矿山地质环境基本知识

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矿山环境学

第一节 矿山地面沉陷、坍陷

（一）岩层移动的有关概念

煤层采出后，采空区周围原有的应力平衡状态受到破坏，引起应力的重新分布，从而引起岩层的变形、破坏与移动，并由下向上发展至地表引起地表的移动，这一过程和现象称为岩层移动，又称为开采沉陷。

有关研究提供了图2—132所示的岩层移动边界图象。这种图形认为，在断裂面上任意一点C所处的应力状态均为极限状态，即如图2—133所示的状态。滑移面即为岩层移动的边界。由煤层开采后形成的采空区大多数为长方形，而关键层的破坏因长方形的角效应影响而呈椭圆形，因而岩层与地表移动盆地均为椭圆形，且比采空区面积要大，该剖面图明确表示出采空区顶边界3—4地面变形和岩层移动侧向边界1—2，与采空区三带（冒落、裂隙、弯曲）分布联系在一起，即形成采空区顶板移动完整的概念模型。

图2—132 岩层移动图象

1—滑移面；2—断裂面；3—拉伸变形；4—压缩变形；α—断裂角；β—滑移角

下面以地表移动为例，介绍几个有关岩层移动的基本概念。 1．充分采动与非充分采动

当采空区尺寸（长度和宽度）相当大时，地表最大下沉值达到该地质条件下应有的最大值，此时的采动称为充分采动。此后采空区尺寸再继续扩大时，地表的影响范围相应扩大，但地表最大下沉值不再增加，地表移动盆地将出现平底“盘状”。将刚达到充分采动

状态的采空区尺寸称为临界开采尺寸。如果采空区尺寸小于临界开 图2—133 采尺寸，称为非充分采动。此时，下沉盆地呈尖底“碗状”。随着开采尺寸增加，地表下沉值还将继续增大。

2．移动与变形

岩层与地表移动会导致其产生沿竖直方向和水平方向的位移，前者称为下沉（W）。后者称为水平移动（u）。由图2—134可见，由于地表相形分为倾斜、曲率、邻点的下沉和水平移动量是不相等的，这表明点与点之间有相对的移动，从而引起地表变形。地表变水平变形（拉伸和压缩），它们分别由下沉和水平移动导出。

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（1）倾斜变形（i）。这是指相邻点在竖直方向的相对移动与两相邻点间水平距离的比值。它反映盆地沿某一方向的坡度。在图2—134中以3、4点为例，示于图—135中。

i3-4＝

倾斜变形会使地表移动盆地内的建筑物歪斜，特别是对底面积小而高度很大的建筑物影响较严重。

图2—134 图2—135

（2）曲率变形（K）。这是指相邻线段的倾斜差与两线段中点间的水平距离的比值。它反映观测线断面上的弯曲程度。曲率有正、负之分，下沉曲线上凸为正，下凹为负。下沉曲线的凹凸分界点称为拐点。

k＝ i/L （mm/m）

曲率又常以曲率半径ρ表示，即

p＝1/k

曲率变形引起建筑物上附加应力增大，一般是随曲率半径减小，建筑物长度增大，建筑 物产生的破坏也加大。

（3）水平变形（ε）。这是指两相邻点的水平移动差值与两点间水平距离的比值。它反映相邻两点间单位长度的拉伸（正）或压缩（负）值。 ε

3-4

2

w4 w3 w

（mm/m）

L3 4L

＝

水平变形是引起建筑物破坏的重要因素。特别是砖木结构的建筑物，抗拉伸变形的能力 很小，所以它在受到拉伸变形后，往往先在建筑物的薄弱部位（如门窗上方）出现裂缝。

３.岩层移动角

地表下沉边界（常以10 mm点划定）和采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为岩层移动角。当有表土层存在时，应从地表移动边界用松散层移动角φ划线和基岩与表土层交接面相交，以交点至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为岩层移动角。根据不同断面，移动角分为：走向移动角δ；下山移动角β；上山移动角γ。各岩层移动角含义参见图2—136。掌握具体条件下岩层移动角参数，对岩层移动范围的预测和各种保护煤柱（如工厂保护煤柱、井下巷道岩移保护煤柱）的合理留设具有重要的意义。

