岩层与地表移动的概念

一、概述

地下煤层采出以后，采空区顶板岩层在自重及其上覆岩层载荷作用下，向下弯曲、移动（下沉），当其内部拉应力超过岩石的强度极限时，顶板便直接断裂、破碎而冒落。其上部的基本顶岩层以梁或悬臂梁弯曲的形式沿层面的法线方向移动、弯曲，进而产生离层、断裂。随着采煤工作面向前推进，受新采动影响的岩层随之开始移动起来。当采空区范围很大时，岩层移动发展到地表，在地表形成一个范围较大的洼地。这个洼地就是通常所说的地表移动盆地。

影响岩层与地表移动的因素很多，主要有：岩石的物理力学性质，煤层的倾角、厚度及开采深度，采空区的形状、大小，采煤方法，地表的地形条件以及地质构造、水文地质条件，等等。它们综合影响着岩层与地表移动过程。为了工程上的需要，人们把上覆岩层的移动形态划分为冒落带Ⅰ、裂隙带Ⅱ和弯曲带Ⅲ，如图15-1所示。

图15-1 地表和岩层移动形态

在岩层与地表移动区域内，各种建筑物如房屋、铁路、井筒以及河流、湖泊等，将随着地表的移动而发生变形或破坏，从而造成严重的事故和经济上的重大损失。因此，认真研究和掌握岩层与地表移动规律是非常重要的。采矿工作者必须与地质、测量人员密切配合，积极研究岩层与地表移动规律，求出本矿区的移动参数，以便合理地留设保护煤柱。另外，根据岩层与地表移动的规律，研究建筑物下、铁路下、水体下（简称“三下”）的采煤方法与措施，以便安全、合理地开采出地下煤炭资源。

二、地表移动盆地与移动角

研究岩层与地表移动的主要任务是观测移动盆地的变形规律，确定各种移动参数。

1.移动盆地的特征

移动盆地的形状，主要决定于采空区的形状和煤层的倾角。当采空区为长方形时，移动盆地大致成椭圆形，其面积总是大于采空区的面积。当开采水平煤层时，移动盆地的中心即为采空区的中心；当开采倾斜煤层时，移动盆地向下山方向偏移，地表移动盆地和采空区的位置互不对称。

2.移动盆地的主断面

为了表示移动盆地的特征，通过移动盆地中的最大下沉点，分别作平行于煤层走向和倾向的断面，称为走向主断面和倾向主断面。主断面上既可以反映出移动盆地的最大范围，又可以反映出地表的最大移动量。这样，我们就可以沿主断面设置地表移动观测站，研究移动盆地的变形规律。

倾向主断面的位置在采空区的中央；走向主断面的位置，可由图15-2中的θ角来决定，θ角为倾向主断面上最大下沉点与采空区中心连线的倾角，称为最大下沉角。

θ角值可以从实际观测资料中求得，也可按近似公式计算：当α＜45°时，θ=90-0.5α；当α＞45°时，θ=90-（0.2～0.4）α（式中α为煤层倾角）。

3.确定移动盆地边界

在移动盆地内，各处地表移动和变形值是不相同的。在主断面上，可将移动盆地划分为三个边界，如图15-3所示。

①盆地边界：A点是盆地内主断面上地表下沉为10mm的边界点，称为盆地边界。

②危险边界：B点是盆地内主断面上地表移动和变形值对建筑物有危险的边界点，称为危险边界。

③裂缝边界：C点是盆地内主断面上地表出现裂缝的最外边界点，称为裂缝边界。

在移动盆地的主断面上，采空区边界点和危险边界B点的连线与水平线在煤柱一侧的交角，称为岩层移动角，如图15-3中的δ、 γ、 β。表土层移动角与煤层倾角无关，用φ表示；岩层移动角与煤层倾角有关。沿煤层走向的岩石移动角称为走向移动角，用δ表示。沿煤层倾斜方向，采空区上边界的移动角用γ表示；采空区下边界的移动角用β表示。急倾斜煤层开采之后，底板岩石将向采空区隆起，造成底板岩石的移动。所以，急倾斜煤层顶板移动角用β表示，底板移动角用λ表示。同样，边界角用β0、γ0、δ0、λ0表示；裂缝角用β″、γ″、 λ″表示。

图15-2 下沉移动角

图15-3 移动盆地边界图

三、地表移动对建筑物的影响

图15-4表示沿走向主断面上的地表下沉曲线。地面a点移动后位于c点，向量ac为总位移，其中ab为水平移动分量，bc为垂直移动分量。由图可知，各点的水平移动和垂直移动值都不相同，因此就会使地表产生各种变形。这种变形对于移动盆地内的建筑物将产生各种不同的有害影响，甚至破坏作用。

1.地表均匀下沉和均匀水平移动

一般说来，地表均匀下沉和水平移动对建筑物危害不大，只不过使建筑物下沉或水平移动一段距离。

2.地表倾斜

地表的倾斜，可以使建筑物歪斜，甚至有倒塌的危险，特别是对底面积小而高的建筑物，如对高塔、井架、烟囱等危害较大。

3.地表的曲率变形

地表的弯曲（曲率）对建筑物的影响较大。地表下凹时，使建筑物中间悬空而遭到破坏；地表上凸时，使建筑物两端悬空而遭到破坏。

4.水平变形

水平变形是指地表相邻两点位移不相等而出现的拉伸和压缩。拉伸变形会使建筑物地基断裂；压缩变形会使建筑物结构中产生附加应力，从而使建筑物遭到破坏。

图15-4 地表均匀下沉的影响