岩层与地表移动

地理现象

岩层与地表移动是一个地理现象。

现象简介

在波及范围内，井巷、地面建筑、铁路、水利设施、耕地等都将受损，甚至破坏；如波及水体，将使矿井受到水害。因此，通常要留设保安矿柱，压滞了大量矿产资源。目前中国在建筑物下、铁路下和水体下的压煤多达百亿吨。这种危害很早就引起注意,15～16世纪时,比利时曾公布法令，禁止从事破坏列日城供水的开采。19世纪以来德、英等国都订有赔偿开采损害的法律。为了解决有关赔偿的争端，开始了矿山地表移动的观测研究工作。

移动规律

岩层与地表移动是一个复杂的时空发展过程。发展过程中的规律称动态规律，移动终止后的规律称静态规律，后者研究较多。用垮落法管理顶板开采缓倾斜矿层时，按顶板岩层移动、变形和破坏特征划分为：冒落带、断裂带和弯曲下沉带(见长壁工作面地压)。

岩层移动稳定后，在采空区上方地表沉陷；形成下沉盆地，其范围大于开采面积。若开采面积为矩形，则地表下沉盆地近似椭圆形。在下沉盆地内各点的移动量不相等，移动方向指向盆地中央。在通过下沉盆地中心沿矿层走向和倾向的垂直断面（主断面）内，若以水平线表示采前地表状态，则采后的地表状态。箭头（4～4┡，5～5┡）表示地表点位移向量。其竖向分量w称下沉，水平分量u称水平移动。相邻点下沉量不等,形成地表的倾斜和曲率变形;相邻点水平移动量不等,形成地表水平变形，如拉伸或压缩。曲线分别表示主断面内的倾斜i、曲率k、水平变形 ε和w及u的分布规律。

下沉盆地的移动分布特点与采空区宽度有关。当采空区宽度为开采深度的1.2～1.4倍时，称临界开采，地表达到充分采动，下沉盆地中央出现应有的最大下沉值。当采空区宽度小于开采深度1.2～1.4倍时，称次临界开采，地表为非充分采动，下沉盆地中央的最大值小于应有的最大值。当采空区宽度远大于开采深度的1.2～1.4倍时，称超临界开采，地表为超充分采动，下沉盆地中央出现平坦的无变形区。一般以下降10mm的点作为地表下沉盆地的边缘点。在主断面内地表下沉盆地边缘点至相应采空区边界点的连线与水平线的夹角称边缘角。用δ0表示走向、用β0和α0分别表示下山和上山方向的边缘角。边缘角大小与岩性有关。由软岩到硬岩，边缘角逐渐变大。在变形值达到对建筑物有损害处，划定为危险边界。在主断面内,危险边界至相应采空区边界连线与水平线夹角称移动角。分别用δ、α、β表示走向、上山和下山方向的移动角。移动角也随岩性而变化。边缘角与移动角用以表示地表下沉和危险变形边界。

在开采深度小、厚度大的矿体或煤层时，有时地表移动呈塌坑、台阶状断裂等不连续移动特征。地表移动的剧烈程度一般以地表下沉速度，即昼夜下沉量表示。一个地表点随回采工作面推进，由开始移动、逐渐活跃、然后衰落。对缓倾斜和急倾斜煤层,分别以每月下沉50mm和30mm作为划分活跃阶段的标准。当 6个月内下沉量小于30mm时，规定为移动过程已经停止。地表移动持续时间与开采深度有关。采深为100～200m时,地表移动持续时间约为1～2年。深度大，地表下沉速度减小，持续时间更长。

影响因素

有采矿方法和顶板管理方法、岩性、采深、采厚、采空区大小及形状、矿层倾角、重复开采次数、地质构造、地层结构、水文地质条件及地形等。充填采矿法与条带法开采可使岩层与地表移动缓和并减小。工作面匀速推进，可减小地表的动态变形。最终回采边界是造成地表永久性静态变形的原因。岩性包括岩块和岩体的物理力学性质。目前按岩块抗压强度将岩层简化为软弱、中硬、坚硬三类。软弱岩层中移动过程的发展快于坚硬岩层。岩性对冒落带、断裂带的发展高度有明显影响。塑性软弱岩层中冒落带和断裂带高度小于脆性坚硬岩层。

地表移动和变形值均与采厚成正比。地表下沉值和采空区宽度与采深之比,即宽深比有关。宽深比达到1.2～1.4,地表下沉值达到极限。在没有达到充分采动的条件下，地表下沉值随宽深比增加而增大。而地表变形值则随采深增加而减小。矿层倾角大时，地表下沉盆地偏向下山方向，上山、下山盆地不对称。指向上山方向的水平移动量增大。在急倾斜条件下，底板岩层也发生明显移动。如顶底板坚硬不易冒落，则在露头或其附近可能出现地表塌陷坑。

研究规律方法

实地观测法建立由一系列测点组成的观测线或观测网。在开采前、开采过程中和移动稳定后观测测点的位移，计算出地表在垂直和水平方向上的位移和变形，找出其变化规律，建立地表下沉和变形最大值的经验公式，主断面内移动和变形分布的典型曲线或剖面函数，以及移动盆地内任意点移动与变形的计算方法。此法实用、可靠，并能为其他方法提供依据和检验手段，但工作量大，研究周期长，应用也有局限性。

理论研究法主要有：①用连续介质力学的理论计算法，近期也采用有限元法，但必须选用相适应的岩石力学指标。②用随机介质理论。应用概率论，建立数学模型，所用参数来自实测。在中国煤矿以随机介质理论使用较广。

模拟试验法一般用相似材料模型、砂子模型和明胶模型等试验方法。研究周期短、形象化，可按需要条件重复试验。本法主要用做定性研究，有助于理论的探讨，与以上两法结合，可得较好效果。

地表移动预计

在地下开采之前，按地质采矿条件估算地表的各种移动和变形值。现在只能进行简单条件下的地表移动预计。预计最大下沉值可能偏差约±10%，其他变形最大值为±30～50%。对于复杂条件，如急倾斜矿层开采，多矿层开采，存在有地质构造破坏、矿层不稳定和开采空间不规则等情况，预计的偏差更大。

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