建筑物和村庄下压煤的安全开采
一、岩层与地表移动的基本特征
（一）岩层移动、变形、破坏特征
开采后，煤层上方岩层的变形与破坏分为三带：垮落带、导水断裂带、弯曲带。（见图1）
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（二）地表移动特征
1、地表移动盆地（下沉盆地）
由采煤引起地表移动，地表移动稳定后，形成移动盆地（也称下沉盆地）。水平煤层、长壁采煤、矩形采空区，移动盆地面积大于采空区，呈椭圆形并与采空区对称，见图2所示。
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2、移动盆地的形成
移动盆地的形成，有以下过程（见图3）
（1）非充分采动：工作面推进至1、2、3，开采面积小，地表下沉值随开采面积增大而增大，形成“碗形盆地”。
（2）充分采动：工作面推进至4，开采面积较大，地表下沉达最大值，不再随工作面推进而增大，仍为“碗形盆地”。
（3）超充分采动：工作面推进至5，开采面积更大，地表下沉为最大值，为“盘形盆地”。
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3、移动盆地主断面特征（见图4）
（1）主断面：通过移动盆地最大下沉点，沿煤层走向或倾斜所作的断面。
（2）边界角：在充分采动条件下，下沉值为10mm的边界点与采空区边界点之间的连线和水平线的夹角。
（3）移动角：在充分采动条件下，下沉点（倾斜I=3mm/m、
曲率K=0.210³/m、水平变形ε=2mm/m）与采空区边界点之间的连线和水平线的夹角。
（4）裂缝角：在充分采动条件下，移动盆地的最外侧裂缝与采空区边界点之间的连线和水平线的夹角。
（5）充分采动角：在充分采动条件下，移动盆地中心点与采空区边界点之间的连线和煤层在采空区一侧的夹角。
（6）最大下沉角：地表最大下沉点至采空区中点之间连线与水平线在煤层倾向一侧的夹角（见图14）。
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（三）地表移动和变形的类型及规律
1、地表移动和变形的类型（见图5）
（1）下沉：地表移动垂直分量（W），单位为mm
（2）水平移动：地表移动水平分量（U），单位为mm
（3）倾斜：单位长度内下沉的变化值（I）单位为mm/m
I=（Wb-Wa）/∆x=∆W/∆x
（4）水平变形：单位长度内水平移动的变化值（ε），单位为mm/m
ε=（Ub-Ua）/∆x=∆U∕∆x
（5）曲率：单位长度内倾斜的变化值（K），单位为1/m
K=（I2-I1）/∆x=∆I/∆x
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2、地表移动和变形规律（见图6）
图6为最终移动盆地走向主断面上，超充分采动时，地表下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形的分布曲线。
下沉曲线（1）：向下为正。
倾斜曲线（2）：左侧为正；右侧为负。
曲率曲线（3）：凸起曲率为正；凹陷曲率为负。
水平移动曲线（4）：左侧为正；右侧为负。
水平变形曲线（5）：拉伸变形为正；压缩变形为负。
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3、采动过程中地表移动和变形发展规律
（1）地表各点受开采影响移动过程
图7，工作面从1推进到2处，地表有A、B、C、D、E各点，A、E在煤柱上方C在采空区中。工作面从1处推进至2处，A、E各点移动轨迹始终指向采空区中央。B、C、D各点移动轨迹是：当工作面向该点移近时，该点向工作面推进的相反方向移动；当工作面通过该点下方并逐渐远离时，该点则向工作面推进相同方向移动。当工作面推进到2处地表移动稳定后，除C点只垂直向下移动外，其余各点的移动方向钧指向采空区中央。
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（2）地表下沉发展规律
图3，当采空区面积较小时，下沉曲线近似对称分布；随采空区面积的增大，移动盆地的面积和最大下沉值也增大，其非对称性也越来越明显；当采空区面积达到充分采动时，最大下沉值不再增大，但工作面停采后地表下沉曲线范围继续扩大，直至地表移动稳定为止。
（3）地表水平移动（或倾斜）的发展规律
图8，在开采过程中，随采空区面积的增大，水平移动值也逐渐增大。当工作面位于A、B、C、D时，地表为非充分采动，水平移动曲线为UA、UB、UC、UD。当达到充分采动后，工作面在不同位置时，其上方地表水平移动曲线形状基本相似，最大水平移动值基本相等，如曲线UE、UF。当工作面停采后，最大水平移动值继续增加，直至地表移动稳定为止。
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（4）地表曲率（或水平变形）的发展规律
