開采損害與環(huán)境保護(hù)

MiningDamageandEnvironmentalProtection第一章開采沉陷損害類型及特征

地下開采的危害:

地下開采必將造成地表沉陷,及由此對(duì)地表及地下建（構(gòu)）筑物等產(chǎn)生危害或破壞,造成地表常年積水，導(dǎo)致土地的鹽堿化、荒漠化等。不合理的采礦活動(dòng)會(huì)造成地質(zhì)環(huán)境惡化，引發(fā)工程地質(zhì)災(zāi)害，破壞自然生態(tài)環(huán)境及自然景觀等。開采損害已成為人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)環(huán)境、社會(huì)環(huán)境破壞的重要部分，嚴(yán)重影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，故日益引起人們的重視。第一節(jié)開采沉陷土地?fù)p害

目前，我國(guó)采礦業(yè)每年占用和破壞的土地約達(dá)3.4萬公頃，其中僅每年煤炭開采形成的地面塌陷就約達(dá)3.0萬公頃，累計(jì)已達(dá)約50萬公頃，且每年還將以3萬公頃左右的速度增長(zhǎng)。我國(guó)人均耕地面積僅是世界人均耕地面積的1/4，而目前土地?fù)p害如此嚴(yán)重，其形勢(shì)非常嚴(yán)峻，故采取土地保護(hù)和復(fù)墾治理已是迫在眉睫。一、開采沉陷土地?fù)p害現(xiàn)狀開采沉陷引起的地表裂縫、臺(tái)階下沉、塌陷坑及滑坡破壞。降低了地表標(biāo)高，形成低洼積水坑或沼澤地。開采引起濕陷性黃土裂縫損害。二、開采沉陷引起土地?fù)p害有如下形式：

采動(dòng)地表裂縫破壞

采動(dòng)地表塌陷坑破壞三、土地沉陷損害分級(jí)

對(duì)于地表沉陷裂縫帶，塌陷坑等無法耕種的沉陷損害，均可歸于D級(jí)損害。A級(jí)下沉大于100mm，小于500mm對(duì)土地影響輕微B級(jí)下沉大于500mm，小于1500mm對(duì)土地產(chǎn)生明顯的影響C級(jí)下沉大于1500mm，小于3000mm對(duì)土地產(chǎn)生嚴(yán)重的影響D級(jí)下沉大于3000mm一般積水而無法耕作第二節(jié)開采沉陷房屋損害

1、下沉對(duì)房屋的損害2、傾斜對(duì)房屋的損害3、地表曲率對(duì)房屋的損害4、地表水平變形對(duì)房屋的損害5、剪切變形房屋損害6、扭曲變形對(duì)房屋的損害一、開采沉陷房屋損害類型a—不均勻下沉損害；b—水平拉伸損害；c—水平壓縮損害；d—地基滑移損害；e—負(fù)曲率損害；f—正曲率損害

bc開采引起房屋損害類型如下:二、開采房屋損害程度分級(jí)損壞等級(jí)

建筑物損壞程度地表變形值損壞分類結(jié)構(gòu)處理水平變形

mm/m曲率K10-3/m傾斜imm/mⅠ

自然間磚墻上出現(xiàn)寬度1-2mm的裂縫

2.0

0.2

3.0極輕微損壞不修

自然間磚墻上出現(xiàn)寬度小于4mm的裂縫；多條裂縫總寬度小于10mm

輕微損壞簡(jiǎn)單維修Ⅱ自然間磚墻上出現(xiàn)寬度小于15mm的裂縫，多條裂縫總寬度小于30mm；鋼筋混凝土梁、柱上裂縫長(zhǎng)度小于1/3截面高度；梁端抽出小于20mm；磚柱上出現(xiàn)水平裂縫，縫長(zhǎng)大于1/2截面邊長(zhǎng)；門窗略有歪斜

4.0

0.4

6.0輕度損壞小修Ⅲ自然間磚墻上出現(xiàn)寬度小于30mm的裂縫，多條裂縫總寬度小于50mm；鋼筋混凝土梁、柱上裂縫長(zhǎng)度小于1/2截面高度；梁端抽出小于50mm；磚柱上出現(xiàn)小于5mm的水平錯(cuò)動(dòng)；門窗嚴(yán)重變形

6.0

0.6

10.0中度損壞中修Ⅳ自然間磚墻上出現(xiàn)寬度大于30mm的裂縫，多條裂縫總寬度大于50mm；梁端抽出小于60mm；磚柱出現(xiàn)小于25mm的水平錯(cuò)動(dòng)

6.0

0.6

10.嚴(yán)重?fù)p壞大修自然間磚墻上出現(xiàn)嚴(yán)重交叉裂縫、上下貫通裂縫，以及墻體嚴(yán)重外鼓、歪斜；鋼筋混凝土梁、柱裂縫沿截面貫通；梁端抽出大于60mm磚柱出現(xiàn)大于25mm的水平錯(cuò)動(dòng)；有倒塌危險(xiǎn)

極度嚴(yán)重?fù)p壞拆建注：建筑物的損壞等級(jí)按自然間為評(píng)判對(duì)象，根據(jù)各自然間的損壞情況按上表分別進(jìn)行。

磚石結(jié)構(gòu)建筑物的破壞（保護(hù)）等級(jí)

二、開采房屋損害程度分級(jí)損壞等級(jí)建筑物損壞程度地表變形值結(jié)構(gòu)處理水平變形

mm/m曲率K10-3/m傾斜imm/m一基礎(chǔ)及勒腳出現(xiàn)1mm左右的細(xì)微裂縫

1.0

0.05

1.0不修二勒腳處裂縫增大，并擴(kuò)展到窗臺(tái)下，梁下支撐處兩側(cè)墻壁開始出現(xiàn)裂縫1.0～2.00.05～0.11.0～1.5小修三窗臺(tái)下裂縫擴(kuò)展到門窗洞上角，梁下墻壁裂縫繼續(xù)擴(kuò)展2.0～7.00.1～0.31.5～3.0中修四裂縫擴(kuò)展到檐口下，裂縫20mm以上，房屋呈菱形，墻角裂開7.0～110.3～0.53.0～4.0大修或拆除建筑物（土筑平房）破壞（保護(hù)）等級(jí)與地表變形的關(guān)系

一、開采沉陷對(duì)鐵路、公路及其構(gòu)筑物的損害

1、地表橫向傾斜移動(dòng)變形損害

2、地表縱向傾斜移動(dòng)變形損害3、地表波浪起伏沉陷損害4、地表拉伸變形損害5、開采沉陷引起路基穩(wěn)定性損害6、鐵路、公路保護(hù)（損害）分級(jí)采動(dòng)引起軌道橫向扭曲變形

二、開采沉陷對(duì)高壓輸電線塔、線路、索道、電視轉(zhuǎn)播塔、煙囪等高層建（構(gòu)）筑物的損害

這些屬于點(diǎn)式高層構(gòu)筑物,這些構(gòu)筑物由于基礎(chǔ)面積小，因而抗變形能力較強(qiáng)，但是它們對(duì)傾斜變形非常敏感。這種高層構(gòu)筑物因傾斜偏心矩的作用，在塔體任意截面內(nèi)產(chǎn)生自重附加彎矩，在彎矩的作用下，可能沿塔體中部某截面發(fā)生斷裂破壞。同時(shí)使得基底承載壓力發(fā)生變化，這種偏心矩對(duì)基底產(chǎn)生的偏心壓力超過了基底的強(qiáng)度時(shí)，塔體即可能發(fā)生傾覆破壞或倒塌。三、開采沉陷對(duì)地下管線的損害

城鎮(zhèn)地下管道可分為帶壓管道：輸油、供水、供氣、供暖等；自流管道：生活廢水、工業(yè)廢水、雨水排水管道；電纜（通訊）管線三類。這些管（道）線對(duì)縱向水平變形和局部下沉形成的曲率變形比較敏感。帶壓管道多數(shù)是、鋼、水泥、或鑄鐵的，這類管道在受到縱向水平拉伸、壓縮及曲率變形作用時(shí)，首先在管道連接處的套管、接頭發(fā)生損壞，這是城鎮(zhèn)下開采損壞的主要部分之一。自流管道除了受縱向水平變形影響外，局部下沉形成的傾斜、曲率變形會(huì)改變管路的自流方向形成污水倒流、外溢，或堵塞情況。第四節(jié)開采井筒煤柱不均勻沉陷導(dǎo)致的工業(yè)廣場(chǎng)設(shè)施及井筒本身損害

隨著開采煤層深度的加深和開采煤層層數(shù)的增多，井筒與工業(yè)廣場(chǎng)煤柱的壓煤量也越來越大。一般條件下，風(fēng)井煤柱壓煤量為數(shù)萬噸到百萬噸；主、副井與工業(yè)廣場(chǎng)壓煤量則達(dá)到數(shù)百萬噸，甚至到數(shù)千萬噸。例如，興隆莊煤礦主、副井與工業(yè)廣場(chǎng)煤柱的壓煤量為3934.9萬噸；鐵法礦區(qū)大興煤礦主、副井與工業(yè)廣場(chǎng)煤柱的壓煤量則達(dá)到5400萬噸。井筒煤柱的煤層一般賦存穩(wěn)定，開采條件好，開拓開采都十分方便。同時(shí)運(yùn)輸距離短，耗電量少，噸煤成本低能取得較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益。井筒煤柱開采系指要利用原有的井筒及其它的主生產(chǎn)系統(tǒng)，來回收自身的保護(hù)煤柱，因此井筒煤柱的開采涉及井筒、主要生產(chǎn)系統(tǒng)及其工業(yè)廣場(chǎng)建筑設(shè)施三大系統(tǒng)的保護(hù)，故具有它的特殊性和復(fù)雜性。一、概述

二、井筒煤柱開采對(duì)井筒本身的損害

井筒煤柱的開采對(duì)井筒的損害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（一）立井的偏斜變形（二）井筒的錯(cuò)動(dòng)

（三）井筒的豎向變形（四）立井水平斷面的變形破壞（五）立井的彎曲三、工業(yè)廣場(chǎng)設(shè)施及井筒內(nèi)設(shè)施的損害

井筒保護(hù)煤柱的開采不但會(huì)引起井筒本身的損害，而且會(huì)引起井口地面生產(chǎn)系統(tǒng)中的設(shè)施及井筒內(nèi)設(shè)施的損害。

（一）井口設(shè)施的損害主要是對(duì)井口提升絞車、井架、扇風(fēng)機(jī)、選矸設(shè)備、地面裝車系統(tǒng)的損害；

（二）井筒設(shè)施的損害主要是對(duì)井筒內(nèi)設(shè)置的罐道、罐道梁、排水與壓風(fēng)管路、電纜等的損害。

“三下采煤”規(guī)程中對(duì)礦區(qū)建（構(gòu)）筑物保護(hù)等級(jí)的劃分見下表:

保護(hù)等級(jí)主要建（構(gòu)）筑物

Ⅰ國(guó)務(wù)院明令保護(hù)的文物和紀(jì)念性建筑物；一等火車站，發(fā)電廠主廠房，在同一跨度內(nèi)有兩臺(tái)重型橋式吊車的大型廠房，平爐，水泥廠回轉(zhuǎn)窯，大型選煤廠主廠房等特別重要或特別敏感的、采動(dòng)后可能導(dǎo)致發(fā)生重大生產(chǎn)、傷亡事故的建（構(gòu)）筑物；鑄鐵瓦斯管道干線，大、中型礦井主要通風(fēng)機(jī)房，瓦斯抽放站，高速公路，機(jī)場(chǎng)跑道，高層住宅樓等。

