煤矿采空区地面沉降、塌陷的机理

随着地下开采工作面的推移，上覆岩层内部的原始应力平衡状态受到破坏，岩层内部的应力重新分布以达到新的平衡。采场顶板的变形过程与上覆岩层的变形过程是不同的，即采场的顶板岩层变形、层面开裂、弯曲、离层，达到极限垮距开始断裂、垮落，形成初次垮落乃至周期性垮落过程。在非充分采动过程中，采场上覆岩层表现出垮落、断裂、离层、移动和变形等特征，形成四个带，即垮落带、断裂带、离层带和整体弯曲下沉带。在充分采动后，上覆岩层形成三个带即垮落带、断裂带和弯曲下沉带，最终表现为地表大范围的下沉。现以三号井田采空区为例，分析地面沉降塌陷的发育程度与采厚、采深、地层岩性及采空区的几何尺寸等要素的关系，而且研究发育过程与回采的时间关系，进行机理分析。

(1)岩层破坏与地面变形的几个阶段

目前关于采空区岩层破坏与地表变形的机理研究有多种假说和理论模型，如拱形冒落理论、悬臂梁冒落理论、岩块碎胀充填理论、冒落岩块铰接理论、砌体梁理论等。将这些理论加以整合，可以把大峪沟煤矿长臂开采造成的顶板岩层破坏分为以下三个阶段，我们将之称为“空腔理论”。

第一阶段发生在回采的初期，采空区长宽尺寸较小(小于1/4～1/3采深时)，顶板上覆岩层的破坏形式分为三个带(图3.30)，即冒落带、断裂带和弯曲带。冒落带位于坑道的顶部，是工作面放顶后引起顶板岩层断裂破坏并垮落的范围。由于直接顶板的冒落，间接顶板底部所受的向下拉张力有所减小，其破坏形式不再是破碎垮落，而是以切层、离层的方式向地下临空区位移变形，形成一个裂隙众多的变形区，称为断裂带，该带也是拱形冒落理论所讲的平衡拱所在的部位。其中岩块虽然断裂，但彼此之间相互咬合呈铰接状态的整体，支撑上覆岩层。断裂带顶界至地表的岩体范围为弯曲带。弯曲带内裂隙发育程度不如断裂带，主要以向下的弯曲变形为主，所以又称为整体移动带。断裂带和弯曲带向下弯曲的应变与两端支撑的梁的受力变形相似，弯曲变形的范围和垂直位移的分布直接关系到地面沉降的范围和下沉值。需要注意的是，冒落带岩石垮落到下方坑道时，破碎的岩块会彼此支撑，形成大量空隙，总体积会比垮落前的原岩增大许多，即出现碎胀现象。若煤层薄，采厚较小，碎胀的岩石有可能将冒落带和坑道全部充满，此时，可对断裂带的底部施以一定的支撑作用，减少断裂带和弯曲带的变形量。进而减少地面的沉降幅度。

图3.30 第一阶段覆岩破坏示意图

在此阶段，地面变形主要以沉降为主，能否出现地裂缝取决于地表微地形和浅表岩土的岩性、受力情况，但总变形量较小，一般不会影响土地的正常耕种和房屋的安全性。

第二个阶段是第一个阶段的继续发展。采空区范围进一步扩大，冒落带的顶面会不断向上移动，带宽加大，进而使断裂带接近或达到地面(图3.31)，弯曲带消失。这个阶段，间接顶板的变形如同梁受力弯曲的极限状态，断裂带不仅裂缝发育，而且弯曲的下移量也急剧增大。在煤层较薄采厚较小的情况下，地下空间会被垮落岩块充满并对断裂带有一定支撑作用，但是，当采厚较大时，碎胀的岩块不足以填满冒落带和坑道时，断裂带与充填物之间则脱节，形成空腔，上覆地层的自重完全由断裂带承受。此时，地面发生剧烈下沉，大量地裂缝的产生、错动，可形成明显的沉降塌陷槽地。

图3.31 第二阶段覆岩破坏示意图

第三阶段是采空区顶板变形最严重的阶段，它是第二阶段进一步发展的结果。随着采空区范围进一步扩大，长度和宽度值大于采深，采空区中心距四周边界(非采空区)超过某一临界值时，中心点上方的岩层将全部折断、垮落，形成冒落带(图3.32)。由于冒落带已发育到地面，地面会出现最为严重的塌陷变形。而在近边界(小于临界值)地段，仍可保留断裂带，其受力状况如同悬臂梁。与之对应，地面变形与第二阶段相同。

图3.32 第二阶段覆岩破坏示意图

上述三个阶段是针对采空区不断扩大的条件下，中心点的变形而言的，除此之外，在边界外侧的一定范围内，不同发展阶段也存在变形不断发展的过程(图3.33)，W₁、W₂、W₃、W₄为不同阶段地表变形值。

