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“三下一上”采煤理论技术“三下一上”采煤理论技术 1.“三下一上”采煤技术现状“三下一上”采煤技术现状 建筑物下、铁路下、水体下、承压水体上开采，简称“三下一上”开采。 据目前不完全统计，我国国有骨干大中型矿井“三下”压煤量达到 140 亿 吨以上，其中建筑物下压煤占整个“三下”压煤量的 60以上，水体下（包括 承压废岩水上）压煤占 28左右，铁路下压煤占 12左右，然而，到目前为止， 我国仅从“三下”采出的煤炭约有 10 亿吨，只占整个“三个”压煤量的 7左 右。 随着一些大中型煤矿开采时间的增长及其地表乡镇企业和农村住宅的建设 和扩展，目前，已有很大一部分矿井已无较为正规完整的采区可供开采，造成 很多矿井有储量而无法大规模开采的局面。而有些矿井强行开采（不管对地表 的影响） ，有些矿井因采掘接替协调顺序不对进行开采，引起对地表设施的大 量或不该有的损坏，造成巨大的经济损失和紧张的工农关系，严重影响了煤矿 企业的生产和经济效益。 从目前调查的结果得出，几乎所有的井下开采的煤炭大中型企业，都面临 着大量的“三下”压煤问题， 这些“三下”压煤量占目前矿井储量的 1015， 个别的甚至更多。因此，如何逐步开采“三下”压煤，或如何规划矿井的采掘 接替顺序，把对地表的影响控制在最低限度；或者如何搭配开采“三下”压煤， 有计划地控制逐年的采动损害赔偿；或者以经济效益为第一要素采用一些特殊 的开采方法,在不影响地表建（构）筑物的前提下部分开采出一些“三下”压 煤量。 这些都是目前煤炭企业已经面临而必须研究解决的问题。 1．1 建筑物下采煤 1．1 建筑物下采煤 建筑物下开采是指那些不适合搬迁的城镇、工厂、居民区、村庄等所压矿 层的开采， 其中包括井筒矿柱的回收。 做到即采出资源， 又要保护地面建筑物。 采取的措施主要是在井下开采时采取一些不同于普通的开采方法，以减少地面 移动与变形，另外对地面的建筑物或构筑物采取加固与维修的方法，使其所受 的采动影响和破坏程度在其本身允许的范围之内。这在国内外都取得了诸多成 1 功的经验。 波兰，从 1950 年起开始进行建筑物下采煤试验，到 1980 年，已从各种煤 柱中采出近 7000 万 t 左右，占产量的 40％一 42％。 前苏联目前在建筑物下采煤的产量每年达 5000 万 t 以上，取得了丰富经 验、编制了 30 多个煤矿和金属矿保护建筑物免受采矿有害影响的保护规程及 指南。 英国在建筑物下开采只对井筒和绞车房留保安煤柱，其它一律不留保安煤 柱进行开采。 德国对城市和建筑物下采煤研究最早，从 1902 年就开始用水沙充填法回 采重要建筑物下的保安煤柱。例如埃森采了九个煤层总厚达 10.2m。 法国和保加利亚分别用水沙充填和风力充填在建筑物下进行开采。 日本用房柱式进行建筑物下及大型公路桥厂的开采。 我国建筑物压煤的问题比较普通。如山东的肥城、河北的唐山、河南的密 县、安徽的随溪、东北的本溪、徐州的贾汪，湖南的韶山等都压着大量的煤炭 资源 c 目前全田已有近百个矿井， 数百个工作面进行了建筑物下的开采。 鹤壁、 本溪、抚顺、枣庄、东庞、冷水江、利民、里兰、东罗、红茂等局矿部在各种 建筑物下进行了成功的开采。如抚顺胜利矿用充填条带法在石油一厂下开采厂 厚达 16．6m 的煤层，东北欧河矿用陷落条带法在城镇下开采，资江在一俱乐 部下开采、利民矿在村庄下、里兰在合山市下开采等。 1．2 铁路下采煤 1．2 铁路下采煤 铁路下开采系指铁路干线与支线下所压煤层的开采，矿区专用线下开采已 不存在问题，故不包括在内。过去对铁路的保护也是采用留设矿柱的方法，目 前对铁路矿柱的开采已取得了足够的经验。如波兰在卡托维茨通往沃波雷省的 干线和具托姆车站下进行了开采、 采厚达20m， 车站普遍下沉了3m， 最多达3.7m； 前苏联的顿巴斯煤团内就有 5 条铁路，压煤达 368 亿 t，从 l 9611964 年间 已采铁路煤柱 1320 万 t；德国的鲁尔煤田有一半以上的铁路线受开采影响，鲁 尔煤田在铁路下开采已有几十年的历史； 印度苏丹迪矿用水砂充填方法于 1971 一 l 975 午 12 月首次升采 ADRAGOMOH 铁路干线煤柱，煤厚为 7.5m；日本于 19661967 年在北海道地区清水泽煤矿的铁路干线和铁路桥下采煤，煤厚 2.4m、采后地表最大下沉速度达 8mm／月．