Ⅱ高爐，焦化爐，220KV以上超高壓輸電線路桿塔，礦區(qū)總變電所，立交橋；鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的工業(yè)廠房，設(shè)有橋式吊車的工業(yè)廠房，鐵路煤倉(cāng)、總機(jī)修廠等較重要的大型工業(yè)建（構(gòu)）筑物；辦公樓，醫(yī)院，劇院，學(xué)校，百貨大樓；二等火車站，長(zhǎng)度大于20m的二層樓房和三層以上多層住宅樓；輸水管干線和鑄鐵瓦斯管道支線；架空索道，電視塔及其轉(zhuǎn)播塔，一級(jí)公路等。

Ⅲ無吊車設(shè)備的磚木結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房，三、四等火車站，磚木、磚混結(jié)構(gòu)平房或變形縫區(qū)段小于20m的兩層樓房，村莊磚瓦民房；高壓輸電線路桿塔，鋼瓦斯管道等。Ⅳ農(nóng)村木結(jié)構(gòu)承重房屋，簡(jiǎn)易倉(cāng)庫(kù)等。

礦區(qū)建（構(gòu)）筑物保護(hù)等級(jí)劃分

第五節(jié)開采沉陷導(dǎo)致的工程地質(zhì)損害

一、開采沉陷導(dǎo)致的工程地質(zhì)損害類型

沖擊地壓、礦震、煤與瓦斯突出等災(zāi)害。

地質(zhì)構(gòu)造活化；地表裂縫、塌陷坑、巖溶塌陷；山體滑坡、崩塌；（一）地質(zhì)構(gòu)造活化

開采沉陷是礦物開采后，其上覆巖層內(nèi)部劇烈移動(dòng)變形傳遞到地表的結(jié)果。這種移動(dòng)變形使開采破壞了巖層內(nèi)部平衡后需要形成新的平衡的過程，同時(shí)也會(huì)誘發(fā)一些地質(zhì)構(gòu)造的活化，導(dǎo)致工程地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。開采沉陷導(dǎo)致的地質(zhì)活化包括：斷層的活化；古（老）滑坡穩(wěn)定區(qū)甚至古巖溶陷落柱的活化等。

（二）沖擊地壓、礦震及煤與瓦斯突出

煤礦沖擊地壓是指在一定條件的高地應(yīng)力作用下，井巷或回采工作面周圍的煤巖體由于彈性能的瞬間釋放而產(chǎn)生破壞的礦井動(dòng)力現(xiàn)象，伴隨著巨大的聲響，煤巖體被拋向采掘空間和產(chǎn)生巨大氣浪等現(xiàn)象。它往往造成采掘空間中支護(hù)設(shè)備的破壞以及采掘空間的變形，嚴(yán)重時(shí)造成人員傷亡和井巷的毀壞，甚至導(dǎo)致地表塌陷而引起局部地震。

（三）山體滑坡、崩塌、地裂縫

礦山開采沉陷引起的滑坡是在山區(qū)地表?xiàng)l件下，開采引起沿地層弱面發(fā)生大的滑移或具有厚度較大表土層條件下，而導(dǎo)致的山體重力失穩(wěn)的滑坡災(zāi)害。

在特厚黃土覆蓋層的沖溝或山區(qū)條件下，開采沉陷在地表首先形成裂縫破壞，在雨水侵蝕作用下，裂縫破壞加劇，常常造成黃土高陡坡失穩(wěn)形成大的滑坡或崩塌災(zāi)害。

開采引起山體滑坡

開采引起山體切落式大裂縫

二、開采沉陷地質(zhì)災(zāi)害特點(diǎn)

開采沉陷地質(zhì)災(zāi)害具有以下特點(diǎn)：影響的多方面性不可避免性和可預(yù)防性

發(fā)災(zāi)持續(xù)時(shí)間的多樣性

區(qū)域性衍生性

群發(fā)性

第六節(jié)近地表開采（挖）損害

近地表開采(挖)損害一般具有以下特征：一、地表非連續(xù)沉陷破壞

近地表開采傾角較大的礦層（脈），地表的破壞形式表現(xiàn)為大面積、非連續(xù)的塌陷坑、大的地表裂縫、塌陷漏斗、臺(tái)階式切落破壞，損害非常嚴(yán)重。

近地表開采容易形成柱狀垂直地表塌陷，是一種小面積斷塊或整體下陷式塌陷類型，因塌坑形似圓柱而得此名。這種破壞形式多出現(xiàn)于洪積扇，山前交接洼地，平川和階地上，采用落后的低檔采煤法開采埋藏淺的厚煤層的小型煤礦，其煤層上方多為松軟的巖層與土層。這種塌坑,塌陷土體垂直陷落，同周圍土體界線分明，此種塌陷往往突然迅速發(fā)生，猝不及防。

二、地表塌陷破壞更具突發(fā)性、隱蔽性、和不定期性

在近地表的淺部煤層開采多屬于小（古）窯開采，它們的開采特點(diǎn)是：一般采用巷柱式開采方法；無規(guī)則的開采，在采空區(qū)留下的煤柱分布極不規(guī)則，規(guī)律性很差。近地表淺部開采形成了許多隱蔽的空區(qū)，這些隱蔽空區(qū)隨時(shí)間的推移，一般充有大量的水與有害氣體。這些空區(qū)中的煤柱經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的水的侵蝕，風(fēng)化及自燃，強(qiáng)度逐漸降低，在遇到外力的擾動(dòng)，或空區(qū)充水疏漏等條件下，就會(huì)發(fā)生突發(fā)性的突水和塌陷災(zāi)害，淺開挖塌陷對(duì)地表工程危害特別大，甚至引起附近房屋破壞。

第二節(jié)

水上開采損害

一、礦井突水災(zāi)害

對(duì)承壓水上受水威脅煤層的開采是水動(dòng)力損害最典型的表現(xiàn)，其主要形式是底板突水。因煤層下部有各種承壓含水層，如砂巖裂隙承壓水，灰?guī)r巖溶承壓水等，特別是華北煤系地層基底的奧陶系灰?guī)r，巖溶發(fā)育，厚度大，含水豐富，埋深大時(shí)，水壓高，當(dāng)煤層開挖，其底板隔水層薄，或強(qiáng)度不夠，其下部含水層中的承壓水就可突破底板進(jìn)入礦井形成底板突水損害，輕者增大了礦井排水量，重者來勢(shì)兇猛，排水不及而造成淹井傷人災(zāi)害。礦井突水是礦井生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一。

二、對(duì)社會(huì)的影響

灰?guī)r巖溶水一般是優(yōu)質(zhì)地下水資源，長(zhǎng)期排水或一旦突水會(huì)破壞水源，名泉消失，河水?dāng)嗔鳎绊戯L(fēng)景旅游點(diǎn)。當(dāng)然，長(zhǎng)期雨水補(bǔ)給不足、地下水超采等也是原因之一。如濟(jì)南市趵突泉，號(hào)稱天下第一泉，而且“家家泉水、戶戶垂楊”是古城濟(jì)南的一大特色，但一度地下水位下降，泉水停噴。另外，由于采礦排水導(dǎo)致地質(zhì)塌陷、道路斑裂、（如下圖）房屋受損，工農(nóng)關(guān)系緊張，成為社會(huì)不安定的重要因素之一。某小區(qū)地面塌陷坑

某村鎮(zhèn)路面裂縫

某村路基損害

第三節(jié)礦井水污染及水資源損害

一、污染環(huán)境礦井排水管理不善，則礦井污水遍地流淌，嚴(yán)重?fù)p害礦區(qū)環(huán)境和形象。礦山開采改變水資源的循環(huán)，破壞了自然水循環(huán)狀態(tài)，如地下水與地表水的轉(zhuǎn)化關(guān)系；地表徑流、滲流與蒸發(fā)的自然比例；污染與自凈的自然功能等。二、污染土壤、水源

開采地表裂縫，雨水沖刷、侵蝕，水土流失、良田損害，山體滑坡、河流淤塞。特別礦井污水含酸、堿、鹽各種成份，向河溝排放，污染地表水源，長(zhǎng)期澆灌土地，土壤酸、堿、鹽化，莊稼不長(zhǎng)，形成不毛之地。滲透地下，則污染地下水源。所以，開采對(duì)土壤環(huán)境水源污染損害亦非常嚴(yán)重。不僅如此，由于采煤引起的礦區(qū)水文地質(zhì)條件及地質(zhì)構(gòu)造變化，導(dǎo)致水利設(shè)施報(bào)廢，有些河道甚至因塌陷河水下滲。水質(zhì)的污染加重了水資源危機(jī)和嚴(yán)重威脅礦井生產(chǎn)安全。二、煙塵的組成

煙塵污染包括

煤煙塵——俗稱黑煙子。指伴隨燃料和其他物質(zhì)燃燒所發(fā)生的黑色煙塵，其中含有50%的碳。粒徑大小約在1～20

m左右。

黑煙——黑煙系指在燃燒固體或液體燃料過程中所生成的細(xì)小粒子，在大氣中飄浮出現(xiàn)的氣溶膠現(xiàn)象，黑煙中含有煤煙塵和硫酸微粒。粒徑大小大約為0.05～1

m。粉塵——粉塵系指分散于氣體中的細(xì)小固體粒子，這些粒子通常是由煤、礦石和其他固體物料在運(yùn)輸、篩分、碾磨、加料和卸料等機(jī)械處理過程或由風(fēng)揚(yáng)起的土塵等所致。粉塵的徑粒一般在1～200

m之間。大于10

m的粒子，在重力作用下，能在較短的時(shí)間內(nèi)沉降到地面，稱為降塵。小于10

m的粒子，能長(zhǎng)期飄浮于大氣，稱為飄塵。飛灰——飛灰系指燃料燃燒后，在煙道氣中所懸浮呈灰狀的細(xì)小粒子。以粉煤為燃料燃燒時(shí)排除的飛灰比較多。

三、煙塵污染危害

煙塵大氣污染主要表現(xiàn)為：

（一）煙塵籠罩削弱了日光和紫外線的照射，能見度降低，殺菌作用減弱，易使傳染病流行，兒童佝僂病發(fā)生，污染嚴(yán)重時(shí)影響交通運(yùn)輸、航空等；煙塵中的“碳黑”懸浮在大氣中，大小和灰塵差不多，只有0.6

m左右，懸浮在大氣中的“碳黑”能大量聚集在一起，吸收太陽的熱能，加熱周圍空氣，形成降雨，從而改變區(qū)域大氣環(huán)流和水分循環(huán)。

（二）煙塵的懸浮物污染，增加了大氣中的粉塵（巖粉、炭分、金屬粉塵）。這些粉塵通過人的呼吸進(jìn)入體內(nèi)，危害人的健康，甚至引起如矽肺病等疾病。常見粉塵引發(fā)的疾病見下表。

部分粉塵可能引起的疾病

粉塵的種類可引起的疾病

燃燒排放的煙塵佝僂病鐵、鋁、鋅粉金屬熱癥

有機(jī)物和無機(jī)物粉塵慢性支氣管炎懸浮硅石粉、炭粉、鐵粉、鋁粉矽肺、炭肺、鐵肺、鋁肺放射性礦物粉塵、石英石粉、鉻化合物塵、氧化鐵粉塵肺癌無機(jī)和有機(jī)物粉塵流行性病，白喉，結(jié)核病氟及氟化物塵氟黑皮膚病及皮膚癌鎳塵鎳濕疹第二節(jié)有害氣體污染

