采损害学课程讲义

0.概述

1.课程基本内容与解决的问题

 开采引起覆岩及地表沉陷的基本规律

 地表沉陷预计理论：概率积分法

 地表沉陷观测与实验室研究方法

 建（构）筑物、水体、道路管线下开采

 减损控制开采方法

 开采引起土地、水资源、环境损害问题

 矿山环境治理及综合评价

2. 我国能源结构：

按人均能源资源占有量分析，我国2000年人均煤炭可采储量90t，人均石油剩余可采储量3t，人均天然气剩余可采储量1080m3，分别是世界平均水平（165t、23t和24988m3）的54.9%、11%和4.3%，是美国（903t、13t和17025m3） 的9.7%、23.1%和6.3%；是经合组织国家（404t、10t和12048m3）的22.3%、30%和9.0%。煤炭占我国一次性能源的70%左右。

煤炭进口增加。从国外进口煤炭已由过去的2001年200万吨左右，增加到2002年的1081万吨。

3.能源开发与环境的问题（列举神东矿区、榆神矿区、山西各矿区、陕西渭北矿区等事例）

4.能源开发的可持续性（清洁生产、废物利用、资源的破坏及回采率、土地损害、水资源损害、荒漠化等问题）

第一章覆岩与地表移动规律

重点：

 覆岩“三带”特征及在开采损害中的重要性

 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

1.1 概述

1）冒落带

冒落带也称垮落带，是指岩层母体失去连续性，呈不规则岩块或似层状巨块向采空区冒落的那部分岩层。

2）裂隙带

裂隙带又称裂缝带。裂隙带位于冒落带之上，具有与采空区相通的导水裂隙，但连续性未受破坏的那一部分岩层。

3）弯曲带

弯曲带又叫整体移动带，是指裂隙带顶部到地表的那部分岩层。弯曲带基本呈整体移动，特别是带内为软弱岩层及松散土层时。

4）覆岩移动破坏形式

采动上覆岩层移动破坏形式，按开采空间岩层的移动形式可概括为以下六种：

（1）弯曲 这是岩层的主要移动形式。当地下矿物采出后，上覆岩层中的各分层即开始沿岩层层面的法线方向，向采空区依次弯曲。

（2）垮（冒）落 矿层采出后，直接顶板岩层弯曲而产生拉伸变形。当其拉伸变形超过岩石的允许抗拉强度时，直接顶板及其上部的部分岩层便与整体分开，碎成块度不同的岩块，无规律地充填采空区。

（3）煤的挤出（片帮） 矿层采出后，采空区顶板岩层内出现悬空，其压力便转移到煤壁（或煤柱）上，增加煤壁承受的压力，形成增压区，煤壁在附加荷载的作用下，一部分煤被压碎，并挤向采空区，这种现象称为片帮。

（4）岩石沿层面滑移 在倾斜矿层条件下，岩层的自重力方向与岩层面不垂直。因此，岩石在自重力的作用下，除产生沿层面法线方向的弯曲外，还会发生沿层面方向的移动。

（5）垮落岩石的下滑（或滚动） 矿层采出后，采空区被冒落岩块所充填。当矿层倾角较大，而且开采是自上而下下行开采，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的采空区，从而使采空区上部的空间增大，下部的空间减小，使位于采空区上山部分的岩层和地表移动加剧，而下山部分的岩层与地表移动减小。

