開采損害與環(huán)境保護(hù)課件

開采損害與環(huán)境保護(hù)

MiningDamageandEnvironmentalProtection第一章開采沉陷損害類型及特征

地下開采的危害:

地下開采必將造成地表沉陷,及由此對地表及地下建（構(gòu)）筑物等產(chǎn)生危害或破壞,造成地表常年積水，導(dǎo)致土地的鹽堿化、荒漠化等。不合理的采礦活動會造成地質(zhì)環(huán)境惡化，引發(fā)工程地質(zhì)災(zāi)害，破壞自然生態(tài)環(huán)境及自然景觀等。開采損害已成為人類活動對自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)環(huán)境、社會環(huán)境破壞的重要部分，嚴(yán)重影響國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，故日益引起人們的重視。第一節(jié)開采沉陷土地?fù)p害

目前，我國采礦業(yè)每年占用和破壞的土地約達(dá)3.4萬公頃，其中僅每年煤炭開采形成的地面塌陷就約達(dá)3.0萬公頃，累計已達(dá)約50萬公頃，且每年還將以3萬公頃左右的速度增長。我國人均耕地面積僅是世界人均耕地面積的1/4，而目前土地?fù)p害如此嚴(yán)重，其形勢非常嚴(yán)峻，故采取土地保護(hù)和復(fù)墾治理已是迫在眉睫。一、開采沉陷土地?fù)p害現(xiàn)狀開采沉陷引起的地表裂縫、臺階下沉、塌陷坑及滑坡破壞。降低了地表標(biāo)高，形成低洼積水坑或沼澤地。開采引起濕陷性黃土裂縫損害。二、開采沉陷引起土地?fù)p害有如下形式：

采動地表裂縫破壞

采動地表塌陷坑破壞三、土地沉陷損害分級

對于地表沉陷裂縫帶，塌陷坑等無法耕種的沉陷損害，均可歸于D級損害。A級下沉大于100mm，小于500mm對土地影響輕微B級下沉大于500mm，小于1500mm對土地產(chǎn)生明顯的影響C級下沉大于1500mm，小于3000mm對土地產(chǎn)生嚴(yán)重的影響D級下沉大于3000mm一般積水而無法耕作第二節(jié)開采沉陷房屋損害

1、下沉對房屋的損害2、傾斜對房屋的損害3、地表曲率對房屋的損害4、地表水平變形對房屋的損害5、剪切變形房屋損害6、扭曲變形對房屋的損害一、開采沉陷房屋損害類型a—不均勻下沉損害；b—水平拉伸損害；c—水平壓縮損害；d—地基滑移損害；e—負(fù)曲率損害；f—正曲率損害

bc開采引起房屋損害類型如下:二、開采房屋損害程度分級損壞等級

建筑物損壞程度地表變形值損壞分類結(jié)構(gòu)處理水平變形

mm/m曲率K10-3/m傾斜imm/mⅠ

自然間磚墻上出現(xiàn)寬度1-2mm的裂縫

2.0

0.2

3.0極輕微損壞不修

自然間磚墻上出現(xiàn)寬度小于4mm的裂縫；多條裂縫總寬度小于10mm

輕微損壞簡單維修Ⅱ自然間磚墻上出現(xiàn)寬度小于15mm的裂縫，多條裂縫總寬度小于30mm；鋼筋混凝土梁、柱上裂縫長度小于1/3截面高度；梁端抽出小于20mm；磚柱上出現(xiàn)水平裂縫，縫長大于1/2截面邊長；門窗略有歪斜

4.0

0.4

6.0輕度損壞小修Ⅲ自然間磚墻上出現(xiàn)寬度小于30mm的裂縫，多條裂縫總寬度小于50mm；鋼筋混凝土梁、柱上裂縫長度小于1/2截面高度；梁端抽出小于50mm；磚柱上出現(xiàn)小于5mm的水平錯動；門窗嚴(yán)重變形

6.0

0.6

10.0中度損壞中修Ⅳ自然間磚墻上出現(xiàn)寬度大于30mm的裂縫，多條裂縫總寬度大于50mm；梁端抽出小于60mm；磚柱出現(xiàn)小于25mm的水平錯動

6.0

0.6

10.嚴(yán)重?fù)p壞大修自然間磚墻上出現(xiàn)嚴(yán)重交叉裂縫、上下貫通裂縫，以及墻體嚴(yán)重外鼓、歪斜；鋼筋混凝土梁、柱裂縫沿截面貫通；梁端抽出大于60mm磚柱出現(xiàn)大于25mm的水平錯動；有倒塌危險

極度嚴(yán)重?fù)p壞拆建注：建筑物的損壞等級按自然間為評判對象，根據(jù)各自然間的損壞情況按上表分別進(jìn)行。

磚石結(jié)構(gòu)建筑物的破壞（保護(hù)）等級

二、開采房屋損害程度分級損壞等級建筑物損壞程度地表變形值結(jié)構(gòu)處理水平變形

mm/m曲率K10-3/m傾斜imm/m一基礎(chǔ)及勒腳出現(xiàn)1mm左右的細(xì)微裂縫

1.0

0.05

1.0不修二勒腳處裂縫增大，并擴(kuò)展到窗臺下，梁下支撐處兩側(cè)墻壁開始出現(xiàn)裂縫1.0～2.00.05～0.11.0～1.5小修三窗臺下裂縫擴(kuò)展到門窗洞上角，梁下墻壁裂縫繼續(xù)擴(kuò)展2.0～7.00.1～0.31.5～3.0中修四裂縫擴(kuò)展到檐口下，裂縫20mm以上，房屋呈菱形，墻角裂開7.0～110.3～0.53.0～4.0大修或拆除建筑物（土筑平房）破壞（保護(hù)）等級與地表變形的關(guān)系

一、開采沉陷對鐵路、公路及其構(gòu)筑物的損害

1、地表橫向傾斜移動變形損害

2、地表縱向傾斜移動變形損害3、地表波浪起伏沉陷損害4、地表拉伸變形損害5、開采沉陷引起路基穩(wěn)定性損害6、鐵路、公路保護(hù)（損害）分級采動引起軌道橫向扭曲變形

二、開采沉陷對高壓輸電線塔、線路、索道、電視轉(zhuǎn)播塔、煙囪等高層建（構(gòu)）筑物的損害

這些屬于點式高層構(gòu)筑物,這些構(gòu)筑物由于基礎(chǔ)面積小，因而抗變形能力較強(qiáng)，但是它們對傾斜變形非常敏感。這種高層構(gòu)筑物因傾斜偏心矩的作用，在塔體任意截面內(nèi)產(chǎn)生自重附加彎矩，在彎矩的作用下，可能沿塔體中部某截面發(fā)生斷裂破壞。同時使得基底承載壓力發(fā)生變化，這種偏心矩對基底產(chǎn)生的偏心壓力超過了基底的強(qiáng)度時，塔體即可能發(fā)生傾覆破壞或倒塌。三、開采沉陷對地下管線的損害

城鎮(zhèn)地下管道可分為帶壓管道：輸油、供水、供氣、供暖等；自流管道：生活廢水、工業(yè)廢水、雨水排水管道；電纜（通訊）管線三類。這些管（道）線對縱向水平變形和局部下沉形成的曲率變形比較敏感。帶壓管道多數(shù)是、鋼、水泥、或鑄鐵的，這類管道在受到縱向水平拉伸、壓縮及曲率變形作用時，首先在管道連接處的套管、接頭發(fā)生損壞，這是城鎮(zhèn)下開采損壞的主要部分之一。自流管道除了受縱向水平變形影響外，局部下沉形成的傾斜、曲率變形會改變管路的自流方向形成污水倒流、外溢，或堵塞情況。第四節(jié)開采井筒煤柱不均勻沉陷導(dǎo)致的工業(yè)廣場設(shè)施及井筒本身損害

隨著開采煤層深度的加深和開采煤層層數(shù)的增多，井筒與工業(yè)廣場煤柱的壓煤量也越來越大。一般條件下，風(fēng)井煤柱壓煤量為數(shù)萬噸到百萬噸；主、副井與工業(yè)廣場壓煤量則達(dá)到數(shù)百萬噸，甚至到數(shù)千萬噸。例如，興隆莊煤礦主、副井與工業(yè)廣場煤柱的壓煤量為3934.9萬噸；鐵法礦區(qū)大興煤礦主、副井與工業(yè)廣場煤柱的壓煤量則達(dá)到5400萬噸。井筒煤柱的煤層一般賦存穩(wěn)定，開采條件好，開拓開采都十分方便。同時運輸距離短，耗電量少，噸煤成本低能取得較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益。井筒煤柱開采系指要利用原有的井筒及其它的主生產(chǎn)系統(tǒng)，來回收自身的保護(hù)煤柱，因此井筒煤柱的開采涉及井筒、主要生產(chǎn)系統(tǒng)及其工業(yè)廣場建筑設(shè)施三大系統(tǒng)的保護(hù)，故具有它的特殊性和復(fù)雜性。一、概述

