第一章 地表移動(dòng)和變形規(guī)律

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1、第一章地表移動(dòng)和變形規(guī)律第一節(jié)開采引起的巖層和地表移動(dòng)一、開采引起的巖層移動(dòng)和破壞（一）巖層移動(dòng)和破壞過程在地下煤層被采出前，巖體在地應(yīng)力場作用下處于相對(duì)平衡狀態(tài)。當(dāng)部分煤層被采出后，在巖體內(nèi)部形成一個(gè)采空區(qū)，其周圍巖體應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，引起應(yīng)力重新分布，從而使巖體產(chǎn)生移動(dòng)、變形和破壞，直至達(dá)到新的平衡。隨著工作面的推進(jìn)，這一過程不斷重復(fù)。這是十分復(fù)雜的物理、力學(xué)變化過程，也是巖層產(chǎn)生移動(dòng)和破壞過程，這一過程和現(xiàn)象稱為巖層移動(dòng)（StrataMovement）。為了便于理解，以近水平煤層開采為例，說明

2、巖層移動(dòng)和破壞過程和應(yīng)力狀態(tài)的變化。當(dāng)?shù)叵旅簩娱_采后，采空區(qū)直接頂板巖層在自重應(yīng)力及上覆巖層重力的作用下，產(chǎn)生向下的移動(dòng)和彎曲。當(dāng)其內(nèi)部應(yīng)力超過巖層的應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)，直接頂板首先斷裂、破碎，相繼冒落，而老頂巖層則以梁、板的形式沿層面法向方向移動(dòng)、彎曲，進(jìn)而產(chǎn)生斷裂、離層。隨著工作面向前推進(jìn)，受到采動(dòng)影響的巖層范圍不斷擴(kuò)大。當(dāng)開采范圍足夠大時(shí)，巖層移動(dòng)發(fā)展到地表，在地表形成一個(gè)比采空區(qū)范圍大得多的下沉盆地，如圖1-1所示。由于巖層移動(dòng)和破壞的結(jié)果，使采空區(qū)周圍應(yīng)力重新分布，形成增壓區(qū)（支承壓力區(qū)）和減壓區(qū)（卸

3、載壓力區(qū)）。在采空區(qū)邊界煤柱及其邊界上、下方的巖層內(nèi)形成支承壓力區(qū)，其最大壓力為原巖應(yīng)力場的3～4倍。由于支承壓力的作用，使該區(qū)煤柱和巖層被壓縮，有時(shí)被壓碎，煤層被擠向采空區(qū)。如圖1-2所示。由于增壓的結(jié)果，使煤柱部分被壓碎，支承載荷的能力減弱，于是支承壓力峰值區(qū)向煤壁深處轉(zhuǎn)移。在回采工作面的頂、底板巖層內(nèi)形成減壓區(qū)，其應(yīng)力小于采前的正常壓力。由于減壓的結(jié)果，使下部巖層發(fā)生彈性恢復(fù)變形。上部巖體由于受下部巖體移向采空區(qū)的結(jié)果，可能在頂板巖層內(nèi)形成離層，而底板巖層在采空區(qū)范圍內(nèi)卸壓，在煤柱范圍內(nèi)增壓，兩種

4、壓力作用的結(jié)果，可能出現(xiàn)采空區(qū)地板向采空區(qū)隆起的現(xiàn)象。（二）巖層移動(dòng)和破壞的形式在巖層移動(dòng)過程中，采空區(qū)周圍巖層的移動(dòng)和破壞形式主要有以下幾種：1．彎曲彎曲是巖層移動(dòng)的主要形式。當(dāng)?shù)叵旅簩颖婚_采后，從直接頂板開始巖層整體沿層面法線方向彎曲，直到地表。此時(shí)，有的巖層可能會(huì)出現(xiàn)斷裂或大小不一的裂隙，但不產(chǎn)生脫落，保持層狀結(jié)構(gòu)。2．垮落垮落（又稱冒落）這是巖層移動(dòng)過程中最劇烈的形式，通常只發(fā)生在采空區(qū)直接頂板巖層中。當(dāng)煤層采出后，采空區(qū)附近上方巖層彎曲而產(chǎn)生拉伸變形。當(dāng)拉伸變形超過巖層的允許抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖層破

