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岩層與地表移動

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1 岩層與地表移動 -岩層與地表移動

 

2 岩層與地表移動 -正文

  地下開採引起圍岩的位移和變形。隨著採空區的擴大,頂板岩層發生彎曲、離層、斷裂和冒落。冒落岩石上方的岩層隨破碎冒落岩石的壓實繼續下沉和變形。在大面積開採時,可波及地表,引起地表下沉、變形和塌陷。在波及範圍內,井巷、地面建築、鐵路、水利設施、耕地等都將受損,甚至破壞;如波及水體,將使礦井受到水害。因此,通常要留設保安礦柱,壓滯了大量礦產資源。目前中國在建築物下、鐵路下和水體下的壓煤多達百億噸。這種危害很早就引起注意,15~16世紀時,比利時曾公布法令,禁止從事破壞列日城供水的開採。19世紀以來德、英等國都訂有賠償開採損害的法律。為了解決有關賠償的爭端,開始了礦山地表移動的觀測研究工作。
  移動規律 岩層與地表移動是一個複雜的時空發展過程。發展過程中的規律稱動態規律,移動終止后的規律稱靜態規律,後者研究較多。用垮落法管理頂板開採緩傾斜礦層時,按頂板岩層移動、變形和破壞特徵劃分為:冒落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶(見長壁工作面地壓)。
  岩層移動穩定后,在採空區上方地表沉陷;形成下沉盆地,其範圍大於開採面積。若開採面積為矩形,則地表下沉盆地近似橢圓形。在下沉盆地內各點的移動量不相等,移動方向指向盆地中央。在通過下沉盆地中心沿礦層走向和傾向的垂直斷面(主斷面)內,若以水平線表示采前地表狀態,則采后的地表狀態見圖1b。圖中箭頭(4~4┡,5~5┡)表示地表點位移向量。其豎向分量岩層與地表移動稱下沉,水平分量u稱水平移動。相鄰點下沉量不等,形成地表的傾斜和曲率變形;相鄰點水平移動量不等,形成地表水平變形,如拉伸或壓縮。圖1a中曲線分別表示主斷面內的傾斜i、曲率k、水平變形 (ε和wu的分佈規律。

岩層與地表移動岩層與地表移動

  下沉盆地的移動分佈特點與採空區寬度有關。當採空區寬度為開採深度的1.2~1.4倍時,稱臨界開採,地表達到充分采動,下沉盆地中央出現應有的最大下沉值。當採空區寬度小於開採深度1.2~1.4倍時,稱次臨界開採,地表為非充分采動,下沉盆地中央的最大值小於應有的最大值。當採空區寬度遠大於開採深度的1.2~1.4倍時,稱超臨界開採,地表為超充分采動,下沉盆地中央出現平坦的無變形區(圖2)。一般以下降10mm的點作為地表下沉盆地的邊緣點。在主斷面內地表下沉盆地邊緣點至相應採空區邊界點的連線與水平線的夾角稱邊緣角。用δ0表示走向、 用β0α0分別表示下山和上山方向的邊緣角。邊緣角大小與岩性有關。由軟岩到硬岩,邊緣角逐漸變大。在變形值達到對建築物有損害處,劃定為危險邊界。在主斷面內,危險邊界至相應採空區邊界連線與水平線夾角稱移動角。分別用δαβ表示走向、上山和下山方向的移動角。移動角也隨岩性而變化。邊緣角與移動角用以表示地表下沉和危險變形邊界。

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  在開採深度小、厚度大的礦體或煤層時,有時地表移動呈塌坑、台階狀斷裂等不連續移動特徵。地表移動的劇烈程度一般以地表下沉速度,即晝夜下沉量表示。一個地表點隨回採工作面推進,由開始移動、逐漸活躍、然後衰落。對緩傾斜和急傾斜煤層,分別以每月下沉50mm和30mm作為劃分活躍階段的標準。當 6個月內下沉量小於30mm時,規定為移動過程已經停止。地表移動持續時間與開採深度有關。采深為100~200m時,地表移動持續時間約為1~2年。深度大,地表下沉速度減小,持續時間更長。
  影響移動主要因素 有採礦方法和頂板管理方法、岩性、采深、采厚、採空區大小及形狀、礦層傾角、重複開採次數、地質構造、地層結構、水文地質條件及地形等。充填採礦法與條帶法開採可使岩層與地表移動緩和並減小。工作面勻速推進,可減小地表的動態變形。最終回採邊界是造成地表永久性靜態變形的原因。岩性包括岩塊和岩體的物理力學性質。目前按岩塊抗壓強度將岩層簡化為軟弱、中硬、堅硬三類。軟弱岩層中移動過程的發展快于堅硬岩層。岩性對冒落帶、斷裂帶的發展高度有明顯影響。塑性軟弱岩層中冒落帶和斷裂帶高度小於脆性堅硬岩層。
  地表移動和變形值均與采厚成正比。地表下沉值和採空區寬度與采深之比,即寬深比有關。寬深比達到1.2~1.4,地表下沉值達到極限。在沒有達到充分采動的條件下,地表下沉值隨寬深比增加而增大。而地表變形值則隨采深增加而減小。礦層傾角大時,地表下沉盆地偏向下山方向,上山、下山盆地不對稱。指向上山方向的水平移動量增大。在急傾斜條件下,底板岩層也發生明顯移動。如頂底板堅硬不易冒落,則在露頭或其附近可能出現地表塌陷坑。
  研究移動規律的方法  實地觀測法  建立由一系列測點組成的觀測線或觀測網。在開採前、開採過程中和移動穩定后觀測測點的位移,計算出地表在垂直和水平方向上的位移和變形,找出其變化規律,建立地表下沉和變形最大值的經驗公式,主斷面內移動和變形分佈的典型曲線或剖面函數,以及移動盆地內任意點移動與變形的計算方法。此法實用、可靠,並能為其他方法提供依據和檢驗手段,但工作量大,研究周期長,應用也有局限性。
  理論研究法  主要有:①用連續介質力學的理論計演算法,近期也採用有限元法,但必須選用相適應的岩石力學指標。②用隨機介質理論。應用概率論,建立數學模型,所用參數來自實測。在中國煤礦以隨機介質理論使用較廣。
  模擬試驗法  一般用相似材料模型、砂子模型和明膠模型等試驗方法。研究周期短、形象化,可按需要條件重複試驗。本法主要用做定性研究,有助於理論的探討,與以上兩法結合,可得較好效果。
  地表移動預計 在地下開採之前,按地質採礦條件估算地表的各種移動和變形值。現在只能進行簡單條件下的地表移動預計。預計最大下沉值可能偏差約±10%,其他變形最大值為±30~50%。對於複雜條件,如急傾斜礦層開採,多礦層開採,存在有地質構造破壞、礦層不穩定和開採空間不規則等情況,預計的偏差更大。
  參考書目
 劉寶琛、廖國華編著:《煤礦地表移動的基本規律》,中國工業出版社,北京,1965。
 Helmut Kratz,Bergschaden噚unde,Springer Verlag,Belrin,1974.

 

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