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开采损害与保护 第一章 地表移动和变形规律 第一章 地表移动和变形规律 【教学目的与要求】： 通过本章学习，要求学生覆岩“三带”特征；覆岩与地表移动规律与特点；地表沉陷盆地类型及其移动角值含义；影响地表沉陷盆地的主要因素。 【教学重点】： 移动稳定后盆地内移动和变形分布规律。采动过程中主断面内移动和变形分布规律。 【教学难点】： 地表移动盆地内移动和变形分析；地表移动盆地边界的确定；地质采矿因素对地表沉陷的影响分析 【重要概念】： 岩层运动，冒落带，裂隙带，弯曲下沉带，非充分采动，充分采动，超充分采动，充分采动角，最大下沉角，边界角、移动角、裂缝角和松散层移动角；下沉，水平移动，倾斜，曲率，水平变形；起动距，超前影响角，最大下沉速度滞后距，最大下沉速度滞后角，开始阶段、活跃阶段、衰退阶段。 第一节开采引起的岩层和地表移动 一、开采引起的岩层移动和破坏 （一）岩层移动和破坏过程 在地下矿物被采出前，岩体在地应力场作用下处于相对平衡状态。当部分矿体被采出后，在岩体内部形成一个采空区，其周围岩体应力平衡状态受到破坏，引起应力重新分布，从而使岩体产生移动、变形和破坏，直至达到新的平衡。 以近水平矿层开采为例，说明岩层移动和破坏过程和应力状态的变化。 当地下矿层开采后，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、板的形式沿层面法向方向移动、弯曲，进而产生断裂、离层。 在采空区边界矿柱及其边界上、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。该区矿柱和岩层被压缩，有时被压碎，矿层被挤向采空区。如图1-2。 （二）岩层移动和破坏的形式 在岩层移动过程中，采空区周围岩层的移动和破坏形式主要有以下几种： 2．垮落 垮落（又称冒落）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。 当矿层采出后，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，无规律地充填在采空区，此时，岩体体积增大，岩层不再保持其原有的层状结构。 3．煤的挤出 采空区边界煤层在上覆岩层强大的压力作用下，部分煤体被压碎挤向采空区，这种现象称为煤的挤出（又称片帮）。 由于增压区的存在，煤层顶底板岩层在围岩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层和地表产生移动和变形。 4．岩石沿层面的滑移 在开采倾斜矿层时，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滑动。 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。 5．岩石的下滑 当煤层倾角较大，而且开采自上而下顺序进行，下山部分矿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，这种现象称为岩石的下滑（又称岩石的滚动）。 岩石的下滑会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。 6．底板的隆起 当底板岩层较软且倾角较大时，在矿层采出后，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。 在某一个具体的岩层破坏和移动过程中，以上六种移动形式不一定同时出现。另外，松散层的移动形式是垂直弯曲，不受矿层倾角的影响。在水平矿层条件下，松散层和基岩的移动形式是一致的。 （三）岩层移动和破坏稳定后形成的三带 矿层采出后，使周围岩体产生移动，当移动和变形超过岩体的极限变形时，岩体破坏。 根据工程的需要，岩层移动和破坏稳定后按其破坏的程度，大致分为三个不同的开采影响带，即冒落带（Caved Zone）、裂缝带（Fractured Zone）和弯曲带（Continuous Deformation Zone），如图1-3所示。 1．冒落带（Caved Zone） 冒落带（又称垮落带）是指由采矿引起的上覆岩层破裂并向采空区垮落的岩层范围。 随着矿层的开采，其直接顶板在自重力的作用下，发生法向弯曲，当岩层内部的拉应力超过岩石的抗拉强度时，便产生断裂、破碎成块而垮落，冒落岩块大小不一，无规则地堆积在采空区内。 冒落带内岩层破坏特征