第一章地表移动和变形规律
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
在地下煤层被采出前，岩体在地应力场作用下处于相对平衡状态。当部分煤层被采出后，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，以近水平煤层开采为例，说明岩层移动和破坏过程和应力状态的变化。当地下煤层开采后，采空区直接顶板岩层在自重应力及上覆岩层重力的作用下，产生向下的移动和弯曲。当其内部应力超过岩层的应力强度时，直接顶板首先断裂、破碎，相继冒落，而老顶岩层则以梁、板的形式沿层面法向方向移动、弯曲，进而产生断裂、离层。随着工作面向前推进，受到采动影响的岩层范围不断扩大。当开采范围足够大时，岩层移动发展到地表，在地表形成一个比采空区范围大得多的下沉盆地，如图1-1所示。
由于岩层移动和破坏的结果，使采空区周围应力重新分布，形成增压区（支承压力区）和减压区（卸载压力区）。在采空区边界煤柱及其边界上、下方的岩层内形成支承压力区，其最大压力为原岩应力场的3～4倍。由于支承压力的作用，使该区煤柱和岩层被压缩，有时被压碎，煤层被挤向采空区。如图1-2所示。由于增压的结果，使煤柱部分被压碎，支承载荷的能力减弱，于是支承压力峰值区向煤壁深处转移。在回采工作面的顶、底板岩层内形成减压区，其应力小于采前的正常压力。由于减压的结果，使下部岩层发生弹性恢复变形。上部岩体由于受下部岩体移向采空区的结果，可能在顶板岩层内形成离层，而底板岩层在采空区范围内卸压，在煤柱范围内增压，两种压力作用的结果，可能出现采空区地板向采空区隆起的现象。
（二）岩层移动和破坏的形式
在岩层移动过程中，采空区周围岩层的移动和破坏形式主要有以下几种：1．弯曲
弯曲是岩层移动的主要形式。当地下煤层被开采后，从直接顶板开始岩层整体沿层面法线方向弯曲，直到地表。此时，有的岩层可能会出现断裂或大小不一的裂隙，但不产生脱落，保持层状结构。
2．垮落
垮落（又称冒落）这是岩层移动过程中最剧烈的形式，通常只发生在采空区直接顶板岩层中。当煤层采出后，采空区附近上方岩层弯曲而产生拉伸变形。当拉伸变形超过岩层的允许抗拉强度时，岩层破碎成大小不一的岩块，无规律地充填在采空区，此时，岩体体积增大，岩层不再保持其原有的层状结构。
3．煤的挤出
采空区边界煤层在上覆岩层强大的压力作用下，部分煤体被压碎挤向采空区，这种现象称为煤的挤出（又称片帮）。由于增压区的存在，煤层顶底板岩层
在围岩压力作用下产生竖向压缩，从而使采空区边界以外的上覆岩层和地表产生移动。
4．岩石沿层面的滑移
在开采倾斜煤层时，岩石在自重力的作用下，除产生沿层面法线方向的弯曲外，还会产生沿层面方向的滑动。岩层倾角越大，岩层沿层面滑移越明显。沿层面滑移的结果，使采空区上山方向的部分岩层受拉伸，甚至剪断，而下山方向的部分岩层受压缩。
5．岩石的下滑
当煤层倾角较大，而且开采自上而下顺序进行，下山部分煤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而充填新采空区，这种现象称为岩石的下滑（又称岩石的滚动）。从而使采空区上部的空间增大，下部空间减小，使位于采空区上山部分的岩层移动加剧，而下山部分的岩层移动减弱。
6．底板的隆起
当底板岩层较软且倾角较大时，在煤层采出后，底板在垂直方向减压，水平方向受压，导致底板向采空区方向隆起。
在某一个具体的岩层破坏和移动过程中，以上六种移动形式不一定同时出现。另外，松散层的移动形式是垂直弯曲，不受煤层倾角的影响。在水平煤层条件下，松散层和基岩的移动形式是一致的。
（三）岩层移动和破坏稳定后形成的三带
煤层采出后，使周围岩体产生移动，当移动和变形超过岩体的极限变形时，岩体破坏。根据工程的需要，岩层移动和破坏稳定后按其破坏的程度，大致分为三个不同的开采影响带，即冒落带（Caved Zone）、裂缝带（Fractured Zone）和弯曲带（Continuous Deformation Zone），如图1-3所示。
1．冒落带
冒落带（又称垮落带）是指由煤层开采引起的上覆岩层破裂并向采空区垮落的岩层范围。随着煤层的开采，其直接顶板在自重力的作用下，发生法向弯曲，当岩层内部的拉应力超过岩石的抗拉强度时，便产生断裂、破碎成块而垮落，冒落岩块大小不一，无规则地堆积在采空区内。根据冒落岩块的破坏和堆积状况，冒落带可分为不规则冒落和规则冒落两部分。在不规则冒落部分内，岩层完全失去了原有的层位，在靠近煤层附近，岩石破碎、堆积紊乱。在规则的冒落带内，岩层基本保持原有层次，位于不规则冒落带之上。
冒落带内岩层破坏特征：
（1）在冒落带内，从煤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。冒落岩石的碎胀性是指冒落岩石体积大于冒落前的原岩体积，常用岩石碎胀系数来表示。岩石碎胀系数是指从岩体中采掘或崩落下来的岩石，其整个体积与它在岩体内的体积之比。岩石的碎胀系数取决于岩石性质，坚硬岩石碎胀系数较大，软岩碎胀系数较小。碎胀系数值恒大于1，一般在1.5～1.8之间。
（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，通常为采出厚度的3～5倍。薄煤层开采时冒落高度较小，一般为采出厚度的1.7倍左右。顶板岩石坚硬时，冒落带高度为采出厚度的5～6倍；顶板软弱时，冒落带高度为采出厚度的2～4倍。
（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，在上覆岩层压力作用下，在一定程度上可得到压实。一般是稳定时间越长，压实性越好，但永远不会恢复到原岩体的体积。
2．裂缝带
裂缝带是指在采空区上覆岩层中产生裂缝、离层及断裂，但仍保持层状结构的那部分岩层。裂缝带位于垮落带和弯曲带之间。根据垂直层理面裂缝的大小及其连通性好坏，裂缝带内的岩层断裂又分为严重断裂、一般断裂和微小断裂三部分。严重断裂部分的岩层大多断开，但仍保持其原有层次，裂缝的漏水严重。一般断裂部分的岩层很少断开，漏水程度一般。较小断裂部分的岩层裂缝不断开，连通性较差。
裂缝带内岩层产生较大的弯曲、变形和破坏，其破坏特征：
（1）裂缝带内的岩层不仅发生垂直于层理面的裂缝或断裂，而且还产生顺层理面的离层裂缝。
（2）根据连通性的好坏，裂缝带一般导水、但不利于砂、泥土通过。
（3）冒落带和裂缝带合称为两带，又称为冒落裂缝带，在解决水体下采煤时，垮落带和裂缝带合称为导水裂缝带。两带之间没有明显的分界限，均属于破坏性影响区，一般是上覆岩层离采空区距离越大，破坏程度越小。当采深较小、采厚较大、用全部垮落法管理顶板时，裂缝带可发展到地表，甚至冒落带达到地表。这时地表和采空区连通，地表呈现出塌陷或崩落。
（4）导水裂缝带高度与岩性有关。软弱岩石条件下，导水裂缝带高度为采厚的9～12倍；中硬岩石条件下为采厚的12～18倍；坚硬岩石条件下为采厚的18～28倍。准确地确定导水裂缝带高度，对水体下采煤至关重要。
