第十三章 地表与岩层移动简介 13-1 地表与岩层移动的几个基本概念 一、 岩层移动的几种形式 第十三章 地表与岩层移动简介 13-1 地表与岩层移动的几个基本概念 一、 岩层移动的几种形式 由于开采地下矿产资源引起的地表与上覆岩层的岩体遭到破坏而产生的移动与变形统称为地表与岩层移动。地表与岩层移动的形式主要有以下六种。 1、弯曲 当地下煤层被采出后，从其直接顶到地表将沿其层理的法线方向，向采空区方向弯曲。在整个弯曲过程中，岩层整体上保持其连续性和层状结构。 2、冒落 煤层被采出后，其上覆岩层最初的弯曲达到一定限度后，其直接顶板岩层将与整体分开，破碎成小的岩块而落下来充填采空区，这种移动形式称为冒落。
3、片帮 煤层采出后，采空区顶板岩层内出现悬空，其压力便转移到煤壁上，形成增压区，煤壁在附加载荷的作用下，一部分被压碎并垮向采空区，这种现象称为片帮。 4、岩石沿层面的滑动 当煤层倾斜时，岩石的自重力方向与岩层的层理面不垂直，岩石除产生沿其法向的弯曲外，还将产生沿层理面方向的滑动。岩层倾角越大，沿层理面的滑移越明显。 5、垮落岩石的下滑 6、底板岩层的隆起(又称底鼓) 如果煤层底板岩石很软且倾角较大，在煤层采出后，底板在垂直方向减压，水平方向受压，造成底板向采空区方向隆起的现象，称为底鼓。
二、 移动稳定后采动岩层内的三带 煤层采出后，所产生的地表与岩层移动过程较为复杂，为了满足采矿工程的需要，将移动稳定后的采动岩层按其破坏程度不同，分为三个不同的开采影响带，即冒落带、断裂带和弯曲带。 1、冒落带 冒落带是指采用全部垮落法管理顶板时，回采工作面放顶后引起煤层直接顶板产生破坏的范围。其特点是顶板岩石发生破碎，而且越是靠近煤层的岩石破坏愈严重。冒落带的高度主要取决于采出煤层的厚度和上覆岩石的碎胀系数，一般为采出煤层厚度的3-5倍。
2、断裂带 在采空区上覆岩层中产生裂缝、离层和断裂，但仍保持层状结构的那部分岩层称为断裂带。断裂带位于冒落带和弯曲带之间。断裂带内岩层不仅发生垂直于层理面的裂缝或断裂，而且产生顺层理面的离层裂缝。 3、弯曲带 断裂带之上直至地表都属于弯曲带。在弯曲带内，岩层在自重力作用下产生沿层面法线方向的弯曲，但仍保持其原有的层状结构；岩层的移动是连续而有规律的。弯曲带的高度主要受开采深度的影响，当采深很大时，弯曲带的高度将很大，但地表的移动和变形相对较平缓。
三、 地表移动盆地 当开采影响波及到地表之后，受采动影响的地表从原有标高向下沉降，从而在采空区上方形成一个比采空区面积大得多的沉陷区域，这种地表沉陷区域称为地表移动盆地。地表移动盆地是在工作面的推进过程中逐步形成的，地表移动盆地的大小和形状主要与煤层倾角、采空区的大小和采深是否达到充分采动有关。
凡是采空区的尺寸没有达到充分采动的临界值，地表下沉也未达到该地质采矿条件下应有的最大下沉值时，这种采动称为非充分采动。 所谓充分采动是指地下煤层采出后，地表下沉值达到该地质采矿条件下应有的最大值。一般情况下，当采空区的长度和宽度均达到或超过采深的1.2-1.4倍时，地表可达到充分采动。 凡是采空区的尺寸没有达到充分采动的临界值，地表下沉也未达到该地质采矿条件下应有的最大下沉值时，这种采动称为非充分采动。
四、 移动盆地的主断面 通常情况下，通过采空区中心与煤层走向平行或垂直的断面上的地表移动值最大，我们将该断面称为移动盆地的主断面。在主断面上不仅移动量最大，而且地表移动盆地的范围也是最大的。 主断面的位置一般在采空区中间，但与采动情况和煤层倾角有关。在非充分采动情况下，通过采空区中心所作的平行于煤层倾向的垂直断面，即为移动盆地的倾斜主断面。走向主断面的位置则需要通过倾斜主断面上的最大下沉点，按最大移动角θ确定(所谓最大下沉角是指采空区的中点和地表移动盆地的最大下沉点的连线，与水平线之间在煤层下山方向一侧的夹角)。
