Page 53 - 煤矿巷道施工技术与管理

第二章 煤矿开采问题与生态环境管理的有关思考

第二节 煤矿开采地表沉陷预测与生态恢复

一、基础理论概述

（一）形成机理

地下煤层采空后形成具有一定几何规模的空间称为采空区。采空区的出现使
得周围岩体原有应力平衡状态遭到破坏，上覆岩层失去支撑，产生移动变形，直
至破坏塌落。随着煤层开采面积的扩大，上覆岩层自下向上直至地表逐次产生移

动、变形、破裂等，由此引起采空区塌陷、回填及地面塌陷下沉。随着开采的终
结及时间的变化，当应力重新分布并达到新的平衡时，岩层与地表移动才会终止。
1. 采空区上覆岩体的移动

煤层开采后，顶板失去支撑，上覆岩层出现悬空弯曲，靠留设的煤柱或采空
区边界支撑，在重力作用下产生弯曲变形，使得煤层上方岩层受到指向采空区的
拉应力作用而产生下沉。靠近煤层的岩层下沉是由于煤层开采导致采空区内附加

应力大于原始压应力造成的，远离煤层的岩层下沉是因自重压应力作用引起的。
同时，采空区上覆岩层弯曲对煤柱上方岩体产生的拉应力也是使其移动的动力。
在压应力及拉应力作用下顶板产生横向移动，下部岩层在水平方向上产生的移动
就会对上面岩层产生附加作用力，促使受到影响的岩体在水平方向上发生移动。

2. 采空区上覆岩体的变形
煤层采空区上部岩层出现坍落而形成冒落带，向上冒落岩块逐渐增大，似层
状，但已脱离母体岩层；顶板冒落后，由于破碎使体积增大而产生碎胀，导致碎

块间空隙增多，连通性增强，岩体的碎胀程度直接影响其高度。冒落带上方岩体
因弯曲变形过大，在采空区上方产生较大的拉应力，两侧受到较大的剪应力，上
覆岩体受到冒落带破碎岩体的支承而产生垂直于层面方向的裂缝、离层和断裂，
即形成裂隙带，岩石的整体性受到破坏，但仍保持原有的结构。裂隙带以上直到

地面的弯曲下沉带岩层，在自重应力作用下只产生弯曲变形而不再破裂。“三带”
的发育情况与煤层的赋存条件、开采深度和厚度、上覆岩层性质、开采方法及顶
板管理方法等因素有关。

（二）物性特征
采空区的物性特征不仅与冒落带、裂隙带的范围，围岩岩性，充填物及含水

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