二、井筒煤柱開采對井筒本身的損害

井筒煤柱的開采對井筒的損害主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（一）立井的偏斜變形（二）井筒的錯動

（三）井筒的豎向變形（四）立井水平斷面的變形破壞（五）立井的彎曲三、工業(yè)廣場設(shè)施及井筒內(nèi)設(shè)施的損害

井筒保護(hù)煤柱的開采不但會引起井筒本身的損害，而且會引起井口地面生產(chǎn)系統(tǒng)中的設(shè)施及井筒內(nèi)設(shè)施的損害。

（一）井口設(shè)施的損害主要是對井口提升絞車、井架、扇風(fēng)機(jī)、選矸設(shè)備、地面裝車系統(tǒng)的損害；

（二）井筒設(shè)施的損害主要是對井筒內(nèi)設(shè)置的罐道、罐道梁、排水與壓風(fēng)管路、電纜等的損害。

“三下采煤”規(guī)程中對礦區(qū)建（構(gòu)）筑物保護(hù)等級的劃分見下表:

保護(hù)等級主要建（構(gòu)）筑物

Ⅰ國務(wù)院明令保護(hù)的文物和紀(jì)念性建筑物；一等火車站，發(fā)電廠主廠房，在同一跨度內(nèi)有兩臺重型橋式吊車的大型廠房，平爐，水泥廠回轉(zhuǎn)窯，大型選煤廠主廠房等特別重要或特別敏感的、采動后可能導(dǎo)致發(fā)生重大生產(chǎn)、傷亡事故的建（構(gòu)）筑物；鑄鐵瓦斯管道干線，大、中型礦井主要通風(fēng)機(jī)房，瓦斯抽放站，高速公路，機(jī)場跑道，高層住宅樓等。

Ⅱ高爐，焦化爐，220KV以上超高壓輸電線路桿塔，礦區(qū)總變電所，立交橋；鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的工業(yè)廠房，設(shè)有橋式吊車的工業(yè)廠房，鐵路煤倉、總機(jī)修廠等較重要的大型工業(yè)建（構(gòu)）筑物；辦公樓，醫(yī)院，劇院，學(xué)校，百貨大樓；二等火車站，長度大于20m的二層樓房和三層以上多層住宅樓；輸水管干線和鑄鐵瓦斯管道支線；架空索道，電視塔及其轉(zhuǎn)播塔，一級公路等。

Ⅲ無吊車設(shè)備的磚木結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房，三、四等火車站，磚木、磚混結(jié)構(gòu)平房或變形縫區(qū)段小于20m的兩層樓房，村莊磚瓦民房；高壓輸電線路桿塔，鋼瓦斯管道等。Ⅳ農(nóng)村木結(jié)構(gòu)承重房屋，簡易倉庫等。

礦區(qū)建（構(gòu)）筑物保護(hù)等級劃分

第五節(jié)開采沉陷導(dǎo)致的工程地質(zhì)損害

一、開采沉陷導(dǎo)致的工程地質(zhì)損害類型

沖擊地壓、礦震、煤與瓦斯突出等災(zāi)害。

地質(zhì)構(gòu)造活化；地表裂縫、塌陷坑、巖溶塌陷；山體滑坡、崩塌；（一）地質(zhì)構(gòu)造活化

開采沉陷是礦物開采后，其上覆巖層內(nèi)部劇烈移動變形傳遞到地表的結(jié)果。這種移動變形使開采破壞了巖層內(nèi)部平衡后需要形成新的平衡的過程，同時也會誘發(fā)一些地質(zhì)構(gòu)造的活化，導(dǎo)致工程地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。開采沉陷導(dǎo)致的地質(zhì)活化包括：斷層的活化；古（老）滑坡穩(wěn)定區(qū)甚至古巖溶陷落柱的活化等。

（二）沖擊地壓、礦震及煤與瓦斯突出

煤礦沖擊地壓是指在一定條件的高地應(yīng)力作用下，井巷或回采工作面周圍的煤巖體由于彈性能的瞬間釋放而產(chǎn)生破壞的礦井動力現(xiàn)象，伴隨著巨大的聲響，煤巖體被拋向采掘空間和產(chǎn)生巨大氣浪等現(xiàn)象。它往往造成采掘空間中支護(hù)設(shè)備的破壞以及采掘空間的變形，嚴(yán)重時造成人員傷亡和井巷的毀壞，甚至導(dǎo)致地表塌陷而引起局部地震。

（三）山體滑坡、崩塌、地裂縫

礦山開采沉陷引起的滑坡是在山區(qū)地表條件下，開采引起沿地層弱面發(fā)生大的滑移或具有厚度較大表土層條件下，而導(dǎo)致的山體重力失穩(wěn)的滑坡災(zāi)害。

在特厚黃土覆蓋層的沖溝或山區(qū)條件下，開采沉陷在地表首先形成裂縫破壞，在雨水侵蝕作用下，裂縫破壞加劇，常常造成黃土高陡坡失穩(wěn)形成大的滑坡或崩塌災(zāi)害。

開采引起山體滑坡

開采引起山體切落式大裂縫

二、開采沉陷地質(zhì)災(zāi)害特點

開采沉陷地質(zhì)災(zāi)害具有以下特點：影響的多方面性不可避免性和可預(yù)防性

發(fā)災(zāi)持續(xù)時間的多樣性

區(qū)域性衍生性

群發(fā)性

第六節(jié)近地表開采（挖）損害

近地表開采(挖)損害一般具有以下特征：一、地表非連續(xù)沉陷破壞

近地表開采傾角較大的礦層（脈），地表的破壞形式表現(xiàn)為大面積、非連續(xù)的塌陷坑、大的地表裂縫、塌陷漏斗、臺階式切落破壞，損害非常嚴(yán)重。

近地表開采容易形成柱狀垂直地表塌陷，是一種小面積斷塊或整體下陷式塌陷類型，因塌坑形似圓柱而得此名。這種破壞形式多出現(xiàn)于洪積扇，山前交接洼地，平川和階地上，采用落后的低檔采煤法開采埋藏淺的厚煤層的小型煤礦，其煤層上方多為松軟的巖層與土層。這種塌坑,塌陷土體垂直陷落，同周圍土體界線分明，此種塌陷往往突然迅速發(fā)生，猝不及防。

二、地表塌陷破壞更具突發(fā)性、隱蔽性、和不定期性

在近地表的淺部煤層開采多屬于小（古）窯開采，它們的開采特點是：一般采用巷柱式開采方法；無規(guī)則的開采，在采空區(qū)留下的煤柱分布極不規(guī)則，規(guī)律性很差。近地表淺部開采形成了許多隱蔽的空區(qū)，這些隱蔽空區(qū)隨時間的推移，一般充有大量的水與有害氣體。這些空區(qū)中的煤柱經(jīng)長時間的水的侵蝕，風(fēng)化及自燃，強(qiáng)度逐漸降低，在遇到外力的擾動，或空區(qū)充水疏漏等條件下，就會發(fā)生突發(fā)性的突水和塌陷災(zāi)害，淺開挖塌陷對地表工程危害特別大，甚至引起附近房屋破壞。

三、近地表地鐵隧道、大型洞室開挖，地表沉陷表現(xiàn)為長期的蠕變移動變形破壞

在近地表開挖的地下工程的構(gòu)筑中，將破壞原巖土體的平衡穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生了一系列的環(huán)境影響?；娱_挖過程將還引起周圍巖土體的移動變化，使開挖體境界以外的地層環(huán)境變異，造成地表下沉和附近建構(gòu)筑物變形破壞。開采大氣損害

第一節(jié)大氣煙塵污染

一、煙塵的來源礦區(qū)大氣煙塵污染主要指露天開采覆蓋層剝離移動，露天礦大爆破是巨大的周期性污染源。其次礦山建設(shè)土方移動，礦山礦物運輸?shù)犬a(chǎn)生的浮塵，礦山工業(yè)冶煉、火力發(fā)電燃料燃燒和生產(chǎn)過程中所排放的煤煙、粉塵及無機(jī)或有機(jī)化合物、爆破炸藥及礦井火災(zāi)等也是造成大氣污染的主要來源。

