第89章放顶煤矿压与采场岩层移动.doc

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第八章放顶煤开采矿山压力显现规律（1课时）

1顶煤破坏机理

2顶煤破坏分区：

Ⅰ原始状态区Ⅱ压缩变形区Ⅲ抗剪破坏区Ⅳ散体冒放区

3影响顶煤冒放性因素：

煤体强度、裂隙分布、顶煤厚度、夹矸、采深

4放顶煤开采矿山压力显现规律

（1）支承压力分布

（2）支架载荷不大

（3）前柱阻力大于后柱

（4）煤壁及端面维护重要

（5）下分层综放矿压

第九章采场岩层移动与控制（1课时）

第一节岩层移动引起的采动损害概述

如前所述，按“砌体梁”理论，煤矿开采后，整个煤层以上通常分为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。

弯曲下沉带波及到地表时，就会引地表沉降，从而造成地表塌陷，农田破坏成水塘，建筑物等破坏，若地表有重要的建筑物，则在没有很好的保护办法时，则下面的煤炭就无法开采，形成“三下”压煤。

“三下”是指建筑物下、铁路下、水体下。

目前据不完全统计，仅原统配煤矿“三下”压煤量达140亿吨，而且“三下”压煤量往往是优质的煤炭资源，且与工业经济发达地区相邻，因此“三下”开采问题非常迫切。

与此同时，我们知道，煤矿开采后，垮落带和裂隙带岩体是我们通常所说的顶板范围，其活动规律对工作面形成来压和冲击等。

而弯曲下沉带波及到地表则形成地表塌陷，统计表明，平均每采万吨煤炭地面塌陷约800m2，到2000年底，全国井工开采引起地表塌陷面积达到5000km2，并且以每年220km2的速度递增。

岩层移动规律研究主要是指从宏观上研究地表及上覆岩层的移动规律。

第二节采场上覆岩层移动规律

8.2.1岩层移动的有关概念

岩层移动（又称开采沉陷）：

煤层采出后，采空区周围原有的应力平衡状态受到破坏，从而引起岩层的变形、破坏与移动，并由下向上发展至地表引起地表移动，这一过程和现象称为岩层移动。

一般说来，在断面上岩层移动可用下图模型表示，该模型认为，在断裂面上任一点c处的应力均处于极限平衡状态。

滑移面是岩层移动的边界；断裂面是应力处于极限平衡状态面，断裂面以内的岩体处于破坏状态，实际的采空区大多为矩形，但由于岩层破坏与移动的角效应，则地表移动曲线平面上为椭圆形，因而岩层与地表移动盆地均为椭圆形，且面积要比采空区大。

下面介绍岩层移动的基本概念

（1）充分采动与非充分采动

见下图，随着开采面积增加，地表移动曲线会有所变化，地表下沉值也有所变化，当开采面积相当大时，地表的下沉值则会达到该地质与开采条件下的最大值。

此时地表下沉盆地也会由“尖底”的“碗状”变为“平底”的“盆状”，盆内最大下沉处不是一条线，而是一个面。

此时地表受到了充分采动的影响。

则有定义：

当采空区开采的尺寸导致地表最大下沉处由线变为面的临界值称为临界开采尺寸，当采空区尺寸大于临界开采尺寸称为充分采动，小于临界开采尺寸称为非充分采动。

充分采动时，随着开采范围扩大，地表移动范围继续扩大，但最大下沉值不再增加，非充分采动时，随着开采范围扩大，地表移动范围和最大下沉值都将继续增加。

（2）移动与变形

岩层与地表移动可以分为竖直方向与水平方向位移，竖直方向的位移称为下沉（w），水平方向的位移称为水平移动（u）。

见图，地表相邻两点的下沉（w）与水平移动量也不相等，因此点与点之间有相对的移动，从而引起地表变形。

地表变形分为倾斜变形、曲率变形、水平变形（拉伸与压缩）。

具体如下：

1）倾斜变形（i）：

相邻两点在竖直方向的相对移动与相邻点间水平距离的比值。

它反映盆地沿某一方向的坡度，见下图：

mm/m

倾斜变形会使地表盆地内建筑物歪斜。

2）曲率变形（k）：

指相邻两线段的倾斜差与两线段中点间的水平距离的比值。

即倾斜变形的变化率

mm/m2

，mm/m2

K反映了观测线断面上的弯曲程度。

正曲率表示凸起变形，负曲率表示凹陷变形，下沉曲线的凹凸分界点称为拐点。

曲率变形又常以曲率半径p表示：

，随着曲率半径减小，建筑物长度增大，则建筑物内的附加应力增大。

3）水平变形（ε）：

指相邻两点水平移动差值与两点间水平距离的比值，反映了相邻两点间单位长度的拉伸（正）或压缩值（负）。

mm/m

水平变形是引起建筑物破坏的重要原因。

（3）岩层移动角

地表下沉边界（常以10mm为界划定）和采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为岩层移动角。

其中见下图

移动角分为走向移动角δ，上山移动角β，上山移动角γ，松散层移动角Φ，移动角主要用来确定岩层移动范围，各种保护煤柱等。

8.2.2岩层移动的基本规律

（1）采场覆岩移动破坏的分带

如前所述，采用全部垮落法管理顶板时，根据采空区覆岩破坏和移动程度，自下而上可分为“三带”，即垮落带、裂隙带、弯曲下沉带（弯曲带或整体移动带）。

1）垮落带：

破断后的岩块呈不规则垮落，排列也极不整齐，松散系数也比较大，可达1.3～1.5，此区域与所开采的煤层相毗连，很多情况不是由直接顶岩层冒落而成。

2）裂隙带：

岩层破断后，岩块仍能整齐排列的区域；位于垮落带之上，由于岩块排列整齐，因此碎胀系数很小。

并可能形成“砌体梁”结构。

垮落带与裂隙带合称为“导水裂隙带”，也称“两带”。

“两带”高度与岩性和煤层采高有关，覆岩越坚硬，“两带”高度越大。

对于软岩、“两带”高度的采高的9～12倍；中硬岩层为12～18倍；坚硬岩层为18～28倍。

3）弯曲下沉带：

自裂隙带顶部边界到地表的所有岩层称为弯曲下沉带。

此带内岩层移动过程连续性和整体性。

（2）覆岩内部岩体移动特征

1）观测结果表明，岩层移动曲线符合负指数关系曲线

式中：

Sm—岩层移动基本稳定后的位移量；

Sx—离以工作面为原点的走向距离为X处的位移量；

；

L—基本稳定点离工作面的距离，可取50～60米；

a，b—随着离煤层的距离以及岩性特点不同而变化的系数。

2）煤层上方岩层在开采的影响下，一般在工作面前方30～40m处就开始变形。

起初以水平位移为主，而后以垂直位移为主，见图6－8。