矿山地质环境基本知识(1).doc

矿山环境学 第一节 矿山地面沉陷、坍陷 （一）岩层移动的有关概念 煤层采出后，采空区周围原有的应力平衡状态受到破坏，引起应力的重新分布，从而引起岩层的变形、破坏与移动，并由下向上发展至地表引起地表的移动，这一过程和现象称为岩层移动，又称为开采沉陷。 有关研究提供了图2132所示的岩层移动边界图象。这种图形认为，在断裂面上任意一点C所处的应力状态均为极限状态，即如图2133所示的状态。滑移面即为岩层移动的边界。由煤层开采后形成的采空区大多数为长方形，而关键层的破坏因长方形的角效应影响而呈椭圆形，因而岩层与地表移动盆地均为椭圆形，且比采空区面积要大，该剖面图明确表示出采空区顶边界34地面变形和岩层移动侧向边界12，与采空区三带（冒落、裂隙、弯曲）分布联系在一起，即形成采空区顶板移动完整的概念模型。 图2132 岩层移动图象 1滑移面；2断裂面；3拉伸变形；4压缩变形；α断裂角；β滑移角 下面以地表移动为例，介绍几个有关岩层移动的基本概念。 1．充分采动与非充分采动 当采空区尺寸（长度和宽度）相当大时，地表最大下沉值达到该地质条件下应有的最大值，此时的采动称为充分采动。此后采空区尺寸再继续扩大时，地表的影响范围相应扩大，但地表最大下沉值不再增加，地表移动盆地将出现平底“盘状”。将刚达到充分采动状态的采空区尺寸称为临界开采尺寸。如果采空区尺寸小于临界开 图2133 采尺寸，称为非充分采动。此时，下沉盆地呈尖底“碗状”。随着开采尺寸增加，地表下沉值还将继续增大。 2．移动与变形 岩层与地表移动会导致其产生沿竖直方向和水平方向的位移，前者称为下沉（W）。后者称为水平移动（u）。由图2134可见，由于地表相形分为倾斜、曲率、邻点的下沉和水平移动量是不相等的，这表明点与点之间有相对的移动，从而引起地表变形。地表变水平变形（拉伸和压缩），它们分别由下沉和水平移动导出。 （1）倾斜变形（i）。这是指相邻点在竖直方向的相对移动与两相邻点间水平距离的比值。它反映盆地沿某一方向的坡度。在图2134中以3、4点为例，示于图135中。 i3-4＝ （mm/m） 倾斜变形会使地表移动盆地内的建筑物歪斜，特别是对底面积小而高度很大的建筑物影响较严重。 图2134 图2135 （2）曲率变形（K）。这是指相邻线段的倾斜差与两线段中点间的水平距离的比值。它反映观测线断面上的弯曲程度。曲率有正、负之分，下沉曲线上凸为正，下凹为负。下沉曲线的凹凸分界点称为拐点。 k＝ （mm/m2） 曲率又常以曲率半径ρ表示，即 p＝1/k 曲率变形引起建筑物上附加应力增大，一般是随曲率半径减小，建筑物长度增大，建筑 物产生的破坏也加大。 （3）水平变形（ε）。这是指两相邻点的水平移动差值与两点间水平距离的比值。它反映相邻两点间单位长度的拉伸（正）或压缩（负）值。 ε3-4＝ （mm/m） 水平变形是引起建筑物破坏的重要因素。特别是砖木结构的建筑物，抗拉伸变形的能力 很小，所以它在受到拉伸变形后，往往先在建筑物的薄弱部位（如门窗上方）出现裂缝。 ３.岩层移动角 地表下沉边界（常以10 mm点划定）和采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为岩层移动角。当有表土层存在时，应从地表移动边界用松散层移动角φ划线和基岩与表土层交接面相交，以交点至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为岩层移动角。根据不同断面，移动角分为走向移动角δ；下山移动角β；上山移动角γ。各岩层移动角含义参见图2136。掌握具体条件下岩层移动角参数，对岩层移动范围的预测和各种保护煤柱（如工厂保护煤柱、井下巷道岩移保护煤柱）的合理留设具有重要的意义。 图2136 岩层移动角示意图 （二）岩层移动的基本规律 1．采场覆岩移动破坏的分带 大量的观测表明，采用全部垮落法管理采空区情况下，根据采空区覆岩移动破坏程度可以分为“三带”，即垮落带、裂缝带和弯曲带（或整体移动带），如图2137（a）所示。图2137为不同覆岩条件下，覆岩破坏高度的实测结果。 