开采沉陷形成机理及其预测方法

图 6 地表移动盆地的形成过程 1、2、3、4—工作面的位置；W1、W2、W3、W4—相应工作面的移动盆地；W04—最终 的静态移动盆地
应该指出，在地表移动向前发展的过程中，其后方的地表点仍在继续移动， 但其移动的剧烈程度逐渐减弱，直至稳定。一般是最先进入移动的点，也最先稳
定下来。
图 7 动态和静态的移动盆地比较示意图
开切眼开始向前推进的距离相当于 1/4~1/2H0(H0 为平均采深)时，开采影响即波 及到地表，引起地表下沉。然后，随着工作面继续向前推进，地表的影响范围不 断扩大，下沉值不断增加，在地表就形成一个比开采范围大得多的下沉盆地。
图 6 展示了地表移动盆地随工作面推进而形成的过程。当工作面由开切眼推 进到位置 1 时，在地表形成一个小盆地 W1。工作面继续推进到位置 2 时，在移 动盆地 W1 的范围内，地表继续下沉，同时在工作面前方原来尚未移动地区的地 表点，先后进入移动，从而使移动盆地 W1 扩大而形成移动盆地 W2。随着工作 面的推进相继逐渐形成地表移动盆地 W3、W4。这种移动盆地是在工作面推进过 程中形成的，故称动态移动盆地，即还在移动中的盆地。工作面回采结束后，地 表移动不会立刻停止，还要持续一度时间。在这一段时间里，移动盆地的边界还 将继续向工作面推进方向扩展。移动首先在开切眼一侧稳定，而后在停采线一侧 逐渐形成最终的地表移动盆地 W04。通常所说的地表移动盆地就是指最终形成的 移动盆地，又称为静态移动盆地。在工作面的推进过程中，如果图 7 所示的工作 面停在 1、2、3、4 的位置上，待地表移动稳定后，其对应的每一个位置都会有 一个相应的静态移动盆地 W01、W02、W03、W04。
图 12 急倾斜煤层开采时地表移动盆地示意图
第二节 开采沉陷预计方法 对一个计划进行的开采，在开采进行以前，根据其地质采矿条件和选用的预 计函数、参数，预先计算出受此开采影响的岩层和(或)地表的移动和变形的工作， 称为开采沉陷预计。 预计时用到的地质采矿条件有：煤层的法向开采厚度 m，煤层倾角 α。，采 空区下山边界、上山边界、走向主断面上的和平均的开采深度 H1、H2、H、H。， 采空区走向长 D1、倾向斜长 D2，顶板管理方法，上覆岩层的性质，工作面形状 和工作面推进进度等。 在预计时，这些地质采矿数据和因素，反映在预计的函数和参数中。预计参 数，是指在预计函数(解析公式或图形等)中用到的一系列数据，这些数据是根据 所预计的那个开采的地质采矿数据和因素确定的。对一个特定的开采来说，预计 参数是常数，对不同的开采来说，预计参数的值是不同的。 一、 开采沉陷预计方法 当地下开采范围足够大的时候，岩层移动发展到地表，在地表形成一个下沉 盆地。在地表下沉盆地范围内出现各种移动和变形，根据具体地质采矿条件计算 下沉盆地内的各种移动和变形值是开采沉陷预计的任务。常用的预计地表移动和 变形的方法有： （一） 基于实测资料的经验方法 经验方法是以实测资料为基础，通过对大量的实际观测资料进行总结和分 析，找出地表移动和变形与地下开采条件的关系，确定预计各种移动和变形值的 函数形式包括解析公式、曲线或者表格以及计算预计经验公式。目前，应用比较 广泛而且具有代表性的经验计算和预计方法主要有剖面函数法和典型曲线法。 1、剖面函数法 根据不同开采条件下地表下沉盆地剖面形状，来确定不同的剖面函数用于描 述下沉盆地，作为预计地表移动和变形的公式，这种预计地表移动和变形的方法 统称为剖面函数法。 在开采沉陷研究初期，人们主要通过观测的手段认识地表开采沉陷现象，随 着观测资料的积累，不断加深对地表移动和变形规律的认识，逐渐总结出适合不 同地质采矿条件下预计地表移动和变形的经验方法，即剖面函数法。由于实地观
开采沉陷形成机理及其预测方法
有用矿物被采出以后，开采区域周围的岩体的原始应力平衡状态受到破坏， 应力重新分布，达到新的平衡。在此过程中，使岩层和地表产生连续的移动、变 形 和 非 连 续 的 破 坏 ( 开 裂 、 冒 落 等 ) ， 这 种 现 象 称 为 “ 开 采 沉 陷 ”(Mining subsidence)。
图 2 地表裂缝实测图
在急倾斜煤层条件下，地表移动取决于基岩的移动特征，特别是松散层较薄 时，地表可能出现裂缝或台阶，如图 3 所示。
图 3 急倾斜煤层开采地表移动特征
