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第十二章、岩层与地表移动
第十二章 岩层与地表移动
第一节 岩层与地表移动概念
一、踩空区上覆岩层分带
二、地表移动盆地
三、地表移动变形对建筑物的影响
第二节 确定移动角的方法
一、实测法确定移动角
第三节 保护煤柱的留设
一、垂直断面法
二、垂线法
第四节 测量与“三下”采煤
一、测量技术在“三下”采煤中的应用
二、“三下”采煤时的测量工作
第一节 岩层与地表移动概念
一、踩空区上覆岩层分带
地下煤炭采出后，破坏了地层内部原有的应力平衡状态，采空区顶板岩层在重力作用下，向下弯曲下沉，乃至断裂而充填采空区。当采空区的面积达到一定范围时，这种移动和变形便波及到地表，导致地表出现下沉、裂缝甚至塌陷，严重威胁着地面建筑物的安全。因此，在建筑物下、铁路下、水体下（简称“三下”）采煤时，需要认真研究和掌握岩层与地表移动规律，确保地面和井下的安全
当采用全部垮落法管理顶板时，顶板岩石破碎、垮落充填采空区。顶板垮落的范围称为垮落带，如图中Ⅰ所示。垮落带的高度取决于采出煤层的厚度和岩石的碎胀系数，它通常为采出煤层厚度的3~5倍。垮落带的碎石块充满采空区，使上部岩层不再冒落，而只出现弯曲、层离、裂缝，这部分通常称为断裂带，如图中Ⅱ所示。垮落带和断裂带合起来一般称为导水断裂带。导水断裂带的高度约为采空区高度的15~25倍，个别矿区也有小于12倍的。岩层移动再向上发展则出现平缓弯曲知直到地表，称为弯曲带。如图中Ⅲ所示。弯曲带中岩层不再断裂，而是产生法向弯曲，保持了层状结构，移动过程连续而有规律。实际上，上述三个带的界限并不明显。对于不同采区，可能只出现其中的两个带。
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结构、水文地质条件等
图 “三带”划分
二、地表移动盆地
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，以便正确的留设保护煤柱以及研究在“三下”进行采煤的方法和措施。
1·地表移动盆地
当开采的影响到达地表以后，受采动影响的地表从原有标高向下沉降，从而在采空区上方形成一个比采空区面积大得多的洼地。这种地形称为地表移动盆地。
移动盆地和采空区的相对位置取决于煤层的倾角。当开采水平煤层时，移动盆地在采空区顶部呈对称分布，若采空区为长方形时，移动盆地大致为椭圆形；当开采倾斜煤层时，移动盆地向煤层倾斜方向偏移，如图所示，只在走向断面上，移动盆地在采空区上部呈对称分布。
图 移动盆地与主断面
2·移动盆地的主断面
为了表示移动盆地的特征，通过移动盆地中的最大下沉点，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。为了研究移动盆地的变形规律，可以沿主断面设置地表移动观测站。
倾向主断面的位置在采空区的中央。走向主断面的位置，可由图中的θ角来确定，θ角为倾向主断面上最大下沉点和采空区中心的连线与水平线的夹角，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 （1）
当α＞45°时， θ=90°-（0.4~0.2）α （2）
式中，α为煤层倾角。
3·边界角、移动角和裂缝角
在移动盆地内各点的地表移动和表形值是不相同的。在主断面上，可按移动和表形值的大小，将移动盆地划分为三个边界，如图所示。
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点B的连线与水平线在煤柱一侧所夹之角，称为移动角。移动角分为表土层移动角和基石移动角。表土层移动角的大小与煤层倾角无关，用ψ表示。基岩移动角与煤层倾角有关，基岩移动角用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，地板岩层将向采空区隆起，造成底板岩层的移动。所以，急倾斜煤层顶板移动角用β表示，底板移动角用γ表示。同样，边界角用βo、γo（或λo）、δo表示，裂缝角用β″、γ″（或λo）、δ″表示，如图所示。