（6）底板岩层隆起 如果矿层底板岩石很软且倾角大，在矿层采出后，底板在垂直方向上减压，水平方向增压，造成底板向采空区方向隆起。

松散层的移动形式是垂直弯曲，它不受矿层倾角影响。

应该指出，以上六种移动形式不一定同时出现在某一个具体的移动过程中。 5）岩层移动的典型图式

根据矿层的赋存条件，可将岩层移动的形态划分为3种图式：

图1.3 水平矿层开采岩层移动形态

图1.4 倾斜矿层开采岩层移动形态

（1）水平或缓倾斜矿层条件下的岩层移动形态（图1.3），自重分力导致沿层面滑动的主要条件为： '；式中 —矿层的倾角； —岩层中最软弱层面上的磨擦角。

（2）倾斜矿层条件下的岩层移动形态（图1.4），沿层面方向的相对移动，条件是：'；在采空区上山方向的岩层和地表移动范围扩大。

图1.5 急倾斜条件下岩层的下盘移动 OAB

图1.6 急倾斜矿层开采时岩层以悬臂梁形式移动

（3）急倾斜矿层条件下的岩层移动形态（图1.5）矿层下盘（底板）发生移动，其发生的条件可近视的用下式计算：245。 式中 —岩石的内摩擦角。

沉积岩=26～36。矿层倾角为50～60时矿层下盘才产生移动。矿层下盘岩层的上部移动是沿层面的移动，而下部是沿245的角度移动。这种移动范围的大小煤岩倾角矿层底板各岩层的强度

1.3 地表移动破坏规律

1.3.1 地表移动破坏类型

从时间和空间概念出发，地表移动变形分为连续移动变形和非连续移动变形两大类型。

在缓斜、倾斜矿床开采的条件下基本判断条件：

采深与采高比 采煤方法 顶板管理方法 煤柱（岩梁）稳定性 水文地质构造 地形及煤层倾角

40～80 长壁式、短壁式、条带式 全部垮落法、充填法、煤柱支撑 计算 断层、褶曲、含水层 急倾斜、山区、沟壑

1.3.2 地表移动盆地的形成及其特征

1）地表移动盆地的形成

（1） 启动距——（1/2—1/4）H0,地表开始移动。

（2） 主断面——与开采边界方向垂直，并通过地表最大下沉值的垂直剖面。

在主断面上地表移动盆地的范围最大，移动最充分，移动量最大。根据采动对地表影响的程度，可将地表下沉盆地划分为三种类型

a) 非充分采动下沉盆地(Subcritical subsidence basin)。 当地表任意点的下沉值小于该地质、采矿条件下的最大下沉值wmax时，称之谓非充分采动下沉盆地。

b) 充分采动下沉盆地(Critical subsidence basin)。 当地表下沉盆地主断面上某一点的下沉值达到了该地质、采矿条件下的最大下沉值wmax时，即称为充分采动下沉盆地。

c) 超充分采动下沉盆地(Supercritical subsidence basin)。 当地表最大下沉点的下沉值不再随开采范围的增加而增加，并形成一个平底下沉盆地，即超充分采动下沉盆地。 （3） 动态移动盆地(Dynamic subsidence basin)

（4） 稳态移动盆地(Final subsidence basin)

①采空区的长度和宽度均达到1.2～1.4H0；②两个方向尺寸影响。

引入充分采动的概念，主要目的是研究地表移动盆地的性质。充分采动的范围用充分采动角（）(Angle of full subsidence)确定。 指充分采动下沉盆地平底的边缘在地表水平线的投影点与开采边界线和矿层间的夹角，下山1、上山2、走向3。

地表移动盆地的范围远大于对应的采空区范围，它的形状取决于采空区形状和矿层倾角。在移动盆地内，各部位的移动和变形性质及大小不尽相同。在水平矿床开采、地表平坦并无大的地质构造条件下，最终形成的稳态地表移动盆地可划分为三个区域（图1.9）：

a) a) 中性区 在该区域内地表下沉均匀，达到最大值wmax，其它移动变形值（地表水平移动值 (u)，倾斜值（i），水平变形值（），曲率值（K））近视等于零，一般不出现明显的裂缝。

b) b) 压缩区 该区域内地表下沉值不等，各点向盆地中心方向移动，呈凹形，产生压缩变形，一般不出现裂缝。

c) c) 拉伸区 在这个区域内，地表下沉不均匀，各点向盆地中心方向移动，呈凸形，产生拉伸变形。当拉伸变形超过一定值时，地表产生拉伸裂缝。

3）地表下沉盆地范围

（1）边界角(Angle of draw) 边界角用来确定下沉影响范围及边界。下沉值为10mm的点作为下沉盆地的边界。并将开采达到或接近充分采动时的移动盆地主断面上的盆地边界点和采空区边界点的连线，与水平线在采空区外侧的夹角称为边界角。0、0、0依次表示下山、上山方向和走向的边界角，急倾斜矿层底板边界角用0表示。