二、煙塵的組成

煙塵污染包括

煤煙塵——俗稱黑煙子。指伴隨燃料和其他物質(zhì)燃燒所發(fā)生的黑色煙塵，其中含有50%的碳。粒徑大小約在1～20

m左右。

黑煙——黑煙系指在燃燒固體或液體燃料過程中所生成的細(xì)小粒子，在大氣中飄浮出現(xiàn)的氣溶膠現(xiàn)象，黑煙中含有煤煙塵和硫酸微粒。粒徑大小大約為0.05～1

m。粉塵——粉塵系指分散于氣體中的細(xì)小固體粒子，這些粒子通常是由煤、礦石和其他固體物料在運輸、篩分、碾磨、加料和卸料等機(jī)械處理過程或由風(fēng)揚起的土塵等所致。粉塵的徑粒一般在1～200

m之間。大于10

m的粒子，在重力作用下，能在較短的時間內(nèi)沉降到地面，稱為降塵。小于10

m的粒子，能長期飄浮于大氣，稱為飄塵。飛灰——飛灰系指燃料燃燒后，在煙道氣中所懸浮呈灰狀的細(xì)小粒子。以粉煤為燃料燃燒時排除的飛灰比較多。

三、煙塵污染危害

煙塵大氣污染主要表現(xiàn)為：

（一）煙塵籠罩削弱了日光和紫外線的照射，能見度降低，殺菌作用減弱，易使傳染病流行，兒童佝僂病發(fā)生，污染嚴(yán)重時影響交通運輸、航空等；煙塵中的“碳黑”懸浮在大氣中，大小和灰塵差不多，只有0.6

m左右，懸浮在大氣中的“碳黑”能大量聚集在一起，吸收太陽的熱能，加熱周圍空氣，形成降雨，從而改變區(qū)域大氣環(huán)流和水分循環(huán)。

（二）煙塵的懸浮物污染，增加了大氣中的粉塵（巖粉、炭分、金屬粉塵）。這些粉塵通過人的呼吸進(jìn)入體內(nèi)，危害人的健康，甚至引起如矽肺病等疾病。常見粉塵引發(fā)的疾病見下表。

部分粉塵可能引起的疾病

粉塵的種類可引起的疾病

燃燒排放的煙塵佝僂病鐵、鋁、鋅粉金屬熱癥

有機(jī)物和無機(jī)物粉塵慢性支氣管炎懸浮硅石粉、炭粉、鐵粉、鋁粉矽肺、炭肺、鐵肺、鋁肺放射性礦物粉塵、石英石粉、鉻化合物塵、氧化鐵粉塵肺癌無機(jī)和有機(jī)物粉塵流行性病，白喉，結(jié)核病氟及氟化物塵氟黑皮膚病及皮膚癌鎳塵鎳濕疹第二節(jié)有害氣體污染

一、含硫氧化物硫氧化物主要來源于煤的燃燒和冶煉廠排出的煙氣，每年進(jìn)入大氣的總硫量約為50萬噸，可燃性硫在燃燒時，大部分與氧化合生成SO2，煤的燃燒，其主要污染物也是SO2，1噸煤含硫量為5～50kg。，而大氣中的硫氧化物、氮氧化物都是形成酸雨或酸沉降的主要前提物。

二、含氮氧化物

NOx種類很多，它是NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等的總稱。造成大氣污染的NOx主要是指NO和NO2。大氣中的NOx幾乎1/2以上是由人為污染源產(chǎn)生的。人為污染源一年向大氣排放NOx約為5千萬噸。礦區(qū)大氣中NOx的人為排放污染主要來源于燃煤發(fā)電廠、鍋爐煙氣、露天開采的炸藥爆炸以及礦區(qū)運輸、裝載、鏟運等使用汽油、柴油為燃料的設(shè)備所排放的尾氣、冶煉廠的某些生產(chǎn)過程。

三、含碳氧化物

COx包括CO和CO2。CO主要來源于燃料燃燒時供氧不足而不完全燃燒產(chǎn)生，礦區(qū)COx主要來自冶金生產(chǎn)，此外還來自礦山爆破作業(yè)、汽油、柴油等內(nèi)燃設(shè)備排放的尾氣，以及煤和礦石自燃、礦巖中涌出的氣體。

四、煙塵的硫酸煙霧污染

硫酸煙霧是大氣中SO2在濕度相對較高，氣溫比較低，并有氣溶膠存在時而發(fā)生的。硫酸霧是強(qiáng)氧化劑，對人和動植物危害極大。

五、光化學(xué)污染

美國加利福尼亞大學(xué)哈根·斯密特博士提出的光化學(xué)理論認(rèn)為：光化學(xué)煙霧是大氣中Nx、HC及CO等污染物，在強(qiáng)太陽光作用下，發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)而形成的，光化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物有臭氧、醛、酮、過氧乙酰硝酸脂（PAN）和過氧苯酰硝酸脂（PBN）等。光化學(xué)氧化劑對人體的影響類似NOx，但比NOx的影響更強(qiáng)。

開采沉陷的一般規(guī)律第一節(jié)地表移動變形的概念

開采沉陷規(guī)律是指地下開采引起的地表移動變形的大小、空間分布形態(tài)及其與地質(zhì)采礦條件的關(guān)系。

其內(nèi)容主要包括：水平、緩傾斜煤層以及急傾斜煤層開采沉陷的分布規(guī)律；沉陷穩(wěn)定后(又稱靜態(tài))及工作面推進(jìn)過程中(又稱動態(tài))的分布規(guī)律；簡單地質(zhì)條件和復(fù)雜地質(zhì)條件下的分布規(guī)律等。一、地表移動的形式

地表移動變形和破壞的形式，歸納起來有下列幾種：（一）地表移動盆地

在開采影響涉及到地表以后，受采動影響的地表從原有的標(biāo)高向下沉降，從而在采空區(qū)上方地表形成一個比采空區(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，或稱下沉盆地（如圖7-1）。

圖7-1地表下沉盆地主剖面圖

（二）裂縫及臺階

在地表移動盆地的外邊緣區(qū)，地表可能產(chǎn)生裂縫。裂縫的深度和寬度，與有無第四紀(jì)松散層及其厚度、性質(zhì)和變形值大小密切相關(guān)。地表裂縫一般平行于采空區(qū)邊界發(fā)展。當(dāng)采深和采厚的比值較小時，在推進(jìn)中的工作面前方地表可能發(fā)生平行于工作面的裂縫。但裂縫的寬度和深度都比較小。這種裂縫是隨工作面推進(jìn)先張開而后逐漸閉合。地表裂縫的形狀為楔形，地面的開口大，隨深度的增大而減小，到一定深度尖滅。我國某煤礦槽探資料表明，裂縫的深度一般不大于5m。但在基巖直接出露地表的情況下，裂縫深度可達(dá)數(shù)十米。當(dāng)采深很小、采厚較大時，地表裂縫有可能與采空區(qū)相連通。

圖7-2柴里礦301工作面地表裂縫實測圖

有時在采空區(qū)周圍的地表形成環(huán)形破壞塹溝，如圖7-2所示。

在急傾斜煤層條件下，地表可能出現(xiàn)裂縫群或臺階，如圖7-3所示。

圖7-3開采急傾斜煤層時地表移動特征

（三）塌陷坑塌陷坑多出現(xiàn)在急傾斜煤層開采條件下。但在淺部緩傾斜或傾斜煤層開采，地表有非連續(xù)性破壞時，也可能出現(xiàn)漏斗狀塌陷坑。

圖7-4鶴崗富力礦淺部開采地表漏斗狀塌陷坑示意圖二、描述地表移動和變形的指標(biāo)

描述地表點移動和變形的指標(biāo)是：下沉、傾斜、曲率、水平移動、水平變形、扭曲和剪切變形（或稱剪應(yīng)變）。目前，對于前五種指標(biāo)的規(guī)律研究得比較充分，而對扭曲和剪應(yīng)變的研究和使用尚不廣泛。

（一）下沉地表點的沉降叫下沉（W）。以本次與首次測得的點的標(biāo)高差表示，即：W=h1-hj=Δh，mm（7－1）式中h1和hj是第1次和第j次測得的點的標(biāo)高，mm。

