礦山測量
第十二章、岩層與地表移動
第十二章 岩層與地表移動
第一節 岩層與地表移動概念
一、踩空區上覆岩層分帶
二、地表移動盆地
三、地表移動變形對建築物的影響
第二節 確定移動角的方法
一、實測法確定移動角
第三節 保護煤柱的留設
一、垂直斷麵法
二、垂線法
第四節 測量與“三下”采煤
一、測量技術在“三下”采煤中的應用
二、“三下”采煤時的測量工作
第一節 岩層與地表移動概念
一、踩空區上覆岩層分帶
地下煤炭采出後，破壞了地層內部原有的應力平衡狀態，采空區頂板岩層在重力作用下，向下彎曲下沉，乃至斷裂而充填采空區。當采空區的麵積達到一定範圍時，這種移動和變形便波及到地表，導致地表出現下沉、裂縫甚至塌陷，嚴重威脅著地麵建築物的安全。因此，在建築物下、鐵路下、水體下（簡稱“三下”）采煤時，需要認真研究和掌握岩層與地表移動規律，確保地麵和井下的安全
當采用全部垮落法管理頂板時，頂板岩石破碎、垮落充填采空區。頂板垮落的範圍稱為垮落帶，如圖中Ⅰ所示。垮落帶的高度取決於采出煤層的厚度和岩石的碎脹係數，它通常為采出煤層厚度的3~5倍。垮落帶的碎石塊充滿采空區，使上部岩層不再冒落，而隻出現彎曲、層離、裂縫，這部分通常稱為斷裂帶，如圖中Ⅱ所示。垮落帶和斷裂帶合起來一般稱為導水斷裂帶。導水斷裂帶的高度約為采空區高度的15~25倍，個別礦區也有小於12倍的。岩層移動再向上發展則出現平緩彎曲知直到地表，稱為彎曲帶。如圖中Ⅲ所示。彎曲帶中岩層不再斷裂，而是產生法向彎曲，保持了層狀結構，移動過程連續而有規律。實際上，上述三個帶的界限並不明顯。對於不同采區，可能隻出現其中的兩個帶。
影響岩層與地表移動的因素很多，主要有岩石的物理、力學性質、煤層的傾角，開采厚度及開采深度，采空區的形狀、大小及采煤方法，地表的地形條件以及地質結構、水文地質條件等
圖 “三帶”劃分
二、地表移動盆地
研究岩層與地表移動的主要任務，就是觀測移動盆地的變形規律，確定各種移動參數，以便正確的留設保護煤柱以及研究在“三下”進行采煤的方法和措施。
1·地表移動盆地
當開采的影響到達地表以後，受采動影響的地表從原有標高向下沉降，從而在采空區上方形成一個比采空區麵積大得多的窪地。這種地形稱為地表移動盆地。
移動盆地和采空區的相對位置取決於煤層的傾角。當開采水平煤層時，移動盆地在采空區頂部呈對稱分布，若采空區為長方形時，移動盆地大致為橢圓形；當開采傾斜煤層時，移動盆地向煤層傾斜方向偏移，如圖所示，隻在走向斷麵上，移動盆地在采空區上部呈對稱分布。
圖 移動盆地與主斷麵
2·移動盆地的主斷麵
為了表示移動盆地的特征，通過移動盆地中的最大下沉點，分別作平行於煤層走向和傾向的斷麵，稱為走向主斷麵和傾向主斷麵。主斷麵上既可以反映出移動盆地的最大範圍，又可以反映出地表的最大移動量。為了研究移動盆地的變形規律，可以沿主斷麵設置地表移動觀測站。
傾向主斷麵的位置在采空區的中央。走向主斷麵的位置，可由圖中的θ角來確定，θ角為傾向主斷麵上最大下沉點和采空區中心的連線與水平線的夾角，稱為最大下沉角。
θ角值可以從實際觀測資料中求得，也可以按下列近似公式計算
當α＜45°時， θ=90°-0.5α （1）
當α＞45°時， θ=90°-（0.4~0.2）α （2）
式中，α為煤層傾角。
3·邊界角、移動角和裂縫角
在移動盆地內各點的地表移動和表形值是不相同的。在主斷麵上，可按移動和表形值的大小，將移動盆地劃分為三個邊界，如圖所示。
盆地邊界 A點是盆地內主斷麵上地表下沉為10mm的邊界點，稱為盆地邊界。
