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  • 1 # 張工註冊岩土工程師

    地下礦層被開採後形成的空間稱為採空區。採空區分為老採空區、現採空區和未來採空區。老採空區是指歷史上已經開採過、現已停止開採的採空區;現採空區是指正在開採的採空區;未來採空區是指計劃開採而尚未開採的採空區。

    一、採空區地表變形的特徵

    地下礦層被開採後,其上部岩層失去支撐,平衡條件被破壞,隨之產生彎曲、塌落,以致發展到地表下沉變形,造成地表塌陷,形成凹地。隨著採空區的不斷擴大,凹地不斷髮展而成凹陷盆地,即地表移動盆地。地表移動盆地的範圍要比採空區面積大得多,其位置和形狀與礦層的傾角大小有關。礦層傾角平緩時,地表移動盆地位於採空區的正上方,形狀對稱於採空區(如下圖);礦層傾角較大時,盆地在沿礦層走向方向仍對稱於採空區,而沿傾向方向,移動盆地與採空區的關係是非對稱的,並隨著傾角的增大,盆地中心越向傾同方問偏移,開採達到充分採動後,此時的地表移動盆地,稱為最終移動盆地。

    最終移動盆地,根據地表變形特徵和變形值的大小,自移動盆地中心向盆地邊緣可分為三個區:中間區、內邊緣區和外邊緣區(如下圖)。 中間區:位於採空區的正上方,地表下沉均勻,但地表下沉值最大;地面平坦,一般不出現裂縫。內邊緣區:位於採空區外側上方,地表下沉不均勻,地面向盆地中心傾斜,呈凹形;產生壓縮變形,地面一般不出現明顯裂縫。外邊緣區:位於採空區外側礦層上方,地表下沉不均勻,地面向盆地中心傾斜,呈凸形;產生拉伸變形,當拉伸變形值超過一定數值後,地表產生張裂縫。

    二、採空區地表變形的分類

    地表變形分為兩種移動和三種變形。兩種移動是垂直移動(下沉)和水平移動:三種變形是傾斜、曲率(彎曲)和水平變形(壓縮變形和拉伸變形)。下面取一主斷面來分析各類變形(見下圖)。

    設A、B為主斷面上移動前的兩點,A^" 、B^"為移動終止後的相應位置,l為A、B兩點間的距離,由上圖可知:

    垂直移動: ∆η=η_B-η_A,水平移動:Δξ=ξ_A-ξ_B,傾斜:i=Δη/l, 水平變形ξ=Δξ/l,

    式中Δη、Δξ:垂直移動和水平移動(mm);i:傾斜(mm/m);ξ_A 、ξ_B:A、B兩點水平移動的分量(mm);η_A 、η_B:A、B兩點垂直移動的分量(mm)。 在圖中,設A、B、C為主斷面上移動前的三點,A^‘ 、B^’ 、C^‘為移動終止後的相應位置,由圖可知:

    AB段的傾斜為:i_AB=((η_A-η_B ))/l_AB 相當於A^" 、B^"中點1^"處的傾斜。 BC段的傾斜為:i_BC=((η_B-η_C ))/l_BC 相當於B^" 、C^"中點2^"處的傾斜。1^’ 、2^‘兩處的傾斜差△i,除以1、2兩點間的間距l_(1~2),即得平均的傾斜變化,並以此作為平均曲率(mm/m2),則B點的曲率K_B為:K_B=(i_AB-i_BC)/l_(1~2) =Δi_(1~2),曲率半徑(m)R_B=1000/K_B =(1000l_(1~2))/Δi。

    三、影響地表變形的因素

    1、礦層因素

    (1)礦層埋深越大(即開採深度越大),變形發展到地表所需的時間越長,地表變形值越小,變形比較平緩均勻,但地表移動盆地的範圍增大。

    (2)礦層厚度大,採空的空間大,會促使地表的變形值增大。

    (3)礦層傾角大時,使水平移動值增大,地表出現裂縫的可能性增大,地表移動盆地與採空區的位置更不對稱。

    2、巖性因素

    (1)上覆岩層強度高、分層厚度大時,產生地表變形所需採空面積要大,破壞過程時間長:厚度大的堅硬岩層,甚至長期不產生地表變形。強度低、分層薄的岩層,常產生較大的地表變形,且速度快,但變形均勻,地表一般不出現裂縫。脆性岩層地表易產生裂縫。

    (2)厚度大、塑性大的軟弱岩層,覆蓋於硬脆的岩層上時,後者產生破壞會被前者緩衝或掩蓋,使地表變形平緩;反之,上覆軟弱岩層較薄,則地表變形會很快並出現裂縫。岩層軟硬相間且傾角較陡時,接觸處常出現層離現象。

    (3)地表第四紀堆積物越厚,則地表變形值增大,但變形平緩均勻。

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