地表移动与变形

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1、1第一章第一章第一章第一章地表移动和变形的规律地表移动和变形的规律地表移动和变形的规律地表移动和变形的规律教学 目的 与要 求： 地表移动和变形 的规律是 开采损害与保护学 中 最重要的内容之一。 本 章介绍了矿山开采地表移动和变形规律相关理论知识， 通 过学习， 要 求学生掌握 矿山开采损害与保护相关的基本概念， 理解并掌握各种开采条件下、 开 采过程中 及移动盆地稳定后地表沉陷的一般规律。 课程 内容 ： 地下开采引起的岩层移动及地表的移动和破坏、地 表移动盆地内移动和变 形分析以及地表移动盆地边界的确定等； 移动盆地稳定后主断面内移动和变形分 布规律； 采动过程中 (动态 )主断面内移动

2、和变形分布规律； 移动盆地稳定后全面 积的移动和变形分布规律； 地 质采矿因素对地表沉陷的影响； 复 杂地质条件对地 表沉陷的影响。 教学 重点 ： 岩层移动的形式及移动稳定后采动岩层内的三带划分和各自特征； 各种开 采条件下不同采动程度的主断面内移动和变形分布规律；采 动过程中的地表移动 和变形的一般规律，地 表下沉稳定后全面积开采损害与保护分布规律及各等值线 的特点。教学 难点 ： 地表移动盆地内移动和变形分析以及地表移动盆地边界的确定； 对地质采 矿因素对地表沉陷的影响进行分析。第一节开采引起的岩层和地表移动一、开采引起的岩层移动和破坏（一 ）岩 层移 动和 破坏 过程 当部 分矿 体被

3、 采出 后，在 岩 体内 部形 成一 个采 空区 ，其 周 围岩 体应 力平 衡状 态受 到破 坏 ，引起 应力 重 新 分布 ， 从 而使 岩体 产生 移动 、 变形 和破 坏， 直 至 达到 新的 平衡 。 随 着 工作 面 的推进 ， 这 一过 程不 断重 复。 这 是 十分 复杂 的物 理、 力 学 变化 过程 ， 也 是 岩层 产生 移动 和破 坏过程 ，这 一过 程和 现象 称为 岩层 移动 （ StratMovem nt）。为 了 便于 理解 ，以 近水 平矿 层开 采为 例， 说明 岩层 移动 和破 坏过 程和 应力 状态 的变 化。（二 ）岩 层移 动和 破坏 的形 式在岩

4、层移 动过 程中 ，采 空区 周围 岩层 的移 动和 破坏 形式 主要 有以 下几 种： 1 弯曲2垮 落 ， 又称 冒落3 矿体 的挤 出4岩 石沿 层面 的滑 移5岩 石的 下滑6底 板的 隆起在某 一个 具体 的岩 层破 坏和 移动 过程 中， 以 上 六种 移动 形式 不一 定同 时出 现。 另 外 ， 松散层 的移 动形 式是 垂直 弯曲 ， 不 受矿 层倾 角的 影响 。 在 水平 矿层 条件 下， 松 散 层和 基岩 的 移动形 式是 一致 的。（三 ）岩 层移 动和 破坏 稳定 后形 成的 三带 岩层 移动 和破 坏稳 定后 按其 破坏 的程 度， 大致 分为 三个 不同 的开

5、 采影 响带 ，即 冒落 带2（ CavedZone）、 裂缝 带（ FracturedZone）和 弯曲 带（ ContinuousDeform ationZone）。1冒 落带冒落 带 （ 又称 垮落 带） 是 指 由采 矿引 起的 上覆 岩层 破裂 并向 采空 区垮 落的 岩层 范围 。 冒落带 内岩 层破 坏特 征： （ 1）在 冒落 带内 ，从 矿层 往上 岩层 破碎 程度 逐步 减小 。（ 2）冒 落岩 块间 空隙 较大 ，连 通性 好， 有利 于水 、砂 、泥 土通 过。（ 3）冒 落岩 石具 有的 碎胀 性能 使冒 落自 行停 止。（ 4）冒 落带 高度 主要 取决 于采 出厚

