建筑物和村莊下壓煤的安全開采

一、巖層與地表移動的基本特征
（一）巖層移動、變形、破壞特征
開采后，煤層上方巖層的變形與破壞分為三帶：垮落帶、導水斷裂帶、彎曲帶。(見圖1)

（二）地表移動特征
1、地表移動盆地（下沉盆地）
由采煤引起地表移動,地表移動穩定后，形成移動盆地（也稱下沉盆地）。水平煤層、長壁采煤、矩形采空區，移動盆地面積大于采空區，呈橢圓形并與采空區對稱，見圖2所示。

2、移動盆地的形成
移動盆地的形成，有以下過程（見圖3）
(1)非充分采動：工作面推進至1、2、3，開采面積小，地表下沉值隨開采面積增大而增大，形成“碗形盆地”。
(2)充分采動：工作面推進至4，開采面積較大，地表下沉達最大值，不再隨工作面推進而增大，仍為“碗形盆地”。
(3)超充分采動：工作面推進至5，開采面積更大，地表下沉為最大值，為“盤形盆地”。

3、移動盆地主斷面特征（見圖4）
(1)主斷面：通過移動盆地最大下沉點，沿煤層走向或傾斜所作的斷面。
(2)邊界角：在充分采動條件下，下沉值為10mm的邊界點與采空區邊界點之間的連線和水平線的夾角。
(3)移動角：在充分采動條件下，下沉點（傾斜I=3mm/m 、
曲率K=0.210³/m、 水平變形ε=2mm/m）與采空區邊界點之間的連線和水平線的夾角。
(4)裂縫角：在充分采動條件下，移動盆地的最外側裂縫與采空區邊界點之間的連線和水平線的夾角。
(5)充分采動角：在充分采動條件下，移動盆地中心點與采空區邊界點之間的連線和煤層在采空區一側的夾角。
（6）最大下沉角：地表最大下沉點至采空區中點之間連線與水平線在煤層傾向一側的夾角（見圖14）。


（三）地表移動和變形的類型及規律
1、地表移動和變形的類型（見圖5）
(1)下沉：地表移動垂直分量（W），單位為mm
(2)水平移動：地表移動水平分量（U），單位為mm
(3)傾斜：單位長度內下沉的變化值(I) 單位為mm/m
I=( Wb-Wa)/∆x=∆W/∆x
(4)水平變形：單位長度內水平移動的變化值（ε），單位為mm/m
ε=(Ub-Ua)/∆x=∆U∕∆x
(5)曲率：單位長度內傾斜的變化值(K), 單位為1/m
K= (I2-I1)/∆x=∆I/∆x

2、地表移動和變形規律（見圖6）
圖6為最終移動盆地走向主斷面上，超充分采動時，地表下沉、傾斜、曲率、水平移動和水平變形的分布曲線。
下沉曲線（1）：向下為正。
傾斜曲線（2）：左側為正；右側為負。
曲率曲線（3）：凸起曲率為正；凹陷曲率為負。
水平移動曲線（4）：左側為正；右側為負。
水平變形曲線（5）：拉伸變形為正；壓縮變形為負。

3、采動過程中地表移動和變形發展規律
（1）地表各點受開采影響移動過程
圖7，工作面從1推進到2處，地表有A、B、C、D、E各點，A、E在煤柱上方C在采空區中。工作面從1處推進至2處，A、E各點移動軌跡始終指向采空區中央。B、C、D各點移動軌跡是：當工作面向該點移近時，該點向工作面推進的相反方向移動；當工作面通過該點下方并逐漸遠離時，該點則向工作面推進相同方向移動。當工作面推進到2處地表移動穩定后，除C點只垂直向下移動外，其余各點的移動方向鈞指向采空區中央。

（2）地表下沉發展規律
圖3，當采空區面積較小時，下沉曲線近似對稱分布；隨采空區面積的增大，移動盆地的面積和最大下沉值也增大，其非對稱性也越來越明顯；當采空區面積達到充分采動時，最大下沉值不再增大，但工作面停采后地表下沉曲線范圍繼續擴大，直至地表移動穩定為止。
（3）地表水平移動（或傾斜）的發展規律
圖8，在開采過程中，隨采空區面積的增大，水平移動值也逐漸增大。當工作面位于A、B、C、D時，地表為非充分采動，水平移動曲線為UA、UB、UC、UD。當達到充分采動后，工作面在不同位置時，其上方地表水平移動曲線形狀基本相似，最大水平移動值基本相等，如曲線UE、UF。當工作面停采后，最大水平移動值繼續增加，直至地表移動穩定為止。

（4）地表曲率（或水平變形）的發展規律
圖9，工作面處于A、B、C位置時，地表為非充分采動，最大曲率由小到大逐漸增加，到地表移動穩定時達到最大值；最大負曲率先由小到大逐漸增加，后由大到小逐漸減小，直到一固定值，如相應的曲率曲線KA、KB、KC 。工作面處于D位置時，地表為充分采動，移動盆地內出現兩個最大曲率，盆地中心曲率為零，相應的曲率曲線為KD 。地表為超充分采動時，工作面在不同位置，地表曲率曲線形狀基本不變，最大曲率值基本相等，相應的曲率曲線為KE 。當工作面停采后，地表曲率曲線繼續向前移動，最大曲率值繼續增加，直至地表移動穩定為止，相應的曲率曲線為KE’。