图2-137 实际测得的不同类型覆岩开采后的破坏情况 1垮落带；2裂缝带 a覆岩为软岩层；b覆岩为中硬岩层；c覆岩为坚硬岩层 （1）垮落带。破断后的岩块呈不规则垮落，排列也极不整齐，松散系数比较大，一般可达1.3～1.5。但经重新压实后，碎胀系数可降到1.03左右。此区域与所开采的煤层相毗连，很多情况下是由于直接顶岩层冒落后形成的。 （2）裂缝带。岩层破断后，岩块仍然排列整齐的区域即为裂缝带。它位于冒落带之上，由于排列比较整齐，因此碎胀系数较小。关键层破断块体有可能形成图2137（c）所示的“砌体梁”结构。垮落带与裂缝带合称“两带”，又称为“导水裂缝带”，意指上覆岩层含水层位于“两带”范围内，将会导致岩体水通过岩体破断裂缝流入采空区和采煤工作面。“两带”高度和岩性及煤层采高有关，覆岩岩性越坚硬，“两带”高度越大。一般情况下，对于软弱岩层，其“两带”高度为采高的9～12倍，中硬岩层为12～18倍，坚硬岩层为18～28倍。准确地确定“两带”高度，对解决水体下采煤问题及下解放层开采瓦斯突出煤层有特别重要的意义。 （3）弯曲带。自裂缝带顶界到地表的所有岩层称为弯曲带。弯曲带内岩层移动的显著特点是，岩层移动过程的连续和整体性，即裂缝带顶界以上至地表的岩层移动是成层地、整体性地发生的，在垂直剖面上，其上下各部分的下沉差值很小。若存在厚硬的关键层，则可能在弯曲带内出现离层区。 （三）关键层运动队岩层移动的影响 图2141为岩层移动过程的实验结果。其中，曲线1为距煤层30 m的一层关键层距开眼90 m处下沉量和下沉速度与工作面相对位置的关系曲线。曲线2为该层关键层上方82 m处对应点下沉量和下沉速度与工作面相对位置的关系曲线。由图2141可见，关键层与其上方82 m处岩层几乎同步运动，采过测点105 m之前，关键层与上覆82 m处岩层下沉速度都较小；采过测点105 m后，关键层破断急剧下沉，并导致其上覆82 m岩层同步下沉。 实验与实测证明，岩层移动由下向上成组运动，岩层移动的动态过程受控于覆岩关键层的破断运动。当第一为亚关键层（老顶岩层）时，它所控制的上覆岩层组与之同步破断运动，如此往上发展直至覆岩主关键层。主关键层的破断导致上覆所有岩层直至地表的同步破断下沉。 关键层理论的进一步研究还表明，覆岩层关键层不仅对地表动态下沉过程起控制作用，还对地表移动曲线特性产生影响，地表下沉是关键层与表土层耦合作用的结果。一方面，关键层破断块度越大，其对地表下沉曲线特征的影响越显著，相应地表下沉曲线的非正态分布特征越显著。另一方面，表土层起着消化关键层非均匀下沉的作用，表土层越薄，地表下沉的非均匀、非正态特征越显著，反之亦然。当关键层破断块度较小或表土层厚度足够大时，关键层对地表下沉的影响已很小。因此，对于表土层较薄或覆岩中有很厚、很硬的关键层（即其破断块度很大）的条件，地表下沉的预计必须考虑表土层与关键层的耦合关系，充分考虑关键层破断对地表下沉曲线特征的影响。 （四）岩层移动中的离层与裂隙分布 煤层开采后将引起上覆岩层的移动与破断，从而在覆岩中形成采动裂隙。覆岩采动裂隙场分布与水体下采煤、卸压瓦斯抽放及覆岩离层区充填减沉等工程问题密切相关。 煤层开采后在上覆岩层中形成两类裂隙一类为离层裂隙，是随岩层下沉在层与层之间出现的沿层面裂隙，它使煤层产生膨胀变形而使瓦斯卸压，并使卸压瓦斯沿离层裂隙涌出，它沟通了上、下岩层间瓦斯及水的通道。 基于关键层理论，采用理论分析、物理与数值模拟实验、实测及图像分析等方法对岩层移动中的裂隙分布规律进行深入研究，其主要成果归纳如下 （1）关键层运动对离层及裂隙的产生、发展与时空分布起控制作用。覆岩离层主要出现在关键层下。 （2）沿工作面推进方向，关键层下离层动态分布呈现两阶段发展规律关键层初次破断前，随着工作面推进，离层量不断增大，最大离层位于采空区中部。关键层初次破断后，关键层在采空区中部趋于压实，而在采空区两侧仍各自保持一个离层区。工作面侧的离层区是随着工作面开采而不断前移的，其最大宽度及高度仅为关键层初次破断前的1／3左右（见图2142、图2143）。