（二）傾斜

地表下沉盆地沿某一方向的坡度叫傾斜（i），也叫斜率（圖7—5）。其平均值以兩點間下沉差ΔW除以點間距l(xiāng)0表示，即：

,mm/m（7－2）

圖7－5地表傾斜、曲率、水平移動、水平變形計算示意圖

（三）曲率

下沉盆地剖面線的彎曲度叫曲率（K）。其平均值以相鄰兩線段傾斜差Δi除以兩線段中點的間距表示，即：

,mm/m2

（7－3）

（四）水平移動地表下沉盆地點沿某一水平方向的位移叫水平移動（u），以本次與首次測得的從該點至控制點的水平距離差Δ來表示，即：

U=Δl=l0-ljmm（7－4）式中l(wèi)j、l0—第j次和首次測得的該點與控制點的水平距離，mm。

（五）水平變形下沉盆地內(nèi)兩點間單位長度的水平移動差叫水平變形（ε）。其平均值以兩點間水平移動差Δu除以兩點間距表示，即：

mm/m（7－5）

（六）扭曲

地表下沉盆地內(nèi)兩平行線段傾斜差與其間距之比叫地表的扭曲（s），如圖7-6所示。其平均值用下式表示：

圖7－6地表的扭曲

mm/m2

（7－6）

（七）剪應(yīng)變

地表單元正方形直角的變化叫地表的剪應(yīng)變（γ）（圖7-7）。其平均值以兩個對邊長度變化值的差（UAx-UBX，UAy-UBy）除以其間距l(xiāng)0y

、l0x的和表示，即：

圖7—7地表的剪應(yīng)變

，mm/m（7－7）

第二節(jié)

地表移動盆地及其特征

一、地表移動盆地的形成地表移動盆地是在工作面推進(jìn)過程中逐漸形成的。一般是當(dāng)回采工作面自開切眼開始向前推進(jìn)距離相當(dāng)于（1/4～1/2）H0（H0為平均采深）時，開采影響即涉及到地表，引起地表下沉。然后隨工作面的繼續(xù)向前推進(jìn)，地表的影響范圍不斷擴(kuò)大，下沉值不斷增加，在地表就形成了一個比采空區(qū)面積大得多的下沉盆地。圖7-8地表移動盆地的形成過程1、2、3、4—工作面的位W1、W2、W3、W4—相應(yīng)工作面的移動盆地W04-----最終的靜態(tài)移動盆地

圖7-8展示了地表移動盆地隨工作面推進(jìn)而形成的過程。當(dāng)工作面由開切眼推進(jìn)到位置1時，在地表形成一個小盆地w1。工作面繼續(xù)推進(jìn)到位置2時，在移動盆地w1的范圍內(nèi)，地表繼續(xù)下沉，同時在工作面前方原來尚未移動地區(qū)的地表點，先后進(jìn)入移動，從而使移動盆地w1擴(kuò)大而形成移動盆地w2。隨著工作面的推進(jìn)相繼形成地表移動盆地w3、w4。這種移動盆地是在工作面推進(jìn)過程中形成的，故稱動態(tài)移動盆地。工作面回采結(jié)束后，地表移動不會立即停止，移動盆地的邊界還將繼續(xù)向工作面方向擴(kuò)展，移動首先在開切眼一側(cè)穩(wěn)定，而后在停采線一側(cè)逐漸形成最終的移動盆地w04。通常所說的地表移動盆地就是指最終形成的移動盆地，又稱為靜態(tài)移動盆地。在工作面推進(jìn)過程中，如圖7-9所示的工作面停在1、2、3、4的位置上，待地表穩(wěn)定后，其對應(yīng)的每一個位置都會有一個靜態(tài)的移動盆地w01、w02、w03、w04。在地表移動動態(tài)發(fā)展過程中，開采工作面后方的地表點仍在繼續(xù)移動，但其移動的劇烈程度隨工作面的遠(yuǎn)離而逐漸減弱，直至穩(wěn)定，一般最先進(jìn)入移動的點，也最先達(dá)到穩(wěn)定。

圖7-9動態(tài)和靜態(tài)移動盆地示意圖二、充分采動和非充分采動（一）充分采動通常把地表移動盆地內(nèi)只有一個點的下沉值達(dá)到最大下沉值的采動情況，稱為剛達(dá)到充分采動，此時的開采稱為臨界開采，地表移動盆地呈碗形（如圖7-10a）地表有多個點的下沉值達(dá)到最大下沉值的采動情況，稱為超充分采動，此時的開采為超臨界開采，地表移動盆地呈盤形（見圖7-10b和圖7-11）。

（a）(b)圖7-10充分采動時地表移動盆地示意圖

a—剛達(dá)到充分采動時的地表移動盆地；b—超充分采動時的地表移動盆地圖7-11水平煤層超充分采動時的地表移動盆地示意圖在超充分采動時，靜態(tài)地表移動盆地將出現(xiàn)平底部分，在平底范圍內(nèi)，各處的下沉值相等，其它的移動和變形值近似為零。假設(shè)開采工作面從某處已采到無限遠(yuǎn)處，而在其正交方向為充分采動的一種理想化開采狀態(tài)，則稱其為半無限開采。

（二）非充分采動

采空區(qū)尺寸（長度和寬度）小于該地質(zhì)采礦條件下的臨界開采尺寸時，地表任意點的下沉均未達(dá)到該地質(zhì)采礦條件下應(yīng)有的最大下沉值，這種采動為非充分采動，此時地表移動盆地為碗形，或稱其為有限開采（見圖7-12、13、14）。工作面沿一個方向（走向或傾向）達(dá)到臨界開采尺寸，而另一個方向未達(dá)到臨界開采尺寸的情況，也屬于非充分采動，此時的地表移動盆地為槽形（圖7-15）。

圖7-12水平煤層非充分采動時的地表移動盆地示意圖圖7-13傾斜煤層非充分采動時的地表移動盆地示意圖圖7-14急傾斜煤層開采時的地表移動盆地示意圖圖7-15槽形盆地示意圖三、地表移動盆地的特征

水平煤層開采時地表達(dá)到充分采動的地表移動盆地有下列特征：（1）地表移動盆地位于采空區(qū)的正上方。盆地的中心（最大下沉點所在的位置）和采空區(qū)中心是一致的。盆地的平底部分位于采空區(qū)中部的正上方。（2）地表移動盆地的形狀與采空區(qū)對稱。如果采空區(qū)的形狀為矩形，則移動盆地的平面形狀為橢圓形。（3）移動盆地內(nèi)外邊緣區(qū)的分界點，大致位于采空區(qū)邊界的正上方或略有偏離。在水平煤層開采條件下，非充分采動和剛達(dá)到充分采動的地表移動的特征，和超充分采動的移動盆地特征相似，所不同的是移動盆地內(nèi)不出現(xiàn)最大下沉值相等的平底區(qū)域，只有一個最大下沉點，而且最大下沉點位于采空區(qū)中心的正上方。

傾斜煤層開采、地表未達(dá)到充分采動時，地表移動盆地有下列特征：

（1）在傾斜方向上，移動盆地中心（最大下沉點處）偏向采空區(qū)的下山方向，和采空區(qū)中心不重合。（2）移動盆地與采空區(qū)的相對位置，在走向方向上對稱于傾斜中心線，而在傾斜方向上不對稱，煤層傾角越大，這種不對稱性越明顯。（3）移動盆地的上山方向較陡，移動范圍較?。幌律椒较蜉^緩，移動范圍較大。

傾斜煤層充分采動時，移動盆地出現(xiàn)平底，充分采動區(qū)內(nèi)的移動和變形特點與水平煤層充分采動區(qū)內(nèi)相似。

急傾斜煤層開采時，地表移動盆地有如下特征：

（1）地表移動盆地形狀的不對稱更加明顯。工作面下邊界上方地表的開采影響達(dá)到開采范圍以外很遠(yuǎn)；上邊界上方開采影響則達(dá)到煤層底板巖層。整個移動盆地明顯地偏向煤層下山方向。（2）最大下沉值不是出現(xiàn)在采空區(qū)中心正上方，而是大致位于采區(qū)下邊界上方。（3）地表的最大水平移動值大于最大下沉值。

急傾斜煤層開采時，不出現(xiàn)充分采動情況。

四、地表移動盆地主斷面及其移動變形規(guī)律

(一)地表移動盆地主斷面

圖7-16為水平煤層開采后的地表移動分布規(guī)律示意圖，圖中abcd為采區(qū)輪廓在地表的投影，虛線表示移動盆地內(nèi)下沉等值線（是一組近似平行于開采邊界的線族），箭頭表示地表點移動方向在平面上的投影。由圖可知，采空區(qū)中心正上方的地表下沉值最大，向四周逐漸減小，到采空區(qū)邊界上方下沉值減小比較迅速，向外逐漸趨于零。地表點的水平移動大致指向采空區(qū)中心，采空區(qū)中心上方地表，最終幾乎不發(fā)生水平移動。開采邊界上方地表水平移動值最大，向外逐漸減小為零。水平移動等值線也是一組平行于開采邊界的線族。

