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。

第1章 覆岩与地表移动规律第 页2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第 页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第1章 覆岩与地表移动规律第 页4 法线方向，向采空区依次弯曲。

如果岩层在弯曲过程中所产生的拉伸变形超过了该种岩石的抗拉强度极限，则岩层内将出现裂隙乃至断裂。

因而使岩层失去连续性，但岩层仍保持其层状形式。

2．垮（冒）落矿层采出后，直接顶板岩层弯曲而产生拉伸变形。

当其拉伸变形超过岩石的允许抗拉强度时，直接顶板及其上部的部分岩层便与整体分开，碎成块度不同的岩块，无规律地充填采空区。

此时，岩层不再保持原来的层状结构。

这是岩层移动过程中最剧烈的一种形式，通常只发生在采空区直接顶板岩层中。

直接顶板岩层垮落并充填采空区后，由于破碎使其体积增大，致使其上部的岩层移动逐渐减弱。

3．煤的挤出（片帮）矿层采出后，采空区顶板岩层内出现悬空，其压力便转移到煤壁（或煤柱）上，煤壁承受的压力增加，形成增压区，煤壁在附加荷载的作用下，一部分煤被压碎，并挤向采空区，这种现象称为片帮。

由于增压区的存在，使采空区边界以外的上覆岩层和地表产生移动。

4．岩石沿层面滑移在倾斜矿层条件下，岩层的自重力方向与岩层面不垂直。

因此，岩石在自重力的作用下，除产生沿层面法线方向的弯曲外，还会发生沿层面方向的移动，称为滑移。

如果把岩石的自重力分解为平行和垂直于岩层层面的两个分量，就可明显地看出：随着矿层倾角的增大，垂直于岩层层面的分量将逐渐减小，而平行于层面的分量将逐渐增大。

因此，岩层倾角越大，岩石沿层面的滑移越明显。

沿层面滑移的结果，使采空区上山方向的部分岩石受拉伸，甚至被剪断，而下山方向的部分岩层受压缩。

5．垮落岩石的下滑（或滚动）矿层采出后，采空区被冒落岩块所充填。

当矿层倾角较大为下行开采时，下山部分矿层继续开采而形成新的采空区时，采空区上部垮落的岩石可能下滑（或滚动），充填新的采空区。

下滑使采空区上部的空间增大，下部的空间减小，使位于采空区上山部分的岩层和地表移动加剧，而下山部分的岩层与地表移动减小。

6．底板岩层隆起如果矿层底板岩石很软且倾角大，在矿层采出后，底板在垂直方向上减压，水平方向增压，造成底板向采空区方向隆起。

松散层的移动形式是垂直弯曲，不受矿层倾角影响。

应该指出，在某一个具体的移动过程中以上六种移动形式不一定同时出现。

1.2.3 岩层移动的典型图式根据矿层的赋存条件，可将岩层移动的形态划分为三种典型图式。

开采损害与环境保护第页5图1－3 水平矿层开采岩层移动形态图1－4 倾斜矿层开采岩层移动形态1．水平或缓倾斜矿层在水平或缓倾斜矿层条件下，岩层移动形态（图1－3）。

矿层采出后矿层上覆岩层以层状弯曲的形式移动。

这种移动一般不会因岩石的自重分力导致沿层面滑动，其条件为：'ϕα≤式中α—矿层的倾角；ϕ'—岩层中最软弱层面上的磨擦角。

2．倾斜矿层在倾斜矿层条件下的岩层移动形态（图1－4），当矿层采出后，其上覆岩层在层状弯曲的同时，伴随微小的沿层面方向的相对移动。

这种沿层面移动，将导致在采空区上山方向的岩层和地表移动范围扩大。

产生这种移动的条件为'ϕα>。

θα90-αO AB图1－5 急倾斜条件下岩层的下盘移动图1－6 急倾斜矿层开采时岩层以悬臂梁形式移动3．急倾斜矿层在急倾斜矿层条件下，岩层移动形态如图1－5、图1－6。

图1－5表明，矿层下盘（底板）发生移动，其发生的条件可近视表示为245ϕα+>︒。

式中ϕ—岩石的内摩擦角。

对于沉积岩来说，ϕ角的变化在26︒～36︒范围。

一般在矿层倾角为50︒～60︒时，矿层下第1章 覆岩与地表移动规律第 页6 盘才产生移动。

矿层下盘岩层的上部移动是沿层面的移动，而下部是沿245ϕα+> 的角度移动。

这种移动范围的大小，不但与煤岩倾角有关，而且与矿层底板各岩层的强度有关。

图1－6表明，开采急倾斜矿层时，位于移动盆地的上盘岩层是以悬臂梁弯曲形式移动。

当各分层岩层产生弯曲移动时，各分层岩层将沿弱面产生错动，由于这种错动的结果，在岩层露头处将出现台阶状移动。

1.3 地表移动破坏规律1.3.1 地表移动破坏类型地表移动破坏规律是指：地下开采引起的地表移动和变形的大小、空间分布形态及其与地质采矿条件的关系。

从时间和空间概念出发，一般将地表移动变形分为连续移动变形和非连续移动变形两大类型。

地表连续移动变形是指采动损害反映在地表为连续的下沉盆地。

在缓斜、倾斜矿床开采的条件下，当采深与采高比大于40～80，开采中采用长壁式全部垮落法管理顶板开采时；大面积矿柱式支撑法（支撑矿柱具有足够的强度和长期的稳定性）；全部或部分充填法时，采动引起地表的移动变形一般为连续分布下沉盆地。

地表非连续移动变形是指：采动损害反映在地表为地表出现大的裂缝、台阶下沉、塌陷坑及漏斗等形式的破坏。