第6章 岩层移动变形机理

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第二节 岩层移动破坏分带特征
岩层移动的分带特征是通过大量的实际观测资料来证实 的，这个分带特征与地质采矿条件有关，但只要采深达到一 定深度（如100 m 左右），围岩移动的分带特征就会是非常 明显的。根据岩层移动特征及其破坏形态，把煤层的围岩从 地表到深部，沿垂向分为六个采动影响带，上覆岩层的破坏 和移动可出现三个具有代表性的部分，自下而上分别称为： 垮落带、裂缝带和弯曲带，一般简称为“三带”；在下覆岩层 中，自上而下分别是采动破坏带、完整岩层带、承压水导升 带。 概括来讲就是“上三带”和“下三带”。
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裂缝带中的裂隙形式主要有两种，一种是横向的，另一种 是纵向的。 横向裂隙主要是指岩层沿层面方向的层与层之间的裂隙， 也就是离层。这是由于各岩层的岩石力学性质的差异而引起 的，不同岩性的岩层，同等受力条件下，其变形量是不一致 的，因而导致了离层的出现。 由于离层的存在，它实际上占据了一定的空间，使得地表 的下沉量有所缓解。
二、“下三带” 上面讲的冒落带、裂缝带、弯曲带这三带，虽各带特征明 显不同，但其界面是逐渐过渡的，有时开采浅、覆岩薄也可 能“三带”不完整，具体划分时应合理掌握。 这三带都是指煤层以上的顶板，一直到地表，即上覆岩层 的变形破坏形式。 经过近十几年深入隔水底板内部的综合观测研究，并结合 相似材料模拟和有限元计算等研究发现：开采煤层底板也类 似采动覆岩破坏移动存在着三带，即底板导水破坏带、完整 岩层带、承压水导升带。
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一、“上三带” 1. “上三带”的形成 煤层开采后，其覆岩要发生破坏和位移。覆岩破坏和位移 具有明显的分带性，其特征与地质、采矿等条件有关。在采 用走向长壁全部垮落法开采缓倾斜中厚煤层的条件下，只要 采深达到一定深度（如100m左右），覆岩的破坏和移动可 出现三个具有代表性的部分，自下而上分别称为：垮落带、 裂缝带和弯曲带，一般简称为“三带”（图6-1）。
第二篇 开采损害防治
第六章 岩层移动变形机理
Ø 第一节 开采围岩移动破坏形式 Ø 第二节 岩层移动破坏分带特征 Ø 第三节 岩层移动变形研究方法 Ø 第四节 开采岩层移动变形影响因素
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第一节 开采围岩移动破坏形式
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（2）裂缝带 裂缝带又称导水裂缝带，是指位于垮落带之上，具有与采 空区连通的导水裂隙，但连续性未受破坏的那一部分岩层。 裂缝带随采空区扩大而向上发展，当采空区扩大到一定范 围时，裂缝带高度达到最大。此时采空区继续扩大，裂缝带 高度基本上不再发展，并随着时间的推移，岩层移动趋于稳 定，裂缝带上部裂缝逐渐闭合，裂缝带高度也随之降低。一 般说来，在采空区形成两月左右之后，裂缝带发育最高。
Hk=(0.4∼0.5) Hd
H
d
=
100 Mh ± 8 .4 4 . 1 h + 133
中硬、软弱
Hk=(0.4∼0.5) Hd
Hd
100 Mh = ± 7 .3 7 . 5 h + 293
注： h—区段或分段垂高，m；M—煤层法线厚度，m。
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表6-2
导水裂缝带高度计算公式（倾角为0°∼35°及36°∼54°） （单一薄及中厚煤层或厚煤层分层开采） 计算公式之一(m)
H li = H li = H li = H li = 100 ∑ M ± 8.9 ± 5 .6 ± 4 .0 ± 3 .0
岩性 坚硬 中硬 软弱 极软弱
计算公式之二(m)
1 . 6 ∑ M + 3 .6 3 .1∑ M + 5 .0 5 .0 ∑ M + 8 .0 100∑ M 100 ∑ M
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山东科技大学资源与环境工程学院
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纵向的裂缝主要是指各岩层沿纵向的开裂，岩层虽然开 裂，但并没有完全断开，仍能保持整个岩层的连续性。 在裂缝带的下部，紧靠冒落带的部位，岩层变形破坏严重 的地方，岩层也可能出现全部断开，但仍能看出岩层的连续 性。 上面讲的垮落带、裂缝带，是煤层开采后，上覆岩层遭受 破坏最严重的部位，对水、瓦斯、泥沙均有一定程度的导通 性，因而实际中有时也把二者合称为“冒裂带”。这两带的发 冒裂带 育高度是指岩层移动变形稳定后的最大波及高度。
岩体受采动影响移动破坏实际上是指岩体地质结构改组和 结构联结的丧失现象，采动岩体内存在的移动破坏形式主要 有：弯曲、断裂、垮落、离层、底鼓、片帮、岩爆、煤爆 等。 这种破坏形式的出现是由岩体本身的结构特征、物理力学 性质和采动影响程度等共同决定的，从力学机理上可归结为 四种常见的破坏机制，即：张破坏、剪破坏、结构体滚动和 结构体沿结构面滑动和错动。
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H裂 H垮
14பைடு நூலகம்