6、 度和 上覆 岩层 的碎 胀系 数。（ 5）冒 落岩 石间 的空 隙随 着时 间的 延长 和工 作面 推进 距离 的增 加， 在上 覆岩 层压 力作用下 ，在 一定 程度 上可 得到 压实 。 2裂 缝带裂缝 带是 指在 采空 区上 覆岩 层中 产生 裂缝 、离 层 及断 裂，但 仍 保持 层状 结构 的那 部分 岩层。 裂 缝 带位 于垮 落带 和弯 曲带 之间 。 裂 缝带 内岩 层产 生较 大的 弯曲 、 变 形和 破坏 ， 其 破 坏特征 ： （ 1）裂 缝带 内 的 岩层 不仅 发生 垂直 于层 理面 的裂 缝或 断裂 ，而 且 还 产生 顺层 理面 的离层裂 缝。 （ 2）根 据连

7、 通性 的 好坏 ，裂 缝带 一般 导水 、但 不利 于砂 、泥 土通 过。（ 3）冒 落带 和裂 缝带 合称 为两 带， 又称 为冒 落裂 缝带 ，在 解决 水体 下采 矿时 ，垮 落带和裂 缝带 合称 为导 水裂 缝带 。 （ 4）导 水裂 缝带 高度 与岩 性有 关。 准确 地确 定导 水裂 缝带 高度 ，对 水体 下采 矿至 关重要。 （ 5）裂 缝带 随着 工作 面推 进距 离的 增加 ，当 采空 区扩 大到 一定 范围 时， 裂缝 带的 高度达到 最大 。 3弯 曲带弯曲 带指 的是 裂缝 带之 上直 至地 表的 整个 岩系 。其 岩层 移动 和破 坏特 征： （ 1）弯 曲带 内

8、岩 层在 自重 的作 用下 产生 层面 法向 弯曲 ，在 水平 方向 上处 于双 向受 压状态， 其压 实程 度比 较好 。 （ 2）弯 曲带 内岩 层移 动过 程连 续而 有规 律， 并保 持整 体性 和层 状结 构， 不存 在或 极少存在 离层 裂缝 。在 竖直 面内 ，各 部分 的移 动值 相差 很小 。 （ 3）弯 曲带 一般 情况 下具 有隔 水性 ，特 别是 当岩 性较 软时 ，隔 水性 能更 好， 成为 水下开采 时的 良好 保护 层。 （ 4） 弯 曲带 的高 度主 要受 开采 深度 的影 响。 当 采 深较 小时 ， 导 水 裂缝 带高 度直 达地 表 ，不存 在弯 曲带 ；

9、 当 采深 较大 时， 弯 曲 带高 度可 大大 超过 垮落 带和 裂缝 带的 高度 之和 ， 开 采 形成的 裂缝 带不 会达 到地 表。 “ 三带 ” 在水 平或 缓倾 斜矿 层开 采时 表现 比较 明显 ， 由于 地质 采矿 条件 的不 同， 覆 岩 中的 “ 三带 ” 不一 定同 时存 在。二、开采引起的地表移动和破坏（一 ）地 表移 动的 形式 1地 表移 动盆 地当地 下工 作面 开采 达到 一定 距离 后（ 约为 采深 的 1/4 1/2时） ，开 采影 响到 地表 ，受 采动影 响的 地表 从原 有 的 标高 向下 沉降 ，从 而在 采空 区上 方形 成一 个比 采空 区大 得

10、多 的沉 陷 区域， 称为 地表 移动 盆地 ，或 称下 沉盆 地（ SubsidenceBasin）。2裂 缝及 台阶在地 表移 动盆 地的 外边 缘区 ，地 表 可能 会产 生裂 缝，裂 缝 的深 度和 宽度 与有 无松 散层 及其厚 度有 关。 3塌 陷坑塌陷 坑多 出现 在急 倾斜 矿 层开 采条 件下 ，但 是在 某种 特殊 的地 质采 矿条 件下 也易 产生 塌陷坑 。 在 采 深很 小、 采 厚 很大 时， 由 于 采厚 不一 致， 造 成 覆岩 破坏 高度 不一 致， 地 表 也可 能出现 漏斗 状塌 陷坑 。在 有 含水 层的 松散 层下 采 矿 时，不 适 当地 提高 回采

11、 上限 也会 引起 地表 产生 漏斗 状 的 塌陷 坑。3地表 出现 的裂 缝、 台 阶 或塌 陷坑 ， 对 位于 其上 的建 筑物 危害 极大 。 所 以在 建筑 物下 、 铁路下 或水 体下 采 矿 时， 应极 力避 免出 现大 的裂 缝、 台阶 和塌 陷坑 。（二 ）地 表移 动盆 地的 形成 当回 采工 作面 自开 切眼 开始 向前 推进 的距 离相 当于 采深 的 1/4 1/2时， 开采 影响 波及 到地表 ， 引 起 地表 下沉 。 然 后 ， 随 着 工作 面继 续向 前推 进， 采 空 区 面积 增 大， 地 表 的影 响范 围不断扩大，下沉值不断增加，下沉盆地也逐渐扩大。如