（5）裂缝带高度随着工作面推进距离的增加而增大，当采空区扩大到一定范围时，裂缝带的高度达到最大。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，当岩层移动趋于稳定时，裂缝带上部裂缝逐渐闭合，裂缝带高度也随之降低。
3．弯曲带
弯曲带指的是裂缝带之上直至地表的整个岩系。其岩层移动和破坏特征：（1）弯曲带内岩层在自重的作用下产生层面法向弯曲，在水平方向上处于双向受压状态，其压实程度比较好。
（2）弯曲带内岩层移动过程连续而有规律，并保持整体性和层状结构，不存在或极少存在离层裂缝。在竖直面内，各部分的移动值相差很小。
（3）弯曲带一般情况下具有隔水性，特别是当岩性较软时，隔水性能更好，成为水下开采时的良好保护层。
（4）弯曲带的高度主要受开采深度的影响。当采深较小时，导水裂缝带高度直达地表，不存在弯曲带；当采深较大时，弯曲带高度可大大超过垮落带和裂缝带的高度之和，开采形成的裂缝带不会达到地表。
“三带”在水平或缓倾斜煤层开采时表现比较明显，由于地质采矿条件的不同，覆岩中的“三带”不一定同时存在。
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），如图1-4所示。地表移动盆地的形成，改变了地表原有的形态，引起地表标高、水平位置发生了变化，对地表的建筑、道路、河流、铁路、生活环境等产生了影响。
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。松散层的塑性大，地表拉伸变形值超过6～10mm/m，才产生裂缝，松散层的塑性小，变形值超过2～3mm/m，即可产生裂缝。一般地表裂缝与地下采空区不连通，到一定深度可能尖灭。当松散层较薄时，地表的移动取决于基岩的移动特征，地表可能出现裂缝或台阶，如图1-5和图1-6所示。
3．塌陷坑
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，往往会出现漏斗状的塌陷坑。塌陷坑大致位于煤层露头的正上方或略偏离露头位置。但是在某种特殊的地质采矿条件下也易产生塌陷坑。比如，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煤时，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。
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、铁路下或水体下采煤时，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
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。
图1-7 地表移动盆地形成过程
1、2、3、4—工作面推进的位置；w1、w2、w3、w4—相应工作面上方的地表移动盆地；
w04—最终的静态移动盆
（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）。工作面在一个方向（走向或倾向）达到临界开采尺寸，而另一个方向未达到临界开采时，也属非充分采动，此时的地表移动盆地为槽形（图1-9）。
（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）。现场实测表明，当采空区的长度和宽度均达到和超过1.2～1.4H0（H0
为平均开采深度）时，地表达到充分采动。
（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（如图1-11）。
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，充分采动程度常用充分采动角（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煤层在采空区一侧的夹角称为充分采
动角，确定方法如图1-10和图1-11所示。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煤层走向和倾向的垂
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。
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煤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。
2. 地表移动盆地主断面的特征
从主断面的定义可知，地表移动盆地主断面具有如下特征：
（1）在主断面上地表移动盆地的范围最大；
（2）在主断面上地表移动量最大；
（3）在主断面上，不存在垂直于主断面方向的水平移动。
由于主断面的上述特征，在研究开采引起的地表移动和变形分布规律时，为简单起见，首先研究主断面上的地表移动和变形。
3．最大下沉角
最大下沉角（Angle of Maximum Subsidence）就是在倾斜主断面上，由采空区的中点和移动盆地最大下沉点在基岩面上投影点的连线与水平线之间沿煤层下山方向一侧的夹角，常用θ表示（如图1-13）。实测资料表明，最大下沉角θ与覆岩岩性和煤层倾角α有关，在倾斜或缓倾斜煤层条件下（α＜60°~70°），θ值随煤层倾角的增大而减小。一般用下式表示[1,4]：
θ=90°-kα (1-1) 式中，k—与岩性有关的系数；
α—煤层倾角。
4．主断面的位置
（1）在非充分采动情况下
在水平煤层条件下，主断面一般位于采空区中心，如图1-14所示；在倾斜煤层开采条件下，倾向主断面位于采空区中心，走向主断面偏向煤层下山方向，用最大下沉角θ确定。如图1-15所示，在倾斜主断面上，自回采工作面的中点向煤层下山方向作水平线，然后以工作面中点为角的顶点，从水平线开始划出最大下沉角θ，此划线与地表相交于o点，o点即为倾斜主断面上的最大下沉点。通过o点作平行于煤层走向的垂直断面，即为走向主断面。最大下沉点的位置用d来确定，d值求取公式如下：
d=H0ctgθ （1-2）
（2）在充分采动情况下
首先按充分采动角ψ1、ψ2、ψ3确定地表充分采动区的范围，然后通过该范围内所作的煤层走向和倾向的垂直断面即为走向和倾向主断面。如图1-16和图1-17所示。
（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和位置取决于采空区的形状和煤层倾角[1]。在移动盆地内，各个部位移动和变形的大小不尽相同。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1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2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3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。这组临界变形值针对一般砖木结构建筑物求出的，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。