（2）移动角(Angle of critical deformation) 地表的移动和变形会引起地面建筑物的破坏，将刚刚对地表建筑物产生影响的变形值称为临界变形值，它们的大小为：

mmmi/3 mmm/2 mK/102.03

在达到或接近充分采动时的移动盆地主断面上，临界变形点和采空区边界点的连线与水平线之间在采空区外侧的夹角称为移动角。移动角又分为表土移动角和基岩移动角。表土移动角以表示，下山、上山和走向方向的移动角分别以、和表示，急倾斜矿层底板移动角以表示。

（3）裂缝角(Angle of break) 为了确定地面产生裂缝的范围，可以利用裂缝角。其定义为在达到或接近充分采动时的情况下，采空区上方地表最外侧的裂缝位置和采空区边界点的连线与水平线之间在采空区外侧的夹角称为裂缝角。下山、上山方向和走向裂缝角分别以、和表示，急倾斜矿层底板裂缝角由表示。

（4）最大下沉角(Subsidence limit angle )为了确定最大下沉点所在的位置，可以利用最大下沉角。其定义为在移动盆地的倾斜主断面上，采空区的中点与地表最大下沉点或下沉盆地平底的中点的连线与水平线之间在矿层下山方向的夹角称为最大下沉角（）（图1.12）。 1.3.3 地表移动盆地内移动和变形分析

1）点的移动分析

图1.13展示了地表某点从T1到T2时刻的相对位置，可以将点的移动分为0v在x,y,z方向上的分量: u, v, w，其相互关系为：

22max0wuv；22maxyxuuu；

描述地表移动盆地内移动和变形的指标是：下沉（Subsidence）、倾斜（Slope）、垂直曲率（Curvature）、水平移动（Displacement）、水平变形（Horizontal strain）及扭曲和剪切变形(Twisting and Shear strain)。

2）移动盆地主断面内的地表移动和变形分析

根据图1.14取2、3、4三个点为研究对象，可给出移动盆地内地表移动和变形的计算公式如下：

（1）点n的下沉值 mnnHHwn0 ， mm (1-1)

（2）点n的水平移动值 0nmnnLLu， mm (1-2)

（3）点2至点 3 间的倾斜值 3232322332lwlwwi ， mm/m (1-3)

（4）点3的曲率值 4332432433232434322)(21llilliiK，10-3/m (1-4)

（5）点2至点3间的水平变形值 3232322332luluu，mm/m (1-5)

上式中 Hn-0、Hn-m—分别表示地表n点在首次和m次观测时的高程；

Ln-0、Ln-m—分别表示首次观测和m次观测时地表n点至观测线控制点R间的水平距离；

1nnl—表示 n点至 n+1点的水平距离。

重点说明：①符号问题；②距离问题；③结果问题。

1.4 稳态地表移动盆地主断面内移动变形分布规律

本节所述的规律是指地表移动盆地稳定后主断面内的移动变形分布规律，并且加以典型化。它的必要条件为：

（1） （1） 地表移动变形为连续分布形态；

（2） （2） 无大的地质构造（大断层和地质构造等）；

（3） （3） 地表地势变化较平缓；

（4） （4） 属单一矿层开采，并不受邻区开采影响。

主要影响因素：①矿层倾角（）；②开采厚度（m）；③开采深度（H）；④采空区形态；⑤采矿方法；⑥顶板管理方法；⑦松散层厚度（h）⑧地质构造等。

1.4.1 水平矿层开采时地表移动盆地主断面内移动和变形分布规律

1）水平矿层充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律[1]