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 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
（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》
（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。
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
A
B
C
δ
δ
1·地表均匀下沉和均匀水平位移
矿山测量
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
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
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。
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 边界角、移动角和裂缝角
ψ
ψo
ψo
ψ
β β″
γ″ γ
βo
γo
ψo
ψ
δo
AB C δ δ″
C BA δ″ δ
δo
ψ
ψo
C BA
ψo ψ
γo γ γ″
AB C
ψo ψ
βo β β″
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。
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
图 “三带”划分
表土 层 Ⅲ Ⅱ
Ⅰ
Ⅰ—垮落带；Ⅱ—断裂带；Ⅲ—弯曲带
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。
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
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。
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。
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。
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
D
D
γ0
α
A
采空区
BW θ
β0 C
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
5
4 3
2
A