危險邊界 B點是盆地內主斷麵上地表移動和變形值對建築物有危險的邊界點，稱為危險邊界。
裂縫邊界 C點是盆地內主斷麵上地表出現裂縫的最外邊界點，稱為裂縫邊界。
在移動盆地的主斷麵上，采空區邊界點和危險邊界點B的連線與水平線在煤柱一側所夾之角，稱為移動角。移動角分為表土層移動角和基石移動角。表土層移動角的大小與煤層傾角無關，用ψ表示。基岩移動角與煤層傾角有關，基岩移動角用δ表示。沿煤層傾斜方向，采空區上邊界的移動角用γ表示，采空區下邊界的移動角用β表示。急傾斜煤層開采之後，地板岩層將向采空區隆起，造成底板岩層的移動。所以，急傾斜煤層頂板移動角用β表示，底板移動角用γ表示。同樣，邊界角用βo、γo（或λo）、δo表示，裂縫角用β″、γ″（或λo）、δ″表示，如圖所示。
圖 邊界角、移動角和裂縫角
三、地表移動變形對建築物的影響
地表移動與變形，將引起建築物基礎及建築物本身產生移動和變形。如圖所示為沿走向主斷麵上的地表下沉曲線。
地麵上α點的移動後位於C點，向αC為總位移，ab水平分量，是ａ點的水平位移，bC為垂直分量，是a點的垂直位移，稱為下沉。由圖可知，各點的水平位移和下沉值都不相同，因此就會使地麵產生各種變形，從而對位於移動盆地內的建築物產生不同程度的破壞作用。
圖 地表下沉曲線
1·地表均勻下沉和均勻水平位移
當地表均勻下沉和均勻水平移動的時候，由於建築物整體隨地表均勻運動，建築物各構件上不產生附加應力，建築物各構件仍保持它原有工作狀態，這對建築物危害不大。隻是由於下沉而呈現出窪地，積水不易排出。
2·地表傾斜
地表的傾斜，可以使建築物歪斜，甚至有倒塌的危險，尤其對於底麵積小而高度大的建築物（如水塔、煙囪、高壓線鐵塔及塔式建（構）築物）危害較大。如圖所示，由於地表傾斜，建築物的中心發生偏移，引起應力重新分布。
圖 地表傾斜
3·地表曲率變形
地表的曲率變形對長度較大的建築物有危害。因為這類房屋在承重結構上，沒有足夠的剛度以抵抗地表變形的力量，也沒有足夠的柔性以適應地表變形。當出現圖a中的情況時，房屋中部懸空，建築物兩端的地表對房屋基礎的反作用力增大，建築物中部因其自重作用而下沉，在底部中央形成裂縫。當出現圖b中的情況時，房屋兩端成懸空狀態，其中央所產生的應力大於原有的應力，如果超過建築物基礎強度的極限值，則會受到破壞，建築物兩端由於懸空而下沉，結果在建築物頂部中間出現裂縫
圖a 地表曲率變形
圖b 地表曲率變形
4·水平變形
水平變形是指地表相鄰兩點水平位移不相等而出現的拉伸和壓縮。拉伸變形會使建築物地基斷裂。壓縮變形會使建築物結構中產生附加應力，從而使建築物遭到破壞。
建築物的破壞程度不僅與地表變形性質有關，而且也決定於變形值的大小，而變形值的大小和礦體的開采深度、開采厚度、頂板管理方法等密切相關。當開采深度較大，開采厚度較薄，頂板管理方法采用充填法時，可減輕對建築物的破壞程度
第二節 確定移動角的方法
地表移動參數是反映地表移動與變形在空間和時間上的特征和大小的係數，是表示地表移動變形規律是主要指標。移動角是地表移動參數的主要內容之一。確定移動角的方法有實測法和類比法兩種。實測法是在采空區上方的地麵上建立地表移動觀測站，測定各點高程與水平距離的變化情況。然後，根據觀測資料進行分析、研究，計算出移動角值。類比法是借用地質條件相類似的礦區所測得的移動參數計算出移動角值
一、實測法確定移動角
（一）地表移動觀測站