图 边界角、移动角和裂缝角
三、地表移动变形对建筑物的影响
地表移动与变形，将引起建筑物基础及建筑物本身产生移动和变形。如图所示为沿走向主断面上的地表下沉曲线。
地面上α点的移动后位于C点，向αC为总位移，ab水平分量，是ａ点的水平位移，bC为垂直分量，是a点的垂直位移，称为下沉。由图可知，各点的水平位移和下沉值都不相同，因此就会使地面产生各种变形，从而对位于移动盆地内的建筑物产生不同程度的破坏作用。
图 地表下沉曲线
1·地表均匀下沉和均匀水平位移
当地表均匀下沉和均匀水平移动的时候，由于建筑物整体随地表均匀运动，建筑物各构件上不产生附加应力，建筑物各构件仍保持它原有工作状态，这对建筑物危害不大。只是由于下沉而呈现出洼地，积水不易排出。
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，尤其对于底面积小而高度大的建筑物（如水塔、烟囱、高压线铁塔及塔式建（构）筑物）危害较大。如图所示，由于地表倾斜，建筑物的中心发生偏移，引起应力重新分布。
图 地表倾斜
3·地表曲率变形
地表的曲率变形对长度较大的建筑物有危害。因为这类房屋在承重结构上，没有足够的刚度以抵抗地表变形的力量，也没有足够的柔性以适应地表变形。当出现图a中的情况时，房屋中部悬空，建筑物两端的地表对房屋基础的反作用力增大，建筑物中部因其自重作用而下沉，在底部中央形成裂缝。当出现图b中的情况时，房屋两端成悬空状态，其中央所产生的应力大于原有的应力，如果超过建筑物基础强度的极限值，则会受到破坏，建筑物两端由于悬空而下沉，结果在建筑物顶部中间出现裂缝
图a 地表曲率变形
图b 地表曲率变形
4·水平变形
水平变形是指地表相邻两点水平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。
建筑物的破坏程度不仅与地表变形性质有关，而且也决定于变形值的大小，而变形值的大小和矿体的开采深度、开采厚度、顶板管理方法等密切相关。当开采深度较大，开采厚度较薄，顶板管理方法采用充填法时，可减轻对建筑物的破坏程度
第二节 确定移动角的方法
地表移动参数是反映地表移动与变形在空间和时间上的特征和大小的系数，是表示地表移动变形规律是主要指标。移动角是地表移动参数的主要内容之一。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面上建立地表移动观测站，测定各点高程与水平距离的变化情况。然后，根据观测资料进行分析、研究，计算出移动角值。类比法是借用地质条件相类似的矿区所测得的移动参数计算出移动角值
一、实测法确定移动角
（一）地表移动观测站
在地表出现移动之前，沿移动盆地主断面设置若干测点构成地表观测站，由这些测点连成的直线，称为观测线。观测线延伸至移动盆地之外，与特设的控制点相连接。如图所示，沿倾向主断面与走向主断面设置AB、CD两条观测线，R1、R2、R3、R４为设置的控制点，控制点与工作面测点相距50~100m。观测点的构造和导线点相同。观测点之间的距离应尽可能相等，其间距与开采深度有关，见下表。
图 地表移动观测站
表 地表观测站测点间距
建立地表移动观测站的地点，应尽量满足以下条件：煤层走向、倾斜及厚度较为稳定；地质条件较为简单，无大断层；开采深度为100~300m；仅开采一层煤；四周无采空区，且地面较为平坦。观测站设置好后，应定期进行全面观测，内容包括：
（1）用水准测量仪测定各点的高程。
（2）用钢尺（测距仪）测量各点之间的距离。
（3）测量各点偏离测线的距离（即支距测量）
（4）对地表原有破坏状态（如地面、建筑物的裂缝等）进行丈量素描，必要时应摄影存查。