（3）移动盆地的裂缝边界
裂缝边界是根据移动盆地内最外侧的裂缝圈定的边界。如图1-19中的A〃C〃B〃D〃。图1-19表示了急倾斜矿层开采后所形成的三个边界。在这个主断面图上，AB为最外边界，A′B′为危险移动边界，A〃B〃为裂缝边界。
3．地表移动盆地边界的角量参数
通常用角值参数确定移动盆地边界。描述地表移动盆地形态和范围的角量参数主要是边界角、移动角、裂缝角和松散层移动角，如图1-20所示。
（1）边界角
在充分采动或接近充分采动的条件下，地表移动盆地主断面上盆地边界点（下沉为10mm）至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为边界角（Limit Angle）。当有松散层存在时，应先从盆地边界点用松散层移动角划线和基岩与松散层交接面相交，此交点至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为边界角。按不同断面，边界角可分为走向边界角、下山边界角、上山边界角、急倾斜煤层底板边界角，分别用δ0、β0、γ0、λ0表示。
（2）移动角
在充分采动或接近充分采动的条件下，地表移动盆地主断面上三个临界变形中最外边的一个临界变形值点至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹
角称为移动角（Angle of Critical Deformation）。当有松散层存在时，应从最外边的临界变形值点用松散层移动角划线和基岩与松散层交接面相交，此交点至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为移动角。按不同断面，边界角可分为走向移动角、下山移动角、上山移动角、急倾斜煤层底板移动角，分别用δ、β、γ、λ表示。
（3）裂缝角
在充分采动或接近充分采动的条件下，在地表移动盆地主断面上，移动盆地最外侧的地表裂缝至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为裂缝
角（Angle of Break）。按不同断面，裂缝角可分为走向裂缝角、下山裂缝角、上山裂缝角、急倾斜煤层底板裂缝角，分别用δ〃、β〃、γ〃、λ〃表示。
（4）松散层移动角
如图1-21所示，用基岩移动角自采空区边界划线和基岩松散层交接面相交于B点，B点至地表下沉为10mm处的点C连线与水平线在煤柱一侧所夹的锐角称为松散层移动角（Critical Deformation Angle of Unconsolidated Layers），用表示。它不受煤层倾角的影响，主要与松散层的特性有关。
矿山地表及岩层移动观测 为了保护井巷、建筑物、水体、铁路等免受开采的有害影响，合理提高煤炭资源回收率，并为留设保护煤柱提供技术资料，新建矿井应开展地表及岩层的移动观测工作。 地表及岩层的移动观测工作设置的各种观测站必须编写岩移观测方案，并报请集团公司地质勘测处审批。观测站设计由文字说明和图纸两部分组成。文字部分包括观测站设计书。图纸包括井上、下对照图（包括观测线和观测点的位置）、观测线剖面图（包括观测线长度的确定）、岩层柱状图、观测点的构造图等。 矿区设置观测站时应统一规划，并选择在有代表性的地方设置。地表移动观测站位置的选择，应遵循由简单到复杂的原则，初次建立地表移动观测站的位置应满足：煤层走向、倾角及厚度均稳定，地势平坦，无大断层，单煤层开采，四周无采空区。 地表移动观测站一般可设走向观测线和倾斜观测线各 一条，设在移动盆地的主断面位置。如回采工作面的走向长度大于1.4H0+50m（式中H0为平均开采深度），亦可设置两条倾斜观测线，但至少应相距50m，并且应距开切眼或停采线0.7H以上。 观测点间距离应根据开采深度按下表21确定。
表21 矿山企业应根据矿区地面控制网，按5″级导线（网） 精度要求建立岩移观测控制网。各控制点和观测点的高程测量应组成水准网，按三等水准测量的要求进行观测。 控制点和观测点的设置应符合下列要求： （一）埋设的控制点和观测点必须用全站仪按设计标定，并应尽可能使观测点中心位于控制点连线的方向上； （二）在非冻土地区，测点的埋设深度应不小于0．6m。在冻土地区，测点的底面一般应在冻结线0.5m以下。测点可采用浇注式或混凝土预制件； （三）当地表至冻结线下0.5m内有含水层时，一般应采用钢管式测点； （四）埋设的测点应便于观测和保存。如预计地表下沉后测点可能被水淹没，则点的结构应便于加高； （五）在一般情况下，倾斜观测线上观测点编号应自下山向上山方向顺序增加，走向观测线上观测点编号应按工作面推进方向顺序增加。 在观测站各点埋设10-15天后，即可进行观测。首先应
第一章开采引起的岩层与地表移动 煤矿开采的三性特殊性、艰巨性和困难性； 特殊困难条件下的开采 三下一上（建筑物下、铁路下、水体下和承压水上）；有冲击地压危险的煤层；有煤与瓦斯突出危险的煤层；三软煤层；深部；边角煤；极薄煤层。 采用特殊开采工艺方式 短壁开采；充填采煤；上行开采；水力采煤；煤与煤层气共采；煤的地下气化 1、下沉及变化规律 主断面内地表移动向量的铅直分量,用W表示。坐标O点:最大下沉值处的地表点W坐标轴向下为正，单位为mmx坐标轴向右为正，单位为mW=W（x）最大下沉值在盆地中央，Wo=W5； x增加，W由零增加到最大，而后又趋于零W（-x）=W（x）；边界点由d0决定；下沉曲线凹凸分界的拐点处，下沉值约为最大值的一半 2、倾斜 倾斜是指地表单位长度内下沉的变化，用i表示单位为mm/m，i坐标轴向下为正 倾斜是地表下沉的一阶导数，i(x) 正负号的决定：① i=tga 下沉曲线的切线与x轴正向所夹锐角为+a时,倾斜为正; 下沉曲线的切线与x轴正向所夹锐角为-a时倾斜为负。 倾斜的正负号的物理意义；垂直于地表下沉曲线的杆状物倾倒的趋向与x轴正向相同时，倾斜为正；杆状物倾倒的趋向与x 轴负向相同时倾斜为负。 3、水平移动 水平移动-地表移动向量的水平分量,用U表示，单位为mm，U=U（x）,有两组方向不同的水平移动
规定:正值的水平移动与x轴的正方向一致 负值的水平移动与x轴的负方向一致 水平移动U（x）和倾斜i（x）的变化趋势同步他们之间相差一个有单位的比例系数B 4、曲率 地表单位长度内倾斜的变化，用K表示，单位为mm/m2或 10-3/m。 曲率坐标轴向上为正 . 正负号 倾斜曲线的切线与x轴正向所夹锐角为+a时,曲率为正; 倾斜曲线的切线与x轴正向所夹锐角为-a时曲率为负。 曲率正负号的物理意义 ; 正曲率的物理意义是地表下沉曲线在地面方向凸起或在煤层方向下凹.负曲率的物理意义是地表下沉曲线在地面方向下凹或在煤层方向凸起 5、水平变形 水平变形—单位长度上水平移动的变化 用 e 表示，坐标向上为正，单位：mm/m 正负号 用tga，水平移动曲线的切线与x轴正向所夹锐角为+a时,曲率为正; 水平移动曲线的切线与x轴正向所夹锐角为-a时曲率为负。 水平变形正负号的物理意义 . 水平变形正值的物理意义为地表受拉伸变形,负值的物理意义为地表受压缩变形。 水平变形的变化规律 两个相等的正极值和两个相等的负极值 正极值为最大拉伸值，位于边界点和拐点之间； 负极值为最大压缩值，位于两个拐点之间； 盆地边界点、拐点和中点处水平变形为零；