在移動盆地內(nèi)，下沉值最大的點和水平移動值為零的點都在采空區(qū)中心，因此，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。在此斷面上幾乎不產(chǎn)生垂直于此斷面的水平移動。通常就將地表移動盆地內(nèi)通過最大下沉點（或者說移動盆地的中心）所作的沿煤層走向或傾向的垂直斷面稱為地表移動盆地主斷面。其中沿煤層走向方向的地表移動盆地主斷面，稱為走向主斷面，圖7-16中的B-B；沿煤層傾向的地表移動盆地主斷面，稱為傾向主斷面，如圖7-16中的A-A。

圖7-16地表移動盆地下沉等值線圖移動盆地內(nèi)主斷面的個數(shù)，取決于最大下沉點的個數(shù)。在走向和傾向均未達(dá)到充分采動的情況下，移動盆地為碗形，盆地內(nèi)只有一個最大下沉點，此時，只能做出一個沿走向和一個沿傾向的主斷面。若走向達(dá)到充分采動而傾向未達(dá)到充分采動的情況下，移動盆地是長方形為煤層走向方向的槽形盆地，此時只能做出一個沿走向方向的主斷面，在走向主斷面上有若干個點的下沉值相等，通過其中任一點均可做出沿傾向方向的主斷面。反之，若傾向達(dá)到充分采動而走向未達(dá)充分采動時，則可做出若干個走向主斷面和一個傾向主斷面，這種情況很少見。在走向和傾向均達(dá)到充分采動的情況下，地表移動盆地為盤形，移動盆地會出現(xiàn)平底，通過平底內(nèi)任一點均可做出走向主斷面和傾向主斷面，此時，可有若干個走向主斷面和傾向主斷面。移動盆地主斷面的位置一般在采空區(qū)的中間，但與采動程度和煤層傾角有關(guān)。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，即為移動盆地的傾向主斷面。圖7-17中o點是傾斜主斷面上的最大下沉點。通過最大下沉點作平行于煤層走向的垂直斷面，即為走向主斷面。在充分采動時，首先按充分采動角Ψ1、Ψ2和Ψ3（走向充分采動角）確定地表充分采動區(qū)的范圍，然后通過該范圍內(nèi)所作的煤層走向和傾向的垂直斷面均為主斷面。

圖7-17最大下沉角和充分采動角確定方法示意圖a—非充分采動時最大下沉角的確定方法b—充分采動時最大下沉角和充分采動角的確定方法θ——最大下沉解ψ1、ψ2——分別為下山和上山方向充分采動角(二)主斷面的移動變化規(guī)律

本節(jié)所述的規(guī)律是指地表移動盆地穩(wěn)定后主斷面內(nèi)的移動和變形分布規(guī)律，并且是典型化和理想化了的。地表移動盆地穩(wěn)定后的移動和變形分布規(guī)律與許多地質(zhì)采礦因素有關(guān)，如果開采均系采用定向長壁式采煤、全部垮落法管理頂板，并且開采厚度均相同，那么影響分布規(guī)律的地質(zhì)采礦因素主要就是煤層傾角、采區(qū)尺寸和開采深度。而采區(qū)尺寸和開采深度之比，可決定地表的采動程度。1．水平煤層(或沿煤層走向主斷面)非充分采動時主斷面內(nèi)地表移動和變形分布規(guī)律(如圖7-18)。水平煤層開采時的采動程度可用走向充分采動角Ψ3來判別。當(dāng)用Ψ3角作的兩直線交于巖層內(nèi)部而未及地表時，此時地表為非充分采動。

圖7-18非充分采動時主斷面內(nèi)地表變形分布規(guī)律1－下沉曲線；2－傾斜曲線；3－曲率曲線;4－水平移動曲線;5－水平變形曲線圖7－18、7－19中的E為拐點。在采場四周煤層未采的情況下，拐點不在工作面開采邊界的正上方而略偏向采空區(qū)一側(cè)。在地表達(dá)充分采動條件下，拐點處下沉值約為最大下沉值的一半。

從上述五條曲線的分析中可以看出：傾斜曲線和水平移動曲線形狀相似，曲率曲線和水平變形曲線形狀相似，可表示為：

（7-8）

（7-9）

式中

B——水平移動系數(shù)，根據(jù)有的國家資料：B=0.13～0.18H。

2．水平煤層(或沿煤層走向主斷面)充分采動時主斷面內(nèi)移動和變形分布規(guī)律(圖7-19)

當(dāng)用走向充分采動角Ψ3畫的兩直線剛好交于地表o點時，這時地表剛好達(dá)到充分采動。o點為最大下沉點,用δ0確定盆地邊界點A，B。

圖7-19充分采動時主斷面內(nèi)地表移動和變形分布規(guī)律1－下沉曲線；2－傾斜曲線；3－曲率曲線;4－水平移動曲線;5－水平變形曲線3．水平煤層(或走向主斷面)超充分采動時主斷面內(nèi)移動和變形分布規(guī)律(圖7-20)

當(dāng)用角Ψ3畫兩直線在地表交于o1、o2兩點，o1和o2間出現(xiàn)平底時，地表達(dá)到超充分采動。圖7-20水平煤層超充分采動時主斷面內(nèi)移動和變形分布規(guī)律1－下沉曲線；2－傾斜曲線；3－曲率曲線;4－水平移動曲線;5－水平變形曲線4．傾斜(15°＞α＞55°)煤層非充分采動時移動和變形分布規(guī)律(圖7-21)

利用下山充分采動角Ψ1，和上山充分采動角Ψ2確定充分采動程度。

用γ0、β0確定上下山盆地邊界點，用最大下沉角θ確定最大下沉點。

圖7-21傾斜煤層非充分采動時主斷面內(nèi)地表移動和變形分布規(guī)律傾斜煤層非充分采動時地表移動和變形有如下規(guī)律：（1）下沉曲線、傾斜曲線和曲率曲線：下沉曲線失去對稱性，如上山部分的下沉曲線比下山部分的下沉曲線要陡，范圍要小；最大下沉點向下山方向偏離、其位置用最大下沉角確定；下沉曲線的兩個拐點與采空區(qū)不對稱，而偏向下山方向。隨著下沉曲線的變化，傾斜曲線和曲率曲線也相應(yīng)發(fā)生變化。（2）水平移動曲線：在傾斜煤層開采時，隨著煤層傾角的增大，指向上山方向的水平移動值逐漸增大，而指向下山方向的水平移動值逐漸減小。

（3）水平變形曲線，最大拉伸變形在下山方向，最大壓縮變形在上山方向，水平變形為零的點與最大水平移動點重合。（4）水平移動曲線和傾斜曲線不相似，水平變形曲線和曲率曲線不相似。

5．急傾斜(α＞55°)煤層非充分采動時移動和變形分布規(guī)律(如圖7-22～24)

急傾斜煤層非充分采動時地表移動和變形有如下規(guī)律：（1）下沉盆地形態(tài)的非對稱性十分明顯，下山方向的影響范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上山方向的影響范圍。隨著煤層傾角的增大，傾斜剖面形狀由對稱的碗形逐漸變?yōu)榉菍ΨQ的瓢形。當(dāng)煤層傾角接近90°時，下沉盆地剖面又轉(zhuǎn)變?yōu)楸容^對稱的碗形或兜形(圖7-22)。

（2）隨著煤層傾角的增大，最大下沉點位置逐漸移向煤層上山方向，當(dāng)煤層傾角接近90°時，在煤層露頭上方。急傾斜煤層開采時不出現(xiàn)充分采動情況，最大下沉值隨回采階段垂高的增加而增大。

圖7-22急傾斜煤層開采后的下沉盆地形態(tài)a--煤層傾角小于90°；b--煤層傾角接近90°（3）在松散層較薄的情況下，可能只出現(xiàn)指向上山方向的水平移動；（4）當(dāng)開采厚度大、開采深度小、煤層頂?shù)装鍒杂膊灰酌奥涠嘿|(zhì)又較軟時，開采后采空區(qū)上方之煤層易沿煤層底板滑落。這種滑落可能一直發(fā)展到地表，使地表煤層露頭處出現(xiàn)塌陷坑(圖7-23)。在采深較大、采厚較小、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(圖7-24)。因此，急傾斜煤層開采后地表是否出現(xiàn)塌陷坑，應(yīng)根據(jù)具體的地質(zhì)采礦條件而定。