4、地表下沉速度
在工作面推進過程中，地表移動盆地主斷面上各點的下沉速度是不同的。非充分采動時，地表各點的下沉速度和最大下沉速度均隨采空區的面積增大而增大，最大下沉速度點滯后于工作面，如圖10的下沉速度曲線VA、VB。充分采動和超充分采動時，地表下沉速度曲線和最大下沉速度基本上不再變化，如圖10的下沉速度曲線VC、VD、VE,最大下沉速度Vm 之點仍在工作面后方一定距離處。最大下沉速度的點至當時工作面所在位置的連線與水平線在采空區一側的夾角φ稱為最大下沉速度滯后角。
地表移動開始與停止之間的時間間隔，稱地表移動的延續時間。下沉值達到10 mm時為移動開始時間；連續六個月下沉值不超過30 mm時，可認為地表移動停止。地表移動的延續時間可分為三個階段：

（1）開始階段：下沉速度小于50 mm/月；
（2）活躍階段：下沉速度大于50 mm/月；
（3）衰退階段：下沉速度小于50 mm/月。
在活躍階段內，地表下沉速度大，移動和變形劇烈，對地面建筑物有危害作用。一般說來，在活躍階段內，地表點的下沉值占整個移動過程中總下沉值的85％以上。
（四）地質和采礦條件對地表移動和變形的影響
1、地質條件對地表移動和變形的影響
（1）上覆巖層的性質
上覆巖層的物理力學性質對地表最大下沉值、移動角、邊界角、充分采動角與最大下沉角都有影響。一般說來，移動角和邊界角隨巖層堅硬程度的增大而增大；地表最大下沉值、充分采動角及最大下沉角隨巖層堅硬程度的增大而減小。巖層的性質還影響下沉曲線的形狀，決定拐點的位置。當巖層堅硬時，巖層遠離采空區懸露，使拐點向采空區的偏移距離增大。
（2）煤層傾角
在水平煤層中，地表下沉方向與巖層層理面垂直。在傾斜煤層中，沿傾斜主斷面上，地表下沉方向有兩個分量，即垂直于層理面分量與平行于層理面分量，移動盆地最大下沉點的位置向下山方向偏移。
（3）開采深度與開采厚度
開采深度對地表下沉的影響，國內外文獻資料中認識不同。總的來說，在充分采動與超充分采動的條件下，地表最大下沉值與開采深度關系不大；但在非充分采動的條件下，隨開采深度的增大，地表最大下沉值減小。此外，隨開采深度增大地表移動范圍則相應擴大，因此地表移動盆地趨于平緩，水平變形、傾斜、曲率等變形值也隨之減小。
開采厚度增大，地表下沉值增大，地表各種變形值也相應增大。
一般用深（H）與厚（M）之比（H/M）來表示地下開采對地表的影響。H/M越大，地表移動變形平緩；反之，H/M越小，地表移動變形劇烈，有時可能出現斷裂、臺階或塌陷。
（4）水文地質條件
當上覆巖層為軟弱或松散巖層時，巖層內的含水量對于巖層的物理性質影響很大，如泥質巖層，遇水后塑性增大，在移動過程中不易產生斷裂。若沖積層中含水量較大，在巖層移動過程中產生疏干現象，使地表移動盆地范圍擴大，最大下沉值增大。
（5）斷層及其他弱面
斷層的存在使地表移動過程復雜化，破壞了巖層與地表移動的正常規律。由于斷層面的強度比其周圍巖層的強度小得多，在巖層移動過程中會產生沿斷層面剪切移動，斷層露頭處的地表常出現變形集中現象。
（6）地形
在地勢高低不平地區，因地表覆蓋層由地勢高處向地勢低處的堆積作用，使地勢高處的下沉值大而地勢低處的下沉值小。水平移動方向可能從地勢高處向地勢低處，并可能從采空區中央指向采空區邊緣。若地表移動區內有陡坡，基巖的移動會影響陡坡的穩定性，引起滑坡。
2、采礦條件對地表移動和變形的影響
（l）采煤方法及頂板管理方法的影響
采用長壁垮落采煤法時，若深厚比（H/M）較大，地表移動平緩，各種變形值較小，有可能在建筑物下采煤；若深厚比（H/M)較小，地表可能出現斷裂、臺階或塌陷。采用全部充填采煤法、條帶式采煤法或房式采煤法，地表移動和變形值大大地減小，但成本高或丟煤多。
（2）采空區面積的影響
采空區面積的大小，直接影響地表采動程度，出現非充分采動、充分采動或超充分采動。
（3）重復采動的影響
采用傾斜分層下行垮落采煤法時，在開采完第一分層之后，開采第二分層時，地表移動區的范圍擴大，地表最大下沉值和下沉速度值均有增大。但在開采完第二分層后，地表移動區范圍和變形強度趨于穩定。

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