地表移动观测站设计作业 一、设站目的： 某矿6200工作面西部、西南部有后鲍店村、中鲍店村。为研究地下开采对村庄的影响及地表移动变形规律和参数，拟在该矿6200工作面设置地表移动观测站，进行地表移动观测，通过观测获得地表移动动态参数和角值参数，同时，监测地下开采对建筑物的影响。 二、设站地区地质采矿概况： 6200工作面位于六采区东北部，是该采区设计开采2层煤的第一个工作面，北部、东部分别为3煤的一采区1308、1310、1312采空区和二采区2310、2311、2312采空区及未开采区域，南部、西部尚未开采。6200工作面基本沿走向布置，为刀把型，倾向长为623～820m，走向宽为46～129m，煤层厚度0.70～1.33 m，平均 1.10m，煤层倾角4～19/6°，第四系平均厚度196.16m。工作面标高为-233～-303m。2煤与下伏3煤的层间距一般为21m。 6200工作面上方地表地势平坦，标高为43m左右，冻土深度 0.4m。 三、地表移动参数：
根据现场实测，求得本区域实测地表移动参数为： 走向移动角δ=750，上山移动角γ=750，下山移动角β=750-0.6α，表土移动角φ=450，充分采动角ψ1=ψ2=ψ3=550，最下沉角θ=900-0.5α 平均采深 H=0.5（-233-303）=-268m，煤层平均倾角α
四、地表移动观测线位置、长度确定： 采空区走向长度超过1.2~1.40H （0H 为平均采深），地表走向方向达到充分采动；倾向方向小于1.2~1.40H ，地表倾向方向为非充分采动。 1、走向观测线位置确定： 由于倾向充分采动，走向观测线由最大下沉角θ=900-0.5α或充分采动角ψ1=ψ2=550确定 2、全走向观测线长度确定： m 439)cot()2(H cot 2AB 0=+?--+=l h h δδ? l 为走向工作面长度，m 3、倾向观测线位置确定： 由于走向非充分采动，倾斜主断面位于采空区中央 4、半倾向观测线长度确定： 384cos 2 L )cot(h cot h CD 1=+ ?--+=αββ?）（H 五、确定观测点间距、测点编号： 根据国内对开采沉陷的大量研究，一般根据开采深度确定观测点密度，该矿区平均采深在200~300m ，所以观测点间距为20m 。
一、重要概念 1矿山压力、2 矿山压力显现、3矿山压力控制、4原岩应力、5支承压力、6老顶、7直接顶、8直接顶初次垮落、9顶板下沉量、10老顶初次来压、11周期来压、12关键层、13开采沉陷、14充分采动与非充分采动、15岩层移动角、16岩层变形、17沿空留巷、18沿空掘巷、19锚固力、 20软岩、 21顶板大面积来压、22浅埋煤层、23放顶煤开采。 二、简答与分析论述 1. 简述原岩应力场的概念及主要组成部分。 2. 原岩应力分布的基本特点 3. 支承压力与矿山压力的区别？ 4. 煤柱下方底板岩层中应力分布特点及其实际意义？ 5. 简述岩石破碎后的碎胀特征及其在控制顶板压力中的作用？ 6. 分析采场上覆岩层结构失稳条件 7. 分析加快工作面推进速度与改善顶板状况的关系。 8. 试分析开采深度对采场矿山压力及其显现的影响。 9. 老顶破时在岩体内将引起什么性质的挠动，其特点是什么？有何实用意义？ 10. 简述回采工作面周围支承压力分布规律。 11.是否矿山压力大矿山压力显现也必然强烈，试举例说明。 12. 简述我国缓倾斜煤层工作面顶板分类方案。 13. 支撑式、掩护式、支撑掩护式液压支架结构特征及适用范围。 14. 简述采场支架与围岩关系特点。 15. 分析采场支架工作阻力与顶板下沉量“P-△L”曲线关系 16. 试分析综采面支护质量监测对于改善工作面支架—围岩关系，确保工作面高产高效的作用。 17. 简述开采后引起的上覆岩层的破坏方式及其分区。 18. 简述绿色开采技术体系，关键层的作用。 19. 简述控制岩层移动的技术。 20. 为什么说锚注支护是软岩巷道支护的新途径？ 21. 采区平巷在其服务期内沿走向的矿压规律有哪些？采动影响带的前影响区和后影响区内矿压显现时间和机理有何不同？ 22. 沿空留巷矿压显现基本特征？与沿空掘巷矿压显现的主要区别？ 23. 跨巷回采卸压的基本原理？ 24. 画出巷道支架与围岩相互作用关系示意图，并分析支架与围岩的相互作用原理。 25. 高强度螺纹钢锚杆组成及其经常与之组合使用的支护材料。 26. 如何根据锚杆对围岩的约束方式定义锚杆锚固力？ 27. 简述软岩巷道变形力学机制。 28. 简述影响顶煤冒放性的主要因素,提高顶煤冒放性的主要措施。
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
旬邑县宋家沟煤矿 xunyixiansongjiagoumeikuang 2026综采工作面地表移动观测站 设计方案 编制单位：地测科 编制日期： 2013.06.01
前言 为了获得2026综采工作面最可靠的地表移动参数，掌握该工作面地质采矿条件下的地表移动规律，我矿决定建立2026综采工作面地表移动观测站，进行该工作面地表移动的观测和研究工作。 2026工作面地表移动观测与研究的主要内容： 1、掌握地质采矿条件与地表移动的变形关系； 2、获得综采条件下地表移动与变形的分布规律； 通过对2026工作面地表移动观测站的研究，为我矿保护煤柱的留设和实现煤矿安全生产等提供科学依据，并进一步探求地表移动规律，丰富和发展我矿采煤技术。
2026综采工作面地表移动 观测站设计方案 一、2026工作面地质采矿条件 2026工作面走向长度为1110米，倾向宽150米，面积约16.65万㎡，平均采深为227米，工作面平均倾角12°，该工作面4-2煤层厚度在2.4-3.0米之间，平均2.7米，采用走向长壁垮落采煤法，综合机械化采煤。本工作面掘进水文地质条件简单，顶底板均为泥岩、粉砂岩，隔水性能好；该工作面老顶为粉砂岩或砾岩，厚度为5.75-75米，该层非常坚硬；直接顶为泥岩、砂质泥岩厚度为1.46-6.67米，直接底为细砂岩、砂质泥岩，岩性变化不大，厚度约2.47米，具有膨胀性，上部松散层厚度约为145米。 二、地表移动观测站的设计 1、观测站设计原则 为了能够获得准确、可靠、有代表性的观测资料，在观测站设计中应遵循以下原则： （1）观测线应设在地表移动盆地的主剖面上； （2）观测线在观测期间不受临近开采的影响； （3）观测线的长度要大于地表移动盆地的范围； （4）根据开采深度和设站目的，观测线上的测点应有一定的密度； （5）观测站的控制点要设在移动盆地范围以外，埋设要牢固。 2、角量参数的选定 由于该观测站为我矿第一个观测站，角度参数的选定只能参照我矿采矿条
11042地表移动观测站设计方案
六盘水恒鼎实业有限公司 盘县石桥镇喜乐庆煤矿 地表移动观测站设计方案2015年1月20日
