第十三章岩层移动与保护煤柱
一、学习目的与要求
1.了确岩层与地表移动概念。
2.掌握保护煤柱的留设方法
二、课程内容与知识点
第一节岩层与地表移动概念
一、概述
当采空区范围很大时，岩层移动过程发展到地表，在地表形成一个范围较大的洼地。
这个洼地就是通常所说的地表移动盆地。
影响岩层与地表移动的因素很多，主要有岩石的物理力学性质；煤层的倾角、开采煤层的厚度及开采深度；采空区的形状、大小及采煤方法；地表的地形条件以及地质构造、水文地质条件，等等。
它们综合影响着岩层与地表移动过程。
为了工程上的需要，人们把上覆岩层的移动形态划分为冒落带Ⅰ、裂隙带Ⅱ和弯曲带Ⅲ（图13-1）。
根据岩层与地表移动的规律，研究建筑物下、铁路下、水体下（简称三下）的采煤方法与措施，以便安全、合理地开采出地下煤炭资源。
二、地表移动盆地与移动角
研究岩层与地表移动的主要任务，就是观测移动盆地的变形规律，确定各种移动参数。
1．移动盆地的特征
移动盆地的形状，主要取决于采空区的形状和煤层的倾角。
当采空区为长方形时，移动盆地大致车工椭圆形，其面积总是大于采空区的面积。
当开采水平煤层时，移动盆地的中心即为采空区的中心；当开采倾斜煤层时，移动盆地向下山方向便宜，地表移动盆地和采空区的位置互不对称（图13-2和13-3）。
2．移动盆地的主断面
为了表示移动盆地的特征，通过移动盆地的最大下沉点，分别作平行于煤层走向和倾向的断面，称为走向主断面和倾向主断面。
主断面上既可以反映出移动盆地的最大范围，又可以反映出地表的最大移动量。
这样，我们就可以沿主断面设置地表移动观测站，研究移动盆地的变形规律。
倾向主断面的位置在采空区的中央；走向主断面的位置，可由图13-3中的θ角来决定，θ角为倾向主断面舢板感最大下沉点与采空区中心连线的倾角，称为最大下沉角。
θ角值可以从实际观测资料中求得，也可以按下列近似公式计算：
当α＜45°时，θ＝90°－0.5α
当α＞45°时，θ＝90°－（0.4~0.2）α
式中α——煤层倾角。
⒊确定移动盆地边界
在移动盆地内，各处地表移动和变形值是不相同的。
在主断面上，可将移动盆地划分为三个边界，如图13-4所示：
盆地边界：A点是盆地内主断面上地表下沉为10mm的边界点，称为盆地边界。
危险边界：B点是盆地内主断面上地表移动和变形值对建筑物有危险的边界点，称为危险边界。
裂缝边界：C点是盆地内主断面上地表出现裂缝的最外边界点，称为裂缝边界。
在移动盆地的主断面上，采空区边界点和危险边界B点的连线与水平线在煤柱一侧所交之角，称为岩层移动角。
如图13-4中的δ、γ、β为移动角。
如图可知，表土层移动角称表土移动角，它与煤层倾角无关，用φ表示。
岩层移动角与煤层倾角有关。
沿煤层走向的岩石移动角称为走向移动角，用δ表示。
沿煤层倾斜方向，采空区上边界的移动角用γ表示；采空区下边界的移动角用β表示。
急倾斜煤层开采之后，底板岩石将向采空区隆起，造成底板岩石的移动。
三、地表移动对建筑物的影响
1．地表均匀下沉和均匀水平移动
2．地表倾斜
地表的倾斜，可以使建筑物歪斜，甚至有倒塌的危险。
3．地表的曲率变形
地表下凹时，使建筑物中间悬空而遭到破坏；地表上凸时，使建筑物两端悬空而遭到破坏。
4．水平变形
水平变形是指地表相邻两点位移不相等而出现的拉伸和压缩。
拉伸变形会使建筑物地基断裂。
压缩变形会使建筑物结构中产生附加应力，从而使建筑物遭到破坏。
第二节确定移动角的方法
目前确定移动角的方法有实测法和类比法两种。
实测法是在采空区上方的地板上，建立地表移动观测站，测定各点高程与水平距离的变化；然后，根据观测资料进行分析、研究，确定地表移动参数。
类比法是借用地质条件相类似的矿区所测得的移动参数来研究本地区地表移动的情况。
一、地表移动观测站确定移动角
1．地表移动观测站
选择建立观测站的地点，应尽量满足如下条件：煤层走向、倾斜及厚度稳定，地质条件较为简单，无大断层，开采深度为100~300m，仅采一层煤，四周无采空区，且地势较为平坦。
2．地表移动的外业观测工作
在采区开始开采之前，应在矿区控制网的基础上，测量出所有控制点与各工作测点的高程和平面位置。