(三)塌陷坑 塌陷坑多出现在急倾斜煤层开采条件下。但在浅部缓倾斜或倾斜煤层开采， 地表有非连续性破坏时，也可能出现漏状塌陷坑。在采深很小或采厚很大的情况
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（又称拉伸区域） 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。 应当指出，在地表刚达到充分采动或非充分采动条件下，地表移动盆地内不 出现中间区域。但拉伸区域和压缩区域存在于任何采动条件下所形成的盆地之 内。图 9 中给出了不同采动程度的地表移动盆地内三个区域划分的情况。
在采深和采厚比值较小时，地表裂缝的宽度可达到数百毫米，裂缝两侧地表 可能产生落差。落差的大小取决于地表移动的剧烈程度。在松散层很厚的条件下， 分层开采厚煤层时，开采第一分层时地表产生的主要裂缝，会在第二、三、四等 分层开采时再次出现。这种裂缝在地表以下几米或十几米的深度上消失。
当煤系地层覆盖有含水砂层的厚松散层或地表下沉值较大时，地表移动盆地 的边缘区可能产生一系列类似地堑式的张口裂缝。相邻两条张口裂缝发展到一定 的宽度和深度后，两条裂缝中间的土层下陷而造成中间低、两侧高的地堑式裂缝。 有时在采空区周围的地表形成环形破坏堑沟，如图 2 所示。
盆地的平面形状为椭圆形。 (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或略有偏
离。 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，所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，而且最大下沉点位于采空区中心的正上方。
有用矿物的开采可以是井工方法开采，也可以是露天方法开采；开采的有用 矿物可以是层状的也可以是非层状的。本材料主要指的是层状有用矿物(特别是 煤层)的井工开采，“开采沉陷”也是特指煤层地下开采后产生的开采沉陷。
岩体本身是一种非常复杂的介质，它不仅是出各种不同性质的岩层组成，而 且还由于各种地质作用(如褶皱、断层、开裂、火成岩侵入、陷落柱等)而产生了 大量的不连续面。岩体在受到各种不同开采方法的开采影响时，产生的开采沉陷 是一个在时间和空间上都是非常复杂的过程。在时间上来说，在移动过程中，开 采沉陷的形式和大小在不同的时间是不同的，也就是说，此时的开采沉陷是“动 态的”；随着时间的推移，开采沉陷的形式和大小逐渐趋向于稳定，开采沉陷变 成“静态的”或“最终的”。从空间上来说，若地下开采的范围较小、开采的矿 物的埋藏深度较大，则开采沉陷波及的范围往往只局限于开采区域周围的岩体； 若开采范围较大、开采矿物的埋藏深度较小，则开采沉陷波及的范围就会从岩体 发展到地表，引起“地表移动”。由于人类的生产和生活活动大部分都是在地表 进行，所以地表移动对人类的影响更为普遍。
图 9 地表移动盆地内三个区域划分示意图
为了便于理解和比较，下面分开介绍水平煤层(或近水平煤层)和倾斜煤层开
采后所形成的地表移动盆地的特征。 图 10 为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)
采空区中心是一致的。盆地的平底部分位于采空区中部的正上方。 (2)地表移动盆地的形状与采空区对称。如果采空区的形状为矩形，则移动
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。有铁路通 过此处时，会影响列车正常运行，若不能及时发现，将造成行车事故。所以在建 筑物下、铁路下或水体下采煤时，应极力避免出现大的裂缝、台阶和塌陷坑。
图 5 地表塌陷漏斗示意图
二、地表移动盆地的形成及特征 (一)地表移动盆地的形成 地表移动盆地是在工作面的推进过程中逐渐形成的。一般是当回采工作面自
图 10 水平煤层充分采动时的地表移动盆地示意图
倾斜煤层开采、地表未达到充分采动时，(图 11)，地表移动盆地有如下特征： (1)在倾斜方向上，移动盆地的中心(最大下沉点处)偏向采空区的下山方向， 采空区中心不重合。 (2)移动盆地与采空区的相对位置，在走向方向上对称于倾斜中心线，而在 倾斜方向上不对称，煤层倾角越大，这种不对称性越加明显。 (3)移动盆地的上山方面较陡，移动范围较小；下山方面较缓，移动范围较 大。 倾斜煤层充分采动时，移动盆地出现平底，充分采动区内的移动和变形特点