在地表出現移動之前，沿移動盆地主斷麵設置若幹測點構成地表觀測站，由這些測點連成的直線，稱為觀測線。觀測線延伸至移動盆地之外，與特設的控製點相連接。如圖所示，沿傾向主斷麵與走向主斷麵設置AB、CD兩條觀測線，R1、R2、R3、R４為設置的控製點，控製點與工作麵測點相距50~100m。觀測點的構造和導線點相同。觀測點之間的距離應盡可能相等，其間距與開采深度有關，見下表。
圖 地表移動觀測站
表 地表觀測站測點間距
建立地表移動觀測站的地點，應盡量滿足以下條件：煤層走向、傾斜及厚度較為穩定；地質條件較為簡單，無大斷層；開采深度為100~300m；僅開采一層煤；四周無采空區，且地麵較為平坦。觀測站設置好後，應定期進行全麵觀測，內容包括：
（1）用水準測量儀測定各點的高程。
（2）用鋼尺（測距儀）測量各點之間的距離。
（3）測量各點偏離測線的距離（即支距測量）
（4）對地表原有破壞狀態（如地麵、建築物的裂縫等）進行丈量素描，必要時應攝影存查。
地表移動去昂過程通常分為初期、活躍期與衰減期三個階段。當采動影響使地表下沉值達10mm時，即進入初期階段，此階段每隔一個月至三個月觀測一次。當開采緩傾斜和傾斜煤層時，每月下沉大於50mm；開采急傾斜煤層時，每月下沉值大於30mm，即進入活躍期。活躍期每半個月至一個月觀測一次，但整個活躍期內的觀測次數不得少於四次。此後，每月下沉值小於50mm時，即進入衰減期，衰減期內每隔一個月至三個月觀測一次。六個月內地表下沉的累計值不超過30mm時，即認為移動終止。
外業測量工作中的有關規定可參照《煤礦測量試行規程》
（二）地表移動的觀測成果
按觀測線計算各工作點的移動與變形值。
（1）下沉值W。
Wn=Hn-Hon （3）
式中 Hn——n號點采動後的高程；
Hon——n號點采動前的高程。
下沉量為正值表示測點下降，負值表示測點上升。
（2）傾斜i。傾斜是指相鄰兩測點的下沉差與測點間距離之比，即
（4）
式中 Wn、Wn+1——地表受采動後n號點和n+1號點的下沉值；
∫n~n+1——n號點到n+1號點的水平距離。
傾斜按其方向不同，有正、負之分，向上山方向的傾斜為正，向下山方向傾斜為負；順走向方向的傾斜為正，逆走向方向的傾斜為負。
（3）曲率K
（5）
曲率也有正負之分，地表呈凸形曲率為正，地表呈凹形曲率為負。
（4）水平移動U。水平移動是指測點到控製點之間的距離變化，即
Un=Ln-Lno （6）
式中 Ln——地表采動後n號點到控製點的水平距離；
Lno——地表采動前n號點到控製點的水平距離。
2·繪製地表移動和變化曲線
根據計算結果，繪製沿觀測線的斷麵圖和各種觀測線上的地表移動和變形曲線。
在斷麵圖上繪製出：地表剖麵、測點位置及編號、衝積層厚度、煤層厚度和傾角、采空區的位置、岩層柱狀以及觀測時的采煤工作麵位置等。
地表移動和變形曲線，繪於斷麵圖的上方，以便比較。其水平比例尺和斷麵比例尺應一致，豎立比例尺可適當擴大，如圖所示
圖 地表移動與變形曲線
3·確定移動角值
移動角δ、β、γ的數值直接從斷麵上用量角器量得。在已繪出的地表移動和變形曲線上，找出對建築物有危險的邊界值（一般采用磚石結構建築物的臨界變形值），即曲線上i=3mm/m,K=0.2×10 ³，ε=2mm/m的三個點中最外邊的一點，投影到斷麵圖上，即得到移動盆地危險的邊界點。該點與采空區邊界的煤層地板連線（表土層很薄時，可不予考慮），在煤柱一側與水平線的夾角，如圖中所示，即為岩層走向移動角δ。同法在沿傾向主斷麵圖上，可求得采空區上邊界移動角γ和下邊界移動角β。