u4 u3 u

（mm/m） L3 4L

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图2—136 岩层移动角示意图

（二）岩层移动的基本规律 1．采场覆岩移动破坏的分带

大量的观测表明，采用全部垮落法管理采空区情况下，根据采空区覆岩移动破坏程度可以分为“三带”，即垮落带、裂缝带和弯曲带（或整体移动带），如图2—137（a）所示。图2—137为不同覆岩条件下，覆岩破坏高度的实测结果。

（1）垮落带。破断后的岩块呈不规则垮落，排列也极不整齐，松散系数比较大，一般可达1.3～1.5。但经重新压实后，碎胀系数可降到1.03左右。此区域与所开采的煤层相毗连，很多情况下是由于直接顶岩层冒落后形成的。

（2）裂缝带。岩层破断后，岩块仍然排列整齐的区域即为裂缝带。它位于冒落带之上，由于排列比较整齐，因此碎胀系数较小。关键层破断块体有可能形成图2—137（c）所示的“砌体梁”结构。垮落带与裂缝带合称“两带”，又称为“导水裂缝带”，意指上覆岩层含水层位于“两带”范围内，将会导致岩体水通过岩体破断裂缝流入采空区和采煤工作面。“两带”高度和岩性及煤层采高有关，覆岩岩性越坚硬，“两带”高度越大。一般情况下，对于软弱岩层，其“两带”高度为采高的9～12倍，中硬岩层为12～18倍，坚硬岩层为18～28倍。准确地确定“两带”高度，对解决水体下采

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煤问题及下解放层开采瓦斯突出煤层有特别重要的意义。

（3）弯曲带。自裂缝带顶界到地表的所有岩层称为弯曲带。弯曲带内岩层移动的显著特点是，岩层移动过程的连续和整体性，即裂缝带顶界以上至地表的岩层移动是成层地、整体性地发生的，在垂直剖面上，其上下各部分的下沉差值很小。若存在厚硬的关键层，则可能在弯曲带内出现离层区。

（三）关键层运动队岩层移动的影响

图2—141为岩层移动过程的实验结果。其中，曲线1为距煤层30 m的一层关键层距开眼90 m处下沉量和下沉速度与工作面相对位置的关系曲线。曲线2为该层关键层上方82 m处对应点下沉量

和下沉速度与工作面相对位置的关系曲线。由图2—141可见，关键层与其上方82 m处岩层几乎同步运动，采过测点105 m之前，关键层与上覆82 m处岩层下沉速度都较小；采过测点105 m后，关键层破断急剧下沉，并导致其上覆82 m岩层同步下沉。

实验与实测证明，岩层移动由下向上成组运动，岩层移动的动态过程受控于覆岩关键层的破断运动。当第一为亚关键层（老顶岩层）时，它

所控制的上覆岩层组与之同步破断运动，如此往上发展直至覆岩主关键层。主关键层的破断导致上覆所有岩层直至地表的同步破断下沉。

关键层理论的进一步研究还表明，覆岩层关键层不仅对地表动态下沉过程起控制作用，还对地表移动曲线特性产生影响，地表下沉是关键层与表土层耦合作用的结果。一方面，关键层破断块度越大，其对地表下沉曲线特征的影响越显著，相应地表下沉曲线的非正态分布特征越显著。另一方面，表土层起着消化关键层非均匀下沉的作用，表土层越薄，地表下沉的非均匀、非正态特征越显著，反之亦然。当关键层破断块度较小或表土层厚度足够大时，关键层对地表下沉的影响已很小。因此，对于表土层较薄或覆岩中有很厚、很硬的关键 …… 此处隐藏：13434字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……