用限速方法获得成功。 我国矿区专用线下开采，在技术上已完全过关，所以铁路下开采不包括专 2 用线下开采；支线下开采效果良好，如焦李、三万、薛枣、娄邓等；干线下开 采的不多。在鸡西麻山、滴道两矿的林口密山干线下开采获得成功、本溪 局在沈阳丹东的干线下试采。还有枣庄局在邹坞车站下，阜新局在露天剥 离站下。开滦及平顶山、涟邵在铁路桥下，南桐局在二万线的板塘隧道下开采 都取得成功。 1．3 水体下采煤 1．3 水体下采煤 水体下开采包括地面水体下和地下水体下的开采。地面水体包括江河湖 海、水库池塘、沼泽洪区、灌区水田、山沟小溪以及地表沉降区积水等。地下 水体包括表土层的砂层水、顶板灰岩中的岩溶水、砂岩含水层及老窟水等。 水体下开采的实质是如何确定防水和防砂矿柱的高度，此上限到地面的垂 高，就是安全开采深度。 水体下开采主要是防止覆水和泥砂溃人井下，有时还要保护地面水体，如 水库、堤坝等。水体下开采通常用疏干、排放、隔离等措施，使资源尽量采出， 还要减少排水费用。 前苏联已在一些较大河流下来出了干百万吨的煤炭；日本、英国、加拿大 和智利等国家海下开采经验丰富。 我国在淮河下、微山湖下、资江河漫滩下来煤也取得了不少的经验。 1．4 承压水体上采煤 1．4 承压水体上采煤 承压水体上开采指可采矿层以下的承压水体上的矿层开采，即受基盘岩溶 水威胁矿层的安全开采。 我国华北太行山以东石炭二迭系地层的基盘，就是含有丰富岩溶水的奥陶 系石灰岩。如山东的淄博、肥城、河北的井烃、湖南的恩口、斗笠山、广西合 山等矿都存在受基盘岩溶水威胁的煤层开发问题。底板突水是承压水体上矿层 升采的主要威胁。如何解决底板突水与井下开采的安全问题是承压水体上开采 的主要任务。 我国在井陉、 峰峰、 王凤等局矿成功地进行了承压水体上的开采； 匈牙利受底板承压水的威胁也很严重．因此积累的经验较多。 2． “三下一上”采煤的特点 2． “三下一上”采煤的特点 2．1 与一般开采方法的区别 2．1 与一般开采方法的区别 2．．1．．1.具有特殊的技术要求具有特殊的技术要求 “三下一上”开采即要采出资源，又要保护地面建筑物和构筑物如水坝、 3 铁路等，同时还要防止上覆水体和下伏水体溃入，保证生产安全，出而在技 术上有特殊的要求。 2．1．2 研究岩层范围大 即研究上覆岩层受采动影响后的移动变形特性，又要研究下伏岩层的移动 变形规律。 上覆岩层可以直达地表， 下伏岩层在采动后所波及的范围即可达 80m 以远的距离。 2．2 综合性边缘学科 2．2 综合性边缘学科 矿床“三下一上”开采是一门综合性的边缘学科，发展很快，它综合了水 文地质、构造地质、矿山测量、矿山压力、岩体力学、土木建筑、开采方法以 及岩体探测技术等学科的内容，形成自身的一套理论体系。 2．3 “三下一上”采煤理论技术的研究过程 2．3 “三下一上”采煤理论技术的研究过程 上世纪 30 年代，在一些采矿业较先进的国家已把岩层与地表移动作为一 项科学研究工作。从本世纪 50 年代起，岩层与地表移动的研究工作获得了蓬 勃的发展。如前西德的勃劳聂尔、克拉茨、聂姆茨 克、克因赫尔斯特，前苏 联的阿维尔申、卡札柯夫斯基、阿基莫夫、柯尔宾阔夫、波兰的布得雷克、克 诺特、李特维尼申、柯赫曼斯基、沙乌斯托维奇、科瓦尔契克、什佩特科夫斯 基、胡戴克、杨齐赫等学者经过各自的研究，先后建立了一系列描述岩层与 地表移动的理论模型和公式，并提出了一系列计算岩层与地表移动的方法。有 了岩层与地表移动预计方法，就可以预计一定条件下开采引起的岩层与地表的 移动变形值，因而就可能估计出房屋、铁路、水体等由于地下开采而受损害的 程度。为此，人们可以事先采取防护措施，避免灾难性的破坏。 我国岩层移动研究工作是新中国成立后开始的。淮南和开滦矿区在 50 年 代初期建立了地表移动观测站，开始了我国岩层移动科学研究的观测。50 年代 后期，我国各主要矿区，开滦、抚顺、阜新、峰峰、淮南、大同、鹤岗、新汶、 阳泉、 本溪等先后制定了开展地表移动观测的规划， 并建立了一批观测站。 经 过多年的现场观测和理论研究，完善和发展了岩移理论和计算方法，提出了适 合我国岩层与地表移动的计算方法和公式。 著名学者刘天泉、 刘宝琛、 廖国华、 周国铨等，对我国的岩层与地表移动理论研究及其在生产实践中的应用做出了 巨大的贡献。 