一、含硫氧化物硫氧化物主要來源于煤的燃燒和冶煉廠排出的煙氣，每年進(jìn)入大氣的總硫量約為50萬噸，可燃性硫在燃燒時(shí)，大部分與氧化合生成SO2，煤的燃燒，其主要污染物也是SO2，1噸煤含硫量為5～50kg。，而大氣中的硫氧化物、氮氧化物都是形成酸雨或酸沉降的主要前提物。

二、含氮氧化物

NOx種類很多，它是NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等的總稱。造成大氣污染的NOx主要是指NO和NO2。大氣中的NOx幾乎1/2以上是由人為污染源產(chǎn)生的。人為污染源一年向大氣排放NOx約為5千萬噸。礦區(qū)大氣中NOx的人為排放污染主要來源于燃煤發(fā)電廠、鍋爐煙氣、露天開采的炸藥爆炸以及礦區(qū)運(yùn)輸、裝載、鏟運(yùn)等使用汽油、柴油為燃料的設(shè)備所排放的尾氣、冶煉廠的某些生產(chǎn)過程。

三、含碳氧化物

COx包括CO和CO2。CO主要來源于燃料燃燒時(shí)供氧不足而不完全燃燒產(chǎn)生，礦區(qū)COx主要來自冶金生產(chǎn)，此外還來自礦山爆破作業(yè)、汽油、柴油等內(nèi)燃設(shè)備排放的尾氣，以及煤和礦石自燃、礦巖中涌出的氣體。

四、煙塵的硫酸煙霧污染

硫酸煙霧是大氣中SO2在濕度相對(duì)較高，氣溫比較低，并有氣溶膠存在時(shí)而發(fā)生的。硫酸霧是強(qiáng)氧化劑，對(duì)人和動(dòng)植物危害極大。

第一節(jié)固體廢棄物損害

世界每年采礦排放的廢石約350億噸，選礦排放尾礦約50億噸。2000年我國(guó)礦山固體廢棄物約達(dá)110億噸，占地面積約8.6萬公頃，其中農(nóng)田約占7千公頃。

煤矸石是礦山開采固體廢棄物的主要部分，據(jù)統(tǒng)計(jì)煤矸石約為原煤產(chǎn)量的20%，全國(guó)大小矸石山矸石的堆放量已超過了近30億噸，每年約增加1.5～2.0億噸，矸石占地近5千公頃。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全國(guó)累計(jì)堆放粉煤灰100多萬噸，占地約2.6萬公頃。

第二節(jié)大氣損害

礦山固體廢棄物不但壓占大量土地，而且會(huì)因日曬、風(fēng)化、自燃、腐蝕等作用向大氣排放有害物質(zhì)（CO2，SO2，氮?dú)浠衔锛盁焿m），成為污染源。我國(guó)有237座煤矸石山曾發(fā)生過自燃，目前仍有134座煤矸石在自燃，排放大量的SO2、H2S、CO、CO2、NOx等有害氣體。煤矸石山燃燒可持續(xù)多年，甚至幾十年，因而其危害大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

二、資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境

人類在開發(fā)煤炭、石油、金屬和非金屬、水等資源的過程中，要遵循生態(tài)規(guī)律，要受環(huán)境的制約，要以不違反大自然的生態(tài)規(guī)律為限度，使自然資源和大自然的恢復(fù)及自凈能力不致受到破壞。如對(duì)資源進(jìn)行掠奪式開采，不僅破壞自然資源，人類賴以生存的生活環(huán)境惡化、生存也會(huì)受到威脅。

煤炭資源開發(fā)引起的地表沉陷，可能遭受破壞和影響的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)主要有農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、林地生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)、沼澤生態(tài)系統(tǒng)、水域生態(tài)系統(tǒng)、荒漠生態(tài)系統(tǒng)和城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)等。其中農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是核心，受損害破壞和影響最大、最嚴(yán)重。

第二節(jié)

礦山開采沉陷的生態(tài)損害

礦山開采沉陷的生態(tài)損害主要有：

一、對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的破壞和損害

（一）毀壞村莊、建構(gòu)筑物、交通運(yùn)輸及輸電設(shè)施

許多煤層和礦體賦存于村莊、建筑物、水利設(shè)施和鐵路、公路之下，由于礦山采動(dòng)地面塌陷，損壞交通設(shè)施，路基變形，路面曲拱，邊坡崩塌，阻塞交通的事例屢見不鮮。沉陷引起的地表移動(dòng)，會(huì)使輸電、通信線路桿塔基礎(chǔ)下沉，線對(duì)地相對(duì)高度降低，桿塔歪斜，線路松緊度變化。對(duì)高壓輸電線路來說，不僅線路本身容易遭受破壞，而且周圍人畜生命也受到很大的威脅。煤礦開采沉陷還會(huì)對(duì)礦區(qū)的地下供水管道、供氣管道、農(nóng)業(yè)灌溉水利設(shè)施等造成損害影響。

（二）破壞農(nóng)田，使之絕產(chǎn)或半絕產(chǎn)

由于礦山塌陷，破壞農(nóng)田的現(xiàn)象十分嚴(yán)重，大片良田沃土因塌陷而無法耕種，成為絕產(chǎn)或半絕產(chǎn)地。目前，這種塌陷毀田的現(xiàn)象仍在蔓延，全國(guó)被毀農(nóng)田的數(shù)量還在不斷增加。其中，煤礦開采塌陷對(duì)農(nóng)田的破壞最為嚴(yán)重，有的礦區(qū)每采煤萬t塌陷面積達(dá)到3000～4000m2，使地表形成沼澤地或積水區(qū)，每年破壞農(nóng)田3～4km2，農(nóng)業(yè)連年減產(chǎn)，國(guó)家給予大量財(cái)政補(bǔ)貼和安排轉(zhuǎn)產(chǎn)就業(yè)，造成極其嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響。一些露天礦，特別是一些大型露天礦，礦體上部覆巖剝離堆放在礦場(chǎng)附近，井下開采提運(yùn)上來的大量矸石、廢石堆放在礦區(qū)附近。全國(guó)大大小小的礦山周圍幾乎都有或大或小的矸石山和廢石山，這種人工堆積的錐狀“山體”，高達(dá)數(shù)十米、近百米，占地少則數(shù)畝，多則幾十畝。

（三）造成一系列社會(huì)問題

采礦沉陷損壞大片農(nóng)田，由良田沃土成為廢棄地，使農(nóng)業(yè)絕產(chǎn)或半絕產(chǎn)，從而使人口增加與土地減少的矛盾日益加重，造成這些地區(qū)農(nóng)民的生活困難，給當(dāng)?shù)卣推髽I(yè)增加了困難，不僅影響了煤礦的正常生產(chǎn)，而且也給社會(huì)增添了不安定因素。同時(shí)，采礦沉陷引起的民房損壞和村莊搬遷問題，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)問題，而且還會(huì)引起工農(nóng)關(guān)系等一系列的社會(huì)問題，是一項(xiàng)艱巨的社會(huì)系統(tǒng)工程問題。

二、對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的破壞和危害

（一）破壞水源地，造成水污染1．破壞水源地。礦山采動(dòng)和排疏地下水，破壞了覆巖的巖石力學(xué)性質(zhì)和地下水動(dòng)力狀況，改變了地表水、地下水的徑流條件，使地下水位大幅度下降，致使原水源地干涸，地表的植被干枯，嚴(yán)重時(shí)還可引起地表土壤沙化，土地肥力降低，作物減產(chǎn)等。

2．造成水污染。由于礦山開發(fā)，大量礦井污水、廢水及廢棄矸石受雨水沖淋形成的酸性水被排入江河湖海、農(nóng)田、水庫(kù)及塘洼之中，成為污垢、病菌匯集之地。而地面污水也會(huì)積存在塌陷區(qū)內(nèi)并沿井巷、巖石裂隙倒灌入地下采空區(qū)內(nèi)，使地下含水層遭受污染，形成惡性環(huán)流成“雙向污染”。

（二）破壞自然環(huán)境

1．對(duì)地形地貌的破壞。采煤沉陷使地表變形，形成地表移動(dòng)盆地，產(chǎn)生地裂縫和塌陷坑，破壞了原有的地表形態(tài)，使地形地貌的穩(wěn)定性下降，從而使土地質(zhì)量降低或完全喪失使用價(jià)值，也使地質(zhì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降。

2．對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞。采礦塌陷使生態(tài)環(huán)境的各生態(tài)因子都不同程度地受到破壞和影響，有的甚至改變整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的類型，從而惡化生態(tài)環(huán)境，使作物生長(zhǎng)受到危害，造成農(nóng)業(yè)減產(chǎn)或絕收；使魚類及水生生物大量死亡，生態(tài)條件的惡化，使自然界人類和生物和諧的食物鏈和食物網(wǎng)發(fā)生斷缺，破壞了生態(tài)平衡，最終危及人類的生存和發(fā)展。礦山開采對(duì)人類居住自然生活環(huán)境的影響見下圖。

礦山開采對(duì)人類居住自然生活環(huán)境的影響

泉、井、地下含水層、溶洞水裂隙水、地下水位、流量及流向耕地面積土壤肥力水利設(shè)施—塘、溝、渠、堤、壩、水庫(kù)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量礦山開采自然環(huán)境水體農(nóng)業(yè)地面建筑社會(huì)環(huán)境地形、地貌、氣象、水文、自然地理景觀地層、礦體賦存狀態(tài)及結(jié)構(gòu)土壤、植被、野生動(dòng)物自然食物鏈、生態(tài)平衡風(fēng)景名勝自然災(zāi)害加劇地表水體地下水體江、河、湖、海、水庫(kù)冰、雪等自然水體廣大農(nóng)村、鄉(xiāng)、鎮(zhèn)建筑物鐵路、公路、通訊、輸電線路輸水、油、氣管道環(huán)境質(zhì)量、居民健康水平、發(fā)病率居民遷建、重新定居農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)產(chǎn)，棄農(nóng)從工、商、種植業(yè)居民生活水平供水?dāng)?shù)量、質(zhì)量安全保障第六章巖層移動(dòng)變形機(jī)理

第一節(jié)開采圍巖移動(dòng)破壞形式第二節(jié)巖層移動(dòng)破壞分帶特征破壞形式第三節(jié)巖層移動(dòng)變形研究方法第四節(jié)開采巖層移動(dòng)變形影響因素第一節(jié)開采圍巖移動(dòng)破壞形式

