表移動(dòng)觀測(cè)站的設(shè)置和觀測(cè)

觀測(cè)站的設(shè)置就是將設(shè)計(jì)好的觀測(cè)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(cè)站的控制點(diǎn)，再根據(jù)觀測(cè)站控制點(diǎn)標(biāo)定出觀測(cè)點(diǎn)和另一觀測(cè)線與該觀測(cè)線的交點(diǎn)，然后再在交點(diǎn)上安置儀器標(biāo)定另一觀測(cè)線上的控制點(diǎn)和觀測(cè)點(diǎn)。第二十八頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日地表移動(dòng)觀測(cè)站觀測(cè)工作的基本內(nèi)容是： 在采動(dòng)過程中，定期、重復(fù)測(cè)定觀測(cè)線上各測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)期內(nèi)空間位置的變化情況。 具體可分為觀測(cè)站的連接測(cè)量、全面觀測(cè)、單獨(dú)進(jìn)行的水準(zhǔn)測(cè)量、地表破壞的測(cè)定和編錄。1、連接測(cè)量

根據(jù)礦區(qū)控制網(wǎng)測(cè)定出某個(gè)測(cè)站控制點(diǎn)的平面位置和高程，再根據(jù)該控制點(diǎn)來測(cè)定其他觀測(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)的位置，以便確定觀測(cè)線與回采工作面間的相互位置關(guān)系。第二十九頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日2、全面觀測(cè)

包括采動(dòng)前的全面觀測(cè)和采動(dòng)后的全面觀測(cè)。 在連接測(cè)量之后，設(shè)站地區(qū)未受采動(dòng)影響之前，應(yīng)對(duì)工作測(cè)點(diǎn)進(jìn)行兩次全面觀測(cè)，以確定工作測(cè)點(diǎn)在地表移動(dòng)前的位置。 當(dāng)?shù)乇硐鲁吝_(dá)到50~100mm時(shí)，應(yīng)進(jìn)行采動(dòng)后的第一次全面觀測(cè)；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(cè)，以確定移動(dòng)穩(wěn)定后各工作測(cè)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(cè)，并適當(dāng)加密水準(zhǔn)測(cè)量。全面觀測(cè)的內(nèi)容主要包括測(cè)定各工作測(cè)點(diǎn)的高程、丈量?jī)上噜徆ぷ鳒y(cè)點(diǎn)間的距離和測(cè)量各測(cè)點(diǎn)偏離觀測(cè)線方向的距離(又稱支距)。第三十頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日3、日常觀測(cè)工作

日常觀測(cè)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(cè)量工作。 測(cè)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(cè)量的要求進(jìn)行。還應(yīng)測(cè)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(cè)時(shí)，還應(yīng)實(shí)測(cè)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。第三十一頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日三、地表移動(dòng)觀測(cè)站觀測(cè)成果的整理與分析包括計(jì)算和繪圖兩部分。1、觀測(cè)成果的計(jì)算

根據(jù)外業(yè)成果首先計(jì)算出各觀測(cè)點(diǎn)的高程及相鄰點(diǎn)間的水平距離在觀測(cè)線方向上的投影長(zhǎng)度，然后再按測(cè)線計(jì)算各種移動(dòng)與變形值。(1)觀測(cè)點(diǎn)高程的計(jì)算

觀測(cè)點(diǎn)高程的計(jì)算首先應(yīng)根據(jù)水準(zhǔn)測(cè)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(cè)點(diǎn)的高程。(2)計(jì)算各相鄰測(cè)點(diǎn)沿觀測(cè)線方向的距離第三十二頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日(3)

計(jì)算各種移動(dòng)和變形值 ①計(jì)算下沉值W； ②計(jì)算相鄰兩點(diǎn)間的傾斜i； ③計(jì)算曲率K； ④計(jì)算水平移動(dòng)U； ⑤計(jì)算水平變形ε； ⑥計(jì)算下沉速率v。2、觀測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)移動(dòng)和變形分布形態(tài)的影響。第三十三頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日第三十四頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日第三節(jié)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(duì)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。第三十五頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日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護(hù)邊界線。2、確定圍護(hù)帶的寬度

在受護(hù)對(duì)象邊界外還應(yīng)預(yù)留出一定的寬度，根據(jù)《規(guī)程》規(guī)定確定受護(hù)等級(jí)。第三十六頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日3、確定保護(hù)煤柱的邊界

確定出受護(hù)范圍后，通過受護(hù)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(diǎn)以松散層移動(dòng)角φ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(diǎn)以下山移動(dòng)角β和上山移動(dòng)角γ向外作斜線交煤層面于n′k′點(diǎn)；將n′k′投影到平面圖上即得保護(hù)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φ角和走向移動(dòng)角δ分別確定出走向方向保護(hù)煤柱尺寸BC和AD；這樣ABCD即為留設(shè)保護(hù)煤柱的邊界線。第三十七頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日

在傾向垂直剖面上，松散層內(nèi)從地面邊界點(diǎn)以松散層移動(dòng)角φ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(diǎn)以下山移動(dòng)角β和上山移動(dòng)角γ向外作斜線交煤層面于n′k′點(diǎn)；第三十八頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日第四節(jié)保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)實(shí)例

在第三節(jié)中，介紹了垂直斷面法和垂線法兩種留設(shè)保護(hù)煤柱的基本方法。 本節(jié)介紹應(yīng)用這兩種方法設(shè)計(jì)立井、斜井、工業(yè)廣場(chǎng)及鐵路保護(hù)煤柱的具體做法。

見教科書P219

圖第三十九頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日第五節(jié)測(cè)量與“三下”采煤

煤炭是我國(guó)的主要能源和工業(yè)原料，是非再生資源。 我國(guó)煤炭資源總量位居世界第一，但因人口眾多，開采條件復(fù)雜，資源浪費(fèi)嚴(yán)重等因素的影響，煤炭資源現(xiàn)狀不容樂觀。 目前我國(guó)的煤炭探明可采儲(chǔ)量為1145億t,建筑物下壓煤48億t，建筑物、水體、鐵路下（簡(jiǎn)稱“三下”）壓煤總計(jì)100多億t?？梢姡?jīng)濟(jì)安全地開采“三下”壓煤具有十分重要的意義。第四十頁(yè)，