11042采面地表移动观测站设计方案 前言 为了获得我矿采煤工作面最可靠的地表移动参数，掌握我矿地质采矿条件下的地表移动规律，我矿决定建立11042采面地表移动观测站，进行该工作面地表移动的观测和研究工作。 11042采面地表移动观测与研究的主要内容： (1)掌握地质采矿条件与地表移动与变形的关系； (2)获得厚松散层、炮采条件下地表移动与变形的分布规律； (3)确定采面地质采矿条件下的角量参数、动态参数和预计参数。 通过对采面地表移动观测站的研究，为我矿保护煤柱留设、征地、迁村和实现煤矿安全生产等提供科学依据，并进一步探求厚松散层条件下的地表移动规律，丰富和发展我国“三下”采煤技术。 一、11042采工作面地质采矿条件 4#煤层位于龙潭组上部，上距飞仙关组（T1f）底界平均12.09m。11042采工作面倾向平均长87m，走向长222m，面积约19314m2，平均煤厚为m=2m，平均倾角14o，工作面标高为+1531m～+1541m，该工作面相对范围内地面标高为+1625m～+1655m,其最大开采深度为114m,最小开采深度为94m。上部松散层厚度为h=70m且该工作面上方无农田、建筑物等。 二、地表移动观测站的设计 1、观测站设计原则
为了能够获得准确、可靠、有代表性的观测资料，在观测站设计中，应遵循以下原则： （1）观测线应设在地表移动盆地的主断面上； （2）观测线在观测期间不受邻近开采的影响； （3）观测线的长度要大于地表移动盆地的范围； （4）根据开采深度和设站目的，观测线上的测点应有一定的密度； （5）观测站的控制点要设在移动盆地范围以外，埋设要牢固。若在冻土地区，控制点底面应在冻土线0.5m 以下。 2、角量参数的选定 角量参数的选定只能参照网上相似地质采矿条件矿区地表移动观测站成果资料。 网上相似地质采矿条件矿区的角度参数为： ，040=?αβ*8.0~750＝ 000075~7075~70==δγ， 网上地表移动规律研究报告中经验公式可得: 0000 005.49.585.46.257.508.71±=±-H h H m －＝＝综综γδ 0000 009.15.589.132.02.247 .555.73±=±--αβH h H m －＝综 其中 ?——松散层移动角； γ、β——上、下山移动角； δ——走向移动角； α——煤层倾角；
地表残余沉陷变形机理数值模拟与预计参数分析 易四海 （中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北唐山063012） ［摘要］采用数值模拟计算，通过对覆岩移动过程的模拟研究，指出了地表沉陷由岩体变形 破坏到岩体密实沉陷的发展过程，揭示了岩体密实沉陷延续是引起地表残余沉陷变形的机理；通过对岩体密实阶段地表沉陷分布规律的模拟研究，证实地表残余变形可以用概率积分法进行预计。根据数值模拟及现场实测数据，确定了长壁开采条件下地表残余沉陷变形的概率积分法预计参数。 ［关键词］ 残余沉陷变形；数值模拟；沉陷过程；预计参数；长壁开采 ［中图分类号］TD325 ［文献标识码］A ［文章编号］1006-6225（2016）02-0029-04Forecast Parameters and Numerical Simulation of Mechanism of Surface Ｒesidual Subsidence Deformation YI Si-hai （CCTEG Tangshan Ｒesearch Institute ，Tangshan 063012，China ） Abstract ：Overburden strata movement process was studied by numerical simulation ，the results showed that surface subsidence expe- rienced the process that from rock mass deformation to rock mass subsidence ，it revealed that rock mass subsidence development was reasons that induced surface residual subsidence deformation．Surface residual deformation could be predicted by probability integral method according numerical simulation of surface subsidence distribution law during rock mass subsidence stage.On the basis of numer-ical simulation and measured data ，predicting parameters of probability integral method of surface residual subsidence deformation with long wall mining situation were confirmed. Key words ：residual subsidence deformation ；numerical simulation ；subsidence process ；predicting parameters ；long wall mining ［收稿日期］2015－08－19 ［DOI ］10.13532/https://www.doczj.com/doc/781859190.html,11－3677/td.2016.02.009［基金项目］国家自然科学基金项目（51474129） ［作者简介］易四海（1980－），男，湖北公安人，副研究员，博士，主要从事开采沉陷规律与“三下”采煤方面的研究工作。［引用格式］易四海.地表残余沉陷变形机理数值模拟与预计参数分析［J ］.煤矿开采，2016，21（2）：29－32. 开采沉陷延续时间较长，地表将在很长时间内存在残余沉陷变形，对采煤塌陷区地表新建建 （构）筑物产生不利影响。因此，了解和掌握采煤塌陷区地表残余沉陷规律十分重要。但是，限于采 煤塌陷区地表残余沉陷延续时间长、数值较小，一般难以用实测方法掌握其全部发展规律。目前，对采煤塌陷区地表残余沉陷变形的预测已有了一些研究 ［1－3］ ，对采煤塌陷区建设利用具有一定的指导意义，但在对残余沉陷变形预测参数取值时大多凭经验，缺乏足够的理论支持，给采煤塌陷区地表建筑带来了一定的安全隐患。 为此，本文采用数值模拟计算，研究覆岩移动过程及地表残余沉陷变形的分布规律，依据实测数据建立地表残余沉陷变形的预计方法并确定相关参数，为采煤塌陷区地表安全利用提供理论依据。1 采煤沉陷数值模拟 采用离散元法进行模拟试验。试验设计煤层采厚M =3.0m ，采宽L =125m ，倾角α=0?，采深 H 0=100m ，松散层厚度H s =20m ，基岩厚度H j = 80m ，基岩由砂岩、泥岩和砂质泥岩等岩性组成。 图1为数值计算模型网格剖分图 。 图1 数值计算模型剖分 1.1地表沉陷过程 地下煤层采出后引起的地表沉陷是一个时间和空间过程。由于地表沉陷孕育与发展过程非常复杂，许多学者从不同的角度对其进行了研究 ［4－6］ ， 这些研究多从地表点的移动量及剧烈程度的角度进 行描述。而实际上，地表移动是岩层移动的延伸和表象，岩层移动是发生在岩体内部的力学现象，只有从岩层移动的角度来研究地表沉陷过程才能真实揭示岩层与地表移动的机理与规律。 图2为数值模拟采空区上方不同高度岩层内测 9 2第21卷第2期（总第129期） 2016年4月煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol.21No.2（Series No.129） April 2016 中国煤炭期刊网 w w w .c h i n a c a j .n e t