邊界角δo、βo、γo是以下沉量為10mm的點作為移動零點在斷麵圖上來確定
第三節 保護煤柱的留設
為了使地表的建築物、鐵路、水體不受地下開采的影響，可以采取留設保護煤柱的方法。
留設保護煤柱的優點是安全可靠，缺點是部分煤炭資源暫時或長期不能采出，以及因留設煤柱而使采煤工作複雜化等。隻有正確地選用岩層移動參數，才能合理地留設保護煤柱。因為煤柱留得過大，會造成國家資源浪費；煤柱留得過小，又起不到保護作用。
為了保護建築物、構築物的安全，被保護的麵積除了建築物和構築物本身所占有的麵積之外，還留有圍護帶。根據原煤炭工業部1985年頒布的《建築物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設外與壓煤開采規程》的規定，圍護帶的寬度分為四級：Ⅰ級圍護帶的寬度為20m；Ⅱ級圍護帶的寬度為15m；Ⅲ級圍護帶的寬度為10m；Ⅳ級圍護帶的寬度為5m。
保護煤柱的留設方法主要有兩種：垂直斷麵法和垂線法。
一、垂直斷麵法
現以房屋為例，說明垂直斷麵法設計煤柱的方法和步驟。
某建築物長60m、寬25m，其建築物長軸方向的坐標方位角為80°，煤層走向30°，煤層厚度2.0m傾角30°，煤的視密度1.35t/m³，衝積層移動角ψ=45°。試用垂直斷麵法確定煤柱尺寸，並計算保護煤柱的壓煤量。
1·確定受護麵積
如圖所示，首先按一定麵積比例尺（1:500~1：5000）作房屋的平麵圖，使房屋的長軸與，煤層走向的夾角為80°—30°=50°，然後繪出房屋的輪廓點1、2、3、4，過房屋的輪廓點作平行於煤層走向和傾向的外切矩形1′2′3′4′。這樣做是為了能利用移動角值，而且如此圈定建築物的保護範圍所謂增加的煤柱並不大，煤柱形狀也較為規整，有利於煤柱周圍煤層的開采。在矩形1′2′3′4′的外緣，再加15m寬的圍護帶，得矩形abcd，即為所確定的保護麵積。
圖 垂直斷麵法留設保護煤柱
2·確定保護煤柱邊界
通過受護麵積中心作一垂直於走向的斷麵Ⅰ—Ⅰ，在該斷麵上，從被保護麵積的邊界點m1和n1起，按表土層移動角ψ=45°作斜線交基岩表麵，得交點m2和n2。然後再按基岩移動角，在基岩麵上沿下山和上山方向分別以移動角γ=75°和β=47°作斜線交煤層於m′和n′點，即為保護煤柱的下部和上部邊界。
同樣方法，在平行於煤層走向的斷麵Ⅱ—Ⅱ及Ⅱ′—Ⅱ′上，按ψ=45°和δ=75°作斜線，求得沿走向斷麵的煤柱邊界a′b′c′d′。依次將兩斷麵上的煤柱邊界轉繪到平麵圖上，得到梯形ABCD，即為保護煤柱的平麵圖。
然後在井上下對照圖和采掘工程平麵圖上，繪出保護煤柱的位置。
3·計算保護煤柱的壓煤量Q
Q=體積×視寬度=A平/cosδMR
式中 A平——煤柱的水平麵積；
R——煤的視密度；
δ——煤層傾角；
M——煤層厚度。
則
二、垂線法
上例中建築物的長軸方向與煤層走向斜交，用垂直斷麵法留設保護煤柱時，為了利用移動角，需根據受護範圍的角點作沿煤層走向和傾向的保護邊界。當建築物或被保護對象窄而長（如鐵路、河流）時，用此方法留設保護煤柱就會大大增加煤柱的麵積，造成國家煤炭資源的巨大浪費。在這種情況下，宜采用垂線法留設保護煤柱，其步驟如下：
1·確定受保護邊界
在平麵與上，作保護對象輪廓的圍護帶（取5~20m），得到受護邊界abcd，如圖所示。
2·確定保護煤柱
將abcd繪在煤層地板等高線圖上，由受護邊界abcd向外量S=hcotψ（式中，h為表土層厚度，ψ為表土層移動角），得到基岩麵上的受護邊界a′b′c′d′，如上圖所示，再從a′b′c′d′向外作各邊界的垂線。這些垂線的長度按下式計算