12、图 1-7所示 ， 当采空区达到一定程度时， 最 大 下沉 值将 不再 增加 而形 成一 个平 底的 下沉 盆地 。 当 工作 面停 止以 后， 地 表 的移 动 不会马 上停 止， 要 延 续一 段时 间， 然 后 才能 稳定 ， 形 成最 终的 地表 移动 盆地 ， 此 时 的盆 地又 称静态 移动 盆地 。图 1-7地表移动盆地形成过程（三 ）充 分采 动程 度 1地 表移 动盆 地的 类型根据 采动 对地 表影 响的 程度 ，一 般将 地表 移动 盆地 划分 为三 种类 型：（ 1）非 充分 采动 下沉 盆地当采 空区 尺寸 小于 该地 质采 矿条 件下 的临 界开 采尺 寸时 ，地

13、表任 意点 的下 沉值 均未 达到该 地质 采矿 条件 下应 有的 最大 值， 这 种 采动 称为 非充 分采 动 （ SubcritcalMining）， 此 时 地表移 动盆 地称 为非 充分 采动 下沉 盆地（ SubcritcalSubsidenceBasin），形 状 为 漏 斗 形（ 图 1-8） 。（ 2）充 分采 动下 沉盆 地当地 表移 动盆 地内 只有 一个 点的 下沉 达到 该地 质采 矿条 件下 应有 的最 大下 沉值 的采 动状态 ， 称 为 充分 采动 （ CritcalMining）， 又 称 临界 开采 。 此 时地 表移 动盆 地称 为充 分采 动 下沉盆 地

14、（ CritcalSubsidenceBasin）， 形 状为 碗形 （如图 1-10）。工作面推进方向H0 1/41/2H0w1 w2 w3w4w041234图 1-8非充分采动时的地表移动盆地0 03 3oA B图 1-超充分采动时的地表移动盆地0 03 3o1A Bw0 w0o2图 1-0充分采动时的地表移动盆地0 03 3oA Bw04（ 3）超 充分 采动 下沉 盆地当达 到充 分采 动后 ， 开 采 工作 面的 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。地 表 有多 个点 的下 沉值

15、达到 最大 下沉 值的采 动情 况， 称 为超 充分 采动 （ SupercitcalMining）， 此 时地 表移 动盆 地称 为超 充分 采动 下沉盆 地（ SupercitcalSubsidenceBasin）， 形 状 为 盆 形 。2 充分 采动 角引入 充分 采动 的概 念主 要是 研究 地表 移动 盆地 的性 质，充 分 采动 的范 围常 用充 分采 动 角（常 用 表示 ） 来 确 定。 充 分 采动 角 （ AngleofFullSubsidence） 是 指 在充 分采 动条 件下 ， 在地表 移动 盆地 的主 断面 上，移 动 盆地 平底 的边 缘在 地表 水平 线上

16、的投 影点 和同 侧采 空区 边 界连线 与 矿 层在 采空 区一 侧的 夹角 称为 充分 采动 角。 下山 方面 的充 分采 动角 以 1表示 ，上 山方向 的充 分采 动角 以 2表示 ，走 向方 向的 充分 采动 角以 3表示 。（四 ）地 表移 动盆 地主 断面 1定 义通常 将地 表移 动盆 地内 通过 地表 最大 下沉 点所 作的 沿矿 层走 向和 倾向 的垂 直断 面称 为地表 移动 盆地 的主 断面 （ MajorSectionofSubsidenceBasin）。 如 图 1-12中的 A、 B。 沿 走 向的主 断面 称为 走向 主断 面， 沿倾 向的 主断 面称 为倾 向主 断面 。从以 上定 义可 看出 ，当 非 充分 采动 和刚 达到 充分 采动 时，沿 走 向和 倾向 分别 只有 一个 主断面 ； 当 超充 分采 动时 ， 地 表有 若干 个最 大下 沉值 ， 通 过任 意一 个最 大下 沉值 沿矿 层走 向 或倾向 的垂 直断 面， 都 可 成为 主断