第一讲 开采沉陷的基本概念

1、 第一节第一节 地下开采引起的岩层移动地下开采引起的岩层移动 在地下开采前，岩体在地应力场作用下处于相对平衡状态。 局部矿体被采出后，在岩体内部形成一个采空区，导致周围岩 体应力状态发生变化，引起应力重分布，从而使岩体产生移动 变形和破坏，直至达到新的平衡。随着采矿工作的进行，这一 过程不断重复。它是一个十分复杂的物理、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。岩层移动。 本学科常用岩体移动表示地表以下岩体内部的移动，而通 常研究的是沉积岩层的移动过程和规律，所以又常称岩层移动 。 为便于理解，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

2、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。 随着工作面的向前推进，受采动影响的岩层范围 不断扩大。当开采范围足够大时（0.20.3H，H为 采深），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）。 图1 采空区上覆岩层移动示意图 由于岩层移动、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

3、 支承压力区，其最大压力为原岩应力场的34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，煤层挤向采空区，称为片帮。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。 根据岩层移动和变形特征及应力分布情况，在移动 过程终止后的岩体内大致可划分为三个移动特征区（ 图2）：充分采动区（减压区），、最大 弯曲区；、岩石压缩区（支承压力区）。 图2 采空区影响范围内的影响带划分示意图 1-地表下沉曲线；2-支承压力区内的正应力图；3-沿岩层法向岩石 变形曲线图；4-冒落带 充分采动区COD位于采空区中部上方，其 移动特征是：煤层顶板在上覆岩体重

4、力作用下， 先向采空区方向弯曲，然后破碎成大小不一的岩 块向下冒落而充填采空区。此后，岩层成层状向 下弯曲，同时伴随有离层、裂隙、断裂等现象。 成层状弯曲的岩层下沉，使冒落破碎的岩块逐渐 被压实。移动结束后，此区内下沉的岩层仍平行 于它的原始层位，层内各点的移动向量与煤层法 线方向一致，在同一层内的移动向量彼此相等。 岩石压缩区（支承压力区）位于采空区边界 煤柱上方GC和HD范围内。在支承压力区之上的 岩层内，不仅有沿层面方向的拉伸变形，而且还 出现沿层面法线方向的压缩变形。 在充分采动区和支承压力、之间是最 大弯曲区、，在此范围内岩层向下弯曲的程 度（曲率）最大。由于岩层弯曲，在层内产生沿

5、层面方向的拉伸变形和压缩变形。 以上是水平煤层开采时岩层移动特征。在倾 斜煤层和急倾斜煤层开采条件下，岩层移动的主 要特征是岩石沿层面的滑移。在采空区边界上方 ，岩层和煤柱在自重应力的作用下，顶板岩层在 产生法向弯曲的同时，受沿层面分力的作用而产 生沿层面向采空区方向的错动和滑落。当煤层倾 角接近或大于500时，这种现象可扩展到煤层底板 岩层。若顶、底板岩层的强度均较小，则可同时 产生沿层面的下滑。 根据观测和研究的结果，在岩层移动过程中，开采空间 周围岩层的移动形式可归结为以下几种： （一）弯曲，这岩层移动的主要形式。当地下开采后，从 直接顶板开始沿层面法线方向弯曲，直到地表。 （二）岩层的

6、垮落（或称冒落）。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，冒落充填于采空 区。此时，岩层不再保持其原有的层状结构。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。 （三）煤的挤出（又称片帮）。采空区边界煤层在支承压 力作用下，一部分被压碎挤向采空区，这种现象称为片帮。由 于增压区的存在，煤层顶底板岩层在支承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岩层和地表产生移动。 （四）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

7、移动。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。 （五）垮落岩石的下滑（或滚动）。煤层采出后，采空 区为冒落岩块所充填。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，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。 （六）底板岩层的隆起。当底板岩层较软时，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。 冲积层的移动形式是垂直弯曲，不受

8、煤 层倾角的影响。在水平煤层条件下，冲积层 和基岩的移动形式是一致的。 应该指出，以上六种移动形式不一定同 时出现在某一个具体的移动过程中 。 从以上分析可以看，煤层采出后，在采空区上覆岩层 发生了较为复杂的移动和变形。将移动稳定后的上覆岩层 按其破坏程度，分为三个不同的开采影响带，即冒落带、 断裂带、弯曲带（见图3）。 图3 采空区上覆岩层内移动分布示意图 -冒落带；-裂缝带；-弯曲带 （一）冒落带(Caving zone) 冒落带是指用全部垮落法管理顶板时，回采工作面放顶后引起 煤层直接顶岩层产生破坏的范围。冒落带内岩层破坏的特点为：冒 落岩块大小不一；无规则地堆积在采空区内；冒落岩块间空

9、隙较大 ，连通性好，易导水、导砂。 具：碎胀性、可压缩性。 分：不规则冒落带、规则冒落带 （二）裂缝带（断裂带）(Fractured zone) 裂缝带是指在采空区覆岩中产生裂缝、离层及断裂，但仍保持 层状结构的那部分岩层。位于冒落带之上。其特征为：岩层不仅产 生垂直于层理面的裂缝或断裂，还产生顺层理面的离层裂缝，易导 水。 分：严重断裂带、一般断裂带、微小断裂带。 冒落带和裂缝带合称为冒落裂缝带，或导水裂缝带(Water conducted zone)。 其高度与岩性有关，一般软弱覆岩时为采厚的912倍，中硬覆岩 时为采厚的1218倍，坚硬覆岩时为采厚的1828倍 。 （三）弯曲带(Sagging zone)（整体移动带） 弯曲带位于裂缝带之上直至地表。其移动特 点为：岩层的移动过程是连续而有规律的