矿山开采沉陷学
矿山开采沉陷学
第一章：
1：在地下开采前，岩体在地应力场作用下处于相对平衡状态。局部矿体被采出后，在岩体内部形成一个采空区，导致周围岩体应力状态发生变化，引起应力重分布，从而使岩体产生移动变形和破坏，直至达到新的平衡。随着采矿工作的进行，这一过程不断重复。它是一个十分复杂的物理、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。 2：
充分采动区COD位于采空区中部上方，其移动特征是：煤层顶板在上覆岩体重力作用下，先向采空区方向弯曲，然后破碎成大小不一的岩块向下冒落而充填采空区。此后，岩层成层状向下弯曲，同时伴随有离层、裂隙、断裂等现象。成层状弯曲的岩层下沉，使冒落破碎的岩块逐渐被压实。移动结束后，此区内下沉的岩层仍平行于它的原始层位，层内各点的移动向量与煤层法线方向一致，在同一层内的移动向量彼此相等。 3：岩层移动形式
（一）弯曲，这岩层移动的主要形式。当地下开采后，从直接顶板开始沿层面法线方向弯曲，直到地表。 （二）岩层的垮落（或称冒落）。当煤层采出后，采空区附近上方岩层弯曲而产生拉伸变形。当拉伸变形超过岩层的允许抗拉强度时，岩层破碎成大小不一的岩块，冒落充填于采空区。此时，岩层不再保持其原有的层状结构。这是岩层移动过程中最剧烈的形式，通常只发生在采空区直接顶板岩层中。
（三）煤的挤出（又称片帮）。采空区边界煤层在支承压力作用下，一部分被压碎挤向采空区，这种现象称为片帮。由于增压区的存在，煤层顶底板岩层在支承压力作用下产生竖向压缩，从而使采空区边界以外的上覆岩岩层和地表产生移动。
（四）岩石沿层面的滑移。在开采倾斜煤层时，岩石在自重力的作用下，除产生沿层面法线方向的弯曲外，还会产生沿层面方向的移动。岩层倾角越大，岩层沿层面滑移越明显。沿层面滑移的结果，使采空区上山方向的部分岩层受拉伸，甚至剪断，而下山方向的部分岩层受压缩。
（五）垮落岩石的下滑（或滚动）。煤层采出后，采空区为冒落岩块所充填。当煤层倾角较大，而且开采自上而下顺序进行，下山部分煤层继续开采而形成新的采空区时，采空区上部垮落的岩石可能下滑而充填新采空区，从而使采空区上部的空间增大，下部空间减小，使位于采空区上山部分的岩层移动加剧，而下山部分的岩层移动减弱。
（六）底板岩层的隆起。当底板岩层较软时，在煤层采出后，底板在垂直方向减压，水平方向受压，导致底板向采空区方向隆起。
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3：岩层移动的三带
（一）冒落带(Caving zone)
冒落带是指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岩层产生破坏的范围。冒落带内岩层破坏的特点为：冒落岩块大小不一；无规则地堆积在采空区内；冒落岩块间空隙较大，连通性好，易导水、导砂。
具：碎胀性、可压缩性。分：不规则冒落带、规则冒落带
（二）裂缝带（断裂带）(Fractured zone)
裂缝带是指在采空区覆岩中产生裂缝、离层及断裂，但仍保持层状结构的那部分岩层。位于冒落带之上。其特征为：岩层不仅产生垂直于层理面的裂缝或断裂，还产生顺层理面的离层裂缝，易导水。分：严重断裂带、一般断裂带、微小断裂带。冒落带和裂缝带合称为冒落裂缝带，或导水裂缝带(Water conducted zone)。
（三）弯曲带(Sagging zone)（整体移动带）
弯曲带位于裂缝带之上直至地表。其移动特点为：岩层的移动过程是连续而有规律的，并保持其整体性和层状结构，不存在或极少存在离层裂缝；弯曲带顶面（地表）有时产生一些拉伸裂缝，一般到一定深度尖灭。 4：地表移动
所谓地表移动，是指是指在采空区面积扩大到一定的范围后，岩层移动发展到地表，使地表产生移动和变形，这一过程和现象称为地表移动。 5：地表移动和破坏形式
（一）地表移动盆地(Ground subsidence trough)：
在开采影响波及到地表以后，受采动影响的地表从原（有标高向下沉降，从而在采空区上方地表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，或下沉盆地。
（二）地表裂缝(Surface fracture)及台阶（step）：
在一定条件下，地表移动盆地外边缘拉伸变形区可能产生裂缝。裂缝的深度、宽度与有无第四系松散层及其厚度、性质和变形值大小有关。
（三）塌陷坑(Subsidence cave)及塌陷槽 开采缓倾斜煤层和倾斜煤层时，地表破坏主要是地表出现裂缝，但在某些特殊地质开采条件下，地表可能出现漏斗状塌陷坑或塌陷槽。 6：充分采动和非充分采动
充分采动(full subsidence)：是指地下煤层采出后，地表下沉值达到了该地质采矿条件下应有的最大值，此时称为地表达到充分采动，随着工作面的继续扩大，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。地表只有一点达到最大下沉值――刚达到充分采动――临界开采(Critical extraction)。地表移动盆地呈碗形。有多个地表点达到最大下沉值――超充分采动――超临界开采(Supercritial extraction)，地表移动呈盘形。