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(2)倾斜煤层开采时（倾斜36°～54°） 垮落带为不对称的平枕或拱枕。边界仍在采空区边界内， 上方略大于下方。裂缝带为上大下小不对称的凹形枕，上轮 廓线大致呈抛物线，马鞍形消失或残留不明显，与采空区边 界齐或略偏外。这是因煤层倾角增大，采空区上部冒落岩块 下滑先充填采空区下部，采空区上部覆岩继续失稳而离层、 断裂、充分冒落所致。弯曲带沿倾向不对称下沉，上山方向 较下山方向下沉量大。但若走向开采长度大，则沿走向仍为 对称下沉。
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（3）弯曲带 弯曲带又叫整体移动带，是指位于裂缝带上部至地表的整 个岩层带，它一般呈整体移动的形式，特别是对于软弱岩层 及松散岩层。 弯曲带内纵向裂隙很微小，而且数量也少，不具连通性； 横向裂隙基本不存在，只是在弯曲带下部靠近裂缝带的部位 可能有离层。 弯曲带不导水，可以看作是隔水层。
1.2 ∑ M + 2.0 100 ∑ M
H li = 30 H li = 20
H li = 10
∑M ∑M
∑M
+ 10
+ 10
+5
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表6-3 垮落带及导水裂缝带高度(倾角为55°∼90°) 岩性 坚硬 垮落带高度计算（m） 导水裂缝带高度计算（m）
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H裂 H垮
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(3) 急倾斜煤层开采时（倾角55°～90°） 垮落带为耳形或上大下小不对称拱形。裂缝带与垮落带形 态类似。二者上边界均大大超过采空区边界。其原因是倾角 加大，冒落岩块滚动下滑加剧，迅速填充采空区下部空间， 限制了垮落带与裂缝带下边缘的发展。而采空区上部，边界 煤柱悬空，逐次片帮、开裂、冒落，使两带上边缘急剧向上 发展，以致大大超过采空区上边界。在高角度条件下，如顶 底板岩性坚硬、平整，煤层厚且松软，则可能沿本煤层抽 冒，高度可超过百米，甚至穿过松散层到达地表，形成地表 塌陷坑。
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2.“上三带”空间形态 （1）水平-缓倾斜煤层开采（0≤ α ≤35°） 垮落带呈大致对称的枕形（中间微凸、平或微凹）。边界 一般在采空区边界内。裂缝带一般呈马鞍形，边界一般在采 空区边界之外（特别坚硬岩层例外，但覆岩越软弱，越向边 界外凸）,其最高点位于采空区的倾斜上方。弯曲带沿走向 及倾向均为基本对称的下沉盆地。
Hm
Hm
H =
100∑ M = ± 2.5 2.1∑ M + 16
100 ∑ M = ± 2 .2 4 .7 ∑ M + 19
100 6.2
∑
∑
M
M + 32
± 1.5
Hm
100 ∑ M = ± 1 .2 7 . 0 ∑ M + 63
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表6-1
垮落带高度公式（倾角为0°∼35°及36°∼54°)厚煤层分层开采 计算公式(m)
覆岩岩性（单向抗压强度及主要 岩石名称） 坚硬(40∼80 MPa，石英砂岩、石 灰岩、砂质页岩、砾岩) 中硬(20∼40 MPa，砂岩、泥质灰 岩、砂质页岩、页岩) 软弱(10∼20 MPa、泥岩，泥质砂 岩 极软弱(<10 MPa，铝土岩、风化 泥岩，粘土，砂质粘土)
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图6-1 上覆岩层移动破坏分带特征示意图 1-垮落带；2-裂缝带；3-弯曲带
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（1）垮落带 垮落带又称冒落带，是指脱离岩层母体，失去连续性，呈 不规则岩块或似层状巨块向采空区冒落的那部分岩层。垮落 带位于煤层上覆岩层的最下部，煤层开采后，岩层的原始应 力状态被打破，采空区直接顶岩层在自身重力及其上覆岩层 的共同作用下，产生向下的移动和弯曲，当内部拉应力超过 岩层自身的抗拉强度时，直接顶岩层首先断裂、破坏，形成 冒落带，堆积于采空区。随着采空区范围的扩大，直接顶逐 渐向上发展，直到开采空间被垮落岩块充满为止。
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垮落带岩层有两个特点： 一是分层性，可以明显看出冒落带岩层垮落后，其下部岩 层呈不规则冒落状态，破碎岩石杂乱地堆积，岩层本身失去 原有的层次；其上部为规则冒落状态，岩层本身虽然失去连 续性，但仍能明显保持原有的层次。 二是碎胀性，堆积于采空区的岩块体积比破碎前的体积 大，碎胀系数一般为1.1～1.99，平均为1.42～1.62，基本上 在1.5倍左右，正是因为如此，冒落岩块才能以原来较小的 体积充满了较大的采空空间，并因此而使得冒落带的高度不 可能无限增长，冒落现象自行停止，不会一直向上覆岩层延 伸。
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H裂
H垮
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(4) 冒落带、裂缝带发育高度预计 在对现场工程地质条件和岩石物理力学性质指标了解不充 分的条件下，可应用已有的经验公式预计覆岩的破坏高度。 这种公式的优点是来源于实测、简单易用。但是由于各矿区 或同一矿区不同采区的地质状况各不相同，经验公式必须在 相同或相似地质条件下应用才能获得满意的效果；经验公式 中对覆岩类型的划分过于粗略，只有按照工程地质岩组的实 际情况进行分析，才不至于使预计结果因人而异，也就是说 应重视经验公式与相应的工程地质条件的关系研究。 垮落带、裂缝带高度是水体下采煤的重要依据，有条件 时，最好实测获得。