从平面看，在采空区四周存在图2144所示的一沿层面横向连通的离层发育区，称之为采动裂隙“O”形圈。关键层下的离层量可由“砌体梁”位移拟合方程来计算。 （3）沿顶板高度方向，随工作面推进离层呈跳跃式由下往上发展。首先，第Ⅰ亚关键层下出现离层，当其破断后其下离层呈“O”形圈分布；此时，上部第Ⅱ亚关键层下出现离层，当其破断后其下层呈“O”形圈分布；如此发展直到主关键层。 图2142、图2143、图2144 （4）贯通的竖向裂隙是水与瓦斯涌入工作面的通道，故也称其为“导水、导气”裂隙。“导水、导气”裂隙仅在覆岩一定高度范围内发育，其最大发育高度与采高和岩性有关。对“导气”裂隙发育动态过程的研究表明，在开采初期，下位关键层的破断运动对“导气”裂隙从下向上发展的动态过程起控制作用，“导气”裂隙高度由下向上发展是非均速的，随关键层的破断而突变。当采空区面积达一定值后，“导气”裂隙的分布也同样呈“O”形圈特征，它是正常回采期间邻近层卸压瓦斯流向采空区的主要通道。 上述研究成果对指导覆岩离层注浆减沉与卸压瓦斯抽放具有重要意义。 第四节 矿山坍陷研究 CP煤田中急倾斜浅部厚煤层开采及山区内中生代（JK）倾斜巨厚煤层开采地面常形成坍陷坑、大型山体裂缝及坍陷盆地，厚煤层条带式开采，地面形成条带状坍陷带。 无充填开采金属矿床，由于采空区冒顶及裂隙带发育到地面则形成坍陷坑及坍陷盆地。矿山地面沉陷地与坍陷盆地形成机理方面有相同之处也有不同之处，但从危害性来看则存在极大差别和不同之处。再从地质环境恢复和重建方面亦有更大差别。 采空区内岩层移动及控制技术方面，本章1-2节已作过论述，本节重点介绍，采空区坍陷特点及危害性。 1．金属矿山坍陷特点 （1）地面坍陷规模及分布与采空区分布规模相关，且大于采空区分布面积，地面坍陷分布方向与开采矿体走向相一致，坍陷规模与矿层厚度、宽度相关。矿体产状及埋深决定地面坍陷坑展体及规模。 （2）地面坍陷程度，决定围岩岩性、构造及结构面特征，不稳定结构面是控制地面坍陷展布方向和规模。 （3）采矿方法对地面坍陷影响最重要，“空场法开采”与“留防坍矿柱开采”和“充填开采”对采空区岩层移动起着直接控制作用。 2．硬岩与急倾斜煤层开采地面坍陷特点 （1）地面坍陷带沿煤层走向分布，坍陷带宽度与可采煤层总厚有关； （2）坍陷深度与采深相关； （3）坍陷角与采空区面积和顶板岩层、岩性、产状有关； （4）急倾斜厚煤层开采，煤层顶板和底板都发生坍陷，地面以坍洞、坍陷坑、坍陷带、高地形竖硬覆岩区地面形成宽大地面裂缝带，宽达数米以上，个别达十来米以上。 （四）矿山坍陷例案简述 案例1河北邯邢铁矿西石门铁矿 该矿分布河北邯邢铁矿田西部，武安县西石门村，由岩体托底，四处受岩体包围矽卡岩型铁矿，NE、NW及NE方向有进口与矿区外围地下水相联系，近封闭岩溶水块段，地面处于低山丘陵区，马会河通过矿区中部，铁矿储量达1亿吨。顶板岩层为中奥陶厚层灰岩。 由于该矿，主要矿体分布矿区北部、中部和南部，各级矿体埋藏深度（顶板）不同，矿体厚度不同，造成北、中、南3个坍陷区7个坍陷坑。全区已形成地面塌陷的范围面积见表2116。 表2116 主要地面塌陷灾害综合数据统计表 矿山分段 编号 面积（㎡） 深度（m） 体积（m3） 北矿区 1 40 750 20～40（30） 1 222 500 2 12 750 5～10（8） 102 000 中矿 3 65 500 40～60（50） 3 275 000 南矿区 4 50 500 30～40（35） 1 767 500 5 7 250 8～12（10） 72 500 6 2 000 5～10（8） 16 000 7 2 250 6～8（7） 15 750 合计 181 000 6 471 250 与塌陷伴生的地裂缝。在前述北、中、南3个地面塌陷灾害区的外围，都有不规则的环状潜在的塌陷区。这里发育着形形色色的地裂缝。但是它们分布、形态具有一定的规律。 （1）靠近塌陷区外沿的地裂缝，不仅规模（长、宽、深）大，而且密度高。最严重地段宽不过5m的范围，竟可见3～4条宽10～50cm的地裂缝，深度也很大。 （2）地裂缝的走向呈缓变的弧形，与地面中心塌陷坑的外缘大致平行而且随着远离塌陷坑的距离，地裂缝的密度减小。一般5～10m之内可看到一条，而且长度、宽度不大。 （3）地裂缝的具体形态，大致分两种，一种是张力的作用，形成开放型地裂缝。一般在地表看到的是不规则的折线形式延展。宽度可以达0.5m～1.0m，深度较大，肉眼看不到裂缝底端。另一种受张力与下滑力的双重作用，形成小断层式的梯级地裂缝，该类地裂缝在南区西南部较为典型，宽度0.3m～0.5m不等。 全区已形成的地裂缝发育区的面积和规模（见表2117） 表2117 地裂缝灾害综合数据统计表 矿区分段 编号 面积（㎡） 宽度（m） 长度（m） 北矿区 （一） 417 500 0.3～1.0 100～200 中矿区 （二） 330 250 0.5～1.0 50～100 南矿区 （三） 372 750 0.～10 200～300 合计 1 120 500 案例2南阳市大河铜矿地面坍陷 1．自然地理 （1）地理位置 大河铜矿位于南阳市桐柏县城北西约28km的大河镇刘山岩村，地理坐标为东经113842“～11320，北纬323104“～323220“，桐柏安棚公路从矿区穿过（图2158）。 （2）气象 大河铜矿一带属亚热带季风型大陆性半湿润气候，兼有亚热带和暖温带气候的一般特征。气候特征为四季分明，温暖湿润；春季风水充沛，春暖咋寒；夏季炎热，易涝易旱；秋季雨水适中，凉爽宜人；冬季少雨多晴，严寒期较短。据桐柏县气象站资料，多年平均气温14.9℃，极端最高气温41.1℃（1959．8．23），极端最低气温-20.3℃（1969．1.31）；多年平均降水量1 158mm，年最大降水量1 636.5mm（1956），年最小降水量628.9mm（1966）。一昼夜最大降水量267.6mm，7、8、9三个月降水量555.8mm，占全年降水量的48％。多年平均7月降水量213.8mm，占全年降水量的18.5％。治理工程施工期宜避开夏季多雨期，选择在春季和冬秋季最为有利。 （3）水文 刘山岩河为长江水系，自北而南流经矿区，汇入二郎山水库。矿区以上汇流面积1.89km2。该河为一常年性河流，基流量小于0.1m3／s，遇暴雨时，流量陡涨陡落，达16～18m3／s，因河床比降较大，泄流快，一般数小时数天后流量就渐趋于正常。 （4）地貌 大河铜矿地处丘陵区（图2159），根据地貌的成因形态类型，可以划分为剥蚀丘陵和河谷坡洪积平原两种类型。 图2159 剥蚀丘陵最高海拔325.7m，最低海拔210m，相对高差115.7m。山顶呈馒头状，山坡坡度15 ～35，在下刘山岩一带河谷东侧山坡由于采石形成227m和253m两级平台，西侧由于废石堆放形成246m一级平台。矿山生产区、办公区、生活区主要位于3lO高地南侧山坡。 河谷坡洪积平原主要为刘山岩河谷，河谷呈“U”状，宽25～50m，河槽宽5～15m，河谷局部发育宽lO～30m的阶地，被开垦为耕地。最低侵蚀基准面位于二郎山水库，标高180m左右。 2．矿山地质条件 大河铜矿位于秦岭东西向复杂构造带的东段南支，桐柏-商城大断裂的北西端。地层属华北地层豫西分区桐柏小区。出露及揭露的地层主要有下元古界寒武系中统刘山岩组、新生界第四系上更新统坡洪积层、全新统冲洪积层及人工堆积层（图2160）。简述如下 图2160 下古生界寒武系上统刘山岩组矿区山体的主要组成岩体，广布于矿区，为一套变质火山岩系。岩性以变质凝灰岩、石英角斑千糜岩、细碧岩为主，倾向NNE，倾角81，节理不发育。 新生界第四系上更新统坡洪积层分布于刘山岩河河谷两侧，构成刘山岩河谷一级阶地，岩性为亚砂土、亚粘土、泥质砂砾石，被开垦成耕地，为山区居民的主要口粮田。 新生界第四系全新统冲洪积层分布于刘山岩河河谷，岩性为砂砾石、砂、亚砂土。 人工堆积物分布于桐安公路路旁、246m平台、岗冲北沟、黑风沟等地。其中桐安公路路旁和246m平台处为修路、平整场地废渣，颗粒较大，大小混杂。岗冲北沟和黑风沟为大河铜矿的尾矿库，主要为尾矿浆经缓慢沉积的细小颗粒。 