巖體受采動(dòng)影響移動(dòng)破壞實(shí)際上是指巖體地質(zhì)結(jié)構(gòu)改組和結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)的喪失現(xiàn)象，采動(dòng)巖體內(nèi)存在的移動(dòng)破壞形式主要有：彎曲、斷裂、垮落、離層、底鼓、片幫、巖爆、煤爆等。將分別敘述如下：1．彎曲：彎曲是采動(dòng)圍巖移動(dòng)的主要形式。地下礦層采出后，上覆巖層中的各個(gè)分層，從直接頂板開始沿層理面的法線方向，依次向采區(qū)方向彎曲，直至地表。在彎曲范圍內(nèi)，巖層可能出現(xiàn)數(shù)量不多的微小裂縫，但基本上保持其連續(xù)性和層狀結(jié)構(gòu)。2．垮落：礦層被采出后，頂板巖層中重新分布的應(yīng)力超過巖體的強(qiáng)度，巖體破裂成無規(guī)則塊狀脫離原巖而垮落充填采空區(qū)，這種破壞形式稱之為垮落，垮落一般發(fā)生在采空區(qū)上方拉應(yīng)力區(qū)的巖層中。3．離層：采空區(qū)上覆巖層由于豎向移動(dòng)變形的大小和速度不同而使巖層面之間或?qū)永砻嬷g產(chǎn)生的開裂現(xiàn)象稱為離層。離層主要發(fā)生在頂板以上，主要是拉應(yīng)力達(dá)到或超過層間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度所致，也可由拉剪作用形成不規(guī)則的離層。規(guī)模較大的離層是由于采動(dòng)影響程度和巖層的抗彎剛度不同而產(chǎn)生的。4．層間錯(cuò)動(dòng)：在重力產(chǎn)生的沿層面的下滑力的作用下，或者由于巖層移動(dòng)過程中相鄰巖層水平移動(dòng)的大小或方向不同而使層面軟弱帶兩側(cè)的巖層產(chǎn)生相對(duì)滑移，這種破壞形式稱之為層間錯(cuò)動(dòng)。這類破壞主要發(fā)生在傾斜煤層條件下，不同巖層交界處或沿軟弱面發(fā)生。

5．塊體滾動(dòng)：這種破壞有兩種情況，其一是在已經(jīng)垮落或斷裂的巖體的下山方向繼續(xù)進(jìn)行采煤形成新的采空區(qū)時(shí)，如果煤層傾角較大，垮落的巖塊就可能下沉或滾動(dòng)充填采空區(qū)，從而使上部采空區(qū)上部的空間增大，使位于采空區(qū)上山部分的巖層和地表的移動(dòng)加??；其二是在巖體內(nèi)部發(fā)生的結(jié)構(gòu)體的滾動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象。6．巖爆和煤爆：一般出現(xiàn)在高地應(yīng)力區(qū)的堅(jiān)硬巖層或煤層中。7．底鼓：由于煤層開挖使底板產(chǎn)生向采空區(qū)方向的隆起，底鼓量隨離底板的距離增加而減小，底鼓曲線也隨著離底板的距離增加而變得平緩。8．片幫：當(dāng)開采一定空間后，煤柱中產(chǎn)生了很高的集中應(yīng)力，在集中應(yīng)力作用下，煤壁產(chǎn)生嚴(yán)重的變形和破壞現(xiàn)象，呈碎片或碎塊狀擠向采空區(qū)，并使煤柱上方巖層產(chǎn)生移動(dòng)。

上述破壞形式的出現(xiàn)是由巖體本身的結(jié)構(gòu)特征(structuralcharacteristics)、物理力學(xué)性質(zhì)(physicochemicalcharacteristics)和采動(dòng)影響程度等共同決定的，從力學(xué)機(jī)理上可歸結(jié)為四種常見的破壞機(jī)制，即：張破壞、剪破壞、結(jié)構(gòu)體滾動(dòng)和結(jié)構(gòu)體沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)和錯(cuò)動(dòng)。

第二節(jié)巖層移動(dòng)破壞分帶特征

一、上“三帶”的形成煤層開采后，其覆巖要發(fā)生破壞和位移。覆巖破壞和位移具有明顯的分帶性，其特征與地質(zhì)、采礦等條件有關(guān)。在采用走向長(zhǎng)壁全部垮落法開采緩傾斜中厚煤層的條件下，只要采深達(dá)到一定深度（如100m左右），覆巖的破壞和移動(dòng)可出現(xiàn)三個(gè)具有代表性的部分，自下而上分別稱為：垮落帶、裂縫帶和彎曲帶，一般簡(jiǎn)稱為“三帶”，

如圖6－1

。圖6－1覆巖破壞移動(dòng)分帶示意圖Ⅰ—垮落帶；Ⅱ—破裂帶；Ⅲ—彎曲帶a—豎向裂隙；b—離層裂隙；c—地表裂隙1—不規(guī)則垮落帶；2—規(guī)則垮落帶

（一）垮落帶(cavingzone)垮落帶又稱冒落帶，是指脫離巖層母體，失去連續(xù)性，呈不規(guī)則巖塊或似層狀巨塊向采空區(qū)冒落的那部分巖層。垮落帶位于覆巖的最下部，緊貼煤層。煤層采空后，上覆巖層失去平衡，由直接頂板巖層開始垮落，并逐漸向上發(fā)展，直到開采空間被垮落巖塊充滿為止?？迓鋷?nèi)巖塊之間空隙多，連通性強(qiáng)，是水體和泥沙潰入井下的通道，也是瓦斯逸出或聚積的場(chǎng)所，是采煤工作面安全生產(chǎn)的主要威脅。（二）裂縫帶(rockfracturezone)裂縫帶或稱導(dǎo)水裂縫帶。裂縫帶是指位于垮落帶之上，具有與采空區(qū)連通的導(dǎo)水裂隙，但連續(xù)性未受破壞的那一部分巖層。裂縫帶隨采區(qū)擴(kuò)大而向上發(fā)展，當(dāng)采區(qū)擴(kuò)大到一定范圍時(shí)，裂縫帶高度達(dá)到最大。此時(shí)采區(qū)繼續(xù)擴(kuò)大，裂縫帶高度基本上不再發(fā)展，并隨著時(shí)間的推移，巖層移動(dòng)趨于穩(wěn)定，裂縫帶上部裂縫逐漸閉合，裂縫帶高度也隨之降低。一般說來，在采空區(qū)形成兩月左右之后，裂縫帶發(fā)育最高。（三）彎曲帶(saggingzone)彎曲帶又叫整體移動(dòng)帶，是指導(dǎo)水裂縫帶頂界到地表的那部分巖層。彎曲帶基本呈整體移動(dòng)，特別是帶內(nèi)為軟弱巖層及松散土層時(shí)。以上“三帶”雖各帶特征明顯不同，但其界面是逐漸過渡的，有時(shí)開采淺、覆巖薄也可能“三帶”不完整，具體劃分時(shí)應(yīng)合理掌握。

二、上“三帶”的空間形態(tài)

（一）水平——緩傾斜煤層開采時(shí)（傾角0°～35°）垮落帶呈大致對(duì)稱的枕形（中間微凸、平或微凹）。邊界一般在采空區(qū)邊界內(nèi)。裂縫帶一般呈馬鞍形，邊界一般在采空區(qū)邊界之外（特別堅(jiān)硬巖層例外，但覆巖越軟弱，越向邊界外凸）。其最高點(diǎn)位于采空區(qū)的傾斜上方（如圖6-2）。彎曲帶沿走向及傾向均為基本對(duì)稱的下沉盆地。

圖6-2垮落帶、裂縫帶空間形態(tài)(a)—水平、緩傾斜煤層；(b)—傾斜煤層；(c)—急傾斜煤層

（二）傾斜煤層(inclinedseam)開采時(shí)（傾斜36°～54°）垮落帶為不對(duì)稱的平枕或拱枕。邊界仍在采空區(qū)邊界內(nèi)，上方略大于下方。裂縫帶為上大下小不對(duì)稱的凹形枕，上輪廓線大致呈拋物線，馬鞍形消失或殘留不明顯，與采空區(qū)邊界齊或略偏外。這是因煤層傾角增大，采空區(qū)上部冒落巖塊下滑先充填采空區(qū)下部，采空區(qū)上部覆巖繼續(xù)失穩(wěn)而離層、斷裂、充分冒落所致（圖6-2b）。彎曲帶沿傾向不對(duì)稱下沉，上山方向較下山方向下沉量大。但若走向開采長(zhǎng)度大，則沿走向仍為對(duì)稱下沉。（三）急傾斜煤層(steepseam)開采時(shí)（傾角55°～90°）垮落帶為耳形或上大下小不對(duì)稱拱形。裂縫帶與垮落帶形態(tài)類似。二者上邊界均大大超過采空區(qū)邊界。其原因是傾角加大，冒落巖塊滾動(dòng)下滑加劇，迅速填充采空區(qū)下部空間，限制了垮落帶與裂縫帶下邊緣的發(fā)展。而采空區(qū)上部，邊界煤柱懸空，逐次片幫、開裂、冒落，使兩帶上邊緣急劇向上發(fā)展，以致大大超過采空區(qū)上邊界（6-2c）。在高角度條件下，如頂?shù)装鍘r性堅(jiān)硬、平整，煤層厚且松軟，則可能沿本煤層抽冒，高度可超過百米，甚至穿過松散層到達(dá)地表，形成地表塌陷坑。

（四）垮落帶、裂縫帶發(fā)育高度的預(yù)計(jì)在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件和巖石物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)了解不充分的條件下，可應(yīng)用已有的經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)覆巖的破壞高度。這種公式的優(yōu)點(diǎn)是來源于實(shí)測(cè)、簡(jiǎn)單易用。但是在應(yīng)用時(shí)應(yīng)該注意以下兩點(diǎn)：首先，由于各礦區(qū)或同一礦區(qū)不同采區(qū)的地質(zhì)狀況各不相同，經(jīng)驗(yàn)公式必須在相同或相似地質(zhì)條件下應(yīng)用才能獲得滿意的效果，因此，選用的公式最好應(yīng)是相同或相鄰礦區(qū)的地質(zhì)條件類似的采區(qū)的實(shí)測(cè)公式；其次，經(jīng)驗(yàn)公式中對(duì)覆巖類型的劃分過于粗略，實(shí)際情況下最常見的是各種不同巖類交替出現(xiàn)互相組合的覆巖，難以確切判斷屬于哪種類型，只有按照工程地質(zhì)巖組的實(shí)際情況進(jìn)行分析，才不至于使預(yù)計(jì)結(jié)果因人而異，也就是說應(yīng)重視經(jīng)驗(yàn)公式與相應(yīng)的工程地質(zhì)條件的關(guān)系研究。垮落帶、裂縫帶高度是水體下采煤的重要依據(jù)，有條件時(shí)，最好實(shí)測(cè)獲得。三、“下三帶”的形成及“三帶”的空間形態(tài)（一）“下三帶”的概念經(jīng)過近十幾年深入隔水底板內(nèi)部進(jìn)行綜合觀測(cè)，并結(jié)合相似材料模擬(similarmaterialsimulation)和有限元計(jì)算(finiteelementcalculation)等研究發(fā)現(xiàn)：開采煤層底板也類似采動(dòng)覆巖破壞移動(dòng)存在著三帶，即：底板導(dǎo)水破壞帶，完整巖層帶，承壓水導(dǎo)高帶。各帶的含義是：

1．第Ⅰ帶—底板導(dǎo)水破壞帶（h1）(floorwaterflowingfailurezone)：是指由于采動(dòng)礦壓的作用，底板巖層連續(xù)性遭到破壞，導(dǎo)水性發(fā)生明顯改變的層帶。