向上山方向作的垂線長
（8）
向下山方向作的垂線長
（9）
式中 α——煤層傾角；
Hi——a′、b′、c′、d′各點的煤層埋藏深度減去該點的表土層厚度h，此值可在煤層地板高線圖上分別確定；
θi——各受護邊界與煤層走向所夾的銳角；
β′i、γ′i——所作各垂線方向（偽傾斜方向）的下山和上山移動角，可按下式計算
（10）
（11）
式中，γ、β、δ為該礦區所采用的移動角。
然後根據計算結果，分別在各垂線上量取qi、∫i值，得A、A′、B、B′、C、C′、D、D′各點，連接A′B、AC、C′D、D′B′各線並延長，則相較於1、2、3、4四點，形成四邊形，即為所求的保護煤柱邊界。
當用兩種方法確定保護煤柱邊界時，其重疊部分為受護對象最合理的保護煤柱，經濟效益也最好，如圖所示。
現以房屋為例，說明垂線法設計保護煤柱的方法和步驟。
某建築物長50m，寬20m，其建築物長軸方向的坐標方位角為85°，煤層走向25°，煤層厚度2.5m，傾角35°，煤的視密度1.3t/m³，建築物中心處的煤層埋藏深度為140m，表土層厚度20m。礦井的岩層移動角δ=γ=75°，β=47°，表土層移動角ψ=45°。試用垂線法確定煤柱尺寸，並計算保護煤柱的壓煤量。
1·繪出受護麵積
使房屋的長軸方向為85°，按一定比例尺繪出房屋的平麵圖，再留出15m的圍護帶，得到受護邊界abcd，如圖所示。根據煤層的走向和傾角繪出一組煤層地板等高線，通過房屋中心的等高線的數值為-140m，即采深。
2·確定保護煤柱
（1）由abcd向外按比例量出距離S=hcotψ=20cot45°=20m，得到a′b′c′d′，在圖上確定a′、b′、c′、d′點的煤層埋藏深度，並減去表土層厚度得
Ha′=0-（-195m）-20m=175m；Hb′=0-（-120m）-20m=100m
Hc′=0-(-162m）-20m=142m；Ha″=0-（-87m）-20m=67m
（2）自a′、b′、c′d′各點作圍護邊界的垂線，得q1、q2、q3、q4、∫1、∫2、∫3、∫4.
（3）應用式（10）、式（11），求偽傾角方向的移動角β′γ′i。
對於q3、q4、∫3、∫4，β=47°，δ=γ=75°，θ=60°計算得
β′=62°29′；γ′=75°00′
對於q1、q2、∫1、∫2，β=47°，δ=γ=75°，θ=30°，計算得
β′=50°42′；γ′=75°00′
應用式（8）、式（9）得計算得
q1=54.7m；q2=36.6m；q3=29.5m；q4=62.5m
∫1=45.4m；∫1=56.0m；∫1=51.7m；∫1=29.6m
在各垂線上分別截取上麵計算得到的相應長度，將各端點相連並延長相交，得四邊形1234，即為所留煤柱的平麵投影
3.計算壓煤量
煤柱麵積=Δ412+Δ423=37677m²
壓煤量=37677m²/cos35°×2.5m×1.3t/m³=149484t
與前麵垂直斷麵法相比，垂線法少於壓煤10000餘t。
第四節 測量與“三下”采煤
“三下”采煤工程屬於測量、采煤、地質三門科學的邊緣學科。在“三下”采煤時，不但要涉及到煤層的開采方法、頂板管理方法、采高、采深、上覆地層的岩性及地質結構，更需要用測量技術來監視、研究岩層與地表移動及其規律。顯然，測量技術占有重要地位。
一、測量技術在“三下”采煤中的應用
1·用測量技術取得各項岩移參數