大河铜矿矿区构造表现为一倾向北北东的一系列北西西走向断层及北西、北东向两组斜交断层所构成宽大的挤压破碎带，破碎带宽达150m，自北而南，形成9～10号、8号和12号3个大致平行的浸染型铜锌矿化带，矿脉走向与区域构造走向一致，矿脉最长1 000m，最短650m，其中8号矿脉长810m，宽l～8.8m；12号矿脉长1 000m，宽1～20.1m，二者均为埋藏型矿体。9、10矿脉分别长642m、960m，宽0.2～8.8m、O.5～11.70m，二者近地表富矿部分被前人采空，前人最大采空深度已达最低侵蚀基准面以下20 m，一般开采深度10～35m，加上建矿初期180m、220m两个采用留矿法开采留下的采空区，大河铜矿现采空区体积达20余万m3。采空区的存在为矿区地面塌陷的发生创造了基础条件。 根据中国地震动参数区划图GBl83062001，大河铜矿一带地震动峰值加速度为0.05，相应地震基本烈度处于Ⅵ度区。 矿区地下水类型为单一的基岩裂隙水，单井出水量0.65 m3/h。区域上裂隙水无统一连续的地下水水面，平面上及剖面上均无水力联系或水力联系微弱。 老窿水主要分布在刘山岩河两侧的1l～22勘探线之间，9～10号矿脉矿石富集地段，最低深35m。标高195～198m为古采空区，现代采空区与古采空区局部透位，致使古采空区物质流失为矿区地面塌陷的主要诱因。 矿区矿脉项板岩性为绿泥片岩，底板为细碧岩，岩层陡直，裂隙发育，沿矿脉巷道边壁跨塌及冒顶时有发生，岩层稳定性较差。 3．矿山主要环境问题 经过30余年的开采，矿山开采对矿区的地质环境造成了一定的破坏，目前，大河铜矿存在的环境地质问题主要为采空区地面塌陷、尾矿库坝坡失稳、矿区生态环境破坏等。 （1）地面塌陷 大河铜矿地面塌陷初见于1997年，高发于2001年。塌陷区西起银洞岭，向东越刘山岩河，止于299.51高地西侧，塌陷区总长480m，宽10～15m。塌陷坑、塌陷裂缝主要沿L9、Ll0矿脉呈东西向条带状展布，各塌陷坑、塌陷裂缝特征见表2118。 L9矿脉于16线东西尖灭，分成东西两段，沿L9矿脉塌陷坑分布于16线以西及18线以东区域，其中16线以西发育7个塌陷坑，呈不规则椭圆状，单个塌陷坑最大长轴长20m，短轴长10m，深10m。位于矿炸药库南侧塌陷坑2001年发生后即被填平，2002年5月在原址再次发生塌陷，塌陷坑底可见古采巷道，宽约1.5 m。18线以东发育4个塌陷坑，最大长轴东西向长18.0m，南北向宽10m。 Ll0矿脉位于L9矿脉南侧7～30m，连续分布于整个塌陷区。沿此脉刘山岩河以西山坡上发育有1个塌陷坑和l条长约40m的塌陷裂缝；以东山坡上发育有3个塌陷坑，最大长轴东西向长10.0m，南北向宽10m。 表2118 塌陷坑、塌陷裂缝特征表 编号 位 置 长（m） 宽（m） 深（m） 备 注 1 N32336.9“ E1131846.4“ 18 7.0 3.0 发生于2001年4月 2 1号东10m 8.7 7.0 3.0 发生于2001年4月 3 1号南8m 24.0 10.0 5.0 4号塌陷坑在3号塌陷坑东1m处 4 5 公路东侧 2001年4月发生，已填 6 N32337.3“ E1131849.0“ 10.0 10.0 6.0 发生于1997年 7 N32336.5“ E1131849.8“ 10.0 1.0 4.0 发生于1997年 8 7号西15m 3.0 3.0 1.5 发生于1997年 9 N32336.9“ E1131840.0“ 南北两侧裂缝明显 10 9号西18m 两个合为一体，已填 11 10号西5m 10.0 10.0 10.0 2001年发生已填，2002年又发生塌陷 12 N32338.5“ E1131838.3“ 3.0 2.0 3.0 2001年发生已填，2002年又发生塌陷 13 12号南2m 5.0 2.5 5.0 14 N32338.8“ E1131837.3“ 9.0 5.0 4.0 15 14号西1m 14.0 6.0 10.0 16 15号西北侧 20.0 6.0 10.0 大河铜矿塌陷坑、塌陷裂缝初发生于1997年，以后每年均有发生、发展，其直接原因为地下有古采老窿和180m、220m中端采用留矿法开采留下的20余万m3的采空区，埋深较浅。