圖7-24急傾斜煤層非充分采動時主斷面內(nèi)移動和變形分布規(guī)律1－下沉曲線；2－水平移動曲線；3－水平變形曲線；4－地表塌陷坑圖7-23急傾斜煤層開采后地表出現(xiàn)塌陷坑的沉陷分布規(guī)律

五、地表移動盆地邊界的確定

（一）地表移動盆地邊界的劃分地表移動盆地劃分成如下三個邊界：

1．移動盆地的最外邊界移動盆地最外邊界是以地表移動和變形都為零的盆地邊界點所圈定的邊界。這個邊界由儀器觀測確定。考慮到觀測誤差，一般取下沉為10mm的點為邊界點。所以，最外邊界實際上是下沉為10mm的點圈定的邊界，見圖7-25中ACBD。

2．移動盆地的危險移動邊界危險移動邊界是以盆地內(nèi)的地表移動與變形對建筑物有無危害而劃分的邊界。對建筑物有無危害的標(biāo)準(zhǔn)是以臨界變形值來衡量的。目前我國采用的臨界變形值是：i＝3mm／m、ε＝2mm／m、K＝0.2mm／m2。這組臨界變形值是針對一般磚木結(jié)構(gòu)建筑物求出的。用這個指標(biāo)圈定的范圍以外，為地表移動和變形對建筑物不產(chǎn)生明顯損害的地帶；在圈定的范圍以內(nèi)，為地表移動和變形對建筑物將產(chǎn)生有害影響的地帶，如圖7-25A′B′C′D′所示。圖7-25地表移動盆地邊界的確定示意圖ABCD—最外邊界（下沉盆地邊界）；A′B′C′D′—危險移動邊界（下沉盆地移動邊界）；A″B″C″D″—裂縫邊界（下沉盆地地面最外裂縫邊界）

應(yīng)該指出，不同結(jié)構(gòu)的建筑物，能承受最大變形的能力不一樣，所以各種類型的建筑物都應(yīng)有對應(yīng)的臨界變形值。在確定移動盆地內(nèi)危險移動邊界時，用相應(yīng)建筑物的臨界變形值圈定，會更接近于實際。

3．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，如圖7-25中的A″B″C″D″。在圖7-26中表示了水平、傾斜、急傾斜煤層開采后所形成的三個邊界。在這個主斷面圖上，AB為最外邊界，A′B′為最危險移動邊界，A″B″為裂縫邊界。

圖7—26邊界角、移動角及裂縫角求取方法

(二)圈定邊界的角值參數(shù)及有關(guān)盆地的角值通常用角值參數(shù)圈定移動盆地邊界。所謂角值參數(shù)主要是邊界角、移動角、裂縫角和松散層移動角，如圖7-25b、c和7-26所示。1．邊界角在充分采動或接近充分采動的條件下，地表移動盆地主斷面上盆地邊界點（下沉10mm的點）至采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角稱為邊界角。當(dāng)有松散層存在時，應(yīng)先從盆地邊界點用松散層移動角（一般取45°）劃線和基巖與松散層交接面相交，此交點至采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角稱為邊界角。按不同斷面，邊界角分為：（1）走向邊界角，以δ0表示；（2）下山邊界角，以β0表示；（3）上山邊界角，以γ0表示；（4）急傾斜煤層的底板邊界角，以λ0表示。2．移動角在充分采動或接近充分采動的條件下，地表移動盆地主斷面上三個臨界變形值中最外邊的一個臨界變形值點至采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角稱為移動角。當(dāng)有松散層存在時，應(yīng)從最外邊的臨界變形值點用松散層移動角劃線和基巖與松散層交接面相交，此交點至采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角稱為移動角。根據(jù)不同斷面，移動角分為：（1）走向移動角，以δ表示；（2）下山移動角，以β表示；（3）上山移動角，以γ表示；（4）急傾斜煤層的底板移動角，以λ表示。移動角是一個重要的移動參數(shù)，在解決實際問題時，經(jīng)常用到它。如在開采損害糾紛中，可從井下開采邊界，用移動角向地面延伸，在移動角外，則一般不造成損害性影響，可以大致進(jìn)行鑒定判斷。3．裂縫角在充分采動或接近充分采動條件下，在地表移動盆地主斷面上，移動盆地內(nèi)最外側(cè)的地表裂縫至采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角稱為裂縫角。裂縫角分為：（1）走向裂縫角，以δ″表示；（2）上山裂縫角，以β″表示；（3）下山裂縫角，以γ″表示；（4）急傾斜煤層的底板裂縫角，以λ″表示。4．松散層移動角

松散層移動角以ψ表示，它不受煤層傾角的影響，其確定方法有直接法和間接法兩種。

（1）直接法

當(dāng)煤層埋藏較淺，上覆巖層主要為松散層時，可設(shè)置松散層觀測站，通過實地觀測，求取ψ角。

（2）間接法當(dāng)采空區(qū)上部基巖直接露出地表，或雖有松散層，但厚度很薄，在整個上覆巖層中占的比例很小時，可通過設(shè)站觀測，直接求取基巖的移動角，然后利用已知的基巖移動角，間接求取松散層移動角ψ，如圖7-27所示。具體方法為：用基巖移動角自采空區(qū)邊界劃線和基巖松散層交接面相交于B點，B點至地表下沉為10mm的點C連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角即為松散層移動角ψ。圖7-27間接法求取松散層移動角示意圖與沉陷盆地有關(guān)的還有充分采動角ψ1、ψ2、ψ3-及最大下沉角θ（在圖7-17中已有描述）。以上所述各角為巖層與地表移動的重要參數(shù)，均系通過實地觀測確定的。在實際運用中，往往令ψ=45°來大致確定松散層移動角。

第三節(jié)

地表移動盆地的空間分布和時間過程

地下煤層采出后引起的地表沉陷是一個時間和空間過程。隨著工作面的推進(jìn)，不同時間的回采工作面與地表點的相對位置不同，開采對地表點的影響也不同。地表點的移動經(jīng)歷一個由開始移動到劇烈移動，最后到停止移動的全過程。在生產(chǎn)實踐中經(jīng)常會遇到下述情況，即僅僅根據(jù)穩(wěn)定后(或靜態(tài))的沉陷規(guī)律還不能很好地解決實際問題，必須進(jìn)一步研究移動變形的動態(tài)規(guī)律。例如，在超充分采動條件下，地表下沉盆地出現(xiàn)平底，在此平底范圍內(nèi)地表下沉相同，地表變形等于零或接近于零(僅有極微小變形)，但不能認(rèn)為在此區(qū)域內(nèi)的建筑物不經(jīng)受變形，不受到破壞，因為在工作面推進(jìn)過程中該區(qū)域內(nèi)的每一個點均要經(jīng)受動態(tài)變形的影響，雖然這種動態(tài)變形是臨時性的，但它同樣可以使建筑物遭到破壞。在建筑物下采煤時，需要隨時確定建筑物受采動影響的開始時間和在不同時期的地表移動變形量，以便對建筑物采取適當(dāng)措施，如加強(qiáng)觀測、加固、臨時遷出或改變用途等。在鐵路下采煤時，需根據(jù)動態(tài)變形規(guī)律確定鐵路維修范圍，預(yù)計鐵路上部建筑起墊量等。在進(jìn)行協(xié)調(diào)開采時，根據(jù)動態(tài)變形規(guī)律可以更合理地安排回采工作面之間的相互關(guān)系等等。以上這些都說明了開展采動過程中地表移動和變形分布規(guī)律研究的必要性。

一、地表點的移動軌跡

地表點從開始移動到劇烈移動，再到移動逐漸停止，是一個較為復(fù)雜的時間空間過程，現(xiàn)以移動盆地走向主斷面充分采動區(qū)內(nèi)的地表點A為例進(jìn)行說明(圖7-28)。（一）當(dāng)工作面由遠(yuǎn)處向A點推進(jìn)、移動波及到A點時，地表下沉速度由小逐漸變大，A點的移動方向與工作面推進(jìn)方向相反，此為移動的第I階段；（二）當(dāng)工作面通過A點正下方(如2處)繼續(xù)向前推進(jìn)時，地表下沉速度迅速增大，并逐漸達(dá)到最大下沉速度，A點的移動方向近于鉛垂方向，此為移動第Ⅱ階段；圖7-28采動過程中主斷面內(nèi)地表點移動軌跡示意圖（三）當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，逐漸遠(yuǎn)離地表點A后，點A的移動方向逐漸與工作面推進(jìn)方向相同，此為移動的第Ⅲ階段；（四）當(dāng)工作面遠(yuǎn)離地表點達(dá)到一定距離后，回采工作面對A點的影響逐漸消失，點A的移動停止。穩(wěn)定后，點A的位置并不一定在其起始位置的正下方，一般略微偏向回采工作面停止位置一側(cè)，此為移動的第Ⅳ階段。