2．第Ⅱ帶—完整巖層帶（或有效保護(hù)層帶，h2）(integralrockzone)：位于第Ⅰ、Ⅲ帶之間，其特點(diǎn)是保持采前巖層的連續(xù)性及其阻抗水性能，故稱其為完整巖層帶。由于它是阻抗底板突水最關(guān)鍵的因素，故又稱其為保護(hù)層帶。保護(hù)層帶的厚度大小不一，少數(shù)采面開采之后，保護(hù)層帶很薄，甚至不存在。保護(hù)層帶的厚度h2等于底板總厚度h與Ⅰ、Ⅲ帶厚度h1+h3之差，即：h2=h-(h1+h3)。當(dāng)h＞（h1+h3）時(shí)，則保護(hù)層存在；當(dāng)h≤（h1+h3）時(shí)，則保護(hù)層不存在。3．第Ⅲ帶—承壓水導(dǎo)高帶（或隱伏水頭帶，h3）(inducingheightzonebyconfinedwater)：是指含水層中的承壓水，沿隔水底板中的裂隙或斷裂破碎帶上升的高度（即由含水層頂面至承壓水導(dǎo)升上限）。有時(shí)稱其為原始導(dǎo)高。煤層開采第Ⅰ帶總是存在，而當(dāng)?shù)装甯羲畬犹』蚝畬禹敳坑谐涮顜Щ蚱渖蠋r層軟弱時(shí)，則“三帶”也可能不完整。為與采動(dòng)覆巖形成的“三帶”區(qū)別，故底板以下與含水層向巖層中采動(dòng)形成的“三帶”稱為“下三帶”。（二）“下三帶”理論的應(yīng)用該理論主要用于底板突水預(yù)測(cè)及開采安全性論證、編制采區(qū)或水平的安全生產(chǎn)規(guī)劃和為預(yù)防突水(preventingwater-inrush)而選用合適的采煤方法及工作面尺寸。

四、覆巖破壞及移動(dòng)的力學(xué)模式

采場(chǎng)回采工作全部結(jié)束后，覆巖破壞、移動(dòng)及應(yīng)力分布模式簡(jiǎn)化為如圖6-3所示。

圖6－3覆巖移動(dòng)破壞力學(xué)模式示意圖+—拉伸應(yīng)力或變形；-—壓縮應(yīng)力或變形；↓—垂直壓縮壓力區(qū)；↑—垂直拉伸應(yīng)力區(qū)；1—地表移動(dòng)范圍；2—應(yīng)力變化范圍

采用以上分區(qū)可以較為方便地預(yù)測(cè)巖體破壞狀況，在詳細(xì)分析上覆巖土體工程地質(zhì)巖組特性基礎(chǔ)上，采用數(shù)值分析方法確定冒落帶和裂隙帶的高度，可以靈活地針對(duì)某一實(shí)際工程地質(zhì)剖面進(jìn)行預(yù)計(jì)，還可克服前述經(jīng)驗(yàn)類比法的某些不足，其精度能夠滿足生產(chǎn)需要。

第三節(jié)巖層移動(dòng)變形研究方法

地下開采引起的巖層與地表移動(dòng)是從工作面直接頂板開始，逐漸向上發(fā)展，直至地表。要了解巖層與地表移動(dòng)的全過程，僅設(shè)地表移動(dòng)觀測(cè)站進(jìn)行觀測(cè)是不夠的，還需進(jìn)行巖層內(nèi)部的觀測(cè)。要掌握地下開采引起的巖層移動(dòng)規(guī)律。同掌握地表移動(dòng)規(guī)律一樣，實(shí)地觀測(cè)是基本手段。目前，巖層移動(dòng)的觀測(cè)工作，主要是在工作面周圍及其巷道和鉆孔中進(jìn)行。根據(jù)不同的觀測(cè)目的和觀測(cè)條件選擇不同的觀測(cè)地點(diǎn)和方法。在巖層內(nèi)部設(shè)置一系列互相聯(lián)系的觀測(cè)點(diǎn)，稱為巖層內(nèi)部觀測(cè)站。巖層內(nèi)部觀測(cè)站地點(diǎn)的選擇，建站的原則，觀測(cè)方法及要求，成果整理等和地表移動(dòng)觀測(cè)站相似，但也有它本身的特點(diǎn)。具體有：巷道直接觀測(cè)、鉆孔巖移、鉆孔沖洗液消耗、雙端隔水器、相似材料模擬、數(shù)值模擬及物探等研究方法。

一、巷道直接觀測(cè)

根據(jù)觀測(cè)目的和條件，在開采煤層的上方不同高度巷道內(nèi)設(shè)置觀測(cè)站。觀測(cè)線通常布設(shè)在回采工作面上方的石門或煤巷內(nèi)。必要時(shí)，可在不同水平上開掘?qū)ｉT巷道。在條件許可的情況下，觀測(cè)巷道應(yīng)盡量和地表觀測(cè)線位于同一豎直剖面上。觀測(cè)線盡可能設(shè)成直線，其長(zhǎng)度應(yīng)包括移動(dòng)最充分部分和采動(dòng)范圍以外的一小部分。測(cè)點(diǎn)間距視觀測(cè)巷道至回采工作面的垂直高度而定，一般為5～15m。用立體攝影、經(jīng)緯儀等對(duì)固定部位的頂?shù)装寮皟蓚?cè)巖壁進(jìn)行攝影測(cè)量，將開采前后的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比即可確定出覆巖的破壞狀況，如：裂縫的發(fā)育密度、寬度，斷層的活動(dòng)變化等（圖6-4a、b）。觀測(cè)時(shí)必須注意安全。在采空區(qū)上部巷道中進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，要求設(shè)站的巷道位于開采后所形成的冒落裂縫帶之上。應(yīng)使巷道從采動(dòng)影響以外進(jìn)入，以便觀測(cè)時(shí)人員有安全出口。

(a)(b)圖6-4某礦觀測(cè)站示意圖1—地面觀測(cè)線；2—層內(nèi)巷道觀測(cè)線；3—煤層；4—地面下沉曲線；5—觀測(cè)巷道下沉曲線巷道觀測(cè)雖能獲得比較可靠的巖層內(nèi)部移動(dòng)的第一手資料，但巷道開掘費(fèi)用高，維護(hù)工作量大，不宜大量采用。

二、鉆孔觀測(cè)

鉆孔觀測(cè)，就是在采動(dòng)影響范圍內(nèi)，從地面或井下巷道中，向巖層內(nèi)部打鉆孔，并在鉆孔內(nèi)不同水平上設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)（稱深部測(cè)點(diǎn)）進(jìn)行觀測(cè)。鉆孔中設(shè)置測(cè)點(diǎn)的位置和數(shù)量，應(yīng)根據(jù)觀測(cè)目的來決定。一般測(cè)點(diǎn)應(yīng)設(shè)在各巖層的接觸面附近，在厚巖層內(nèi)按一定間距設(shè)點(diǎn)，通過觀測(cè)求出各測(cè)點(diǎn)沿軸向或垂直軸向的移動(dòng)量及其移動(dòng)速度。設(shè)深部測(cè)點(diǎn)的鉆孔，多數(shù)是專門打的，如果利用舊有鉆孔，則需切斷鉆孔中的套管。鉆孔測(cè)點(diǎn)分金屬的和木制的兩種。金屬測(cè)點(diǎn)是用混凝土灌注使之與孔壁巖層固結(jié)在一起。木制測(cè)點(diǎn)的制作是用壓縮木制成。利用其遇水膨脹的性能與孔壁連接在一起。

壓縮木測(cè)點(diǎn)的制作系用紅松或水曲柳等木材，切成長(zhǎng)方塊體，在壓力機(jī)垂直木紋方向加壓成板狀，并用夾板固定24小時(shí)后，拼接粘合，車成圓柱體。柱體中心穿一金屬圓管，兩端車成螺紋，上端旋一螺母并拴緊一根鋼絲穿過中心管，即可將此測(cè)點(diǎn)沿鉆孔推至設(shè)計(jì)部位。待壓縮木遇水膨脹后即牢固貼緊孔壁巖層，每一側(cè)點(diǎn)采取同樣方法設(shè)置。但必須將前面測(cè)點(diǎn)的鋼絲從中心管中穿過并保證能自由滑動(dòng)不纏繞不受阻礙。各測(cè)點(diǎn)鋼絲從孔口引出并通過孔口支架上各自的滑動(dòng)輪懸一重錘。當(dāng)巖層帶動(dòng)測(cè)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，孔口重錘便相應(yīng)上下移動(dòng)。觀測(cè)人員定時(shí)用鋼尺測(cè)量各點(diǎn)位移值，可做出各深度巖層位移歷時(shí)曲線，反映出覆巖各層移動(dòng)特征。觀測(cè)位移值也可不用重錘裝置，而采用各種多點(diǎn)位移計(jì)由人工測(cè)定。更先進(jìn)的是在孔口各測(cè)點(diǎn)聯(lián)接傳感器、遙測(cè)儀、計(jì)算機(jī)完成自動(dòng)定時(shí)巡回監(jiān)測(cè)并自動(dòng)記錄、打印出觀測(cè)結(jié)果，如圖6－5、6－6所示。

設(shè)置測(cè)點(diǎn)時(shí)，必須注意防止鋼絲生銹。如果鉆孔內(nèi)設(shè)點(diǎn)較多，宜適當(dāng)加大基巖的鉆孔孔徑和測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中鋼管的直徑，以防各測(cè)點(diǎn)移動(dòng)軌跡紊亂、互相干擾。地面鉆孔孔口標(biāo)高與高程基點(diǎn)或地表觀測(cè)站制點(diǎn)連測(cè)，定期的水準(zhǔn)測(cè)量一般每星期一次，當(dāng)孔口下沉進(jìn)入衰退期后，觀測(cè)間隔時(shí)間尚可更長(zhǎng)些。觀測(cè)方法和精度要求按四等水準(zhǔn)測(cè)量的要求進(jìn)行。測(cè)點(diǎn)地面覘標(biāo)的相對(duì)下沉量是用丈量覘標(biāo)到孔口的距離來測(cè)定的，或安裝自計(jì)儀自動(dòng)記錄。觀測(cè)間隔時(shí)間一般為1～2天，在巖層移動(dòng)活躍期每天進(jìn)行兩次，并記錄觀測(cè)時(shí)間。為了研究巖層內(nèi)部和地表移動(dòng)的內(nèi)在關(guān)系，鉆孔觀測(cè)站應(yīng)與地表觀測(cè)站配合進(jìn)行。

利用鉆孔還可進(jìn)行各種不同目的的觀測(cè)。例如：采用水文地質(zhì)鉆孔觀測(cè)采場(chǎng)“兩帶”高度是常用的、可靠的方法。該觀測(cè)方法就是在采空區(qū)上方地表面布置一定數(shù)量的觀測(cè)鉆孔，在鉆孔在向預(yù)定目標(biāo)鉆進(jìn)過程中，測(cè)定鉆至各層深度處的沖洗液耗量，水位變化；或在鉆孔鉆至各段不同深度處分段注水，觀測(cè)不同深度處的漏水量；或在鉆孔鉆進(jìn)過程中保持鉆孔注滿水，用流量?jī)x測(cè)定鉆孔不同深度上的流量值等，然后對(duì)資料綜合對(duì)比分析來確定“兩帶”高度。利用鉆孔，配合物探技術(shù)，觀測(cè)研究巖層內(nèi)部移動(dòng)狀態(tài)和方法越來越多，例如：鉆孔聲波法、鉆孔電磁波法、鉆孔超聲成像法、鉆孔電視、鉆孔潛望境等。鉆孔沖洗液法觀測(cè)兩帶高度工程量大，時(shí)間長(zhǎng)，費(fèi)用高，工藝復(fù)雜，且受深度和地面條件限制，觀測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性也不高，現(xiàn)在改用井下打鉆用雙端隔水器探測(cè)，則效果較好，能克服上述的缺點(diǎn)（圖6-7、6-8）。