皖北煤电集团有限责任公司 五沟煤矿1013工作面地表移动观测站设计 安徽理工大学 五沟煤矿 2008年4月
前言 为了获得五沟煤矿1013工作面最可靠的地表移动参数，掌握该地质采矿条件下的地表移动规律，皖北煤电集团有限责任公司五沟煤矿决定建立1013首采面地表移动观测站，进行该工作面地表移动的观测和研究工作。 1013首采面地表移动观测与研究的主要内容： (1)掌握地质采矿条件与地表移动与变形的关系； (2)获得厚松散层、综采条件下地表移动与变形的分布规律； (3)确定首采面地质采矿条件下的角量参数、动态参数和预计参数。 通过对首采面地表移动观测站的研究，为五沟煤矿保护煤柱留设、征地、迁村和实现煤矿安全生产等提供科学依据，并进一步探求厚松散层条件下的地表移动规律，丰富和发展我国“三下”采煤技术。 1 1013首采工作面地质采矿条件 1013工作面倾向长1000m，走向宽150m，面积约15万m2，平均采深为385m，平均倾角10o，该工作面10煤层厚度在0~5.5m之间，平均3.1m。采用走向长壁垮落采煤法，综合机械化采煤。本工作面掘进水文地质条件较复杂，本区有“四含”水，其中四含岩性复杂，泥质含量高，渗透性差，补给条件较差，直接覆盖在煤系地层之上，而与上覆一、二、三含水层无直接水力联系。该工作面老顶为泥岩、粉细砂岩，岩性和厚度变化大。直接顶工作面外段为中厚层灰白色中、细粒砂岩，厚度为6.4~10m；中段为灰色~浅灰色粉砂岩，一般厚度为3.7m；里段直接顶板则为深灰色~灰黑色块状泥岩，含炭质，厚度为2.5m。直接底板岩性变化不大，岩性为粉、细砂岩或粉细砂岩互层。上部松散层厚度为270m左右。
浅埋深大采高地表岩移规律研究 实施方案 承担单位：鄂尔多斯市转龙湾煤炭 协作单位：科技大学 项目负责人：学相 起止时间：2017.4-2018.3 2017 年6 月12 日
目录 一、项目的必要性 （一）研发的必要性、目的及意义 1. 现状分析 2. 目的及意义 （二）国外同类技术发展状况及发展趋势 1. 目前国外同类技术发展状况 2. 发展趋势 二、研究开发容 三、目标及主要经济技术指标 四、关键技术及创新点 五、项目技术路线 六、现有基础及技术条件 七、对安全、环境、健康的影响性分析 八、经济、社会效益分析 九、项目实施进度计划 十、经费概算 十一、项目负责人、项目组成员及分工
一、项目的必要性 （一）研发的必要性、目的及意义 1. 现状分析 转龙湾煤矿井田围43.46Km2，主采煤层为II-3煤层，其平均厚度为4.3m，煤层厚度稳定，倾角较小（1~2°）,煤层埋深为200m左右。 根据钻孔资料显示，井田围，顶板岩性差异较大。目前23103、23102、23303工作面已回采完毕，23101、23302工作面正在进行回采。23103工作面由东华建设进行了首采面地表岩移观测，观测数据及相关参数已在报告中给出，通过该参数计算23102工作面地表各类数据与实测数据基本一致。但23303工作面通过实测发现，差异较大，通过分析认为，231采区各工作面顶板砂岩岩性相似，数据基本一致，但233采区与231采区顶板砂岩岩性差异较大，造成233采区预测与实测值差异性较大。 另外，通过转龙湾煤矿监测资料发现，矿井薄基岩浅埋深大采高开采覆岩形变、破断，地表移动规律以及显现特征与其它浅部开采矿井相比有明显的差异性，若仍以浅部开采沉陷预计理论指导转龙湾矿井各类建（构）筑物及井巷保护煤柱留设、开采损害评价等方面会出现较大误差，给安全生产带来不利影响。 因此，本课题正是针对龙湾矿井开采过程中地表沉陷变形存在的问题，在前期研究的基础上，对不同条件下（主要考虑松散层影响因素）开采覆岩应力、应变场演化规律、地表沉陷特征的特殊性进行研究，掌握采动覆岩体的运动规律，建立符合转龙湾开采的岩层及地表沉陷预测模型及参数求取方法，能准确预测地面沉降，并结合覆岩运移特征，提出适合转龙湾矿井工作面布置的设计方法，有效减少煤炭资源的滞留，降低地面沉降灾害的影响，为转龙湾矿井“三下”安全开采提供新的理论基础。 2. 目的及意义 本项目研究的目的在于：（1）通过对采动地表沉陷影响因素的分析，确定松散层、岩石力学性质对地表沉陷的影响规律；（2）通过地表移动变形观测的研究，确定相关的沉陷参数；（3）确定下沉数据与岩性的关系及动态下沉参数；（4）建立地表沉陷模型，进行地表沉陷预计；（5）研究地表移动变形规律，为沉陷治理
地表移动观测站设计-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1
地表移动观测站设计作业 一、设站目的： 某矿6200工作面西部、西南部有后鲍店村、中鲍店村。为研究地下开采对村庄的影响及地表移动变形规律和参数，拟在该矿6200工作面设置地表移动观测站，进行地表移动观测，通过观测获得地表移动动态参数和角值参数，同时，监测地下开采对建筑物的影响。 二、设站地区地质采矿概况： 6200工作面位于六采区东北部，是该采区设计开采2层煤的第一个工作面，北部、东部分别为3煤的一采区1308、1310、1312采空区和二采区2310、2311、2312采空区及未开采区域，南部、西部尚未开采。6200工作面基本沿走向布置，为刀把型，倾向长为623～820m，走向宽为46～129m，煤层厚度～ m，平均，煤层倾角4～19/6°，第四系平均厚度。工作面标高为-233～-303m。2煤与下伏3煤的层间距一般为21m。 6200工作面上方地表地势平坦，标高为43m左右，冻土深度。 三、地表移动参数： 根据现场实测，求得本区域实测地表移动参数为： 走向移动角δ=750，上山移动角γ=750，下山移动角β=α，表土移动角φ=450，充分采动角ψ1=ψ2=ψ3=550，最下沉角θ=α 平均采深 H=（-233-303）=-268m，煤层平均倾角α
四、地表移动观测线位置、长度确定： 采空区走向长度超过~0H （0H 为平均采深），地表走向方向达到 充分采动；倾向方向小于~0H ，地表倾向方向为非充分采动。 1、走向观测线位置确定： 由于倾向充分采动，走向观测线由最大下沉角θ=α或充分采动角ψ1=ψ2=550确定 2、全走向观测线长度确定： m 439)cot()2(H cot 2AB 0=+?--+=l h h δδ? l 为走向工作面长度，m 3、倾向观测线位置确定： 由于走向非充分采动，倾斜主断面位于采空区中央 4、半倾向观测线长度确定： 384cos 2 L )cot(h cot h CD 1=+?--+=αββ?）（H 五、确定观测点间距、测点编号： 根据国内对开采沉陷的大量研究，一般根据开采深度确定观测点密度，该矿区平均采深在200~300m ，所以观测点间距为20m 。 在倾斜观测线上自下山向上山方向顺序增加，分别为B0-B19，在走向观测线上按工作面推进方向顺序增加，分别为A0-A11。