上面所述為處于充分采動區(qū)內(nèi)的地表點的移動軌跡。地表移動盆地內(nèi)的各點的移動軌跡并不一致(圖7-29)，其原因是地表移動盆地內(nèi)的每一個點與采空區(qū)相對位置不同。位于充分采動區(qū)左側(cè)的點，不受迎工作面推進(jìn)的影響，只受工作面通過該點后的影響；而位于充分采動區(qū)右側(cè)的點，只受迎工作面推進(jìn)的影響，而不受工作面通過該點后的影響。移動盆地內(nèi)各地表點移動的共同特點是：開始時移動方向都是指向回采工作面，移動穩(wěn)定后移動向量都是指向采空區(qū)中心。

二、工作面推進(jìn)過程中的超前影響

（一）起動距

在走向主斷面上，工作面由開切眼推進(jìn)一定距離到達(dá)某點后（見圖7-30)，巖層移動開始涉及到地表。通常把地表開始移動時工作面的推進(jìn)距離稱為起動距。地表開始下沉是以觀測地表點的下沉值達(dá)到10mm為標(biāo)準(zhǔn)。一般在初次采動時，起動距約為（1/4～1/2）H0（H0為平均開采深度）。起動距的大小主要和開采深度及巖石的物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。

圖7-29采動過程中地表點移動與工作面位置相對關(guān)系(二)超前影響、超前影響角、超前影響距

在圖7-30上，當(dāng)工作面推進(jìn)至B點時，得下沉曲線W1，工作面前方1點開始受采動影響而下沉；當(dāng)工作面推進(jìn)的距離約為（1.2～1.4）H0，即推至C點時，得下沉曲線W2，地表2點開始受影響而下沉。從這里可以看出，在工作面推進(jìn)過程中，工作面前方的地表受采動影響而下沉，這種現(xiàn)象稱為超前影響。將工作面前方地表開始移動(即下沉10mm)的點與當(dāng)時工作面的連線，此連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角稱為超前影響角，用ω表示。開始移動的點到工作面的水平距離稱為超前影響距。

圖7-30工作面推進(jìn)過程中的超前影響已知超前影響距和開采深度，便可計算超前影響角，其計算公式為（7-10）

式中L－超前影響距；

H0－平均開采深度。

影響超前影響角大小的因素為：1．采動程度當(dāng)?shù)乇頌榉浅浞植蓜訒r，W角值隨開采面積的增大而減小，如W1；當(dāng)?shù)乇磉_(dá)到充分采動后，W值基本趨于定值，如w2，W3；當(dāng)工作面回采結(jié)束、地表移動穩(wěn)定后，W等于邊界角δ0。2．工作面推進(jìn)速度

W值隨著工作面推進(jìn)速度增大而增大。據(jù)棗莊煤礦資料：當(dāng)工作面推進(jìn)速度c＝1m／d時，W＝62°；當(dāng)c=1．5m／d時，W=71°；當(dāng)c＝2.1m／d時，W＝78°。

3．采動次數(shù)重復(fù)采動時的超前影響角比初次采動時小。

掌握了超前影響的規(guī)律，就可以在工作面推進(jìn)過程中，確定工作面在任一位置時的地表影響范圍。

三、工作面推進(jìn)過程中的下沉速度

下沉速度的計算公式是：

（7-11）

式中Wm+1——第m+1次測得的n號點的下沉量，mm；Wm——第m次測得的n號點的下沉量，mm；t——兩次觀測的間隔天數(shù)。式(7-11)經(jīng)換算得：

（7-12）

式中

HAn、HBn----分別為工作面推進(jìn)到A點(此時進(jìn)行第m次觀測)和工作面推進(jìn)到B點(此時進(jìn)行第M+1次觀測)時所觀測的n點高程。

圖7-31表示工作面推進(jìn)過程中的下沉速度曲線，橫坐標(biāo)表示為x，縱坐標(biāo)表示為V(x)，1、2、3、4為不同位置時的下沉速度曲線。在圖7-31可以看出：

圖7-31工作面推進(jìn)過程中的下沉速度曲線和滯后影響1，2一非充分采動時的下沉速度曲線;3,4一充分采動時的下沉速度曲線1．在非充分采動，即工作面由A推進(jìn)至B，由B推進(jìn)至C時，隨著采空面積的增大，地表各點的下沉速度逐漸增大，最大下沉速度也增加。當(dāng)從A推進(jìn)到B時，地表各點的平均下沉速度曲線為曲線1、最大下沉速度為VAB；當(dāng)從B推進(jìn)到C時，地表各點的平均下沉速度曲線為曲線2、最大下沉速度為VBC。2．當(dāng)達(dá)到充分采動后，下沉速度分布曲線有如下特征：（1）地表各點的下沉速度有一定的變化規(guī)律，可以用圖7-31中的下沉速度曲線3、4描述；（2）當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)，地表下沉速度曲線形狀基本不變；（3）地表最大下沉速度達(dá)到該地質(zhì)采礦條件下的最大值；

（4）隨工作面的推進(jìn)，地表最大下沉速度點和回采工作面之間相對位置基本不變，最大下沉速度點也有規(guī)律地向前移動?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)乇磉_(dá)到充分采動后，在地表下沉速度曲線上，最大下沉速度總是滯后于回采工作面一個固定距離，此固定距離稱為最大下沉速度滯后距，用表示。這種現(xiàn)象稱為最大下沉速度滯后現(xiàn)象。把地表最大下沉速度點與相應(yīng)的回采工作面連線，此連線和煤層(水平線)在采空區(qū)一側(cè)之夾角，稱為最大下沉速度滯后角，用Φ表示，其計算公式：0HLarcctg=F（7-13）

式中L—滯后距，

H0—平均采深。

影響最大下沉速度滯后角的因素很多，主要是巖性、采深H0和工作面推進(jìn)速度。有的資料說明，在巖性和推進(jìn)速度變化較小情況下，通常采深愈大，滯后角愈大；采深愈小，滯后角愈小。地表出現(xiàn)最大下沉速度的地點是該時刻地表移動最劇烈的地點。掌握了滯后角的變化規(guī)律，便可在工作面推進(jìn)過程中隨時確定地表移動最劇烈的地區(qū)。四、地表移動持續(xù)時間

所謂地表移動持續(xù)時間或移動過程總時間，是指在充分采動或接近充分采動情況下，下沉值最大的地表點從移動開始到移動穩(wěn)定所持續(xù)的時間。移動持續(xù)時間或移動過程總時間應(yīng)根據(jù)地表最大下沉點求得，因為在移動盆地內(nèi)各地表點中，地表最大下沉點的下沉量最大，下沉持續(xù)時間最長。地表最大下沉速度Vjm是某點相鄰兩次觀測下沉值Δw與該觀測間隔時間Δt比值的最大值。

圖7-32采動過程中地表水平移動曲線變化規(guī)律五、工作面推進(jìn)過程中地表移動和變形的變化規(guī)律

（一）水平移動變化規(guī)律(如圖7-32)工作面推進(jìn)過程中的傾斜變化規(guī)律與水平移動變化規(guī)律基本相同。(二)曲率的變化規(guī)律（如圖7—33）在固定邊界上方地表的最大正曲率，在非充分采動時由小到大逐漸增加，至地表移動穩(wěn)定時達(dá)到最大值；最大負(fù)曲率先由小到大逐漸增加，然后又由大變小至充分采動時達(dá)到一固定值。圖7-33表示工作面推進(jìn)過程中地表曲率的變化規(guī)律。圖7-33采動過程中地表曲率變形曲線變化規(guī)律(三)垂直于推進(jìn)方向斷面上地表移動與變形的變化規(guī)律(如圖7-34)應(yīng)當(dāng)指出，目前對采動過程中地表移動和變形的規(guī)律研究得很不充分，尤其是對一些參數(shù)的變化規(guī)律研究得更少，今后需要加強(qiáng)這方面的研究工作。