诱发原因为大河铜矿处于末期生产，东平巷竖井在180m、220m中端柱采、残采，致使现代采空区与古采老窿局部透位，古采老窿内物质流失，破坏了岩体原有的力学平衡，上伏岩层失去支撑，在重力作用下向下陷落而发生地面塌陷。地面塌陷对塌陷区及附近下刘山岩村约80人的生命财产、20余亩坡耕地、桐-安公路的安全构成威胁，特别是1618线间有刘山岩河横穿塌陷区，塌陷一旦扩展到该地段，刘山岩河河水将顺塌陷坑直接灌入生产巷道，对矿山井下120余人及8 00O余万元的固定资产构成严重威胁，同时将造成整个矿区生产陷入瘫痪，给本已处在困难中的矿山增加负担，雪上加霜，造成矿山职工思想的不稳定，由此造成的社会及经济损失巨大。 矿山地面坍陷危害①坍陷矿是洪水溃入矿井的通道，但因坍陷矿多为山坡处对矿生产威协只是局部，暂时影响；②坍陷带常影响交通，村庄安全；③坍陷矿是地表极不稳定地带，对乡镇建筑业发展影响较大。 第六节 采空区岩层移动控制技术 岩层移动控制技术可分为3类①留设煤柱控制岩层移动；②充填法控制岩层移动；③调整开采工艺及参数控制岩层移动，如限厚开采、协调开采、上行开采等。下面着重就①与②进行介绍。 （一）留煤柱控制岩层移动 1．部分开采 部分开采包括条带开采和房柱式开采。 条带开采法是沿煤层的走向或倾向，将开采区划分为若干个宽度相等或不相等的条带，开采一条，保留一条，利用留下的条带煤柱支撑顶板，以达到减小地表沉陷的目的。条带开采法按其条带长轴的方向，可划分为走向条带开采和倾向条带开采见图2180。 图2-180 条画开采的类型 a走向条带；b倾向条带； a保留条带宽度；b采出条带宽度 条带开采成功的关键在于合理设计条带采宽ｂ与留宽ａ，确保覆岩主关键层和留设煤柱的稳定性。 ２．留设保护煤柱 有时采用留设保护煤柱的方法来避免开采后岩层移动影响地面重要建构筑物，使得井下开采后岩层移动影响边界达不到地面要保护的建构筑物。保护煤柱留设主要根据具体矿井条件下，岩层移动角参数来进行设计。 水体下采煤必须在煤层与水体之间留设一定高度的起隔水作用的煤层和岩层，通称为防水煤岩柱。留设防水煤岩柱的目的，是不允许导水断裂带波及到水体。 （二）充填法控制岩层移动 １．采空区充填 充填法开采就是用充填材料来充填已采空间，这相当于减小了煤层开采厚度，从而减少采空区上覆岩层的变形与破坏。按照充填材料和输送方式的不同，可将矿山充填分为以下3种类型 （1）水力充填 以水为输送介质，利用自然压头和泵压，从制备站沿管道或与管道相连的钻孔，将河砂等水力充填材料输送到采空区。充填时，使充填体脱水，并将水排出。砂浆在管道中流动的阻力，靠砂浆柱自然压头或砂浆泵产生管道输送压力去克服。选择输送管道直径时，需要先按充填能力、砂浆浓度和最大粒径算出砂浆的临界流速和水力坡度等。 我国是世界上使用水力充填最早的国家之一。札赉诺尔1901年、抚顺矿区1912年即采用水力充填开采特厚煤层。1925年，抚顺矿使用了开采特厚煤层的“V”型长壁上行充填采煤法。20世纪50年代初期，阜新、辽源等矿区又应用了走向长壁上行充填采煤法。新汶等矿区使用水力充填处理采空区，成功地解决了河下采煤问题。 （2）干式充填 采用人力、重力、机械式风力等方式将砂石等干式充填材料运送到待充填采空区，形成可压缩的松散充填体。 风力充填技术是在20世纪初开始用于煤矿生产的。目前，俄、英、法、波等国，特别是德国广泛应用风力充填技术。风力充填除具有一般充填方法所共有的减少地表下沉、有利于巷道维护、改善井下通风条件等优点外，还可有效地处理矿井和选煤厂的矸石，以及减少矸石山的占地面积和引起的污染。 与水力充填相比，风力充填的特点是①系统简单，灵活方便，适应性强。它可以在相当广泛的地质条件下用于不同的采煤方法，既可以全部充填，也可局部充填，尤其适用于缺水或近水平煤层根本无法进行水力充填的地区。②无排水、清煤泥等困难工序，简化了巷道系统。③易于实行采充平行作业，保证工作面高产高效。④可以利用洗煤厂尾矿矸石。 风力充填存在的主要问题是①要增设一整套独立的充填系统，设备多、投资大、技术复杂，管理工作量大，增加了成本。