地表移动去昂过程通常分为初期、活跃期与衰减期三个阶段。当采动影响使地表下沉值达10mm时，即进入初期阶段，此阶段每隔一个月至三个月观测一次。当开采缓倾斜和倾斜煤层时，每月下沉大于50mm；开采急倾斜煤层时，每月下沉值大于30mm，即进入活跃期。活跃期每半个月至一个月观测一次，但整个活跃期内的观测次数不得少于四次。此后，每月下沉值小于50mm时，即进入衰减期，衰减期内每隔一个月至三个月观测一次。六个月内地表下沉的累计值不超过30mm时，即认为移动终止。
外业测量工作中的有关规定可参照《煤矿测量试行规程》
（二）地表移动的观测成果
按观测线计算各工作点的移动与变形值。
（1）下沉值W。
Wn=Hn-Hon （3）
式中 Hn——n号点采动后的高程；
Hon——n号点采动前的高程。
下沉量为正值表示测点下降，负值表示测点上升。
（2）倾斜i。倾斜是指相邻两测点的下沉差与测点间距离之比，即
（4）
式中 Wn、Wn+1——地表受采动后n号点和n+1号点的下沉值；
∫n~n+1——n号点到n+1号点的水平距离。
倾斜按其方向不同，有正、负之分，向上山方向的倾斜为正，向下山方向倾斜为负；顺走向方向的倾斜为正，逆走向方向的倾斜为负。
（3）曲率K
（5）
曲率也有正负之分，地表呈凸形曲率为正，地表呈凹形曲率为负。
（4）水平移动U。水平移动是指测点到控制点之间的距离变化，即
Un=Ln-Lno （6）
式中 Ln——地表采动后n号点到控制点的水平距离；
Lno——地表采动前n号点到控制点的水平距离。
2·绘制地表移动和变化曲线
根据计算结果，绘制沿观测线的断面图和各种观测线上的地表移动和变形曲线。
在断面图上绘制出：地表剖面、测点位置及编号、冲积层厚度、煤层厚度和倾角、采空区的位置、岩层柱状以及观测时的采煤工作面位置等。
地表移动和变形曲线，绘于断面图的上方，以便比较。其水平比例尺和断面比例尺应一致，竖立比例尺可适当扩大，如图所示
图 地表移动与变形曲线
3·确定移动角值
移动角δ、β、γ的数值直接从断面上用量角器量得。在已绘出的地表移动和变形曲线上，找出对建筑物有危险的边界值（一般采用砖石结构建筑物的临界变形值），即曲线上i=3mm/m,K=0.2×10 ³，ε=2mm/m的三个点中最外边的一点，投影到断面图上，即得到移动盆地危险的边界点。该点与采空区边界的煤层地板连线（表土层很薄时，可不予考虑），在煤柱一侧与水平线的夹角，如图中所示，即为岩层走向移动角δ。同法在沿倾向主断面图上，可求得采空区上边界移动角γ和下边界移动角β。
边界角δo、βo、γo是以下沉量为10mm的点作为移动零点在断面图上来确定
第三节 保护煤柱的留设
为了使地表的建筑物、铁路、水体不受地下开采的影响，可以采取留设保护煤柱的方法。
留设保护煤柱的优点是安全可靠，缺点是部分煤炭资源暂时或长期不能采出，以及因留设煤柱而使采煤工作复杂化等。只有正确地选用岩层移动参数，才能合理地留设保护煤柱。因为煤柱留得过大，会造成国家资源浪费；煤柱留得过小，又起不到保护作用。
为了保护建筑物、构筑物的安全，被保护的面积除了建筑物和构筑物本身所占有的面积之外，还留有围护带。根据原煤炭工业部1985年颁布的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设外与压煤开采规程》的规定，围护带的宽度分为四级：Ⅰ级围护带的宽度为20m；Ⅱ级围护带的宽度为15m；Ⅲ级围护带的宽度为10m；Ⅳ级围护带的宽度为5m。
保护煤柱的留设方法主要有两种：垂直断面法和垂线法。
一、垂直断面法
现以房屋为例，说明垂直断面法设计煤柱的方法和步骤。
某建筑物长60m、宽25m，其建筑物长轴方向的坐标方位角为80°，煤层走向30°，煤层厚度2.0m倾角30°，煤的视密度1.35t/m³，冲积层移动角ψ=45°。试用垂直断面法确定煤柱尺寸，并计算保护煤柱的压煤量。
1·确定受护面积
如图所示，首先按一定面积比例尺（1:500~1：5000）作房屋的平面图，使房屋的长轴与，煤层走向的夹角为80°—30°=50°，然后绘出房屋的轮廓点1、2、3、4，过房屋的轮廓点作平行于煤层走向和倾向的外切矩形1′2′3′4′。这样做是为了能利用移动角值，而且如此圈定建筑物的保护范围所谓增加的煤柱并不大，煤柱形状也较为规整，有利于煤柱周围煤层的开采。在矩形1′2′3′4′的外缘，再加15m宽的围护带，得矩形abcd，即为所确定的保护面积。
