第一节 开采引发的岩层和地表移动
一、开采引发的岩层移动和破坏 （一）岩层移动和破坏进程
在地下煤层被采出前，岩体在地应力场作用下处于相对平稳状态。当部份煤层被采出后，在岩体内部形成一个采空区，其周围岩体应力平稳状态受到破坏，引发应力从头散布，从而使岩体产生移动、变形和破坏，直至达到新的平稳。随着工作面的推动，这一进程不断重复。这是十分复杂的物理、力学转变进程，也是岩层产生移动和破坏进程，这一进程和现象称为岩层移动（Strata Movement）。
为了便于明白得，以近水平煤层开采为例，说明岩层移动和破坏进程和应力状态的转变。本地下煤层开采后，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，直接顶板第一断裂、破碎，接踵冒落，而老顶岩层那么以梁、板的形式沿层面法向方向移动、弯曲，进而产生断裂、离层。随着工作面向前推动，受到采动阻碍的岩层范围不断扩大。当开采范围足够大时，岩层移动进展到地表，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，使采空区周围应力从头散布，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紧缩，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，使煤柱部份被压碎，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，可能显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
在岩层移动进程中，采空区周围岩层的移动和破坏形式要紧有以下几种：
1．弯曲
弯曲是岩层移动的要紧形式。本地下煤层被开采后，从直接顶板开始岩层整体沿层面法线方向弯曲，直到地表。现在，有的岩层可能会显现断裂或大小不一的裂隙，但不产生脱落，维持层状结构。
2．垮落
垮落（又称冒落）这是岩层移动进程中最猛烈的形式，通常只发生在采空区直接顶板岩层中。当煤层采出后，采空区周围上方岩层弯曲而产生拉伸变形。当拉伸变形超过岩层的许诺抗拉强度时，岩层破碎成大小不一的岩块，无规律地充填在采空区，现在，岩体体积增大，岩层再也不维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壮大的压力作用下，部份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紧缩，从而使采空区边界之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份岩层受拉伸，乃至剪断，而下山方向的部份岩层受紧缩。
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，下山部份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（又称岩石的转动）。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份的岩层移动加重，而下山部份的岩层移动减弱。
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，致使底板向采空区方向隆起。
在某一个具体的岩层破坏和移动进程中，以上六种移动形式不必然同时显现。另外，松散层的移动形式是垂直弯曲，不受煤层倾角的阻碍。在水平煤层条件下，松散层和基岩的移动形式是一致的。
（三）岩层移动和破坏稳固后形成的三带
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。依照工程的需要，岩层移动和破坏稳固后按其破坏的程度，大致分为三个不同的开采阻碍带，即冒落带（Caved Zone）、裂痕带（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）是指由煤层开采引发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，无规那么地堆积在采空区内。依照冒落岩块的破坏和堆积状况，冒落带可分为不规那么冒落和规那么冒落两部份。在不规那么冒落部份内，岩层完全失去了原有的层位，在靠近煤层周围，岩石破碎、堆积紊乱。在规那么的冒落带内，岩层大体维持原有层次，位于不规那么冒落带之上。
冒落带内岩层破坏特点：
（1）在冒落带内，从煤层往上岩层破碎程度慢慢减小。
（2）冒落岩块间间隙较大，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，经常使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1，一样在～之间。
（4）冒落带高度要紧取决于采出厚度和上覆岩层的碎胀系数，一样为采出厚度的3～5倍。薄煤层开采时冒落高度较小，一样为采出厚度的倍左右。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）冒落岩石间的间隙随着时刻的延长和工作面推动距离的增加，在上覆岩层压力作用下，在必然程度上可取得压实。一样是稳固时刻越长，压实性越好，但永久可不能恢复到原岩体的体积。
2．裂痕带
裂痕带是指在采空区上覆岩层中产生裂痕、离层及断裂，但仍维持层状结构的那部份岩层。裂痕带位于垮落带和弯曲带之间。依照垂直层理面裂痕的大小及其连通性好坏，裂痕带内的岩层断裂又分为严峻断裂、一样断裂和微小断裂三部份。严峻断裂部份的岩层大多断开，但仍维持其原有层次，裂痕的漏水严峻。一样断裂部份的岩层很少断开，漏水程度一样。较小断裂部份的岩层裂痕不断开，连通性较差。
裂痕带内岩层产生较大的弯曲、变形和破坏，其破坏特点：
（1）裂痕带内的岩层不仅发生垂直于层理面的裂痕或断裂，而且还产生顺层理面的离层裂痕。