然后，在地表移动过程中，定期观测各测点的高程和平面位置的变化。
外业测量工作的主要内容包括水准测量、钢尺量距、支距测量。
地表移动的全过程通常分为初始期、活跃期与衰减期三个阶段。
当采动影响地表下程值达10mm时，即进入初始期，每隔1~3个月观测一次。
当开采缓倾斜和倾斜煤层时，每月下沉值大于50mm，开采急倾斜煤层时，每月下沉值大于30mm，即进入活跃期。
活跃期每半月至一月观测一次，但观测次数不得少于四次。
此后，当每月下沉值小于50mm时，即进入衰减期，衰减期中，每隔1~3月观测一次。
六个月内地表下沉的累计值不超过30mm 时，即认为移动终止。
3．观测成果的内业整理及制图
根据正确的外业测量成果，经过业内计算和成果整理，即可绘出每条观测线的剖面图，并在其上绘制地表下沉曲线、倾斜曲线、曲率曲线以及水平移动和水平变形曲线，分别在这些曲线上找出对建筑物有危险的边界点。
然后从其中最外边的一个点和采空区边界点连线，它在煤柱一侧与水平线所成的夹角，即为岩层沿走向主断面上的移动角δ（图13-10）。
同法，在沿倾向主断面上求出上山移动角γ和下山移动角β。
二、用类比法确定移动角
在新矿区或为进行岩层移动观测的矿区，可以采用类比法确定移动角值。
这种方法是把本矿区的地质采矿特征、上覆岩层的岩石性质、煤层倾角、煤厚及开采深度等条件，与已研究过的矿区进行类比，选择和确定设计保护煤柱的移动角值。
这种与同类煤田对比求煤层移动角的方法，称为类比法。
第三节保护煤柱的留设
在煤矿区域，要使建筑物免受井下开采工作产生的有害影响，就要按照地表移动规律，为建筑物留设保护煤柱。
如果煤柱留得过大，会浪费国家资源。
留的过小，又起不到保护作用。
为了保护建筑物的安全，被保护的面积除了建筑物本身所占有的面积外，还应包括周围的围护带。
我国根据各种建筑物的价值和重要性，将建筑物分为三级。
Ⅰ级建筑物的围护带为15m，Ⅱ级建筑物的围护带为10m，Ⅲ级建筑物的围护带为5m。
对于井下主要巷道的围护带，《规程》规定为20m。
当面积不大的建筑物在确定被保护面积时，应先作出周边平行和垂直于煤层走向的外切矩形，然后再作出围护带，如图13-11所示。
现以房屋为例，说明用垂直断面法设计保护煤柱的方法与步骤。
例13-1某矿办公大楼长50m，宽20m，大楼的长边与煤层走向线的交角为60°，煤厚2.5m，煤层倾角35°，大楼中心以下煤层埋藏深度为140m，表土层厚20m。
矿区岩层移动角：β＝47°，δ＝γ＝75°，φ＝45°。
由建筑物的保护规范知，该楼为Ⅱ级建筑物，其围护带的宽度为10m。
现以图13-12为例，具体作法如下：
①用一定比例尺（1：500~1：5000）作出大楼的平面图，使大楼的长轴与煤层走向线的交角为60°，然后绘出大楼轮廓点1、2、3、4；过大楼轮廓点作平行煤层走向和倾向的外切矩形1′、2′、3′、4′，在其外加宽10m作出围护带，得到地表被保护面积的轮廓点a、b、
c、d。
②通过受护面积的中心作一垂直于煤层走向断面Ⅰ－Ⅰ，从被保护面积边界点m1和
n1，按φ＝45°作斜线至基岩的表面交于m1、n2点。
再按β＝47°和γ＝75°分别从n2和m2在上山和下山方向作斜线交煤层面于点a′、b′、c′、d′，此两点就是煤柱的上下边界点。
③按照②的方法，在平行于煤层走向断面Ⅱ－Ⅱ上，按β＝45°，γ＝75°作斜线，与煤柱上、下边界点K′、m′的水平线相交于，则此四点即为沿走向断面的煤柱边界点。
④依次将两个垂直断面图上所得到的煤柱边界点，转绘到平面图上，得到梯形ABCD。
该梯形就是保护煤柱的平面轮廓。
三、本章小结
了解岩层与地表移动的概念及保护煤柱的留设
四、复习思考题
1．研究地表与岩层移动规律有什么意义？
2．什么是地表移动盆地？有哪些特征？
3．地表移动对建筑物的影响有哪些？
4．某矿有一幢医院大楼，长为60m，宽为30m，需要留设保护煤柱。
已知：长边与煤层走向线的交角为60°，煤厚2m，煤层倾角为30°，大楼中心处的煤层埋藏深度为150m，该矿移动角为δ＝γ＝75°，β＝57°，φ＝45°。
大楼的围护带宽度为10m。
试用垂直断面法设
计医院大楼的保护煤柱（作图比例尺为1：2000）。