图9，工作面处于A、B、C位置时，地表为非充分采动，最大曲率由小到大逐渐增加，到地表移动稳定时达到最大值；最大负曲率先由小到大逐渐增加，后由大到小逐渐减小，直到一固定值，如相应的曲率曲线KA、KB、KC。工作面处于D位置时，地表为充分采动，移动盆地内出现两个最大曲率，盆地中心曲率为零，相应的曲率曲线为KD。地表为超充分采动时，工作面在不同位置，地表曲率曲线形状基本不变，最大曲率值基本相等，相应的曲率曲线为KE。当工作面停采后，地表曲率曲线继续向前移动，最大曲率值继续增加，直至地表移动稳定为止，相应的曲率曲线为KE’。
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4、地表下沉速度
在工作面推进过程中，地表移动盆地主断面上各点的下沉速度是不同的。非充分采动时，地表各点的下沉速度和最大下沉速度均随采空区的面积增大而增大，最大下沉速度点滞后于工作面，如图10的下沉速度曲线VA、VB。充分采动和超充分采动时，地表下沉速度曲线和最大下沉速度基本上不再变化，如图10的下沉速度曲线VC、VD、VE，最大下沉速度Vm之点仍在工作面后方一定距离处。最大下沉速度的点至当时工作面所在位置的连线与水平线在采空区一侧的夹角φ称为最大下沉速度滞后角。
地表移动开始与停止之间的时间间隔，称地表移动的延续时间。下沉值达到10mm时为移动开始时间；连续六个月下沉值不超过30mm时，可认为地表移动停止。地表移动的延续时间可分为三个阶段：
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（1）开始阶段：下沉速度小于50mm/月；
（2）活跃阶段：下沉速度大于50mm/月；
（3）衰退阶段：下沉速度小于50mm/月。
在活跃阶段内，地表下沉速度大，移动和变形剧烈，对地面建筑物有危害作用。一般说来，在活跃阶段内，地表点的下沉值占整个移动过程中总下沉值的85％以上。
（四）地质和采矿条件对地表移动和变形的影响
1、地质条件对地表移动和变形的影响
（1）上覆岩层的性质
上覆岩层的物理力学性质对地表最大下沉值、移动角、边界角、充分采动角与最大下沉角都有影响。一般说来，移动角和边界角随岩层坚硬程度的增大而增大；地表最大下沉值、充分采动角及最大下沉角随岩层坚硬程度的增大而减小。岩层的性质还影响下沉曲线的形状，决定拐点的位置。当岩层坚硬时，岩层远离采空区悬露，使拐点向采空区的偏移距离增大。
（2）煤层倾角
在水平煤层中，地表下沉方向与岩层层理面垂直。在倾斜煤层中，沿倾斜主断面上，地表下沉方向有两个分量，即垂直于层理面分量与平行于层理面分量，移动盆地最大下沉点的位置向下山方向偏移。
（3）开采深度与开采厚度
开采深度对地表下沉的影响，国内外文献资料中认识不同。总的来说，在充分采动与超充分采动的条件下，地表最大下沉值与开采深度关系不大；但在非充分采动的条件下，随开采深度的增大，地表最大下沉值减小。此外，随开采深度增大地表移动范围则相应扩大，因此地表移动盆地趋于平缓，水平变形、倾斜、曲率等变形值也随之减小。
开采厚度增大，地表下沉值增大，地表各种变形值也相应增大。
一般用深（H）与厚（M）之比（H/M）来表示地下开采对地表的影响。H/M越大，地表移动变形平缓；反之，H/M越小，地表移动变形剧烈，有时可能出现断裂、台阶或塌陷。
（4）水文地质条件
当上覆岩层为软弱或松散岩层时，岩层内的含水量对于岩层的物理性质影响很大，如泥质岩层，遇水后塑性增大，在移动过程中不易产生断裂。若冲积层中含水量较大，在岩层移动过程中产生疏干现象，使地表移动盆地范围扩大，最大下沉值增大。
（5）断层及其他弱面
断层的存在使地表移动过程复杂化，破坏了岩层与地表移动的正常规律。由于断层面的强度比其周围岩层的强度小得多，在岩层移动过程中会产生沿断层面剪切移动，断层露头处的地表常出现变形集中现象。
（6）地形
在地势高低不平地区，因地表覆盖层由地势高处向地势低处的堆积作用，使地势高处的下沉值大而地势低处的下沉值小。水平移动方向可能从地势高处向地势低处，并可能从采空区中央指向采空区边缘。若地表移动区内有陡坡，基岩的移动会影响陡坡的稳定性，引起滑坡。
2、采矿条件对地表移动和变形的影响
（l）采煤方法及顶板管理方法的影响
采用长壁垮落采煤法时，若深厚比（H/M）较大，地表移动平缓，各种变形值较小，有可能在建筑物下采煤；若深厚比（H/M）较小，地表可能出现断裂、台阶或塌陷。采用全部充填采煤法、条带式采煤法或房式采煤法，地表移动和变形值大大地减小，但成本高或丢煤多。
（2）采空区面积的影响
采空区面积的大小，直接影响地表采动程度，出现非充分采动、充分采动或超充分采动。
（3）重复采动的影响
采用倾斜分层下行垮落采煤法时，在开采完第一分层之后，开采第二分层时，地表移动区的范围扩大，地表最大下沉值和下沉速度值均有增大。但在开采完第二分层后，地表移动区范围和变形强度趋于稳定。
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