图 垂直断面法留设保护煤柱
2·确定保护煤柱边界
通过受护面积中心作一垂直于走向的断面Ⅰ—Ⅰ，在该断面上，从被保护面积的边界点m1和n1起，按表土层移动角ψ=45°作斜线交基岩表面，得交点m2和n2。然后再按基岩移动角，在基岩面上沿下山和上山方向分别以移动角γ=75°和β=47°作斜线交煤层于m′和n′点，即为保护煤柱的下部和上部边界。
同样方法，在平行于煤层走向的断面Ⅱ—Ⅱ及Ⅱ′—Ⅱ′上，按ψ=45°和δ=75°作斜线，求得沿走向断面的煤柱边界a′b′c′d′。依次将两断面上的煤柱边界转绘到平面图上，得到梯形ABCD，即为保护煤柱的平面图。
然后在井上下对照图和采掘工程平面图上，绘出保护煤柱的位置。
3·计算保护煤柱的压煤量Q
Q=体积×视宽度=A平/cosδMR
式中 A平——煤柱的水平面积；
R——煤的视密度；
δ——煤层倾角；
M——煤层厚度。
则
二、垂线法
上例中建筑物的长轴方向与煤层走向斜交，用垂直断面法留设保护煤柱时，为了利用移动角，需根据受护范围的角点作沿煤层走向和倾向的保护边界。当建筑物或被保护对象窄而长（如铁路、河流）时，用此方法留设保护煤柱就会大大增加煤柱的面积，造成国家煤炭资源的巨大浪费。在这种情况下，宜采用垂线法留设保护煤柱，其步骤如下：
1·确定受保护边界
在平面与上，作保护对象轮廓的围护带（取5~20m），得到受护边界abcd，如图所示。
2·确定保护煤柱
将abcd绘在煤层地板等高线图上，由受护边界abcd向外量S=hcotψ（式中，h为表土层厚度，ψ为表土层移动角），得到基岩面上的受护边界a′b′c′d′，如上图所示，再从a′b′c′d′向外作各边界的垂线。这些垂线的长度按下式计算
向上山方向作的垂线长
（8）
向下山方向作的垂线长
（9）
式中 α——煤层倾角；
Hi——a′、b′、c′、d′各点的煤层埋藏深度减去该点的表土层厚度h，此值可在煤层地板高线图上分别确定；
θi——各受护边界与煤层走向所夹的锐角；
β′i、γ′i——所作各垂线方向（伪倾斜方向）的下山和上山移动角，可按下式计算
（10）
（11）
式中，γ、β、δ为该矿区所采用的移动角。
然后根据计算结果，分别在各垂线上量取qi、∫i值，得A、A′、B、B′、C、C′、D、D′各点，连接A′B、AC、C′D、D′B′各线并延长，则相较于1、2、3、4四点，形成四边形，即为所求的保护煤柱边界。
当用两种方法确定保护煤柱边界时，其重叠部分为受护对象最合理的保护煤柱，经济效益也最好，如图所示。
现以房屋为例，说明垂线法设计保护煤柱的方法和步骤。
某建筑物长50m，宽20m，其建筑物长轴方向的坐标方位角为85°，煤层走向25°，煤层厚度2.5m，倾角35°，煤的视密度1.3t/m³，建筑物中心处的煤层埋藏深度为140m，表土层厚度20m。矿井的岩层移动角δ=γ=75°，β=47°，表土层移动角ψ=45°。试用垂线法确定煤柱尺寸，并计算保护煤柱的压煤量。
1·绘出受护面积
使房屋的长轴方向为85°，按一定比例尺绘出房屋的平面图，再留出15m的围护带，得到受护边界abcd，如图所示。根据煤层的走向和倾角绘出一组煤层地板等高线，通过房屋中心的等高线的数值为-140m，即采深。
2·确定保护煤柱
（1）由abcd向外按比例量出距离S=hcotψ=20cot45°=20m，得到a′b′c′d′，在图上确定a′、b′、c′、d′点的煤层埋藏深度，并减去表土层厚度得
Ha′=0-（-195m）-20m=175m；Hb′=0-（-120m）-20m=100m
Hc′=0-(-162m）-20m=142m；Ha″=0-（-87m）-20m=67m
（2）自a′、b′、c′d′各点作围护边界的垂线，得q1、q2、q3、q4、∫1、∫2、∫3、∫4.