地表移動變形參數是反映地表移動與變形在空間和時間上的特征和大小的量，是表示地表移動變形規律的重要指標。這些參數是進行地表移動和變形預計的基礎，是解決“三下”采煤實際問題的首要數據。大量的實踐表明，不論采用現行的那種方法進行地表移動與變形預計，起結果與實際偏差在很大程度上都依賴所選用的基本參數的準確性。然而，隻有應用測量技術取得大量實測資料，在這些實測資料的基礎上，用綜合分析方法才能確定這些參數。應當指出，沒有測量技術的實施，就不可能進行“三下”采煤。
2·準備測定地表各點的沉降實況
隻有用測量的方法才能研究地表任意點、任意時刻的下沉速度，而這種成果的取得和“三下”采煤也是密切相關的。
在建築物下進行采煤時，需要隨時確定建築物受采動影響的開始時間、在不同時期的地表移動變形量，據此對建築物采取適當措施，如加強觀測、加固、臨時遷出或改變用途等。
在進行協調開采時，根據變形動態規律可以更合理地確定回采工作麵之間的相互關係，采取切實可行的采煤工藝。
尤其是進行鐵路下采煤時，如果掌握了地表下沉速度、變化規律，更可事先確定鐵路線上任意點、任意時刻的下沉速度，確定出某一時間間隔內鐵路路基的下沉量，從而為有計劃地進行鐵路維修、安排車輛運行、調整行車速度、確保行車安全提供科學依據。
用測量技術進行實地測量，是研究 岩層與地表移動規律的主要途徑，通過它不但可以取得岩層、地表移動的主要岑數，也是應用觀測資料進行地表變形預計、計算以及直接指導“三下”采煤的基礎。
二、“三下”采煤時的測量工作
1·建築物下采煤時的測量工作
（1）測繪采區的巷道平麵圖或采掘工程平麵圖，，了解生產係統及鄰區的開采情況。
（2）測繪建築物的麵積、長度、寬度、走向，了解建築時間、現實狀況、使用要求、周圍的地形。
（3）選取地表移動參數，並了解老采區活化的可能性及對地表和建築物的影響。
（4）繪製井上、下對照圖。應包括地形和煤層底板等高線，以及地質構造。
另外應收集地質剖麵圖、鑽孔柱狀圖、建築物的施工圖等。
對受采動影響的主要建築物，設置建築物觀測站，以便研究地下開采對地麵建築物的影響，掌握地表變形與建築物變形的關係，檢驗建築物的加固效果，從而找出合理的開采方法及製定有效的建築物保護措施。
2·水體、鐵路下采煤時的測量工作
在水體、鐵路下采煤時，除必須具備前麵有關的測量資料外，還應做一下工作：
（1）預計垮落帶、導水斷裂帶的高度及發展特征；確定地表水體的水域；了解采空區、舊巷積水的範圍，礦井排水係統等有關情況；預測地表下沉積水範圍。
（2）測繪鐵路線路平麵和縱橫剖麵圖；了解鐵路的技術特征（等級、軌道數量、運輸量等）、線路標變坡點、坡度以及線路直線段、曲線段和緩和曲線有關的技術資料；了解線路附近地形及建（構）築物狀況。
在水體下、鐵路下采煤時均需設置觀測站。前者是為了研究采煤引起圍岩破壞的基本規律，確定導水斷裂帶的高度和分布情況，，為安全合理地進行水體下采煤提供科學依據；後者是為了研究地下開采後，路基和鋼軌的移動和變形規律，隨時掌握其動態，為鐵路維修提供資料。
我國很多礦務局、礦井都有一定比例的：“三下”壓煤量。據統計，我國“三下”壓煤量多達100多億噸，通過礦山測量人員的努力，已經順利地采出數億噸煤。解放“三下”壓煤，可為國家增加財富，造福人民，也是老礦挖潛、提高采出率、增加經濟效益、保證安全生產的重要課題。礦山測量人員肩負著光榮的任務。
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