岩层及地表移动的各种参数（08-12-2修订） 通过地表移动观测确定地表移动参数： 边界角：在充分采动或接近充分采动条件下，地表移动盆地主断面上盆地边界点（下沉值为10mm）至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角。考虑松散层时，还要根据松散层移动角确定。 移动角：在充分采动或接近充分采动条件下，地表移动盆地主断面上三个临界变形值中最外边的一个临界变形值点至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角。考虑松散层时，还要根据松散层移动角确定。 三个临界变形值为：倾斜变形3mm/m；水平变形2mm/m；曲率变形0.2mm/m2。 裂缝角：在充分采动或接近充分采动条件下，地表移动盆地内最外侧的地表裂缝至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角。 充分采动角：在充分采动条件下，地表移动盆地平地边缘点至采空区边界连线与煤层在采空区一侧的夹角。 以上各角又都分为上山、下山和走向三角。 最大下沉角：非充分采动时，地表移动盆地中心区的最大下沉点至采空区中心点的连线与水平线在下山方向的夹角。充分采动
时，在松散层不厚情况下，可依据上下山充分采动角作两直线，其交点至采空区中点连线与水平线在下山一侧的夹角。 开采影响传播角：充分采动时，倾向主断面上地表最大下沉值与该点水平移动值的比值的反正切值。 关于最大下沉角和开采影响传播角，有些书和文章不加区分，其实从以上《规程》中的定义来看，一个通过作图得到，一个通过计算得到，二者从数值上是很可能不同的。 地表移动计算参数： 下沉系数：充分采动时，地表最大下沉值与煤层法线采厚在铅垂方向投影长度的比值。 水平移动系数：充分采动时，走向主断面上地表最大水平移动值与地表最大下沉值的比值。 主要影响角正切：走向主断面上走向边界采深与其主要影响半径之比。在概率积分法预计时，不用边界角、移动角和裂缝角作为预计参数而一般采用主要影响角正切作为预计参数。 注意：主要影响角与下山移动角是不同的概念。 拐点偏距：下沉曲线的几何拐点与煤壁在水平方向上的偏离距离（偏向采空区）。 对于以上计算参数，《规程》给出了根据地表移动观测站数据计算的方法。对于缺少实际观测资料的矿区，可采用覆岩综合评价系数P及地质、开采技术条件来确定地表移动计算参数（见《规程》）。《规程》还给出了煤层群条件下，如果下层煤开采的影
第一章地表移动和变形规律 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 在地下煤层被采出前，岩体在地应力场作用下处于相对平衡状态。当部分煤层被采出后，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，以近水平煤层开采为例，说明岩层移动和破坏过程和应力状态的变化。当地下煤层开采后，采空区直接顶板岩层在自重应力及上覆岩层重力的作用下，产生向下的移动和弯曲。当其内部应力超过岩层的应力强度时，直接顶板首先断裂、破碎，相继冒落，而老顶岩层则以梁、板的形式沿层面法向方向移动、弯曲，进而产生断裂、离层。随着工作面向前推进，受到采动影响的岩层范围不断扩大。当开采范围足够大时，岩层移动发展到地表，在地表形成一个比采空区范围大得多的下沉盆地，如图1-1所示。 由于岩层移动和破坏的结果，使采空区周围应力重新分布，形成增压区（支承压力区）和减压区（卸载压力区）。在采空区边界煤柱及其边界上、下方的岩层内形成支承压力区，其最大压力为原岩应力场的3～4倍。由于支承压力的作用，使该区煤柱和岩层被压缩，有时被压碎，煤层被挤向采空区。如图1-2所示。由于增压的结果，使煤柱部分被压碎，支承载荷的能力减弱，于是支承压力峰值区向煤壁深处转移。在回采工作面的顶、底板岩层内形成减压区，其应力小于采前的正常压力。由于减压的结果，使下部岩层发生弹性恢复变形。上部岩体由于受下部岩体移向采空区的结果，可能在顶板岩层内形成离层，而底板岩层在采空区范围内卸压，在煤柱范围内增压，两种压力作用的结果，可能出现采空区地板向采空区隆起的现象。 （二）岩层移动和破坏的形式 在岩层移动过程中，采空区周围岩层的移动和破坏形式主要有以下几种：1．弯曲 弯曲是岩层移动的主要形式。当地下煤层被开采后，从直接顶板开始岩层整体沿层面法线方向弯曲，直到地表。此时，有的岩层可能会出现断裂或大小不一的裂隙，但不产生脱落，保持层状结构。 2．垮落 垮落（又称冒落）这是岩层移动过程中最剧烈的形式，通常只发生在采空区直接顶板岩层中。当煤层采出后，采空区附近上方岩层弯曲而产生拉伸变形。当拉伸变形超过岩层的允许抗拉强度时，岩层破碎成大小不一的岩块，无规律地充填在采空区，此时，岩体体积增大，岩层不再保持其原有的层状结构。 3．煤的挤出 采空区边界煤层在上覆岩层强大的压力作用下，部分煤体被压碎挤向采空区，这种现象称为煤的挤出（又称片帮）。由于增压区的存在，煤层顶底板岩层
弱胶结覆岩高强度开采岩层与地表移动规律研究本文以营盘壕煤矿2201工作面地质采矿条件为依托原型,采用实测数据分析、数值模拟实验与相似材料模拟实验相结合的方法,对弱胶结覆岩高强度开采下的地表与岩层移动变形规律进行了研究,取得的主要研究成果如下:1)对营盘壕矿区岩层进行实地取样并进行力学实验,实验表明90%的岩层抗压强度均低于30MP,且岩层结构均以泥质胶结为主,具有胶结性差、易风化、对扰动敏感等物理特性,故确定了营盘壕矿区上覆岩层均属于弱胶结性岩层。2)根据现场实测数据绘制出了地表移动变形曲线图,揭示了弱胶结覆岩地表动态移动变形的变化规律;并进一步详细对比分析了营盘壕煤矿与临近的小纪汗煤矿的地质采矿参数与岩层结构,采用类比法确定了营盘壕煤矿2201工作面地表预计参数大小。3)采用数值模拟实验研究了一次性采全高与分层开采两种开采方式下的地表与覆岩移动变形规律以及覆岩内部应力场、塑性区变化规律,揭示了在弱胶结覆岩地层条件下更适合一次性采全高的开采方式,为2201工作面实际开采时提供了理论支撑。4)将理论分析与相似材料模拟实验结果相结合,得出了直接顶应力随着距离开切眼距离的不同而呈现不同类型函数的变化规律;且在高围压状态下,弱胶结覆岩由于自身物理性质而易产生假塑性弯曲,这些“假塑性体”内部产生了与正应力呈不同角度的裂隙,依然可以看成为两端固定,中间悬空的“简支梁”平衡结构;对于地表移动变形而言,下沉曲线收敛速度较一般地质采矿条件下的地表下沉曲线收敛速度慢,且下沉值偏小。5)以弱胶结覆岩岩层动态移动过程为研究基