圖6－5鉆孔巖移觀測(cè)系統(tǒng)示意圖1-

測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)；2-測(cè)點(diǎn)；3-鋼絲；4-觀測(cè)架；5-重錘；6-傳感器

圖6-6某礦微山湖水體下采煤鉆孔巖移實(shí)測(cè)曲線（至少可判斷W1與W2測(cè)點(diǎn)間巖層有離層或分屬垮落帶與裂縫帶）

圖6-7鉆孔沖洗液消耗法觀測(cè)的“兩帶”高度1、2-垮落帶、裂縫帶發(fā)育位置；3-地面原始高度；4-地面鉆機(jī)；W-兩帶壓密下降值；h1、h2-兩帶高度距地面深度；H—煤層埋深；H垮H導(dǎo)-——垮、裂帶發(fā)育高度

ab圖6-8雙端隔水器觀測(cè)示意圖a-雙端隔水器裝置；b-觀測(cè)采前采后流量變化確定導(dǎo)水裂縫帶高度三、采場(chǎng)直接觀測(cè)法采場(chǎng)直接觀測(cè)法主要用于確定垮落帶的高度。它是在工作面推進(jìn)過程中的不同位置處，沿傾向的多個(gè)剖面觀測(cè)頂板的垮落高度及垮落巖堆頂面至上部頂板之間的距離，并考慮垮落巖石的碎脹，即可確定出垮落帶的高度。如圖6-9，在采場(chǎng)最后一排支架的外側(cè)，用測(cè)桿測(cè)出垮落后的上部頂板至支架頂部處測(cè)桿的長(zhǎng)度L，再用半圓儀測(cè)出測(cè)桿與水平面之間的夾角，即可確定出垮落帶的高度。圖6-9回采工作面直接觀測(cè)法示意圖

四、相似材料模擬及數(shù)值模擬法

（一）相似材料模擬(similarmaterialsimulation)相似模擬試驗(yàn)是以相似理論為基礎(chǔ)的模型試驗(yàn)技術(shù)，是利用事物或現(xiàn)象間存在的相似和類似等特征來研究自然規(guī)律的一種方法，它特別適合于那些難以用理論分析方法獲取結(jié)果的研究領(lǐng)域，同時(shí)也是一種用于對(duì)理論研究結(jié)果進(jìn)行分析和比較的有效手段。相似材料模擬主要是對(duì)自然現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行模擬。是在室內(nèi)采用某種人工材料，按一定比例做成相似模型，通過對(duì)模型上的位移、應(yīng)力和應(yīng)變的觀測(cè)來認(rèn)識(shí)原型上發(fā)生的力學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律。模擬試驗(yàn)的特點(diǎn)是直觀性強(qiáng)、靈活性好、效率高、重復(fù)性好等。

（二）數(shù)值模擬(numericalsimulation)在探討覆巖移動(dòng)變形規(guī)律時(shí)，往往需要反復(fù)試驗(yàn)單個(gè)因素的影響，這在現(xiàn)場(chǎng)條件下難以實(shí)現(xiàn)，但數(shù)值模擬方法有時(shí)能達(dá)到較好的效果。用對(duì)地下工程問題的分析，常用的數(shù)值方法有有限差分法、有限元法、離散元法和邊界元法等，半解析元法和無界元法等正在發(fā)展。應(yīng)用彈塑性理論和利用計(jì)算機(jī)技術(shù)為研究煤層頂?shù)装鍘r體的移動(dòng)、變形破壞提供了有效的工具，并已逐漸成為研究巖土力學(xué)及地下工程結(jié)構(gòu)問題的重要手段。五、物探(geophysicalprospecting)觀測(cè)法

(一)形變電阻率測(cè)深地下巖層電阻率大小不僅決定于其巖性成分及含水多少，還與其結(jié)構(gòu)狀態(tài)密切相關(guān)。巖體受到破壞松動(dòng)以后，裂隙結(jié)構(gòu)面增多，阻隔了電流的傳導(dǎo)，電阻率將會(huì)升高；但若破壞裂隙充水，則因作為導(dǎo)電溶液的水的連通作用而使電流傳導(dǎo)能力增強(qiáng)，電阻率降低。通過巖體發(fā)生形變或破壞前后的電阻率對(duì)比，就可探測(cè)出覆巖的破壞高度和破壞形態(tài)。

(二)鉆孔無線電波透視在井下鉆孔中，與雙孔聲波透視測(cè)量相似，也可用無線電波進(jìn)行孔間巖體的透視測(cè)量。在一個(gè)鉆孔中旋轉(zhuǎn)無線電波發(fā)射探頭和發(fā)射天線，發(fā)射某一固定頻率的無線電波，另一孔中旋轉(zhuǎn)無線電波接收天線及探頭，接收來自發(fā)射天線并穿過孔間巖體的無線電波強(qiáng)度。巖體破壞松動(dòng)后，由于裂隙、結(jié)構(gòu)面對(duì)無線電波的反射、散射作用，將使其強(qiáng)度比正常情況下的低，尤其裂隙充水時(shí)，對(duì)無線電波的吸收作用更大。但當(dāng)裂隙破碎帶無水時(shí)，也常常出現(xiàn)比正常情況下高的透視強(qiáng)度，這是因?yàn)榭諝鈱?duì)無線電波的吸收比巖體小得多的緣故。這一特征對(duì)某些導(dǎo)水裂隙范圍內(nèi)的巖體透視具有一定的參考意義。

(三)鉆孔聲波測(cè)量

鑒于聲波在巖體中的傳播特性與巖體的結(jié)構(gòu)狀態(tài)有密切的關(guān)系，一般巖體受到破壞松動(dòng)后聲波在其中的傳播速度降低，通過巖體聲能消耗大，波幅變小，波譜的高頻成分被強(qiáng)烈吸收，故可采用鉆孔聲波測(cè)量來探測(cè)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨龋ㄋ模\層地震探測(cè)法

地震探測(cè)的原理是，覆巖受采動(dòng)產(chǎn)生斷裂和縫隙，使巖層的地震波阻抗(波速X密度)發(fā)生變化，從而形成新的反射層位。根據(jù)取得的反射層位分布規(guī)律，可以解釋得出導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度。

為了提高探測(cè)精度，在淺層地震反射法中，普遍使用多次覆蓋技術(shù)、小道距及小藥量等方法，還要求在待測(cè)的已采區(qū)和相鄰的未采區(qū)上方同時(shí)布置測(cè)線。淺層地震反射法的野外的探測(cè)數(shù)據(jù)，一般采用常規(guī)方法處理。

（五）地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法

導(dǎo)水裂縫帶高度地面物探的最新方法是地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法。其實(shí)質(zhì)與淺層地震探測(cè)法雷同。它是利用高頻脈沖電磁波，通過發(fā)射天線傳送到地下，進(jìn)入地層后反射回到地面，由接收天線接收。由于地質(zhì)雷達(dá)采用了高頻率、寬頻帶、短脈沖和高速采樣技術(shù)，分辨率有了進(jìn)一步的提高。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的步驟是：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、資料解釋。數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵是，雷達(dá)天線步距和間距的布置要與開采區(qū)的地質(zhì)和開采條件相適應(yīng)，測(cè)線要沿煤層走向和傾斜布置，并要求在待測(cè)的已采區(qū)段和鄰近的未采區(qū)段布置測(cè)線，測(cè)量工作要在采前和采中定期進(jìn)行。數(shù)據(jù)處理的要求是要獲得優(yōu)質(zhì)的處理圖形。因此，選用相應(yīng)功能的計(jì)算機(jī)軟件十分重要。處理軟件應(yīng)有靜校正、速度分析、濾波(FFT及f—K)、偏移和反褶積等功能。資料解釋的正確性，不僅取決于處理后的雷達(dá)圖像及標(biāo)準(zhǔn)圖像的質(zhì)量，而且還取決于解釋者的知識(shí)水平與經(jīng)驗(yàn)，其中結(jié)合開采地區(qū)的地質(zhì)采礦條件信息是十分必要的。該方法的最大缺點(diǎn)是，現(xiàn)有探測(cè)儀器的探測(cè)深度小，只是當(dāng)煤層埋藏深度淺、裂縫帶發(fā)育高度離地表較近時(shí)才適用。

（六）彈性波測(cè)井法

彈性波測(cè)井法是地球物理測(cè)井方法之一。它不僅可用來探測(cè)地層巖石中的裂縫及巖層厚度，在同時(shí)測(cè)定縱波(Vp)和橫波(Vs)的條件下，還可計(jì)算出巖石的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，例如巖石強(qiáng)度、彈性模量及泊松比等，達(dá)到對(duì)地層質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的目的。彈性波測(cè)井是在地面以炸藥或重物作激發(fā)震源，彈性波經(jīng)地層傳播被設(shè)置在測(cè)井中的檢波器接收，記錄器記錄彈性波到達(dá)測(cè)井中檢波器的時(shí)間。根據(jù)記錄時(shí)間及檢波器、激發(fā)點(diǎn)之間的距離，可計(jì)算出地層中彈性波的傳播速度。再根據(jù)由淺至深的速度分布規(guī)律及速度分層圖，并結(jié)合測(cè)試地區(qū)的地質(zhì)開采條件，即可解釋出巖石受采動(dòng)影響后產(chǎn)生導(dǎo)水裂縫帶高度的數(shù)據(jù)。

鉆孔超聲成像可以獲得整個(gè)鉆孔孔壁結(jié)構(gòu)形態(tài)的連續(xù)柱狀展開圖像，根據(jù)圖像顯示的裂隙形態(tài)可以確定裂隙的寬度、傾向和傾角，根據(jù)圖像的明暗程度可以反映孔壁的硬軟，區(qū)分巖性，是現(xiàn)代鉆孔成像測(cè)量方法中較好的一種。它的基本原理是由指向性換能器不斷向孔壁發(fā)射超聲波束，并在發(fā)射間歇時(shí)間內(nèi)接收來自孔壁的反射回波信號(hào)(換能器收發(fā)兼用)。當(dāng)換能器連續(xù)旋轉(zhuǎn)并沿孔軸方向緩慢移動(dòng)時(shí)，便對(duì)孔壁進(jìn)行聲波掃描。當(dāng)孔壁結(jié)構(gòu)完整、堅(jiān)硬時(shí)，回波信號(hào)就強(qiáng)，當(dāng)遇裂隙或破碎帶時(shí)，反射聲波強(qiáng)度就弱，將掃描回波信號(hào)的強(qiáng)度變化通過二次儀表以掃描跡線形式顯示在熒光屏上并用自動(dòng)走片的相機(jī)拍攝下來，構(gòu)成密集的柵狀線條，就組成反映孔壁結(jié)構(gòu)的圖像。由于超聲波具有一定的穿透能力，可在濃度不是太大的泥漿鉆孔中進(jìn)行測(cè)量，從而省去其他成像測(cè)井法中必須進(jìn)行洗孔和孔內(nèi)充以清水的麻煩。鉆孔電視的功能類似（見圖6-10）。

(七)鉆孔超聲成像測(cè)井（或鉆孔電視）圖6-10鉆孔電視觀測(cè)系統(tǒng)