圖7-34采動過程中垂直于工作面推進(jìn)方向的斷面上下沉、傾斜的水平變形的變化規(guī)律第四節(jié)地表移動變形的預(yù)計方法

一、地表移動預(yù)計概念及意義地表移動預(yù)計是開采損害評價和環(huán)境防護(hù)的重要內(nèi)容，在開采及相關(guān)工程設(shè)計施工之前都要進(jìn)行地表移動變形的預(yù)計。目前，國內(nèi)外比較廣泛使用的地表移動計算方法有三類：理論法、典型曲線法和剖面函數(shù)法。計算地表移動的理論法有隨機(jī)介質(zhì)理論法、彈塑性理論法、幾何理論法等

隨機(jī)介質(zhì)理論是李特維尼申教授1956年提出的。后經(jīng)我國劉天泉院士、劉寶琛院士、廖國華教授、周國銓教授等在這方面做了許多工作，完善和發(fā)展了這一理論，并提高了它的實用性，成為廣泛應(yīng)用的概率積分法。阿維爾申（前蘇聯(lián)）曾應(yīng)用塑性理論研究地表移動，沙烏斯托維奇（波蘭）、M.鮑萊茨基和M.胡戴克（波蘭）、庫瑪爾（印度）等人據(jù)彈性理論認(rèn)為下沉盆地剖面類似于梁或板的彎曲。但由于受采動巖體的力學(xué)常數(shù)難以精確確定，而至今尚未達(dá)到定量的實用階段。近十余年來，隨著有限元法的廣泛應(yīng)用，使彈塑性理論用于計算地表移動和變形成為可能。電子計算機(jī)的快速運算能力給選擇較為復(fù)雜而又與實際符合的數(shù)學(xué)力學(xué)模型創(chuàng)造了條件。我國的許多從事巖移及三下開采的學(xué)者在這方面已作了大量的卓有成效的研究工作。并完善和發(fā)展了這一理論。

幾何理論創(chuàng)始于20世紀(jì)20年代。1950年以來這個理論由布得雷克、克諾特教授（波蘭）加以發(fā)展和完善。幾何理論的最終表達(dá)式與隨機(jī)介質(zhì)理論的公式是一致的，由于都利用了概率積分函數(shù)計算，統(tǒng)稱概率積分法。幾何理論在我國和包括波蘭在內(nèi)的世界許多國家得到了廣泛應(yīng)用。典型曲線法是將同類型地質(zhì)采礦條件地表下沉盆地的移動和變形分布用無因次曲線或表格表示。這種方法在我國峰峰、平頂山、撫順等礦區(qū)得到使用。在國外，前蘇聯(lián)和英國應(yīng)用的比較普遍。1975年英國煤炭管理局出版的《下沉工程師手冊》所介紹的計算方法就屬于典型曲線法。

剖面函數(shù)法是根據(jù)地表下沉盆地剖面形狀來選擇描述下沉盆地剖面的相應(yīng)函數(shù)，作為計算地表移動和變形的公式。剖面函數(shù)在匈牙利、前蘇聯(lián)、德國、英國、南斯拉夫等國應(yīng)用了多年。我國許多礦區(qū)使用過多種剖面函數(shù)法，特別是負(fù)指數(shù)函數(shù)法應(yīng)用的較多。綜合上述各種預(yù)計方法，其中概率積分法目前在我國使用極為廣泛，故現(xiàn)在“三下”采煤修訂版僅推薦采用概率積分法。

根據(jù)預(yù)計的要求、保護(hù)對象的空間位置和開采礦層的情況，地表移動變形預(yù)計的內(nèi)容可以包括下列內(nèi)容的一項或幾項：（1）下沉盆地主斷面上的移動和變形預(yù)計：預(yù)計地表沿下沉盆地走向主斷面和（或）傾向主斷面的移動和變形分布。（2）最大值預(yù)計：預(yù)計地表的下沉、傾斜、曲率、水平移動和水平變形的最大值及其出現(xiàn)的位置。（3）地表任意點移動和變形值預(yù)計：預(yù)計地表下沉盆地內(nèi)任一點的下沉值及其該點沿指定方向的傾斜、曲率、水平移動、水平變形、扭曲和剪應(yīng)變值。（4）多工作面和（或）多煤層開采時巖層和地表移動預(yù)計：地表點受到重復(fù)開采的影響，預(yù)計時應(yīng)考慮所有影響的總和。二、概率積分法

概率積分法認(rèn)為開采引起的地表移動屬隨機(jī)事件，且從統(tǒng)計觀點看，認(rèn)為任意開采條件下都可以把整個開采分解許多或無限多個微小單元的開采，整個開采對地表的影響等于所有單元開采的影響總和，因而可從單元開采入手，研究下沉盆地的方程式。實驗表明，下沉盆地的剖面在理想情況下，曲線呈正態(tài)分布，且與概率密度的分布一致。因此，整個開采引起的下沉盆地的剖面方程式，可表示為概率密度函數(shù)的積分公式，故稱本法為概率積分法。由于這種方法的基礎(chǔ)是隨機(jī)介質(zhì)理論，所以又叫隨機(jī)介質(zhì)理論法。下面介紹概率積分法預(yù)計的部分公式：

在平面問題中，所謂半無限開采是指在開采邊界的一側(cè)，在斷面方向采空區(qū)為無限長；若S>0的煤層已全厚采出、S<0的煤層全都沒有開采。此種情況稱為半無限開采。

圖7-35半無限開采地表的下沉和水平移動1—煤壁；2—開采單元；3—下沉前頂板原始位置4—下沉后頂板假設(shè)位置；W0—頂板下沉量（一）半無限開采的傾斜煤層(α<50°)

。見圖7-35。1．走向主斷面上地表移動和變形值計算

（7-14）

式中x為計算點的坐標(biāo)，m；坐標(biāo)原點為計算邊界（考慮拐點偏距）在地表的投影，坐標(biāo)軸指向采空區(qū)方向為正，指向煤柱方向為負(fù)。

2．走向主斷面上地表移動和變形的最大值及其位置

（7－15）

3．傾斜主斷面上地表移動和變形的計算

傾斜主斷面的下沉、傾斜和曲率的計算公式與式（7－14）基本相同，僅是在計算傾斜主斷面上一側(cè)移動變形值時，以代替，計算山一側(cè)移動和變形時，以代替。

傾斜主斷面水平移動和水平變形值計算式為：

ry2rxrxr1y（7-16）

式中式中r1，2—傾斜主斷面下山邊界的主要影響半徑（r1）草藥和上山邊界的主要影響半徑（r2），m（7-17）H1—下山計算采深，H1=H1`-S1·sinα；H2—上山計算采深，H2=H2`+S2·sinα；

H1`、H2`—分別為實測的下山采深和上山采深；S1、S2—分別為下山和上山的拐點偏距。

4．傾斜主斷面上地表移動變形的最大值及其位置

傾斜主斷面上最大傾斜值和最大曲率值的計算公式與式（7-16）基本相同，僅在計算傾斜主斷面上山一側(cè)最大移動變形值時，以代替，計算下山一側(cè)的最大移動變形值時，以代替，傾斜主斷面上最大水平移動值和最大水平變形值的計算公式為：

2rxryr1yrx（7－18）

（二）有限開采條件下地面任意點移動和變形計算的公式

（7－19）

式中φ—從橫坐標(biāo)x方向反時針旋轉(zhuǎn)到待求方向的角度。W（x）、i（x）、K（x）、U（x）、ε（x）—計算點在走向主斷面上投影點的移動和變形值（y方向為充分采動時）；W（y）、i（y）、K（y）、U（y）、ε（y）—計算點在傾斜主斷面上投影點的移動和變形值（x方向為充分采動時）。

（三）兩個方向上均為有限開采時的下沉剖面移動與變形計算公式

在前面的計算中，W（x）、i（x）……和W（y）、i（y）……均不是實際的有限開采的下沉剖面，而是另一個方面充分采動時下沉的剖面。為了得到實際主斷面上有限開采的下沉剖面（另一個方向上也可能是有限開采）可以從式（7-19）導(dǎo)出，并記為W[x]、i[x]……，即：

下沉W[x]=Cym[W3（x）-W4（x-l）]傾斜i[x]=Cym[i3（x）-i4（x-l）]曲率K[x]=Cym[K3（x）-K4（x-l）]（7-20）水平移動U[x]=Cym[U3（x）-U4（x-l）]水平變形

ε[x]=Cym[ε3（x）-