在德国，充填费用大致占商品煤生产费用的10％～15％左右。②充填密实程度不如水力充填，沉缩率偏大，地表下沉仍很显著。③充填时工作环境粉尘大，管路磨损严重。 （3）胶结充填 将采集和加工的细砂等充填材料掺入适量的胶凝材料如水泥，加水混合搅拌制备成胶结充填料浆，沿钻孔、管道向采空区输送，充填材料胶结后形成具有一定强度和完整性的充填体。胶结充填技术经历了低浓度胶结充填、高浓度胶结充填、膏体充填的发展阶段。膏体泵送充填的特点是料浆浓度大，其重量浓度可达75％～85％，呈牙膏状，充填到采空区后不泌水，改善了井下作业环境。 从理论上来说，充填采矿是实现煤矿“绿色开采”的理想途径，但由于目前充填采矿的成本相对偏高，限制了该项技术在煤矿的试验与应用。 2．覆岩离层区充填 覆岩离层区充填减沉的基本原理是利用岩移过程中覆岩内形成的离层空洞，从钻孔向离层空洞充填外来材料来支撑覆岩，从而减缓覆岩移动往地表的传播。覆岩离层区充填与采空区充填的不同在于其充填区不在采空区而在上部岩层，充填工作不会干扰井下工作面的生产。前苏联在20世纪70年代末至80年代初进行了离层区充填减缓地表下沉的现场试验。波兰学者曾就离层区充填减缓地表下沉的减沉效果做过研究。自80年代后期抚顺矿务局在我国首次采用离层区充填减缓地表下沉的试验取得成功之后，此项技术引起了我国从事开采沉陷及“三下”采煤的专家和工程技术人员的重视，先后在大屯徐庄煤矿、新汶华丰煤矿、兖州东滩煤矿等进行了离层区充填减缓地表沉降现场试验。 关键层理论对此项技术的基本认识可归纳如下 （1）关键层理论研究认为确定具体矿井覆岩中的关键层位置，掌握其下沉破断及离层特征参数，是离层区充填减沉技术应用可行性分析、钻孔布置设计及减沉效果评价的基础。 （2）离层区充填减沉技术是有其适用条件的，要取得好的注浆减沉效果，覆岩中必须存在典型的关键层，并能形成较长的离层区。当覆岩中无典型关键层或关键层间复合破断时，覆岩离层不发育，离层注浆减沉技术是不适用的。此外，如果覆岩的主关键层因邻近开采煤层而处于裂隙带内或冒落带内，则此种采矿地质也不适于采用离层区充填减沉技术。 （3）合理布置注浆钻孔是离层区充填减沉技术成功应用的关键技术之一。钻孔位置及最佳的注浆减沉效果可以保证关键层始终不发生初次破断。长壁开采覆岩内离层主要出现在关键层下，注浆钻孔的注浆层位应选择在关键层下，主关键层下部将是离层区充填的最佳层位。而亚关键层下部也能形成较为明显的离层区，在其下部注浆既能起到保护主关键层的作用，又能起到地表减沉的效果。有关关键层初次破断前后离层分布规律是指导注浆钻孔布置的依据。 （4）注浆工艺的优化是离层区充填减沉技术成功应用的另一关键技术。该技术主要包括注浆材料选择、合理注浆压力、注浆孔孔径与单孔最大注浆能力的选择等。好的注浆材料应既保证其流动性又有一定的支承能力。目前的注浆材料中水的比重过大，随着煤层的不断开采和时间的推移，注浆材料中的水将流动和析出，不能对关键层进行有效的支承。研制新的注浆材料将是离层区充填减沉技术进一步发展的重点。 为了防止或尽可能减轻开采煤炭对环境和其他资源的不良影响，取得最佳的经济效益和社会效益。“绿色开采技术”包括水资源保护、土地与建筑物保护、瓦斯抽放、减少矸石排放和地下气化技术，关键层理论是“绿色开采技术”的理论基础。本章提出关键层的概念，关键层的主要牲和关键层位置的判别方法。在分析上覆岩层移动基本规律的基础上，突出分析研究关键层运动对岩层移动的影响及关键层运动引起上覆岩层的离层和形成的裂隙分布状态同时应用关键层理论分析采场底板破坏形式，论述了采场底板破坏与突水机理。最后详细介绍留设矿柱控制岩层移动技术和充填法控制岩层移动技术。 第四节 矿山边坡稳定性评价 工程边坡稳定性评价，在水电工程、铁道工程、矿山露天开采工程中得以迅速发展。稳定性评价为边坡的整治提供科学的依据。评价的基本方法分为定性评价与定量评价两种。将经常应用或引起有关研究者广泛研究和关注内地岩体稳定性评价方法列于表2124。 表2124 目前常用边坡稳定分析方法一览表 1．