（3）应用式（10）、式（11），求伪倾角方向的移动角β′γ′i。
对于q3、q4、∫3、∫4，β=47°，δ=γ=75°，θ=60°计算得
β′=62°29′；γ′=75°00′
对于q1、q2、∫1、∫2，β=47°，δ=γ=75°，θ=30°，计算得
β′=50°42′；γ′=75°00′
应用式（8）、式（9）得计算得
q1=54.7m；q2=36.6m；q3=29.5m；q4=62.5m
∫1=45.4m；∫1=56.0m；∫1=51.7m；∫1=29.6m
在各垂线上分别截取上面计算得到的相应长度，将各端点相连并延长相交，得四边形1234，即为所留煤柱的平面投影
3.计算压煤量
煤柱面积=Δ412+Δ423=37677m²
压煤量=37677m²/cos35°×2.5m×1.3t/m³=149484t
与前面垂直断面法相比，垂线法少于压煤10000余t。
第四节 测量与“三下”采煤
“三下”采煤工程属于测量、采煤、地质三门科学的边缘学科。在“三下”采煤时，不但要涉及到煤层的开采方法、顶板管理方法、采高、采深、上覆地层的岩性及地质结构，更需要用测量技术来监视、研究岩层与地表移动及其规律。显然，测量技术占有重要地位。
一、测量技术在“三下”采煤中的应用
1·用测量技术取得各项岩移参数
地表移动变形参数是反映地表移动与变形在空间和时间上的特征和大小的量，是表示地表移动变形规律的重要指标。这些参数是进行地表移动和变形预计的基础，是解决“三下”采煤实际问题的首要数据。大量的实践表明，不论采用现行的那种方法进行地表移动与变形预计，起结果与实际偏差在很大程度上都依赖所选用的基本参数的准确性。然而，只有应用测量技术取得大量实测资料，在这些实测资料的基础上，用综合分析方法才能确定这些参数。应当指出，没有测量技术的实施，就不可能进行“三下”采煤。
2·准备测定地表各点的沉降实况
只有用测量的方法才能研究地表任意点、任意时刻的下沉速度，而这种成果的取得和“三下”采煤也是密切相关的。
在建筑物下进行采煤时，需要随时确定建筑物受采动影响的开始时间、在不同时期的地表移动变形量，据此对建筑物采取适当措施，如加强观测、加固、临时迁出或改变用途等。
在进行协调开采时，根据变形动态规律可以更合理地确定回采工作面之间的相互关系，采取切实可行的采煤工艺。
尤其是进行铁路下采煤时，如果掌握了地表下沉速度、变化规律，更可事先确定铁路线上任意点、任意时刻的下沉速度，确定出某一时间间隔内铁路路基的下沉量，从而为有计划地进行铁路维修、安排车辆运行、调整行车速度、确保行车安全提供科学依据。
用测量技术进行实地测量，是研究 岩层与地表移动规律的主要途径，通过它不但可以取得岩层、地表移动的主要岑数，也是应用观测资料进行地表变形预计、计算以及直接指导“三下”采煤的基础。
二、“三下”采煤时的测量工作
1·建筑物下采煤时的测量工作
（1）测绘采区的巷道平面图或采掘工程平面图，，了解生产系统及邻区的开采情况。
（2）测绘建筑物的面积、长度、宽度、走向，了解建筑时间、现实状况、使用要求、周围的地形。
（3）选取地表移动参数，并了解老采区活化的可能性及对地表和建筑物的影响。
（4）绘制井上、下对照图。应包括地形和煤层底板等高线，以及地质构造。
另外应收集地质剖面图、钻孔柱状图、建筑物的施工图等。
对受采动影响的主要建筑物，设置建筑物观测站，以便研究地下开采对地面建筑物的影响，掌握地表变形与建筑物变形的关系，检验建筑物的加固效果，从而找出合理的开采方法及制定有效的建筑物保护措施。
2·水体、铁路下采煤时的测量工作
在水体、铁路下采煤时，除必须具备前面有关的测量资料外，还应做一下工作：
（1）预计垮落带、导水断裂带的高度及发展特征；确定地表水体的水域；了解采空区、旧巷积水的范围，矿井排水系统等有关情况；预测地表下沉积水范围。
（2）测绘铁路线路平面和纵横剖面图；了解铁路的技术特征（等级、轨道数量、运输量等）、线路标变坡点、坡度以及线路直线段、曲线段和缓和曲线有关的技术资料；了解线路附近地形及建（构）筑物状况。
在水体下、铁路下采煤时均需设置观测站。前者是为了研究采煤引起围岩破坏的基本规律，确定导水断裂带的高度和分布情况，，为安全合理地进行水体下采煤提供科学依据；后者是为了研究地下开采后，路基和钢轨的移动和变形规律，随时掌握其动态，为铁路维修提供资料。
我国很多矿务局、矿井都有一定比例的：“三下”压煤量。据统计，我国“三下”压煤量多达100多亿吨，通过矿山测量人员的努力，已经顺利地采出数亿吨煤。解放“三下”压煤，可为国家增加财富，造福人民，也是老矿挖潜、提高采出率、增加经济效益、保证安全生产的重要课题。矿山测量人员肩负着光荣的任务。
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