岩层与地表移动最初的研究工作是从现场实地观测开始的。通过大量的现 4 场仪器观测，寻求岩层与地表移动各主要参数与地质采矿因素的关系，从而可 以建立各种类型的地表移动盆地剖面数学表达式，根据这些数学表达式，创立 多种地表移动与变形预计方法。 随着科学技术的发展，野外仪器观测手段发展也较快。目前激光技术应用 于野外测量，提高了精度和工效，提高了反映地表变形的真实性。自动记录仪 器的出现，使测量地表移动的全过程和预报工作成为可能。现场观测为认识岩 层与地表移动规律提供了大量的数据。许多科学结论都是在分析大量现场实测 资料基础上得出来的。 在认识和探索岩层与地表移动规律时，往往需要多次反复试验单个因素的 影响，这在现场条件下是难以实现的。于是，室内实验被提到日程上来。1937 1939 年前苏联巴塔诺夫、库兹聂佐夫进行了相似材料模型试验，为发展相似 模拟试验方法打下了基础。利用这一研究方法可以从定性方向得到与实际符合 的结果。目前， 、俄罗斯、波兰、德国、中国、英国、印度等国都在应用相似 模型试验方法来研究岩层与地表移动的问题。 采用现场实地观测研究岩移问题，是目前较为广泛采用的方法。该方法比 较真实可靠，但研究周期长，研究费用高。实验室研究周期短，但该方法仅对 研究宏观的和定性的岩移问题或单因素对岩移的影响较为可靠。由此，岩层与 地表移动的理论研究得到了迅速发展。理论研究的优点是速度快，比较严密， 可以定量。理论研究基本上是从两个途径连续介质力学和随机介质理论开 展的。 前苏联的阿维尔申、波兰的沙乌斯托维奇、胡戴克、印度的库玛尔等人把 上覆岩层看作连续介质，应用弹塑性理论认为下沉盆地剖面类似于梁或板的弯 曲。这种理论能够解释岩层移动的力学现象，但由于受采动岩体的力学参数难 以精确确定，故向定量的实用阶段发展仍然缓慢。近年来，随着有限元边界元 等数值计算方法的广泛应用和计算机运算能力的提高，使弹塑性理论用于计算 岩层与地表移动和变形的研究取得了突破性进展，逐步进入定量的实用阶段。 随机介质理论是波兰的李特维尼申教授 1956 年提出的。他把岩石移动过 程看作是一个随机过程，并用概率理论证明岩石下沉场可用随机过程的柯尔莫 哥洛夫方程式表示。该理论能够解释岩层与地表移动的一些现象和规律，所以 5 很快地应用于生产实践。我国的刘宝琛、廖国华等学者对该理论做出了大量的 研究工作，完善和发展了这一理论，并提高了它的实用性。 由于矿山岩体结构十分复杂，矿体产状变化也较大，所以目前还没有一种 完整的理论能解决生产实际问题。各国岩移研究工作者和现场工程技术人员， 在岩层与地表移动研究过程中，将现场实测、实验室实验、理论研究三者相结 合，使得岩层与地表移动的理论研究和应用于生产实践都取得了巨大的成果。 随着岩层与地表移动规律研究的深入，岩层与地表移动预计方法不断完 善，在矿山生产实践中岩层与地表移动理论应用的深度与广度不断扩大。昔日 用留设保护矿柱的方法保护地面建筑物的情况已大有改观，并代之以采用开采 防护措施和建筑结构措施来开采建筑物下、铁路下、水体下所压的矿体。波兰 采用井上下综合保护的措施已大面积地在城镇下、水体下、铁路站线下等进行 了成功地开采。目前波兰全国煤炭产量的 42是从“三下”开采出来的。 我国幅员辽阔，煤炭埋藏量丰富。但人口较多，村庄较为密集， “三下” 压煤量大。据不完全统计，我国生产矿井“三下”压煤量总计达 140 亿t以上。 我国“三下”采煤开始较晚，起始于 50 年代后期。但其发展迅速。经过我 国 岩移研究工作者和广大的现场技术人员的共同努力，我国各主要矿区，如开 滦 、抚顺、阜新、峰峰、大同、鹤岗、新汶、阳泉、本溪、焦作、鹤壁、平 顶山、郑州、刑台、新峰、安阳、梨园等一百多个煤矿都进行了大量的“三下 一上”采煤（一上为承压水上）工作，每年“三下一上”采煤量在 3000 万t 左右。通过“三下一上”采煤的科学试验与生产实践不仅解放了大量“三下一 上”压煤，而且丰富和发展了“三下一上”采煤的理论和技术。 岩层与地表移动的科学研究工作正处于向纵深发展的阶段，即从研究水平 和缓倾斜煤层的岩层与地表移动规律，发展到研究倾斜和急倾斜煤层；从研究 主剖面的移动和变形分布规律，到研究下沉盆地全面积的移动和变形分布规 律；从研究无地质构造破坏、简单地质采煤条件，到研究有地质构造破坏、复 杂地质采煤条件的移动和变形规律；从研究最终稳定的静态移动和变形，到研 究开采过程中的动态和变形的分布规律等。