(二)地表移动盆地的特征 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煤层倾角。移动盆地和采空区的相对位置取决于煤层 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(见图 8)：
第一节 煤矿地下开采引起的地表移动与变形 一、地表移动的形式
所谓地表移动，是指采空区面积扩大到一定范围后，岩层移动发展到地表， 使地表产生移动和变形，在地表沉陷的研究中称这一过程和现象为地表移动。开 采引起的地表移动过程，受多种地质采矿因素的影响，因此，随开采深度、开采 厚度、采煤方法及煤层产状等因素的不同，地表移动和破坏的形式也不完全相同。 在采深和采厚的比值较大时，地表的移动和变形在空间和时间上是连续的、渐变 的，具有明显的规律性。当采深和采厚的比值较小(一般小于 30)或具有较大的地 质构造时，地表的移动和变形在空间和时间上将是不连续的，移动和变形的分布 没有严格的规律性，地表可能出现较大的裂缝或塌陷坑。地表移动和破坏的形式，
归纳起来有下列几种： (一) 地表移动盆地 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，或称下沉盆地(见图 1)。在地表移动盆地形成的过程中，改 变了地表原有的形态，引起了高低、坡度及水平位置的变化。因此，对位于影响 范围内的道路、管路、河渠、建筑物、生态环境等等，都带来不同程度的影响。 在华东地区，由于地下潜水位很高，地表下沉 l m 左右，移动盆地内便可积水， 严重影响土地的使用，造成矿区耕地大量减少。
图 1 采空区影响范围内的影响带的划分示意图 1-地表下沉曲线；2-支承压力区内的正应力图；3-沿层面法向岩石变形曲线图；4-冒落带
(二)裂缝及台阶 在地表移动盆地的外边缘区，地表可能产生裂缝。裂缝的深度和宽度，与有 元第四纪松散层及其厚度、性质和变形值大小密切相关。若第四纪松散层为塑性 大的粘性土，一般是地表拉伸变形值超过 6~l0mm/m 时，地表才发生裂缝。塑性 小的砂质粘土、粘土质砂等，地表拉伸变形值达到 2~3mm/m 时，地表即可发生 裂缝。地表裂缝一般平行于采空区边界发展。当采深和采厚的比值较小时，在推 进中的工作面前方地表可能发生平行于工作面的裂缝。但裂缝的宽度和深度都比 较小。这种裂缝是随工作面推进先张开而后逐渐闭合。地表裂缝的形状为楔形， 地面的开口大，随深度的增大而减小，到一定深度尖灭。但在基岩直接出露地表 的情况下，裂缝深度可达数十米。当采深很小、采厚较大时，地表裂缝有可能和 采空区相连通。
与水平煤层充分采动区内相似。
图 11 倾斜煤层非充分采动时的地表移动盆地示意图
急倾斜煤层开采时，地表移动盆地(图 12)有如下特征： (1)地表移动盆地形状的不对称性更加明显。工作面下边界上方地表的开采 影响达到开采范围以外很远；上边界上方开采影响则达到煤层底板岩层。整个移 动盆地明显地偏向煤层下山方向。 (2)最大下沉值不是出现在采空区中心正上方，而是大致位于采区下边界上 方。 (3)地表的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。
图 8 充分采动时地表移动盆地示意图 a—刚达到充分采动时的移动盆地；b—超充分采动时的移动盆地
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．推动盆地的内边缘区（又称压缩区域）
下，用房柱式采煤或峒室式水力采煤时，由于采厚不均匀，造成覆岩破坏高度不 一致，也会在地表产生漏斗状塌陷坑。图 4 为某矿用水力采煤法开采浅部煤层时 地表出现的塌陷坑。应当指出，在采深很小、采厚很大、用长壁式采煤法开采时， 若采厚不一致，地表也可能出现漏斗状塌陷坑。
图 4 浅部开采Leabharlann Baidu表塌陷示意图
急倾斜煤层开采时，煤层露头处附近地表呈现出严重的非连续性破坏，往往 也会出现漏斗状塌陷坑。塌陷坑大体位于煤层露头的正上方或略微偏离露头位 置，偏离的距离与煤层倾角、顶底板岩性及基岩表面风化程度有关。塌陷坑的形 状取决于松散层的性质和厚度。在有厚松散层覆盖的情况下，多呈圆形或井形， 有时也呈小肚子大的坛式塌陷漏斗，如图 5 所示。