（八）電磁波CT成像法電磁波CT成像(層析成像)是基于不同巖層對(duì)電磁波的吸收系數(shù)、介電常數(shù)、電導(dǎo)率等電磁參數(shù)值的差別，以及巖層受采動(dòng)后上述電磁參數(shù)值的變化特征，結(jié)合開采區(qū)的地質(zhì)采礦條件，可計(jì)算確定出導(dǎo)水裂縫帶的高度。由于采動(dòng)使覆巖產(chǎn)生斷裂與縫隙，改變了巖層的結(jié)構(gòu)條件，引起巖層電磁參數(shù)值的變化，其中影響最大的是電磁波吸收系數(shù)值。如果裂縫帶巖體充水，吸收系數(shù)值增大尤為明顯。因此，可用電磁波的吸收強(qiáng)度作為判定導(dǎo)水裂縫帶高度的主要依據(jù)。為了提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度，野外測(cè)試前應(yīng)對(duì)鉆孔巖樣進(jìn)行室內(nèi)測(cè)定，以獲得測(cè)區(qū)巖層的磁導(dǎo)率、介電常數(shù)和電阻率等電磁參數(shù)以及電磁波透射距離與吸收系數(shù)的關(guān)系，為野外選擇工作頻率提供依據(jù)。

（九）聲波CT探測(cè)由于巖石的聲波波速與巖石的物理力學(xué)性質(zhì)有顯著的相關(guān)性，聲波波速與巖石的抗壓強(qiáng)度成正比關(guān)系，波速增高，巖體強(qiáng)度增加，巖體完整性好；波速降低，巖體強(qiáng)度減小，巖體完整性降低。因此，將聲波走時(shí)層析成像的波速切面與地質(zhì)剖面相結(jié)合進(jìn)行對(duì)比，可得探測(cè)結(jié)果。（十）雙端堵水器對(duì)覆巖頂、底板破壞的探測(cè)利用在采前、采中、采后對(duì)鉆孔壁水量漏失變化進(jìn)行觀測(cè)，可對(duì)覆巖裂縫帶及底板破壞帶進(jìn)行動(dòng)態(tài)探測(cè)（圖6-11、6-12）。

圖6-11利用雙端堵水器觀測(cè)覆巖兩帶高度圖6-12利用雙端堵水器觀測(cè)底板破壞深度

第四節(jié)開采巖層移動(dòng)變形影響因素

一、覆巖力學(xué)性質(zhì)的影響覆巖的力學(xué)性質(zhì)(mechanicscharacteristicsofoverburden)可影響開采對(duì)覆巖和地表的破壞和變形程度，包括其形狀、幅度、速率、分布規(guī)律、兩帶的發(fā)育等。（一）覆巖力學(xué)性質(zhì)對(duì)覆巖移動(dòng)和破壞的影響沉陷預(yù)計(jì)時(shí)，覆巖力學(xué)性質(zhì)對(duì)地表移動(dòng)和破壞的影響可參閱“三下”采煤規(guī)程。（二）層位對(duì)覆巖移動(dòng)的影響巖層的層位是指巖層之間的組合關(guān)系。它起著對(duì)地表沉陷的劇烈和緩和的控制作用。若層位上覆極軟覆巖，其導(dǎo)高可以發(fā)育很低，有限制導(dǎo)水裂隙高度發(fā)育的作用，這對(duì)提高開采上限有一定的意義。

二、覆巖巖體結(jié)構(gòu)煤系地層的巖體結(jié)構(gòu)(rockmassstructure)特征，以其原生結(jié)構(gòu)(primarystructure)是層狀結(jié)構(gòu)(layerstructure)為特點(diǎn)，巖體結(jié)構(gòu)對(duì)巖層移動(dòng)破壞也起著控制作用，不同巖體結(jié)構(gòu)類型的巖體在巖層移動(dòng)破壞過程中的表現(xiàn)不同。散體結(jié)構(gòu)巖體受采動(dòng)影響易冒落，在工作面接近斷層帶、強(qiáng)風(fēng)化帶巖體時(shí)常發(fā)生抽冒，引起水沙潰入礦井，地面形成塌陷坑，危害性極大。已冒落的巖體，在重復(fù)采動(dòng)時(shí)，或在傾斜及傾斜煤層冒落巖體下山方向采煤時(shí)，冒落巖體常常沿底板下滑或滾動(dòng)，充填采空區(qū)，此類冒落可一直延續(xù)地表，煤層抽冒現(xiàn)象也很嚴(yán)重。此類巖體對(duì)水體下采煤極為不利。三、松散層的影響

松散層是指第四紀(jì)、新第三紀(jì)末成巖的沉積層，如沖積層、洪積層、殘積層等。地表有沒有松散層覆蓋，對(duì)地表移動(dòng)特征有很大影響。特別是對(duì)地表水平移動(dòng)和水平變形分布規(guī)律的影響十分明顯。當(dāng)松散層很厚時(shí)，基巖移動(dòng)產(chǎn)生的水平移動(dòng)在松散層內(nèi)傳遞時(shí)衰減而達(dá)不到地表，這時(shí)地表就只有由于松散層垂直彎曲而引起的水平移動(dòng)。

四、地層傾角的影響煤系地層按傾角可劃分為水平和緩傾斜層狀巖體（α=0～35°）、中傾斜層狀巖體（α=36～54°）及急傾斜（陡傾和陡立）層狀巖體（α=55～90°）。煤系地層的傾角不同實(shí)質(zhì)上反映了構(gòu)造變動(dòng)的強(qiáng)烈程度，在一定意義上可以反映巖體結(jié)構(gòu)類型的不同。地層傾角之所以對(duì)巖層移動(dòng)產(chǎn)生影響，其一是因?yàn)椴煌瑑A角的地層往往具有不同的巖體結(jié)構(gòu)，從而影響巖層移動(dòng)的特征；其二是因?yàn)椴煌瑑A角的地層在煤層開采后所形成的應(yīng)力重分布特點(diǎn)不同，從而引起巖體結(jié)構(gòu)狀態(tài)的不同變化，使巖層移動(dòng)變形的發(fā)展過程、破壞的形態(tài)和范圍等產(chǎn)生顯著的差異。

五、開采深度的影響隨著采深的增加，地表各項(xiàng)變形值減小。這是由于采深增加，地表移動(dòng)范圍增大，而地表下沉值變化不大，因此地表移動(dòng)盆地變得平緩，各項(xiàng)變形值減小?？梢?，在其它條件相同的情況下，地表各項(xiàng)變形值是與采深成反比的。地表移動(dòng)變形值既與采厚成正比，又與采深成反比，所以常用深厚比(H/m)作為衡量開采條件對(duì)地表沉陷影響的粗略估計(jì)的指標(biāo)。深厚比越大，地表移動(dòng)變形值越小，移動(dòng)和變形就越平緩；深厚比越小，地表移動(dòng)與變形就越劇烈。在深厚比很小的情況下，地表將出現(xiàn)大裂縫、臺(tái)階狀斷裂，甚至出現(xiàn)塌陷坑。開采深度還對(duì)地表最大下沉速度和移動(dòng)持續(xù)時(shí)間有影響。開采深度較小時(shí)，地表下沉速度大，移動(dòng)持續(xù)時(shí)間較短，開采深度較大時(shí)，地表下沉速度小，移動(dòng)比較緩慢、均勻，而移動(dòng)持續(xù)時(shí)間則較長(zhǎng)。

觀測(cè)成果表明，地表的最大下沉值和觀測(cè)巷道的最大下沉值極為接近，但傾斜和曲率最大值、移動(dòng)持續(xù)時(shí)間以及最大下沉速度有明顯差別，深度大時(shí)變形值和最大下沉速度明顯減小，而移動(dòng)持續(xù)時(shí)間卻增加（見表6-1）。某礦3701觀測(cè)站觀測(cè)成果表6-1

移動(dòng)變形情況開采深度最大下沉值mm最大傾斜mm/m最大曲率10-3/m移動(dòng)持續(xù)時(shí)間（天）最大下沉速度mm/d+-移動(dòng)總時(shí)間活躍期開采煤層距觀測(cè)巷道H1=25m113444.52.753.74724091.4開采煤層距地表H2=105m1171+2801.061.411637123.5六、開采厚度和采空區(qū)面積的影響

實(shí)測(cè)表明，采厚和采空區(qū)面積是造成覆巖破壞的根本因素，而采空區(qū)面積卻只在覆巖不充分采動(dòng)的條件下起作用。當(dāng)采空區(qū)面積達(dá)到覆巖充分采動(dòng)條件時(shí)，就基本上不起作用了。

七、采煤方法及頂板管理方法的影響

開采實(shí)踐證明，采煤方法(coal-miningmethod)和頂板管理方法(roofcontrolmethod)是影響圍巖應(yīng)力變化、巖層移動(dòng)、覆巖破壞的主要因素。目前在煤礦應(yīng)用較為普遍的方法有長(zhǎng)壁垮落法(longwallcavingmethod)、長(zhǎng)壁充填法(longwallfillingmethod)和煤柱支撐法(pillar-supportedmethod)等。地表沉陷以垮落法影響最大，以充填法影響最小。詳見第十章。

八、時(shí)間過程(timeprocess)的影響在研究覆巖破壞時(shí)，不僅要了解其空間分布的規(guī)律性，而且要了解在時(shí)間上分布的規(guī)律性。對(duì)覆巖破壞時(shí)間過程的了解和分析對(duì)水體下安全采煤及地面建（構(gòu)）筑物的保護(hù)都具有重要的實(shí)際意義。九、地質(zhì)構(gòu)造的影響地質(zhì)構(gòu)造的影響主要指斷裂構(gòu)造的影響，在開采影響區(qū)若有斷裂構(gòu)造帶分布，則影響范圍將比正常要擴(kuò)展至少大1/3以上，但構(gòu)造面傾斜方向與采場(chǎng)推進(jìn)方向相同或相反，則其影響程度不同，主要決定于采動(dòng)對(duì)斷裂活化程度的影響。十、地下水位變動(dòng)的影響若地下水位由于開采而引起大幅度下降，則會(huì)加大地面沉陷的幅度和范圍。主要參考文獻(xiàn)煤炭科學(xué)研究院北京開采研究所.煤礦地表移動(dòng)與覆巖破壞規(guī)律及其應(yīng)用.煤炭工業(yè)出版社,1981.12,136-163鄧喀中.開采沉陷學(xué)中的巖體結(jié)構(gòu)效應(yīng).中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1981.11一、地表移動(dòng)的形式地表移動(dòng)變形和破壞的形式，歸納起來有下列幾種：（一）地表移動(dòng)盆地

在開采影響涉及到地表以后，受采動(dòng)影響的地表從原有的標(biāo)高向下沉降，從而在采空區(qū)上方地表形成一個(gè)比采空區(qū)面積大得多的沉陷區(qū)域，這種地表沉陷區(qū)域稱為地表移動(dòng)盆地，或稱下沉盆地（如圖7-1）。

圖7-1地表下沉盆地主剖面圖

（二）裂縫及臺(tái)階

在地表移動(dòng)盆地的外邊緣區(qū)，地表可能產(chǎn)生裂縫。裂縫的深度和寬度，與有無第四紀(jì)松散層及其厚度、性質(zhì)和變形值大小密切相關(guān)。地表裂縫一般平行于采空區(qū)邊界發(fā)展。當(dāng)采深和采厚的比值較小時(shí)，在推進(jìn)中的工作面前方地表可能發(fā)生平行于工作面的裂縫。但裂縫的寬度和深度都比較小。這種裂縫是隨工作面推進(jìn)先張開而后逐漸閉合。地表裂縫的形狀為楔形，地面的開口大，隨深度的增大而減小，到一定深度尖滅。我國(guó)某煤礦槽探資料表明，裂縫的深度一般不大于5m。但在基巖直接出露地表的情況下，裂縫深度可達(dá)數(shù)十米。當(dāng)采深很小、采厚較大時(shí)，地表裂縫有可能與采空區(qū)相連通。

