第一讲 开采沉陷的基本概念.ppt

第1章 开采沉陷的基本概念 第一节 地下开采引起的岩层移动 一、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。 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（0.2～0.3H，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、下方的岩层内形成支承压力区，其最大压力为原岩应力场的3～4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）：Ⅰ—充分采动区（减压区），Ⅱ、Ⅱ—最大弯曲区；Ⅲ、Ⅲ—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Ⅰ和支承压力Ⅲ、Ⅲ之间是最大弯曲区Ⅱ、Ⅱ，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。 二、岩层移动的形式 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