（2）依照连通性的好坏，裂痕带一样导水、但无益于砂、泥土通过。 （3）冒落带和裂痕带合称为两带，又称为冒落裂痕带，在解决水体下采煤时，垮落带和裂痕带合称为导水裂痕带。两带之间没有明显的分界限，均属于破坏性阻碍区，一样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、用全数垮落法治理顶板时，裂痕带可进展到地表，乃至冒落带达到地表。这时地表和采空区连通，地表呈现出塌陷或崩落。
（4）导水裂痕带高度与岩性有关。软弱岩石条件下，导水裂痕带高度为采厚的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。准确地确信导水裂痕带高度，对水体下采煤相当重要。
（5）裂痕带高度随着工作面推动距离的增加而增大，当采空区扩大到必然范围时，裂痕带的高度达到最大。现在，采空区继续扩大，裂痕带高度大体上再也不进展，并随着时刻的推移，当岩层移动趋于稳固时，裂痕带上部裂痕慢慢闭合，裂痕带高度也随之降低。
3．弯曲带
弯曲带指的是裂痕带之上直至地表的整个岩系。其岩层移动和破坏特点： （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）弯曲带内岩层移动进程持续而有规律，并维持整体性和层状结构，不存在或极少存在离层裂痕。在竖直面内，各部份的移动值相差很小。
（3）弯曲带一样情形下具有隔水性，专门是当岩性较软时，隔水性能更好，成为水下开采时的良好爱惜层。
（4）弯曲带的高度要紧受开采深度的阻碍。当采深较小时，导水裂痕带高度直达地表，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痕带的高度之和，开采形成的裂痕带可不能达到地表。
“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”不必然同时存在。
二、开采引发的地表移动和破坏
（一）地表移动的形式 1．地表移动盆地
本地下工作面开采达到必然距离后（约为采深的1/4～1/2时），开采阻碍到地表，受采动阻碍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，引发地表标高、水平位置发生了转变，对地表的建筑、道路、河流、铁路、生活环境等产生了阻碍。
2．裂痕及台阶
在地表移动盆地的外边缘区，地表可能会产生裂痕，裂痕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，才产生裂痕，松散层的塑性小，变形值超过2～3mm/m，即可产生裂痕。一样地表裂痕与地下采空区不连通，到必然深度可能尖灭。当松散层较薄时，地表的移动取决于基岩的移动特点，地表可能显现裂痕或台阶，如图1-5和图1-6所示。
3．塌陷坑
急倾斜煤层开采时，煤层露头处周围地表呈现出严峻的非持续性破坏，往往会显现漏斗状的塌陷坑。塌陷坑大致位于煤层露头的正上方或略偏离露头位置。可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、采厚专门大时，由于采厚不一致，造成覆岩破坏高度不一致，地表也可能显现漏斗状塌陷坑。在有含水层的松散层下采煤时，不适本地提高回采上限也会引发地表产生漏斗状的塌陷坑。
地表显现的裂痕、台阶或塌陷坑，对位于其上的建筑物危害极大。因此在建筑物下、铁路下或水体下采煤时，应极力幸免显现大的裂痕、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动进程中慢慢形成的。一样是当回采工作面自开切眼开始向前推动的距离相当于采深的1/4～1/2时，开采阻碍涉及到地表，引发地表下沉。然后，随着工作面继续向前推动，采空区面积增大，地表的阻碍范围不断扩大，下沉值不断增加，下沉盆地也慢慢扩大。如图1-7所示，当采空区达到必然程度时，最大下沉值将再也不增加而形成一个平底的下沉盆地。当工作面停止以后，地表的移动可不能马上停止，要延续一段时刻，然后才能稳固，形成最终的地表移动盆地，现在的盆地又称静态移动盆地。
H0 1 3 4 w1 w2 w3 w4 w′04 2 1/4~1/2H0 工作面推进方向
图1-7 地表移动盆地形成进程
1、2、3、4—工作面推动的位置；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
依照采动对地表阻碍的程度，一样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），现在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（走向或偏向）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，现在的地表移动盆地为槽形（图1-9）。 （2）充分采动下沉盆地
本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。现在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）。现场实测说明，当采空区的长度和宽度均达到和超过～（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，地表的阻碍范围相应扩大，但地表最大下沉值再也不增加，地表移动盆地将显现平底。地表有多个点的下沉值达到最大下沉值的采动情形，称为超充分采动（Supercritical Mining），现在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若是研究地表移动盆地的性质，充分采动程度经常使用充分采动角（经常使用ψ表示）来确信。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，确信方式如图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．概念
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偏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，沿偏向的主断面称为偏向主断面。