5、碎成大小不一的巖塊，無規(guī)律地充填在采空區(qū)，此時(shí)，巖體體積增大，巖層不再保持其原有的層狀結(jié)構(gòu)。3．煤的擠出采空區(qū)邊界煤層在上覆巖層強(qiáng)大的壓力作用下，部分煤體被壓碎擠向采空區(qū)，這種現(xiàn)象稱為煤的擠出（又稱片幫）。由于增壓區(qū)的存在，煤層頂?shù)装鍘r層在圍巖壓力作用下產(chǎn)生豎向壓縮，從而使采空區(qū)邊界以外的上覆巖層和地表產(chǎn)生移動(dòng)。4．巖石沿層面的滑移在開采傾斜煤層時(shí)，巖石在自重力的作用下，除產(chǎn)生沿層面法線方向的彎曲外，還會(huì)產(chǎn)生沿層面方向的滑動(dòng)。巖層傾角越大，巖層沿層面滑移越明顯。沿層面滑移的結(jié)果，使采空區(qū)上山方向的部分巖

6、層受拉伸，甚至剪斷，而下山方向的部分巖層受壓縮。5．巖石的下滑當(dāng)煤層傾角較大，而且開采自上而下順序進(jìn)行，下山部分煤層繼續(xù)開采而形成新的采空區(qū)時(shí)，采空區(qū)上部垮落的巖石可能下滑而充填新采空區(qū)，這種現(xiàn)象稱為巖石的下滑（又稱巖石的滾動(dòng)）。從而使采空區(qū)上部的空間增大，下部空間減小，使位于采空區(qū)上山部分的巖層移動(dòng)加劇，而下山部分的巖層移動(dòng)減弱。6．底板的隆起當(dāng)?shù)装鍘r層較軟且傾角較大時(shí)，在煤層采出后，底板在垂直方向減壓，水平方向受壓，導(dǎo)致底板向采空區(qū)方向隆起。在某一個(gè)具體的巖層破壞和移動(dòng)過程中，以上六種移動(dòng)形式不一定

7、同時(shí)出現(xiàn)。另外，松散層的移動(dòng)形式是垂直彎曲，不受煤層傾角的影響。在水平煤層條件下，松散層和基巖的移動(dòng)形式是一致的。（三）巖層移動(dòng)和破壞穩(wěn)定后形成的三帶煤層采出后，使周圍巖體產(chǎn)生移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)和變形超過巖體的極限變形時(shí)，巖體破壞。根據(jù)工程的需要，巖層移動(dòng)和破壞穩(wěn)定后按其破壞的程度，大致分為三個(gè)不同的開采影響帶，即冒落帶（CavedZone）、裂縫帶（FracturedZone）和彎曲帶（ContinuousDeformationZone），如圖1-3所示。1．冒落帶冒落帶（又稱垮落帶）是指由煤層開采引起的上

8、覆巖層破裂并向采空區(qū)垮落的巖層范圍。隨著煤層的開采，其直接頂板在自重力的作用下，發(fā)生法向彎曲，當(dāng)巖層內(nèi)部的拉應(yīng)力超過巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生斷裂、破碎成塊而垮落，冒落巖塊大小不一，無規(guī)則地堆積在采空區(qū)內(nèi)。根據(jù)冒落巖塊的破壞和堆積狀況，冒落帶可分為不規(guī)則冒落和規(guī)則冒落兩部分。在不規(guī)則冒落部分內(nèi)，巖層完全失去了原有的層位，在靠近煤層附近，巖石破碎、堆積紊亂。在規(guī)則的冒落帶內(nèi)，巖層基本保持原有層次，位于不規(guī)則冒落帶之上。冒落帶內(nèi)巖層破壞特征：（1