上述问题，有的已经取得一定的成 果，有的尚待进一步研究与实践。在研究上述诸多方面技术的问题时，现场实 地观测研究仍是首选的必要的研究手段。 可以期望， 随着现场观测技术的提高， 6 “三下一上”采煤和建筑物、井巷保护技术的发展，岩层与地表移动的理论水 平和计算的准确性，必将获得更大的提高。 3．地表移动变形的基本规律．地表移动变形的基本规律 3．．1 岩层移动形式和分带岩层移动形式和分带 有用矿物采出以后，采空区周围岩体失去原来的平衡状态而发生移动，这 类运动极其复杂，视具体条件水同而不同，具有显著的个性与随机性。 一般 来说，矿山岩体作为一种地质体，固体介质，变形初期多呈弹性，其后为非弹 性，有些最终导致破坏。岩体的弹性变形，在开挖后立即完成，其值甚微。在 矿体大量开挖后所出现的大范围和大规模的围岩运动，主要是由岩层的非弹性 变形引起的，这类大规模运动的发展过程遵循一定的模式。 矿体采出后，采空区顶底板和两帮形成了自由的空间，围岩中应力应变重 新分布，产生应力集中，瞬间以弹性变形形式完成。当开采空间跨度足够大， 即使是完整坚硬的顶板，也会因强度超过极限而垮塌、冒落、侧帮压垮、片帮。 实际上，由于大多数岩体都含有各类地质弱面，如断裂、破碎带、层理、节理、 片理等，将岩体切割成为一系列弱联接的嵌合体或各式各样组合体，这种岩体 在围岩应力与自重共同作用下， 当矿体采空， 在紧靠采空区的块体被暴露以后， 临空块体就发生移动，满足失稳的力学和几何条件的块体先行垮落，并将这种 过程传递给相邻后方块体，随之垮落相继发生，顶板岩块的移动逐渐发展，破 裂区逐渐扩大。当然，垮落和相对滑移都是以有自由空间为条件的。当垮落岩 块碎胀，沿弱面滑移一定程度剪胀，当碎胀与剪胀体积之和等于采出空间时， 垮落也发展到相应高度并终止。垮落停止后，因矿体采空而转移到采场周围的 覆岩重力通过压密垮落岩体而恢复平衡。在此过程中，裂缝将继续发展，并随 密压过程止息而逐渐停止下来。因此，对层状或似层状矿体，缓倾条件下的上 覆岩层因下方采动而产生运动从性质上可分为三个带 （1）垮落带 在采空区不充填或只有干式部分充填情况下，顶板岩石一般都将发生垮 落。垮落带高度，对水平煤层通常为采厚的 24 倍。垮落带高度主要决定于顶 板岩体碎胀性、采矿方法与矿层厚度。碎胀系数越小，垮落带高度越大；水砂 充填时，垮落带高度可以受到控制；矿层越薄，垮落带高度越小，如薄煤层垮 7 落带高度通常在 1.7 倍煤层采厚以下。 （2）碎裂带 位于碎裂带之上。它主要由岩层离层和相对滑移而生成的，其厚度大体与 垮落带相当，垮落带与破裂带并无明显分界线，其共同特征在于岩石运动的不 连续性。破裂带高度通常多用钻孔观测站来测定。垮落带、裂隙带高度及发育 情况，在水体下开采时尤为重要。 （3）弯曲带 从裂隙带往上直到地表，将发生大范围移动和变形，但仍保持岩体原始 结构而不破坏，其移动与变形连续、平稳而有规律。这种在自重作用下产生的 弯曲变形区称为弯曲带。当开采深度较大时，弯曲带高度大大地超过垮落带和 破裂带高度之和。此时，破裂带不达到地表，地表变形相对比较缓和。虽然地 表也会因变形超限而产生地表裂缝，然而它们一般不直通地下采空区，在地下 一定深度处。这与垮落带、破裂带直通地表有本质区别。 上述三种岩石移动形式和分带是在开采水平或缓倾斜矿层且当开采深度较 大时岩石移动和分带的基本模式。开采倾斜和急倾斜面煤层、矿层时，除上述 基本移动模式外，还有 （4）岩石沿层理面方向滑移 在岩体倾斜成层条件下，自重方向不与岩层层面垂直，因此，在自重作用 下，岩体除发生垂直于层面方向的弯曲外，还产生沿层理方向的顺层滑移。 岩层倾角越大，顺层滑移也越显著。其结果使采空区上山部分岩石受拉， 8 下山部分受压。在岩石塑性较大情况下，导致上山方向岩层受拉变薄，下 山方向岩层变厚。此类现象在研究相邻煤层群、相邻矿层开采时很有意义。 （5）垮落岩石下滑 煤层采出后，采空区和垮落带为大小岩块所充满。如果矿层倾角较大，继 续下采形成新采空区时，上部老采空区的垮落岩石就可能下滑充填新的采 空区。垮落带岩石下滑之后，其上部破裂带岩石失去支撑而垮落，造成垮 落带和破裂带向上发展。如果岩层倾角很大，上山开采边界距地表又很近， 垮落带就可能向上发展直达地表，上山边界所留护顶矿柱会破碎下滑造成 地表塌陷。 （6）底板岩石隆起 当底板岩石软弱且倾角较大时，在矿体煤层采出后，底板岩石将向空区隆 起。某些遇水膨胀的岩石，在水作用下隆起更为严重，甚至底板会破坏。底板 岩石移动有时能波及地表，在煤层露头以外形成微小的地表下沉。这类地表下 沉一般不大，对地表建筑物的危害有限。 3．3． 2 地表塌陷、破裂与连续变形 2 地表塌陷、破裂与连续变形 由于具体条件的差别，开采引起的地表运动主要有塌陷、破裂及连续变形 三种形式。 （1） 地表塌陷 浅部开采时，由于表层岩石强烈风化，再加上地下水的影响，采空区上方 的浅薄盖层极难长期稳定，垮落带或破裂带直通地表，使地表产生陷破坏。 在采深较大时，垮落带与破裂带累计高度通常不超过煤层采厚的 8 倍。 但浅部开采使地表塌陷的采深将大于一般条件下垮落带与破裂带高度之和。在 波兰煤田，当上覆岩石大部分为页岩时，采深小于 50m，地表出现陷坑；如果 上覆岩石大部分为砂岩，出现塌陷坑采深可达 100m。前苏联常采用采深H与采 厚m之比H/m作为说明地表行为的一般性指标，据统计，用落顶法开采，H/m 小于 20 时，地表常发生剧烈变形。 浅部开采的地表塌陷与井下冒顶密切相关，不仅采煤，而且大型地下空洞， 硐室、工程交叉口、隧道、地下厂房等处的冒顶，也会通达地表造成坍陷。这 们往往突然发生，在几分钟内就在地表形成巨大陷坑，摧毁地面建筑物。 9 应该特别注意老塘塌陷，老塘塌陷造成 损害的教训屡见不鲜。波兰维利奇 卡岩盐矿地表，1960 年 11 月 22 日，在不到 5min 时间内突然塌陷。影响所及 区的房屋受到严重破坏。事后调查表明，该处地表下 70m 处，大约 140 年前曾 采出一个高 22 m、平面尺寸为 3629 平方米的矿块，1966 年，水口山铅锌矿 因疏水导致岩溶区地表大面积坍陷。抚顺矿务局搭连坑，日伪时期曾开采露头 附近煤层，留下不大的护顶柱。后来，煤柱突然垮落，在地表形成很大的陷坑， 使陷坑内的房屋遭到破坏。类似情况在许多煤田都发生过。一般来说，老塘坍 陷是因为支撑空区的顶板逐渐破坏，残煤或煤柱被压碎，地下煤自燃等原因造 成的，其预测及预防较为困难，因此利用老采空区地表进行建筑，尤其是对采 深不大的老采区必须特别注意，需进行可行性研究，研究深部开采、地表建筑 扰动对老塘活化的影响，以免造成新的地表塌陷。 水口山铅锌矿在采深约 500m 地下，曾用巷道及钻孔对矿床进行疏干，1966 年 5 月开始，4 个月内排水 340 万吨左右，7 月开始矿区连续发生小型地震。 方圆 70 余平方公里内民房普遍受影响，烈度为 5 度，矿体上盘几公里范围内 地表先后出现近百个大小不等的陷坑。它们大多突然形成，这种坍陷是由于排 水使上覆地层部分或全部失去水的浮托作用而造成的，后来停止了排水，异常 现象也就平息下来。广东凡口铅锌矿也曾遇到过类似排水坍陷问题，同样与石 灰岩溶洞有关。 （2） 地表破裂 在表破裂是地表变形常见的一种形式。除了极浅开采以外，地表裂缝一般 是不直通采区，这们往往在表土中发育，往下缝宽变小而消失，这种裂缝通常 是地表表层变形集中、拉伸变形超限的结果，也可能与断层破碎带有关。大量 现场实测资料证实，地表破裂与该处拉伸变形值、地表岩怕及地貌相关联，本 溪采屯煤矿五采区地表，开裂时地表拉伸变形变动在5.77.0mm/m，前苏联 顿巴斯煤田68mm/m，德国资料为 5.412.2mm/m。 采深越小，采厚越大，则采区周围煤体上方地表所承受的拉伸变形越大。 规则的采区形状，使拉伸变形等值线围绕采区规则化分布，因此，采煤地表裂 缝通常平行于开采边界，往往有 14 条主缝，互成平行，往地下向着采空区延 深，随着开采工作面推进，裂缝也逐渐向前发展，当岩层节理十分发育时，裂 10 缝带常平行于某一组或与开采界线交角为最小的一组节理方向。 随着开采深度增加，地表破裂情况逐渐减少。但在个别的地方地表还不时 可见到裂缝，个别情况下还会出现大型有规律断裂。这往往在特定地质与开采 条件下出现。 断层破碎带是集中地表变形、造成地表破裂的部位。如果有贯穿整个煤系 地层的断层或构造破碎带，而采煤工作又是集中于断层的一侧进行的，则采煤 引起的岩石移动可能以断层为界分为两个部分，即大规模移动将以断层为边界 集中于开采的一侧， 另一侧。 相对稳定。 