地表移动与变形

A
o
B
σ0
ψ3
ψ3
σ0
图 1-8 非充分采动时的地表移动盆地
（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（Critical Mining），又称临界开采。此时地表移动盆地称为充分采动下 沉盆地（Critical Subsidence Basin），形状为碗形（如图 1-10）。
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ψ表示）来确定。充分采动角（Angle of Full Subsidence）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ψ1 表示，上山 方向的充分采动角以ψ2 表示，走向方向的充分采动角以ψ3 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（Major Section of Subsidence Basin）。如 图 1-12中的AA、BB。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。
w1
w2
w3
w4
w′04
H0
123
4
1/4~1/2H0
工作面推进方向
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（Subcritical Mining），此 时 地 表移动盆地称为非充分采动下沉盆地（Subcritical Subsidence Basin），形 状 为 漏 斗 形（ 图 1-8）。
4
或缓倾斜矿层条件下，θ值随矿层倾角的增大而减小。一般用下式表示[1,4]： θ=90°-kα
式中，k—与岩性有关的系数； α—矿层倾角。
P
(1-2)
A
d
o wm
BA
o′ o
o′
B
w0
w0
H0 γ0
θ
β0
α
L/2
L
（a）
θ
β0
ψ1
ψ2
γ0
L/2
L/2 L
（b）
图1-13 最大下沉角确定方法示意图 a-非充分采动时最大下沉角；b-充分采动时最大下沉角
2
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。
α
图1-17 充分采动倾斜矿层 (主断面)
（五）地表移动盆地的特征 1．地表移动盆地的三个区域 实测表明，地表移动盆地的范围远大于对应的采空区范围。地表移动盆地的形状取决于 采空区的形状和矿层倾角[1]。移动盆地和采空区的相对位置取决于矿层的倾角。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的条件下，最终形成的静态地表移动盆地可划分为三个区域 (图1-18)： （1）移动盆地的中间区域(又称中性区域) 移动盆地的中间区域位于盆地的中央部位，即图中用2字标出的部分。在此范围内，地 表下沉均匀，地表下沉值达到该地质采矿条件下应有的最大值，其它移动和变形值近似于零 ， 一般不出现明显裂缝。 （2）移动盆地的内边缘区(又称压缩区域) 移动盆地的内边缘区一般位于采空区边界附近到最大下沉点之间，即图中用3字标出的 部分。在此区域内，地表下沉值不等，地面移动向盆地的中心方向倾斜，呈凹形，产生压缩 变形，一般不出现裂缝。 （3）移动盆地的外边缘区(又称拉仲区域) 移动盆地的外边缘区位于采空区边界到盆地边界之间，即图中用4字标出的部分。在此 区域内，地表下沉不均匀，地面移动向盆地中心方向倾斜，呈凸形，产生拉伸变形。当拉伸 变形超过一定数值后，地面将产生拉伸裂缝。 2．地表移动盆地边界的划分 按照地表移动变形值大小对建筑物及地表的影响程度，将地表移动盆地分为三个边界： （1）移动盆地的最外边界 移动盆地的最外边界是以地表移动变形为零的盆地边界点所圈定的边界。现场实测中， 考虑到观测误差，一般取下沉 10mm 的点为边界点，最外边界实际上是下沉 10mm 的点圈 定的边界，见图 1-19 中 ACBD。近年观测表明，有时水平移动为 10mm 的边界较下沉为 10mm 的边界大，有的学者建议取两者的最外边界作为移动盆地的最外边界。 （2）移动盆地的危险移动边界 危险移动边界是以临界变形值确定的边界，表示处于该边界范围内的建（构）筑物将 产生损害。而位于该边界外的建（构）筑物将产生不明显的损害。我国一般采用的临界变形 值是：i=3mm/m，ε=2mm/m，k=0.2mm/m2。以这三个变形值中最外一个值确定危险移动边 界，如图 1-19 中 A＇B＇C＇D＇所示。 要注意的是，不同结构的建（构）筑物能承受最大变形的能力不同，各种类型的建筑物 都对应有相应的临界变形值。如华东地区部分村房，采用泥浆砌筑，当拉伸变形达到 1～ 1.5mm/m 时，房屋即破坏。在确定移动盆地内危险移动边界时，用相应建筑物的临界变形 值圈定，会更接近实际。
1
（Caved Zone）、裂缝带（Fractured Zone）和弯曲带（Continuous Deformation Zone）。 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
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（Strata Movement）。 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。
A
o
B
A
o1
o2
B
w0
σ0
ψ3
ψ3
σ0
图 1-10 充分采动时的地表移动盆地
w0
w0
σ0
ψ3
ψ3
σ0
图 1-11 超充分采动时的地表移动盆地
3
（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达到最大下沉值 的采动情况，称为超充分采动（Supercritical Mining），此时地表移动盆地称为超充分采动下 沉盆地（Supercritical Subsidence Basin），形状为盆形。
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多的沉陷区 域，称为地表移动盆地，或称下沉盆地（Subsidence Basin）。 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，不适当地提高回采上限也会引起地表产 生漏斗状的塌陷坑。
A
σ0
b
c
B o
B
ψ3
ψ3
a
d
σ0
A
σ0
ψ3
ψ3
σ0
图1-12 地表移动盆地主断面
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，都可成为主断面，此时主断面有无数个；当走向达到充分采动，倾向未达 到充分采动时，有无数个倾向主断面，只有一个走向主断面；当倾向达到充分采动，走向未 达到充分采动时，有无数个走向主断面，只有一个倾向主断面。
第一章 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：
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：