第1章覆岩与地表移动规律

第1篇覆岩与地表移动规律

第1章覆岩与地表移动规律

1.1 概述

各种有用的矿物赋存在地下岩体中的一定位置，与周围的岩体相接触，并保持其应力平衡状态。地下矿物开采后，采出空间周围的岩层失去支撑而向采空区内逐渐移动、弯曲和破坏。这一过程随着开采工作面的不断推进，逐渐地从采场向外、向上（顶板）扩展，直至波及到地表，引起地表下沉，形成所谓的下沉盆地(Subsidence basin)。采动覆岩与地表移动变形的过程是开采破坏了原岩应力状态形成新的平衡的必然过程。

开采引起矿层及围岩的移动和破坏在时间及空间上是一个复杂的运动破坏过程，其特点如下：

（1）从采空区至地表，覆岩破坏范围逐渐扩大、破坏强度逐渐减弱，根据覆岩破坏特征一般将其划分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，即所谓的“三带”如图1—1所示；

图1—1 采动覆岩移动破坏三带分布图

a－冒落带；b－裂隙带；c－弯曲下沉带

（2）覆岩移动状态可划分为5个区，如图1－2所示。其中：

①垂直下移区。该区域的岩层在重力作用下作垂直于矿层的运动。

②垂直上移区。该区域的岩层在侧向及底板应力的作用下向上移动。

③垂直与水平移动区。该区域的岩层在覆岩自重及水平应力的作用下，作向采空区中心方向的移动。

④底板下移区。该区域的岩层在支撑压力的作用下，向底板卸压区移动。

⑤开采支撑压力区。该区域的岩层要承受采空区上覆岩体重力的转移，形成开采支撑压力区，开采支撑压力区的应力值一般高达原岩应力的1.5～3.0倍。

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图1－2覆岩内部移动状态分布图

1.2 覆岩移动破坏规律

1.2.1 “三带”的形成

矿层开采后，其覆岩要发生移动和破坏。经长期的观测证实，覆岩移动和破坏具有明显的分带性，它的特征与地质、采矿等因素有关。在采用走向长壁全部冒落法开采缓倾斜中厚矿层的条件下，只要采深达到一定深度（采深与采高之比H/m >40），覆岩的破坏和移动会出现三个代表性的部分，自下而上分别称为：冒落带(Caved zone)、裂隙带(Fractured zone)和弯曲下沉带(Continuous deformation zone)（见图1－1）。

1．冒落带

冒落带也称垮落带，是指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。冒落带位于覆岩的最下部，紧贴矿层。矿层采空后，上覆岩层失去平衡，由直接顶岩层开始冒落，并逐渐向上发展，直到开采空间被冒落岩块充满为止。

冒落岩块由于碎胀，体积较冒落前增大，增大比率可用碎胀系数表示，碎胀系数大小与岩性及采厚有关。硬岩及采厚较大时，其值大，反之较小，平均约在1.2～1.6范围。在自由堆积状态下，由于冒落岩块碎胀性而逐渐充填开采空间，导致冒落带发展到一定高度而自行停止。表1－1给出了常见岩石的碎胀系数。

表1－1 常见岩石的碎胀系数 岩石名称

碎 胀 系 数 初始碎胀系数K p 残余碎胀系数K s 砂

1.06～1.15. 1.01～1.03 粘土

<1.20 1.03～1.07 碎煤

<1.20 1.05 粘土页岩

1.40 1.10 砂质页岩

1.60～1.80 1.10～1.15 硬砂岩 1.50～1.80

冒落带碎落岩块在上覆岩层沉降压力下可逐渐压实，甚至部分形成再生顶板。厚矿层分层开采时，冒落岩块受重复采动的多次破坏，岩体碎度增大，碎胀系数减小。

冒落带内岩块之间空隙多，连通性强，是水体和泥沙溃入井下的通道，也是瓦斯逸出或

开采损害与环境保护

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3 聚集的场所。若开采控顶面积和冒落面积都大时，矿山压力呈集中显现，这是采矿工作面生产的主要威胁。

2．裂隙带

裂隙带又称裂缝带。裂隙带位于冒落带之上，具有与采空区相通的导水裂隙，但连续性未受破坏的那一部分岩层。裂隙带的裂隙主要有两种：一种是垂直或斜交于岩层的新生张裂隙，主要是岩层向下弯曲受拉而产生，它可部分或全部穿过岩石分层，但其两侧岩体基本无相对位移而保持层状连续性；另一种是沿层面的离层裂隙，主要是因岩层间力学性质差异较大，岩层向下异步弯曲移动所致，离层裂隙要占据一定空间，致使上部覆岩地表下沉量减小。地表下沉总量小于开采矿层厚度，除冒落岩块碎胀外，裂隙带的离层也是其中主要原因。离层裂隙是储水和导水的通道。裂隙带之上也有裂隙，可以间接导水和积水，但因垂直裂隙不发育，故不与下部裂隙沟通。裂隙带的下部，垂向裂隙逐渐发育增强，离层裂隙和垂向裂隙连通，导水性明显增加，并能向下渗流至采空区，故裂隙带又称为导水裂隙带。导水裂隙带若波及水体，可将水导入井下。但由于裂隙宽度及途径转折限制，一般不透泥沙，特别是其上部透泥沙的可能性很小，

裂隙带随开采区扩大而向上发展，当开采区扩大到一定范围时，裂隙带高度达到最大。此时，开采区继续扩大，裂隙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，裂隙带上部裂缝逐渐闭合，裂隙带高度也随之降低。一般在采空区形成两个月左右后，裂隙带发育最高。厚矿层分层开采时，裂隙带总高度比开采一个分层大，但比一次采全高（如采用放顶煤开采）形成的裂隙带高度要小的多。

3．弯曲下沉带

弯曲带又叫整体移动带，是指裂隙带顶部到地表的那部分岩层。弯曲带基本呈整体移动，特别是带内为软弱岩层及松散土层时。在垂直剖面上，弯曲带上下各部分下沉量差值很小。弯曲带上部一般很少出现离层，但其下部可能出现离层。弯曲带中的离层裂隙仅局部充水，不与导水裂隙带连通。

弯曲带上方地表一般要形成下沉盆地，盆地边缘往往出现张裂隙，其深度为3m ～5m ，一般不超过10 m ，其宽度向下渐窄，直至一定深度便闭合消失。因此，弯曲带具有隔水保护层的作用。

以上“三带”虽各自特征明显不同，但其界面是逐渐过渡的，因而具体划分时应合理掌握。不是在所有的开采条件下都会形成“三带”，如采用水砂充填管理顶板开采时，在覆岩中将不存在冒落带；在浅部厚矿层开采条件下，开采覆岩冒落破坏可能直达地表，此时将不存在弯曲下沉带。

1.2.2 覆岩移动破坏形式

采动上覆岩层移动破坏形式，可概括为以下六种：

1．弯曲

这是岩层的主要移动形式。当地下矿物采出后，上覆岩层中的各分层即开始沿岩层层面的