于是在断层的露头部位造成大量差异， 在地表上形成对建筑物威胁性很大的地坎。构造破坏越严重，断层规模越大， 断层两侧岩体整体性越好，则形成地坎可能性越大，地坎的落差不仅取决于断 层本身的断距，还决定于采煤厚度和断层两侧矿体开采引起的地表下沉速度 差。最大落差不会超过该处地表最大下沉值Wmax。由此可见，断层有集中地表变 形的效应，而跨于地坎上的建筑物会遭到严重破坏，在断层露头两侧的建筑物 所受的开采损害常常并不严重。 采深较大时，地表破裂比较少见，但特厚倾斜煤层和急倾斜煤层的开采较 为特殊，抚顺煤田就是这种情况。以该区老虎台煤矿 39 采区的开采影响为例， 该采区在上边界采深 356m，下边界深 410m，煤厚 46m，倾角度 48，采区走 向长 305m ，V形工作面开采，水砂（油页岩废碴）充填法开采。采出一半左 右的煤层厚度以后，在下山方向最大倾斜点附近，地表发生裂缝。当时测得此 处的地表平均拉伸变形为 6．05mm/m 。在以后的开采过程中，裂缝发展为一条 宽 45m、深 1．2m 的壕沟，沟的走向平行于开采下边界，延伸 600m 左右。尽 管沟的规模很大， 但裂缝宽度随深度逐渐减小而消失， 并不与井下开采相联系。 虽然地表破坏剧烈，但它们是由于煤层过厚造成地表表层变形过大所引起的， 不属于顶板坍穿地表的情况。由于下山一侧地表受着拉伸和相对上凸弯曲联合 作用，因此裂缝不断加宽加大，直到开采结束第九个月才逐渐稳定下来，老虎 台煤矿东西两侧的龙凤煤矿和胜利煤矿情况也类似。跨于裂缝上的房屋遭到严 重破坏。 （3）地表连续变形 当开采深度超过 100150 m，或者H/m20 以 后，开采影响下的地表移动 11 和变形在性质上发生了显著变化。杂乱无章的坍陷消失了，地表移动和变形在 时间和空间上都具有明显连续的特征。部分地段可能破裂，但这并不改变运动 宏观连续的特征。 应该着重说明，尽管这种变形是连续的，但绝不意味着这种变形对地表建 筑物无害。为了研究这种人们感官不能察觉的地表运动，需要建立专门的观测 系统，借助仪器，对地表运动进行测量，以提供地表运动的时间空间过程的系 统、定量原始资料。观测系统通常由一条或几条观测线组成。沿观测线每隔一 定距离埋设观测点，借助量测这些点的下沉和沿测线及垂直测线方向的位移来 掌握地表的运动规律。按量测结果，沿测线作剖面图，并用放大的比例尺在剖 面上标出每次测量所得的各测点的位置，就得到了地表点的运动轨迹。此轨迹 在图上得到相应的地表剖面下沉曲线，亦可称为下沉盆地。如果所用的是最终 下沉数据，就得到了最终下沉盆地剖面。同样，可类似得到水平移动曲线。分 别用W（x ） 及 V （x ） 来表示。 经过相应数学处理， 可得相应地表倾斜T（ x ） 、 地表曲率K（ x ）及水平变形ε（X） 。研究开采影响下的地表移动规律，在很 大程度上是研究地表下沉、 水平移动及其相应变形的时间 空间分布规律。 12 13 3．3 充分采动与非充分采动 3．3 充分采动与非充分采动 （1） 盆地主断面 形状不规则的开采和复杂情况开采所引起的地表移动，其空间分布和时 间过程十分复杂。但煤层的埋藏一般比较有规律，倾角和厚度变化较小，煤层 的开采又都遵循一定的顺序进行，井田划分为盘区或阶段，盘区和阶段再划分 为采区，逐步自上而下进行煤田的开采。多数工作面都是直线型的长工作面， 采区的边界通常都为大体规则的长方形状。这就相对简化了地表移动和变形的 时空过程。 地表移动和变形，本质上是一个时间一三维空间问题，图 716 是一个 地表平面图，表示某一长方形开采引起的地表变形。水平煤层，岩层稳定并无 大型构造破坏，地表变形连续，这是一种根据实际资料理想化了的情况。图中 虚线表示地表等下沉线，箭头表示点移动矢量的平面投影。由图可见，地表移 动范围远远超过了采空区的范围。地表的等下沉线是一组大致平行于开采边界 的线族。下沉值在采空区中心上方地表下沉最大，向四周逐渐减小，到开采边 界上方减小比较迅速，更远处下沉更小并趋近于零，地表水平移动大致指向 14 采空区中心，在采空区中心上方，地表最终的水平移动值几乎为零，该点的下 沉值最大，开采边界上方地表水平移动量也最大，向边缘逐渐减小到零。地表 等水平移动线也是大致平行于开采边界的曲线族。 由于等下沉及等水平移动线平行于开采边界，最大下沉和水平移动零点都 在采区中央。因此，通过开采中心且垂直于开采边界的剖面将是岩石移动的对 称面，我们称为盆地主断面。