对于一个特定矿区而言，是否会出现上述三个阶段，出现的地点在什么地方，何时出现，这些问题的解答都需要从开采深度(采深)、采厚、采空区扩大的时间过程以及岩层的力学性质等多个方面综合分析，理想条件下的理论计算或单因子的研究往往是难以真实地反映实际情况。因此，在实际工作中，建立在定性分析基础上的综合经验判据和半经验公式仍是一种广泛采用的办法。

图3.33 地表移动发展过程

(2)充分采动和非充分采动

为了便于定性和定量分析，目前常用到充分采动和非充分采动这两个概念。充分采动是指地下矿层采出后地表下沉值达到该地质采矿条件下应有的最大值，此时的采动状态称为充分采动。此后，开采工作面继续扩大，地表的影响范围也相应扩大，但地表最大下沉值却不再增加，地表移动盆地将出现平底。通常把地表移动盆地内只有一个点的下沉达到最大下沉值的采动状态称为刚好达到充分采动，此时的开采称为临界开采。非充分采动是指采空区尺寸(长度和宽度)小于该地质采矿条件下的临界开采尺寸时，地表最大下沉值未达到该地质采矿条件下应有的最大下沉值。此时地表的移动盆地呈碗形。工作面在一个方向(走向或倾向)达到临界开采尺寸而另一个方向未达到临界开采尺寸时，也属非充分采动，此时的地表移动盆地呈槽形(邹友峰等，2003)。

结合前文的论述，所谓充分采动包括两种情况:①坑道顶板全部垮落，冒落带发育到地面。相当于第三阶段采空区中心点所出现的情形;②坑道顶部的上覆岩层未全部垮落，仍存在断裂带或断裂带弯曲带同时存在，只是由于碎胀的岩石充满地下空间并对断裂带底部有支撑作用，冒落带不再向上发育。这种情况可出现在采厚较小的第一、第二阶段和第三阶段采空区周边地区。

充分采动区的最大特点是地表下沉变形量达到该地段各种自然和采动活动所能引发的最大值。一旦达到该值，即使采空区继续扩大，边界外移，已破坏或未破坏的上覆地层不再变形，地面变形也会终止，呈稳定状态。

非充分采动主要发生在冒落岩块堆积体与断裂带之间存在空腔的情况下。在采厚较大且断裂带中岩块铰接，能够承载上覆岩层自重或上覆岩层中存在有承载力较大的“关键层”时，上覆岩层的形变可以暂时停止，此后进一步扩大采空区或受到震动变形活动还可以继续发生，直到形成充分采动为止。所以，非充分采动在上述第一、第二阶段和第三阶段采空区周边十分常见。

(3)地面变形的时间特征(采空区地面形变的稳定过程)

由非充分采动向充分采动的转化过程，实质上是冒落带厚度不断增大，岩石碎胀量增多，体积放大，逐渐填充地下空腔的堆积过程。伴随这一过程的上覆岩层形变，是导致地面沉降、塌陷的主要原因。岩层形变过程的暂时停止或最终结束，地面也会在滞后一段时间后，达到暂时稳定或最终稳定。根据大量的监测、统计资料以及3.3中大峪沟煤矿采空区的计算结果，都证明了这一点，就是地面变形大体可分为两个时期:

第一个时期是非充分采动时期，是地面变形出现到剧烈发生的主要期间，下沉速度和裂缝错动速度最快;此期下沉量占该地段最大下沉量的90%以上(图3.34)。

图3.34 井田二₁煤不同采空尺寸下地表最大下沉量曲线图(以1112号孔为例)

在地层结构相似的河南矿区，如焦作、鹤壁、平顶山、义马大型煤矿下沉速率最大者为84mm/d，最小者为1.60mm/d，剧烈下沉期约在42～285天之间(表3.7)。

第二个时期是充分采动时期，该时期的主要特点是下沉速率减小，变形以沉降为主，相当于整个采动过程的尾端———残余变形阶段。由图3.34可以看出，当进入充分采动状态之前，即n₁×n₂<1时，地面累计下沉值是采空区几何尺寸比n₁×n₂的函数，n₁×n₂值越大累计下沉值也越大，但下沉值的增量却逐渐减小(累计下沉曲线的斜率趋于平缓)。一旦进入充分采动状态即n₁×n₂=1，累计下沉曲线的斜率达最小值，W_m/W₀接近于1，说明采空区的变形即将结束。上述分析仅仅是半经验公式所表述的过程，事实上，进入充分采动阶段，地面变形不会立刻终止。地下岩层变形的延迟效应及其传递到地面，需要一段时间。根据表3.3河南省各大煤矿监测统计结果，这一时期的时间长度约在1年至1年半。