五、 地表移动和变形对建筑物的影响 1、地表下沉和水平移动对建筑物的影响 地表大面积的均匀下沉和水平移动，只会引起建筑物整体的移动，不会导致建筑物的破坏。但当移动值很大、地下水位很浅时，地表移动盆地积水，不仅会使建筑物淹没在水中，而且易使地基强度降低，严重时可造成建筑物的倒塌。非均匀的下沉和水平移动对建筑物和交通线路等都有严重的不利影响。 2、地表倾斜对建筑物的影响 移动盆地内非均匀的下沉引起的地表倾斜，将使位于其范围内的建筑物重心发生偏斜，特别是对于底面积小、高度大的建筑物(如水塔、烟囱和高压电线铁塔等)影响更大，严重时可导致建筑物发生折断或倾倒。 此外，地表的倾斜还会引起公路、铁路和管道等坡度的变化以及机械设备的倾斜，从而影响它们的正常工作状态，因此必须及时进行修复。
3、地表曲率变形对建筑物的影响 曲率变形是反映地表弯曲程度的指标，分正曲率(地表上凸)和负曲率(地表下凹)两种。负曲率变形使建筑物中间受力小，两端受力大，乃至中央部分处于悬空状态，使建筑物产生八字形的裂缝。 4、地表水平变形对建筑物的影响 水平变形也分为正负两种：正值表示拉伸变形；负值表示压缩变形。水平变形是引起建筑物破坏的重要因素，尤其是拉伸变形。
六、 地表移动盆地的边界角、移动角和裂缝角 在地表移动盆地内不同区域移动和变形的程度不同，人们根据地表移动和变形的程度和实际需要，将移动盆地划分为三个边界。 1、移动盆地的最外边界 以地表移动和变形都为零的点圈出的边界，称为移动盆地的最新边界。实际工作中是以下沉10 mm的点圈定边界。 在移动盆地主断面上盆地的边界点(或松散岩层与岩层交面上的边界点)和采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角，称为边界角。边界角分为走向边界角(δ０）下山边界角(β０）和上山边界角(γ０)，以及急倾斜煤层底板边界角(λ０）
2、危险移动边界 危险移动边界是以地表移动与变形对建筑物有无危害而划分的边界。由于不同建筑物所承受最大变形的能力不同，我国现采用的是以砖木结构的建筑物能承受的最大变形值来作为确定危险边界的标准，地表移动盆地主断面上地表危险移动边界点(有松散层时，则为松散层与基岩交面上的危险边界点)和采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角，称为移动角。移动角也分为走向移动角、下山移动角、上山移动角和急倾斜煤层的底板移动角，分别以δ、β、γ和λ表示。松散岩层的移动角以φ表示。 3、移动盆地的裂缝边界 裂缝边界是根据移动盆地内最外侧的裂缝圈定的边界。在主断面上移动盆地最外侧的地表裂缝和采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角，称为裂缝角。裂缝角也分为走向裂缝角、下山裂缝角、上山裂缝角和急倾斜煤层的底板裂缝角，分别以δ″、β″、γ″和λ″表示。
研究地表与岩层移动的方法主要有实地观测法、理论研究法和相似材料模型法。目前最主要的方法仍是实地观测法。 14-2 地表移动的观测 研究地表与岩层移动的方法主要有实地观测法、理论研究法和相似材料模型法。目前最主要的方法仍是实地观测法。 一、 地表移动观测站的设计 1、需要收集的资料 2、观测站的设计方法 (1) 倾斜观测线位置及其长度的确定 倾斜观测线一般设置在移动盆地的倾斜主断面上。 倾斜观测线的长度，应保证线的两端在不受开采影响的范围内。倾斜观测线的长度是在移动盆地的倾斜主断面上确定的。 lＡＢ＝２h cot φ+(Ｈ１－h)cot（β－Δβ）＋（Ｈ２－h) cot（γ－Δγ）＋Ｌcosα
(2) 走向观测线位置及其长度的确定 走向观测线应设置在移动盆地的走向主断面上。走向观测线的位置是在倾斜主断面上确定的，从采空区中心按最大下沉角θ划线与地面相交于O点，通过O点作垂直于煤层倾向的垂直断面即为移动盆地的走向主断面，因此，该断面与地面的交线即为走向观测线的位置。走向观测线的长度是在走向主断面上确定的。 (3) 测点数目及其密度 每条观测线两端都应设置观测站控制点，且每端不得少于两个；如因条件限制，也可只在观测线的一端设置控制点，但不得少于3个。相邻控制点的间距不得小于45 m。控制点应布设在观测线的工作长度之外，且不应受相邻采区或工作面开采的影响。每条观测线的工作长度之内应布设观测点，观测点的密度主要取决于开采深度。