采空区尺寸（长度和宽度）小于该地质采矿条件下的临界开采尺寸时，地表任意点的下沉值均未达到该地质采矿下应有的最大下沉值，称这种采动为非充分采动，此时地表移动盆地为碗形。 7：充分采动角
充分采动的范围用充分采动角（以ψ表示）确定。充分采动角的确定方法是：在充分采动的条件下，在地表移动盆地的主断面上，移动盆地平底边缘（在地表水平线上的投影点）和同侧采空区边界连线与煤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ψ1表示，上山方面的充分采动角以ψ2表示，走向方向的充分采动角以ψ3表示。
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8：地表移动盆地的特征
在移动盆地内，各个部位的移动和变形性质及大小不尽相同。在采空区上方地表平坦、达到超充分采动、采动影响范围内没有大地质构造条件下，最终形成的静态地表移动盆地可划分为三个区域（图7b）
移动盆地的中间区域（又称中性区域）； 移动盆地的内边缘区（又称压缩区域）； 移动盆地的外边缘区（又称拉伸区域）。
在刚达到充分采动和非充分采动时，盆地内不出现中间区域。
拐点：内外边缘区分界点、下沉曲线凹凸变化点。 水平煤层开采时地表达到充分采动的地表移动盆地，它有下列的特征：
（1）地表移动盆地位于采空区的正上方。盆地的中心（最大下沉点所在的位置）和采空区中心是一致的。盆地的平底部分位于采空区中部正上方。
（2）地表移动盆地的形状与采空区对称。 矩形－－椭圆形
（3）移动盆地内外边缘区的分界点，大致位于采空区边界的正上方。
（4）在水平煤层开采的条件下，非充分采动和刚达到充分采动的地表移动盆地的特征和超充分采动的移动盆地特征相似，不同的是移动盆地内不出现中性区域，只有一个最大下沉点，且最大下沉点位于采空区中心的正上方。
倾斜煤层开采、地表未达到充分采动时，地表移动盆地有如下特征： （1）倾斜方向上，盆地中心（最大下沉点）偏向采空区下山方向。
（2）移动盆地与采空区位置不对称，倾角越大，不对称越明显。在走向断面上，盆地特征与水平煤层类似。
（3）移动盆地上山方面较陡，移动范围小，下山方面较缓，移动范围大。
急倾斜煤层开采时，地表移动盆地有如下特征： （1）盆地形状不对称性更加明显。
（2）盆地明显偏向采空区下山方向；上边界上方开采影响达到煤层底板岩层，下山方面移动范围达到开采范围以外很远。
（3）地表最大下沉值大致位于采区下边界上方；地表最大水平移动值大于最大下沉值。急倾斜煤层开采时不出现充分采动的情况。
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9：主断面
通常就将地表移动盆地内通过地表最大下沉点所作的沿煤层走向和倾向的垂直断面称为地表移动盆地主断面，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。
当走向达到充分采动，倾向未达到充分采动时，可作无数个倾向主断面，但只有一个走向主断面，反之成立。实测表明，地表移动盆地主断面有下列特征：
（1）在主断面上地表移动盆地的范围最大； （2）在主断面上地表移动最充分，移动量最大；
（3）在主断面上，不存在垂直于主断面方向的水平移动。 10：最大下沉角
所谓最大下沉角，就是在倾斜主断面上，由采空区的中点和地表移动盆地的最大下沉点（在基岩面上的投影）的连线与水平线之间在煤层下山方向一侧的夹角，以θ表示
最大下沉角θ ，一般是通过实地观测求得，大量实测资料表明，最大下沉角除与岩性有关外，还与煤层倾角有关。在倾斜或缓倾斜煤层条件下，θ值随煤层倾角的增大而减小。一般用下式表示：
θ = 90°－ k×а
式中k——与岩性有关的系数； а——煤层的倾角。
最大下沉角θ ，也可按下列公式近似计算：
当 а< 45 ° 时, θ = 90°－ 0.5×а
当 а> 45°时, θ = 90°－ (0.4～0.2)×а
10：移动盆地主断面内的移动变形分析
下沉
地表点的沉降叫下沉，用w表示，是地表移动向量的垂直分量。以本次与首次观测点的标高差表示,即
wn=Hn0-Hnm
式中
wn──地表点的下沉（mm）；Hn0、Hnm──表示地表n点首次和m次观测时的高程（mm）
正值表示测点下沉，负值表示测点上升，它反映了一个点不同时间在垂直方向的变化量。 水平移动
地表下沉盆地中某点沿某一水平方向的位移叫水平移动，用u表示。以本次与首次测得的从该点至控制点水平距离差表示，即
un=Lnm-Ln0
式中
un──地表n点的水平移动，mm；
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