圖7-2柴里礦301工作面地表裂縫實(shí)測(cè)圖

有時(shí)在采空區(qū)周圍的地表形成環(huán)形破壞塹溝，如圖7-2所示。

在急傾斜煤層條件下，地表可能出現(xiàn)裂縫群或臺(tái)階，如圖7-3所示。

圖7-3開采急傾斜煤層時(shí)地表移動(dòng)特征

（三）塌陷坑塌陷坑多出現(xiàn)在急傾斜煤層開采條件下。但在淺部緩傾斜或傾斜煤層開采，地表有非連續(xù)性破壞時(shí)，也可能出現(xiàn)漏斗狀塌陷坑。

圖7-4鶴崗富力礦淺部開采地表漏斗狀塌陷坑示意圖二、描述地表移動(dòng)和變形的指標(biāo)

描述地表點(diǎn)移動(dòng)和變形的指標(biāo)是：下沉、傾斜、曲率、水平移動(dòng)、水平變形、扭曲和剪切變形（或稱剪應(yīng)變）。目前，對(duì)于前五種指標(biāo)的規(guī)律研究得比較充分，而對(duì)扭曲和剪應(yīng)變的研究和使用尚不廣泛。

（一）下沉地表點(diǎn)的沉降叫下沉（W）。以本次與首次測(cè)得的點(diǎn)的標(biāo)高差表示，即：W=h1-hj=Δh，mm（7－1）式中h1和hj是第1次和第j次測(cè)得的點(diǎn)的標(biāo)高，mm。

（二）傾斜地表下沉盆地沿某一方向的坡度叫傾斜（i），也叫斜率（圖7—5）。其平均值以兩點(diǎn)間下沉差ΔW除以點(diǎn)間距l(xiāng)0表示，即：

,mm/m（7－2）

圖7－5地表傾斜、曲率、水平移動(dòng)、水平變形計(jì)算示意圖

（三）曲率

下沉盆地剖面線的彎曲度叫曲率（K）。其平均值以相鄰兩線段傾斜差Δi除以兩線段中點(diǎn)的間距表示，即：

,mm/m2

（7－3）

（四）水平移動(dòng)地表下沉盆地點(diǎn)沿某一水平方向的位移叫水平移動(dòng)（u），以本次與首次測(cè)得的從該點(diǎn)至控制點(diǎn)的水平距離差Δ來表示，即：

U=Δl=l0-ljmm（7－4）式中l(wèi)j、l0—第j次和首次測(cè)得的該點(diǎn)與控制點(diǎn)的水平距離，mm。

（五）水平變形下沉盆地內(nèi)兩點(diǎn)間單位長(zhǎng)度的水平移動(dòng)差叫水平變形（ε）。其平均值以兩點(diǎn)間水平移動(dòng)差Δu除以兩點(diǎn)間距表示，即：

mm/m（7－5）

（六）扭曲

地表下沉盆地內(nèi)兩平行線段傾斜差與其間距之比叫地表的扭曲（s），如圖7-6所示。其平均值用下式表示：

圖7－6地表的扭曲

mm/m2

（7－6）

（七）剪應(yīng)變

地表單元正方形直角的變化叫地表的剪應(yīng)變（γ）（圖7-7）。其平均值以兩個(gè)對(duì)邊長(zhǎng)度變化值的差（UAx-UBX，UAy-UBy）除以其間距l(xiāng)0y

、l0x的和表示，即：

圖7—7地表的剪應(yīng)變

，mm/m（7－7）

第二節(jié)

地表移動(dòng)盆地及其特征

一、地表移動(dòng)盆地的形成地表移動(dòng)盆地是在工作面推進(jìn)過程中逐漸形成的。一般是當(dāng)回采工作面自開切眼開始向前推進(jìn)距離相當(dāng)于（1/4～1/2）H0（H0為平均采深）時(shí)，開采影響即涉及到地表，引起地表下沉。然后隨工作面的繼續(xù)向前推進(jìn)，地表的影響范圍不斷擴(kuò)大，下沉值不斷增加，在地表就形成了一個(gè)比采空區(qū)面積大得多的下沉盆地。圖7-8地表移動(dòng)盆地的形成過程1、2、3、4—工作面的位W1、W2、W3、W4—相應(yīng)工作面的移動(dòng)盆地W04-----最終的靜態(tài)移動(dòng)盆地

圖7-8展示了地表移動(dòng)盆地隨工作面推進(jìn)而形成的過程。當(dāng)工作面由開切眼推進(jìn)到位置1時(shí)，在地表形成一個(gè)小盆地w1。工作面繼續(xù)推進(jìn)到位置2時(shí)，在移動(dòng)盆地w1的范圍內(nèi)，地表繼續(xù)下沉，同時(shí)在工作面前方原來尚未移動(dòng)地區(qū)的地表點(diǎn)，先后進(jìn)入移動(dòng)，從而使移動(dòng)盆地w1擴(kuò)大而形成移動(dòng)盆地w2。隨著工作面的推進(jìn)相繼形成地表移動(dòng)盆地w3、w4。這種移動(dòng)盆地是在工作面推進(jìn)過程中形成的，故稱動(dòng)態(tài)移動(dòng)盆地。工作面回采結(jié)束后，地表移動(dòng)不會(huì)立即停止，移動(dòng)盆地的邊界還將繼續(xù)向工作面方向擴(kuò)展，移動(dòng)首先在開切眼一側(cè)穩(wěn)定，而后在停采線一側(cè)逐漸形成最終的移動(dòng)盆地w04。通常所說的地表移動(dòng)盆地就是指最終形成的移動(dòng)盆地，又稱為靜態(tài)移動(dòng)盆地。在工作面推進(jìn)過程中，如圖7-9所示的工作面停在1、2、3、4的位置上，待地表穩(wěn)定后，其對(duì)應(yīng)的每一個(gè)位置都會(huì)有一個(gè)靜態(tài)的移動(dòng)盆地w01、w02、w03、w04。在地表移動(dòng)動(dòng)態(tài)發(fā)展過程中，開采工作面后方的地表點(diǎn)仍在繼續(xù)移動(dòng)，但其移動(dòng)的劇烈程度隨工作面的遠(yuǎn)離而逐漸減弱，直至穩(wěn)定，一般最先進(jìn)入移動(dòng)的點(diǎn)，也最先達(dá)到穩(wěn)定。

圖7-9動(dòng)態(tài)和靜態(tài)移動(dòng)盆地示意圖二、充分采動(dòng)和非充分采動(dòng)（一）充分采動(dòng)通常把地表移動(dòng)盆地內(nèi)只有一個(gè)點(diǎn)的下沉值達(dá)到最大下沉值的采動(dòng)情況，稱為剛達(dá)到充分采動(dòng)，此時(shí)的開采稱為臨界開采，地表移動(dòng)盆地呈碗形（如圖7-10a）地表有多個(gè)點(diǎn)的下沉值達(dá)到最大下沉值的采動(dòng)情況，稱為超充分采動(dòng)，此時(shí)的開采為超臨界開采，地表移動(dòng)盆地呈盤形（見圖7-10b和圖7-11）。

（a）(b)圖7-10充分采動(dòng)時(shí)地表移動(dòng)盆地示意圖

a—?jiǎng)傔_(dá)到充分采動(dòng)時(shí)的地表移動(dòng)盆地；b—超充分采動(dòng)時(shí)的地表移動(dòng)盆地圖7-11水平煤層超充分采動(dòng)時(shí)的地表移動(dòng)盆地示意圖在超充分采動(dòng)時(shí)，靜態(tài)地表移動(dòng)盆地將出現(xiàn)平底部分，在平底范圍內(nèi)，各處的下沉值相等，其它的移動(dòng)和變形值近似為零。假設(shè)開采工作面從某處已采到無限遠(yuǎn)處，而在其正交方向?yàn)槌浞植蓜?dòng)的一種理想化開采狀態(tài)，則稱其為半無限開采。

（二）非充分采動(dòng)采空區(qū)尺寸（長(zhǎng)度和寬度）小于該地質(zhì)采礦條件下的臨界開采尺寸時(shí)，地表任意點(diǎn)的下沉均未達(dá)到該地質(zhì)采礦條件下應(yīng)有的最大下沉值，這種采動(dòng)為非充分采動(dòng)，此時(shí)地表移動(dòng)盆地為碗形，或稱其為有限開采（見圖7-12、13、14）。工作面沿一個(gè)方向（走向或傾向）達(dá)到臨界開采尺寸，而另一個(gè)方向未達(dá)到臨界開采尺寸的情況，也屬于非充分采動(dòng)，此時(shí)的地表移動(dòng)盆地為槽形（圖7-15）。

圖7-12水平煤層非充分采動(dòng)時(shí)的地表移動(dòng)盆地示意圖圖7-13傾斜煤層非充分采動(dòng)時(shí)的地表移動(dòng)盆地示意圖圖7-14急傾斜煤層開采時(shí)的地表移動(dòng)盆地示意圖圖7-15槽形盆地示意圖三、地表移動(dòng)盆地的特征

水平煤層開采時(shí)地表達(dá)到充分采動(dòng)的地表移動(dòng)盆地有下列特征：（1）地表移動(dòng)盆地位于采空區(qū)的正上方。盆地的中心（最大下沉點(diǎn)所在的位置）和采空區(qū)中心是一致的。盆地的平底部分位于采空區(qū)中部的正上方。（2）地表移動(dòng)盆地的形狀與采空區(qū)對(duì)稱。如果采空區(qū)的形狀為矩形，則移動(dòng)盆地的平面形狀為橢圓形。（3）移動(dòng)盆地內(nèi)外邊緣區(qū)的分界點(diǎn)，大致位于采空區(qū)邊界的正上方或略有偏離。在水平煤層開采條件下，非充分采動(dòng)和剛達(dá)到充分采動(dòng)的地表移動(dòng)的特征，和超充分采動(dòng)的移動(dòng)盆地特征相似，所不同的是移動(dòng)盆地內(nèi)不出現(xiàn)最大下沉值相等的平底區(qū)域，只有一個(gè)最大下沉點(diǎn)，而且最大下沉點(diǎn)位于采空區(qū)中心的正上方。

傾斜煤層開采、地表未達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)，地表移動(dòng)盆地有下列特征：

（1）在傾斜方向上，移動(dòng)盆地中心（最大下沉點(diǎn)處）偏向采空區(qū)的下山方向，和采空區(qū)中心不重合。（2）移動(dòng)盆地與采空區(qū)的相對(duì)位置，在走向方向上對(duì)稱于傾斜中心線，而在傾斜方向上不對(duì)稱，煤層傾角越大，這種不對(duì)稱性越明顯。（3）移動(dòng)盆地的上山方向較陡，移動(dòng)范圍較?。幌律椒较蜉^緩，移動(dòng)范圍較大。

傾斜煤層充分采動(dòng)時(shí)，移動(dòng)盆地出現(xiàn)平底，充分采動(dòng)區(qū)內(nèi)的移動(dòng)和變形特點(diǎn)與水平煤層充分采動(dòng)區(qū)內(nèi)相似。

急