在盆地主断面上，水平移动将发生的断面之内， 垂直变形和水平变形都将取其极限。从开采损害角度看，这是最危险的剖面， 因此，在多数情况下，只要研究主断面上的地表变形，就能对开采影响有一个 基本概念。这样，就能把问题化为一个平面问题，从而获得很大的简化。这种 简化在压煤开采的可行性研究中很有价值，它将使我们不受繁琐计算的约束把 主要精力放在方案研究上。到了详细设计阶段，对于每一个重要的建筑物需要 个别分析。 15 由于主断面上地表的下沉和变形发育最为充分，因此地表移动观测站最好 布置在主断面上。这样就有可能充分掌握地表运动的情况，减少支距测量的工 作量，提高分析精度。 （2） 充分采动和非充分采动 观测证明，小面积的煤层采空后并不会引起大规模的地表移动。只有当采 空区的最小宽度达到某一极限值以后，地表才会大规模下沉。例如，在前苏联 卡拉岗达煤田，初次采动时开采宽度大于深度的二分之一，地表发生显著的下 沉。第二次采动使地表大量下沉的极限开采宽度为三分之一开采深度。 当开采宽度大于上述极限值后，地表就产生明显的下沉和移动。此时，下 沉盆地呈碗形，盆地中央地表产生压缩变形，四周为拉伸变形。如果仅增加开 采的长度，则盆地由碗形过渡到槽形。此时，沿开采长轴，地表产生出一线下 沉均匀、下沉量相对值最大的槽底。就主断面而言，上述两种情况的下沉和变 形分布是一致的，仅仅数值不同而已。如果进而增加开采宽度，虽然盆地仍为 槽形，在盆地中央部分压缩变形减小， Wmax Wmax/2 Wmax/2 充 分 采 动 区 拐 点 偏 移 距拐 点 偏 移 距 S S S S 充 分采动区拐点偏移 距拐点偏移 距 Wmax Wmax/2Wmax/2 Wmax Wmax/2 Wmax/2 充分采动区 拐点偏移距拐点偏移距 S S SS 拐点偏移距拐点偏移距 Wmax Wmax/2Wmax/2 16 并逐渐分解出两个峰值，两边缘部分的拉伸变形有所增加 。此种情况随开采 宽度的增加继续发展。 当开采宽度增加， 盆地中央地表下沉值达到了最大极限。 这一可能达到的最大下沉值 Wmax 被称为可能的最大下沉值。此时，盆地中央 地表变形也正好消失，而靠近开采边界，压缩变形的峰值绝对值与最大拉伸变 形相等。如果再增加宽度，盆地中央将出现一片平坦的最大下沉带。这一部分 地表既无垂直变形亦无水平变形，槽形盆地发育成为一个平底盆地。此时，地 表变形将集中于开采边界上，而且边界上的地表变形也不再受继续增加开采宽 度的影响。习惯上称与之对应的开采宽度lp为充分采动宽度。当实际开采宽 度为 l与 lp 对比,可以区分两种采动情况 l lp 时，充分采动，对应着完全盆地。 这种方法具有实际意义，因此在进行理论研究时可以区分两种情况。由于 l lp 后，只要研究开采边界上的地表变形就够了，继续增加开采宽度并不明 显影响这一变形，所以供作理论分析的两种标准情况是 （3） 半无限开采 如图所示，认为O点右边的煤层已经采尽。此即相当于研究开采宽度大于 lp 的情形，这种盆地称为半无限盆地。它对应着充分采动时的半边盆地。对 于这种盆地所导出的地表下沉和移动的公式最简单，但它们在实际中却具有广 泛的用途。 （4） 有限开采 17 如图下图，这种情况是研究采动不充分时地表移动与变形规律所必需的， 这时，地表变形与开采宽度l 有关。理论上讲l→∞ 时就得到半无限开采， 实际上只要l→ lp 时，即可认为半无限开采。 4．地表移动变形与采动损害 4．地表移动变形与采动损害 4．1 开采损害的分类 4．1 开采损害的分类 4.1.1 开采损害 开采损害有一种广义理解，是由于采矿工作使地上、地下的建筑物、构筑 物和自然对象受到的影响统称为开采损害。据此，一系列的所谓地压破坏现象 也被包括在开采损害范围之内，如采场及巷道地压、岩爆等等。事实上关于采 场、巷道受力稳定问题及岩爆问题已构成了一些独立问题和研究分支，它们都 属于目前泛称的岩石力学或矿山岩体工程力学的范畴。矿山开采沉陷学也可归 纳其中。由此看来，广义的开采损害是与矿山岩体工程力学相对应。前者强调 现象，后者强调了理论系统。 狭义的开采损害，主要指岩层和地表受开采影响而发生的大量移动和变形 所导致一切有害后果。岩层及地表移动规律，对地表建筑物和自然对象的有害 影响是这一研究的主要内容。