础,建立了弱胶结覆岩开采岩层移动力学模型。并以该力学模型为理论依据,结合材料力学相关知识,推导出了新的弱胶结覆岩开采垮落带发育高度的预测方法。6)理论分析了弱胶结覆岩地表下沉系数远远小于我国东部软岩条件下开采的经验下沉系数的四个因素。三个次要因素:弱胶结覆岩水化膨胀因素、似“覆岩离层注浆”因素、冲洪积砂的流动性因素;一个主要因素:岩层的巨厚特性因素。岩层巨厚的特点使得其在岩层移动变形向地表传递的过程中形成了类似于东部煤矿坚硬岩层的抗变形的作用。
第二章 采动地表移动变形预计 重点：①预计理论体系概况； ②概率积分法。基本含义、基本概念、应用条件、应用方法、分布规律、特征值的确定方法，极值公式及计算、按特征值绘制移动变形分布图。 ③半无限开采及半无限叠加方法； ④地表任一点移动变形预计方法； ⑤动态移动变形与静态方法的区别及其评价方法。 2.1 地表移动和变形预计理论方法概述 开采沉陷损害预计理论，可以概括为影响函数方法，理论模型方法，经验方法三大类型。 2.1.1 影响函数方法 ①国内外学者及理论应用情况； ②假定开采单元矿层dv,其水平投影面积为dp,单元矿层开采引起地表点A 的下沉表达式为：dp s f m dw a )(η= （2-1） ③影响函数的可叠加性； 根据影响函数的叠加原理，对于开采范围为P 的矿层开采引起地表点A 的下沉量的通式表示为： ??=P a dp s f m w )(η （2-9） 2.1.2 经验方法 ①前苏联应用的负指数函数方法；②英国煤田方法（NCB.1975）；③波兰学者Z.Kowalczyk (1972)积分网格法；④中国学者何国清提出的威布尔分布法；⑤各矿区通过观测曲线拟合得出的适用本矿区的典型剖面曲线法等。 2.1.3 理论模型方法 属于理论模型方法是建立在力学模型上的，以及建立在弹性或塑性理论基础上的计算方法。在这方面主要有以A.Salstowicz （1958）等为代表的固体力学理论；J.Litwiniszy （1963）等为代表的随机介质理论。建立在弹性或塑性理论基础上的计算方法如：有限单元法（FEM ）；边界元法（BEM ）；离散元(DEM)等方法；非线性力学（Nonlinear ）等方法。 目前应用情况简介 2.2 概率积分法（重点） 目前已成为我国乃至世界范围较为成熟、应用最广泛的预计方法之一。 2.2.1 水平成层介质中的单元盆地 开采沉陷的随机性→随机介质理论为基础 ①非连续介质单元模型，②单元相互分离并发生相对运动。 如图2.1在三维问题中，地下（x 0, y 0, z 0）处开采使地表点A(x, y, z )附近某一小块面积ds 发生下沉这一事件的概率为： ds z y x ds P ),,()(δ= （2-10）
《采动损害学》教学大纲 课程编号：03120390 课程类别：选修课课内学时：60 适用专业：采矿工程 先修课程：工程测量、环境保护概论、采矿学、矿山压力与岩层控制 教材：《开采损害学》余学义等编著，煤炭工业出版社，2004 参教书：1.《采矿开采沉陷学》何国清的等编著，中国矿业大学出版社 2.SYD S。PENG《SURFECE SUBSIDENCE ENGINEEING》，1991.08 3.《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，煤炭工业 出版社，2000。 一、课程的性质、教育目标及任务 课程性质：是采矿工程专业的主要专业课，是关于矿山开采损害及矿山开采环境保护的综合性工程技术课程，属于考试课程。 课程教育目标和任务：通过课堂理论教学和实验教学，使学生掌握矿山开采损害的预测、
实验研究、损害程度评价、矿区环境保护等方面基本面原理和基本知识，使学生能够得到分析与解决在矿区总体规划、矿井设计、矿山生产实践中存在采动损害的预计。控制和治理等问题能力的基本训练，增强环境与资源保护意识，树立可持续发展的观念。 二、教学内容及基本要求 1.概述 了解我国和世界开采损害研究的历史、发展和现状；本课历史和沿革及其在矿区发展中 的重要作用；本课程教学内容、教学基本要求和学习方法等。 2、覆岩与地表移动规律 内容包括：覆岩与地表移动规律，采动地表移动变化预计，采动覆岩内部移动变形预计， 特殊条件下的地表移动变形预计，及其基本概念。要求了解：采动覆岩与地表移动的一般规律；现代预计理论应用情况及发展； 理解：理论开采引起地表位移变化的几何感念和空间形态、开采范围、形态对地表位移 变形破坏的影响，理论预计参数的意义和影响他的因素。能够推到几何积分理论、概率积分法的理论公式。 掌握：掌握覆岩移动破坏“三带”形态、特征，形态条件和计算方法；应用影响函数理 论预计地表位移变化的方法；地表移动变化与地下开采在空间、时间
1概述 济三煤矿123上04工作面位于工业广场的北部，幸福河与济东公路在工作面南部穿过，工作面上方地表还有秦庄、前卓庙、后卓庙、及金桥集团，其余大部分为农田及其附属设施，观测站的布设届时可根据地面实际情况作调整。 本次观测站位于１2３上04工作面(十二采区中部）的正上方,地势平坦,另外该工作面为十二采区首采工作面,受外界影响因素相对较少。 本工作面所采煤层为山西组煤3上，地质构造较简单，大部分煤厚在１.４m以上,最大厚度2.2m，平均厚１．72m,倾角0°～12°,平均为3°。 煤３上底板为泥岩、中砂岩及粉细砂岩互层,煤３上顶板为粉砂岩及细粉砂岩互层、粉砂岩;泥岩硬度系数ｆ=２～4，粉砂岩、细砂岩及细粉砂岩互层硬度系数f＝4～6,中砂岩硬度系数为8～10。 工作面回采过程中预计出现顶板淋水及采空区涌水，以采空区涌水为主。预计１２３上0４工作面最大涌水量200m３／h,正常涌水量60～１0０m3/ｈ。 ２建立观测站的目的和意义 建立地表移动观测站实测研究是开采沉陷规律研究的最可靠手段。本工作面已经进入了秦庄、前卓庙、后卓庙及金桥集团保护煤柱,属于建筑物下采煤范
畴，另外工作面回采引起的地表移动将会对济东公路、幸福河及河堤造成影响；根据有关规程也必须设立地表移动观测站。因此,在工作面上方建立地表移动变形观测站的主要目的有: (１)由于本矿煤3上采用综合机械化开采技术,设置观测站的目的主要是为了取得本地区因地下煤层开采后,采动地表的移动、变形及破坏规律,包括各种移动角、边界角、移动与变形预计参数,并为进行矿区总体规划、环境评价和矿井设计时，对于建筑物、水体、铁路及主要井巷的压煤开采论证提供评价依据; （2）为安全合理的留设保安煤柱提供技术参数,也为安全合理开采保安煤柱提供理论依据； (3）为开展建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱的开采提供变形预计方法，以便在进行“三下”采煤时，为合理布设工作面和选定开采顺序、制订建(构）筑物及河堤加固保护措施提供依据； （4）由于综合机械化开采地表沉陷变形的特殊规律，为了寻求在观测站布设方法、观测手段、研究内容及分析方法等方面的合理性。 ３观测站工作内容 地表移动变形观测站的基本工作内容可归纳如下： （１）地表变形观测站设计; （2）地表观测站实地布设; （３)地表移动观测(包括联测、首次全面观测、重复水准测量、最终全面测量等)； （4)数据处理与分析;