从以上概念可看出，当非充分采动和刚达到充分采动时，沿走向和偏向别离只有一个主断面；当超充分采动时，地表有假设干个最大下沉值，通过任意一个最大下沉值沿煤层走向或偏向的垂直断面，都可成为主断面，现在主断面有无数个；当走向达到充分采动，偏向未达到充分采动时，有无数个偏向主断面，只有一个
走向主断面；当偏向达到充分采动，走向未达到充分采动时，有无数个走向主断面，只有一个偏向主断面。
2. 地表移动盆地主断面的特点
从主断面的概念可知，地表移动盆地主断面具有如下特点： （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点，在研究开采引发的地表移动和变形散布规律时，为简单起见，第一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）确实是在倾斜主断面上，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，经常使用θ表示（如图1-13）。实测资料说明，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。一样用下式表示[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）在非充分采动情形下
在水平煤层条件下，主断面一样位于采空区中心，如图1-14所示；在倾斜煤层开采条件下，偏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确信。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极点，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来确信，d值求取公式如下：
d=H0ctgθ （1-2）
（2）在充分采动情形下
第一按充分采动角ψ1、ψ2、ψ3确信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偏向的垂直断面即为走向和偏向主断面。如图1-16和图1-17所示。
（五）地表移动盆地的特点 1．地表移动盆地的三个区域
实测说明，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，采动阻碍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，即图顶用1字标出的部份。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样不显现明显裂痕。 （2）移动盆地的内边缘区(又称紧缩区域)
移动盆地的内边缘区一样位于采空区边界周围到最大下沉点之间，即图顶用2字标出的部份。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，产生紧缩变形，一样不显现裂痕。 （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，即图顶用3字标出的部份。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。当拉伸变形超过必然数值后，地面将产生拉伸裂痕。
2．地表移动盆地边界的划分
依照地表移动变形值大小对建筑物及地表的阻碍程度，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，一样取下沉10mm的点为边界点，最外边界事实上是下沉10mm的点圈定的边界，见图1-19中ACBD。最近几年观测说明，有时水平移动为10mm的边界较下沉为10mm的边界大，有的学者建议取二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信的边界，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。我国一样采纳的临界变形值是：i=3mm/m，ε=2mm/m，k=m2。这组临界变形值针对一样砖木结构建筑物求出的，以这三个变形值中最外一个值确信危险移动边界，如图1-19中A＇B＇C＇D＇所示。
要注意的是，不同结构的建（构）筑物能经受最大变形的能力不同，各类类型的建筑物都对应有相应的临界变形值。如华东地域部份村房，采纳泥浆砌筑，当拉伸变形达到1～m时，衡宇即破坏。在确信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）移动盆地的裂痕边界
裂痕边界是依照移动盆地内最外侧的裂痕圈定的边界。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。在那个主断面图上，AB为最外边界，A′B′为危险移动边界，A〃B〃为裂痕边界。
3．地表移动盆地边界的角量参数
通经常使用角值参数确信移动盆地边界。描述地表移动盆地形态和范围的角量参数主若是边界角、移动角、裂痕角和松散层移动角，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，别离用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，别离用δ、β、γ、λ表示。
（3）裂痕角
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痕至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为裂痕角（Angle of Break）。按不同断面，裂痕角可分为走向裂痕角、下山裂痕角、上山裂痕角、急倾斜煤层底板裂痕角，别离用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 示。它不受煤层倾角的阻碍，要紧与松散层的特性有关。
表
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