至于地下工程，则需要区别两种情况凡在大规 模运动区之内的采场、巷道、硐室所遭到的损害，可划归为开采损害。大规模 运动区之外的采场、巷道、硐室的稳定性研究不属于开采沉陷学所研究内容， 它们的失稳不属于狭义的开采损害。 18 4.1.2 直接开采损害与间接开采损害 开采损害可分为直接与间接两种。位于开采沉陷区，即岩层和地表大量移 动与变形区域内的采动对象所受的损害称为直接采损。在个别情况下，在离开 采沉陷区较远的地方，还能发现开采影响的存在，这种影响往往与开采活动间 接有关，称为间接开采损害或间接开采影响。间接开采损害经常与开采引起的 地下水文地质条件的改变有关。岩爆地震引起的破坏也属间接开采损害。这些 损害并不是注定和每一个开采工作相联系，这们的发生往往与特定的地压条件 有关。 4.2 开采损害表现形式 开采损害表现形式与地表变表的大小和性质、采动对象本身特点有关，具 有下列类型 4.2.1 地面沉陷损害 地表均匀下沉对于一般住宅和厂房并无太大影响。但是过量的地表下沉， 即使是均匀的，在某些特定条件下，会带来严重问题。目前我国每年因采煤引 起的地表塌陷面积至少达 100 平方公里。 比如水患问题。下沉区地下水位可能上升直到超过地表，造成大片内涝区。 法国北方煤田，地表因开采下沉 8m，内涝区需常年排水。 一个地区性泵站所 需的小时排水量即在 9 万m 3，费用为整个处理开采损害费用的 40。如下沉区 附近有河流，当地表下沉低于河床时，河水淹没问题必须考虑。例如在抚顺煤 田的个别地段，如果全面采煤，地表可能会低于浑河河床。 4.2.2 地面倾斜损害 开采引起的不均匀下沉改变了地面原始坡度，造成了地面倾斜。 19 高度大而底面积小的塔式建筑，如烟囱、水塔、高压线路、索道塔架等， 地面倾斜使之偏心，稳定性变差。对于普通楼房，即使不丧失稳定性，过量倾 斜也会使使用条件恶化。 行车及某些大型精密设备在基础歪斜后，必须及时调平，以保证行车安全 和设备正常使用。 铁道线路恢复地面倾斜引起的坡度改变需要填方。巴黎里纳铁路一处因开 采而下沉 10m，要恢复铁路标高需重建一座公路桥。为保持桥的坡度，桥边房 屋将为填土所淹没。铁道站场需保持水平，一旦倾斜就需要填方。填方后其它 有关设施的标高也需要相应调整。但是，当工作面逐渐采近又逐渐离去时，倾 斜将只是暂时的。 地面坡度改变后，下水道体系会受到某些干扰，甚至破坏。灌渠体系情况 也类似。 4.2.3 地表弯曲损害 在煤柱和采空区边界线上方，采动地表弯曲。煤柱上方一侧地表相对上凸， 采空区上方相对下凹。 地表弯曲所致建筑物损害与地基不良时有类似之处，但又不完全相同。区 别在于，采动所致的地基弯曲是独立于上层建筑荷载的自行弯曲，在这样的前 提下，再叠加建筑物自重影响构成弯曲损害。这是一种常见开采损害，与地基 本身力学性质、地表采动变形有关。 一般建筑物在设计时都未赋予充分柔性。野外观测已证实，在采动条件下， 建筑物的单位弯曲总是小于地基的弯曲。地表因有采动而弯曲时，建筑物部分 基础将悬空，而将载荷转移动其余部分。地基相对上凸时，两端部分悬空，载 荷向中央集中。因此在地表相对上凸的正曲率作用区，建筑物上形成倒“八” 字型破裂，在相对下凹的负曲率区，中央部分悬空，载荷向两端集中，此区房 屋常见“八”字型破裂。 20 4.2.4 地面水平变形损害 地面水平变形出现于开采边界上方的地表，煤柱一侧出现拉伸，采空区一 侧出现压缩。 房屋对地表拉伸变形敏感。位于拉伸区的房屋，其基础底面受来自基础的 外向磨擦力，基础侧面受来自地基的外向水平推力的作用。由于一般房屋抵抗 拉伸作用的能力很小，这种不大的拉伸足以使房屋开裂。 采动地表压缩变形对房屋作用通过地基对基础侧面的推力与底面磨擦力 来施加，但作用方向与拉伸时相反。一般砖式建筑物对压缩变形具有较大的抗 力，也就是说，建筑物对压缩作用不如拉伸作用敏感，但当压缩变表过大时， 它们照样可以损害建筑物。 而且， 过量的压缩作用将使建筑物发生挤碎性破坏， 其破坏程度比拉伸破坏更严重。这种破坏往往集中在结构薄弱处发生。例如夹 在两座坚固建筑物之间的附加建筑物可能严重破坏。 地下水管及瓦斯管道对其轴向的地表水平变形敏感。在拉伸作用下，通常 造成管接头漏水漏气，甚至接头脱开。压缩变形可使接头压入而漏损，严重的 可以压坏接头，甚至使管道产生纵向裂缝。 铁路轨道会因拉伸而使接头破坏，因压缩而使轨线弯曲。桥梁的活动支