二、 地表移动观测站的设置和观测 观测站的设置就是将设计好的观测点标定到实地上去。标定方法是，首先利用矿区控制点标定出观测站的控制点，再根据观测站控制点标定出观测点和另一观测线与该观测线的交点，然后再在交点上安置仪器标定另一观测线上的控制点和观测点。 地表移动观测站观测工作的基本内容是：在采动过程中，定期、重复测定观测线上各测点在不同时期内空间位置的变化情况。具体可分为观测站的连接测量、全面观测、单独进行的水准测量、地表破坏的测定和编录。 1、连接测量 根据矿区控制网测定出某个测站控制点的平面位置和高程，再根据该控制点来测定其他观测点和控制点的位置，以便确定观测线与回采工作面间的相互位置关系。
2、全面观测 包括采动前的全面观测和采动后的全面观测。在连接测量之后，设站地区未受采动影响之前，应对工作测点进行两次全面观测，以确定工作测点在地表移动前的位置。当地表下沉达到50100 mm时，应进行采动后的第一次全面观测；在地表受采动影响稳定后，需进行最后一次全面观测，以确定移动稳定后各工作测点的空间位置。在地表移动的活跃期进行不少于四次的全面观测，并适当加密水准测量。 全面观测的内容主要包括测定各工作测点的高程、丈量两相邻工作测点间的距离和测量各测点偏离观测线方向的距离(又称支距)。
3、日常观测工作 日常观测工作是指在地表移动的初始期和衰退期之间适当增加的水准测量工作。测量时可采用单程附合水准路线或往返支水准路线，按四等水准测量的要求进行。 还应测量地表产生裂缝的位置和塌陷要素，注明发现日期；在每次观测时，还应实测回采工作面的位置、煤层厚度、采高，并记录采矿、地质和水文地质情况。
三、 地表移动观测站观测成果的整理与分析 包括计算和绘图两部分。 1、观测成果的计算 根据外业成果首先计算出各观测点的高程及相邻点间的水平距离在观测线方向上的投影长度，然后再按测线计算各种移动与变形值。 (1) 观测点高程的计算 观测点高程的计算首先应根据水准测量成果进行平差，然后再按一般水准路线的计算方法计算出各观测点的高程。 (2) 计算各相邻测点沿观测线方向的距离
(3) 计算各种移动和变形值 ① 计算下沉值W ② 计算相邻两点间的倾斜i ③ 计算曲率K ④ 计算水平移动U ⑤ 计算水平变形ε ⑥ 计算下沉速率v 2、观测成果图的绘制 绘制移动和变形曲线图时，水平比例尺一般与观测站平面图一致，竖直比例尺的选取应以绘制的曲线能够清楚反映出移动和变形的分布规律为原则。曲线图和观测线的断面图应绘制在一起，以便于分析各种地质采矿条件对移动和变形分布形态的影响。
14-3 保护煤柱的留设 保护煤柱是指了为保护煤层上方的岩层和地表的保护对象(如水体、建筑物等)不受开采的影响，而在井下留设的不予开采的部分煤层。 一、 保护煤柱的留设方法 确定保护煤柱边界的方法有垂直剖面法、垂线法和数字标高投影法等。这里以常用的垂直剖面法为例来介绍留设保护煤柱的过程。 1、确定受护边界 保持受护边界线与煤层走向平行或垂直，因此当受护边界与煤层走向斜交时应沿受护边界点作与煤层走向平行或垂直的直线来确定受护边界线。 2、确定围护带的宽度 在受护对象边界外还应预留出一定的宽度
3、确定保护煤柱的边界 确定出受护范围后，通过受护范围的中心分别作沿煤层走向和倾向的垂直剖面；在倾向垂直剖面上，松散层内从地面边界点以松散层移动角φ向外画两条斜线与基岩面相交，再分别从上山和下山方向的交点以下山移动角β和上山移动角γ向外作斜线交煤层面于n′k′点；将n′k′投影到平面图上即得保护煤柱倾向方向的尺寸NK；在走向垂直剖面上按同样的方法以φ角和走向移动角δ分别确定出走向方向保护煤柱尺寸BC和AD；这样ABCD即为留设保护煤柱的边界线。