定量分析方法 极限平衡分析法 常规方法 动态分析方法 应力应变分析方法 有限单元法 散体元法 概率分析法 快速拉格朗日分析法 不连续变形分析法 遗传进化算法 人工神经网络评价法 2．定性分析方法 范例推理评价法 专家系统 3．系统理论分析方法 模糊综合评价法 可靠度评价方法 灰色系统评价法 4．图解分析法 向量图解法 赤平投影及实体比例投影法 图表分析法 （一）定性评价方法 定性评价主要是通过综合考虑各种影响边坡稳定性的因素，并根据变形的时间效应规律，判断边坡的稳定状况和发展趋势。这一方法已为国内外工程地质人员所熟悉和广泛采用。定性评价按照所依据的资料不同又可分历史分析法与工程地质类比法两种。历史分析法就是对边坡发育史进行分析，从它的形成历史来判断现在的稳定状况和预测未来的变化。工程地质类比法是在分析了影响边坡稳定的诸因素基础上，类比条件相类似的其它边坡，来评价本边坡的稳定状况和预测其发展趋势。 （二）定量评价方法 定量评价是在定性分析基础上，通过数值计算或图解方法赋予边坡稳定性以量的概念。 目前定量评价方法中使用最广泛的仍是极限平衡分析法。图解法也较大量使用，近代发展的随机评价方法和系统工程分析法、优势面法和神经网络评价法也受到普遍的关注。岩体边坡稳定性动态数字化量化分析方法，是综合地应用了地质力学和岩体工程地质力学规律和实体比例投影方法，将传统的对边坡稳定评价的极限平衡理论发展为优势结构体理论动态地评价边坡稳定性的方法。仅就比较常用的岩体边坡稳定性定量概述如下 1．极限平衡法 传统的极限平衡分析法已在国内外广泛的使用。这一方法的基本假定是把岩体视为刚性体，本身不产生变形，但可传递应力。因此，只研究滑动面的受力大小而不必研究滑体内部的应力状态，此外除将边界条件大大简化外，一般将三向课题简化为平面课题，遵循库伦定律判别准则。 最简单的直线滑动时可直接算出Kc值外，通常采用试算法进行试算。最常用的方法是分块推力传递法（或等K值法），由于这一方法是在一个假定状态下求出的Kc值及相应的剪切面反力和某些内力，不能求出失稳前真实的反力和内力，所以仍是一种近似的解。 极限平衡分析法是通过计算出的Kc值来评价边坡的稳定性。Kc一般被定义为“沿某一滑面上所能提供的抗滑（剪）力与沿该面上实际下滑力之比值”。Kc＞l，意味着边坡稳定；Kc＜1，则可能失稳；而Kc＝1，说明边坡稳定性已处于极限状态。因此，Kc值只是一个具有物理意义的系数；稳定性的判断是以边坡的破坏强度为依据，并不反映出不同工程对边坡稳定性的不同要求。 尽管极限平衡分析法存在上述问题，但只要透彻了解它的基本原理，谨慎选用参数和计算公式，仍能提供较合理的解答。因此，对于大多数的稳定性分析，它仍是我国不同的工程部门目前在有关规范上广泛采用评价方法。 2．应力应变分析法 平衡分析法刚体的假定在多数情况下与实际并不相符。此外所有的滑动面都是连贯的面，边坡的破坏更非单一的滑动，在一些情况下以渐进破坏的形式出现，对于蠕动、渐进破坏弯曲倾倒和弯曲溃曲的变形破坏形式，以计算机快速计算为手段的应力应变方法，从结构分析被引进于边坡稳定性分析，已取得了较好的效果。 应力应变分析使用最广的是有限元法有限元法。有限元法的基本原理是将一个连续体散化，变换成为有限数量的、大小不同的单元体集合单元体之间通过结点来连接和制约，且共同承受外部荷载与内力，然后就每个结点建立平衡方程，并变换为以结点位移为未知数与结点力的关系方程，求出结点位移并根据位移计算单元应力。最后，根据各单元的已知力学强度参数进行强度判别，从而评价边坡岩体的稳定性。 应当指出，有限元计算成果是否符合边坡的客观实际，取决于对岩体基本性质的深入了解，和对于各种地质因素的科学简化，以及各项参数的合理选取。不少计算实例表明，参数取值不同，边坡岩体的剪损区或塑性区的范围和分布有较大的差异，所取边界的不合理也能造成应力的畸变，单元体尺寸不合适也可造成应力的突变的假象。此外，如何反映岩体非线性力学性质以及软弱夹层，采空煤层、断裂、层面等的模拟还值得深入研究。 离散元分析也是应力应变分析方法之一，但发展晚于有限元计算，最早是由Cundail于1971年提出。这一方法是一种动态分析，较之有限元法