当主要开拓巷道的形式确定之后，就要进一步确定它的；确定主要开拓巷道（竖井或斜井）位置，就是确定其在；一、采空区引起的岩层移动及其对主要开拓巷道的影响；当矿石被采出后，形成采空区，这时原岩体的应力平衡；辽宁省几个中型矿山的末期，地表都曾出现了移动和陷；采空区上部地表发生崩落和移动的范围，分别叫做崩落；7-22）；和移动带边线的边线和水平面；之间的夹角，分别叫做
当主要开拓巷道的形式确定之后，就要进一步确定它的具体位置。主要开拓巷道是井下与地表连续运输的枢纽，主要开拓巷道位置是否合理，对矿山的基建施工和未来生产具有深远的影响。就是说，主要道位置直接影响基建工程量和施工条件，从而影响了基建投资和基建时间，对未来生产的采矿成本也有影响。因此，正确地确定主要开拓巷位置是矿山企业设计的一个关键问题。
确定主要开拓巷道（竖井或斜井）位置，就是确定其在垂直矿体走向方向的位置和沿矿体走向方向的位置。只要将主要开拓巷道选在矿体移动范围之外，就基本上确定了主要开拓巷首在垂直矿全走向方向的位置。根据矿石运输功最小的原则可以基本确定主要开拓巷道在沿矿体走向的位置，再考虑地表和地下的其他因素，便可以最终确定主要开拓巷道的合理位置。
采空区引起的岩层移动及其对主要开拓巷道的影响
当矿石被采出后，形成采空区，这时原岩体的应力平衡状态受破坏，随后便 有采空区部分及周围地压活动的出现（有时在采空区形成后一个相当长的时间，才出现地压活动），岩石逐渐变形、移动直到陷落。根据采空区的大小以及离地面的深度不同，有的在采空区形成后不长时差，地压活动会出现，迅速波及地表。有的在相隔很长一段时间后，才能影响地表。也有的因采空区容积小，与地表距离较大，将一直不会影响地表。但不管上述的哪咱情况，都应引起人们的注意。如一些老矿山，在矿山生产过程中并未出现陷落现象，但在矿山末期，就出现了问题。
辽宁省几个中型矿山的末期，地表都曾出现了移动和陷落。有的使矿山地表建筑受到了破坏。如华铜矿坑口原卷扬机就受到了破坏。有的影响了公路和民用住房，甚至影响到井筒，使其受到破坏。因此，在矿山设计中，采空区岩层行动移动对主要开拓巷道位置的影响，必须予以足够的重视。
采空区上部地表发生崩落和移动的范围，分别叫做崩落带和移动带（图
7-22）。采空区边界与地表崩落带
和移动带边线的边线和水平面
之间的夹角，分别叫做崩落角和
崩落角与移动角的大小，与
采空区上部岩层的物理机械性质、层理和节理的发育程度、水文地质构造、开采深度以及所采用的采矿方法等因素有直接关系，通常在30o～80o之间。每种岩层和地质条件有其自己的崩落角和移动角。一般说来，矿体上盘岩石移动角上于下盘岩石移动角，矿体走向两端的移动角最大。表7-6为常见的岩石移动角。
地表移动带内区域为危险区，在移动地带内布置的开拓工程或地表永久性建（构）筑物将受到破坏。为确保安全，避免因地表移动而带来的损失，应将主要开拓巷道和其他需要保护的建（构）筑物布置在移动范围之外，并与地表移动带边界保持一定安全距离。安全距离与建（构）筑物保护等级有关，按规定I级保护建（构）筑物的安全距离为20m，II级保护建（构）筑物的安全距离为10m。矿山各种建（构）筑物的保护等级见表7-7.
表7-7 地表建（构）筑物保护等级
各种岩石移动角的选取要综合各种有关资料，同时又要参考与之毗邻岩石的情况。在设计中，主要开拓巷道位置的选择是以地质探矿等资料作为主要依据。现在一些小矿山的地质资料，因工程不全，对地质情况掌握得不那么准，这就要根据实际情况，尤其在地势较平缓的地方，布置竖井工程。由于第四纪岩层较厚，工程穿过的各种岩层的移动角和地平安全距离均应留有余地，否则就会产生预想不到的后果。
移动带的圈定，是根据基干个垂直于矿体走向的地质横剖面图和沿走向的地质纵剖面图，从矿体开采的最低一个水平起（当矿体不规则时，从矿体上、下盘
的突出部位起），按各层岩石的不同移动角（矿体的上盘、下盘和端部），分别做直线与地面相交，然后将矿体上、下盘和端部各交点逐一连线，在地形图上形成一条闭合圈，这便是所要圈定的地表移动带。
如果由于某些条件限制，主要开拓巷道或重要建（构）筑物只能布置在岩石移动带内，为安全起见，必须留有保安矿柱或采用接顶效果较好的胶结充填采矿法。
所谓保安矿柱，就是在主要开拓巷道的周围和其他地表建（构）筑物之下，在服务年限内不予开采的矿石，也就是保护主要开拓巷道和地表建（构）筑物范围内的矿体。留保安矿柱可以在岩石移动带内形成一个不发生移动的安全保护带，使位于其内的构筑物不受岩石移动的影响。
在矿山设计中，主要开拓工程的布置（位置），应以开采所最深水平为基准。若矿床采用联合开拓或分期开采，而深部的地质资料（主要指矿体产状要素）了解得比较清楚，不管二期开拓采用何种方案，在确定上部开拓工程位置时，要考虑深部（或二期工程）工程所带来的影响。当深部矿体未封闭，但是地质情况了解得又比较少时，就应该进行综合分析和研究。即设计人员要广泛调查财围同一种类型矿床的赋存规模，研究其深部矿体产状，根据可能延伸到的矿体，做出大致的矿岩移动角，划出移动界限，然后布置地表工程和上部开拓工程。只有这样，才能使矿山在整个生产过程中不因岩石移动而产生意外。
二、按最小运输功确定开拓巷道位置
在确定主要开拓巷道位置时，应使矿床开采过程中的矿石运输费用最低。矿石的地下和地表运输费用与运输量同运输距离的乘积成正比。我们把运输量同运输距离的乘积称为运输功。运输费用的计费依据与运输距离有关，也与井筒位置有关。合理的井筒位置应在矿石的地下地表运输功为最小之处。
为减少运输功，应尽可能使地下与地表之间无反向运输。此外，在使用运输设备而运输距离又相近的条件下，地表运输费用往往低于井下运输费用。最小运输功确定主要开拓巷道位置，一般不做定量计算，而只做大概的定性分析即可。
三、主要开拓巷道位置确定方法
主要开拓巷道位置的选择，在本章第二节已提到，此外仅述选择主要巷道位置时的几项要求：
1）有充足的工业场地，能容下有关建（构）筑物；
2）有选厂距离较短且矿石运输方便，或有较好的外部运输条件；
3）有排废石场地；
4）有防洪条件（一般高出最大洪峰2m），且不受山岭岩石崩塌的影响；
5）有较好的地质条件，尽量避免主要开拓巷道穿过断层、含水层等不利地层；
6）尽量减少开拓工程量。
总之，在选择合理位置时，
不能将上述所有影响因素等价
进行分析，设计者必须抓住其中
的几个主要矛盾进行分析，然后
方可得到合理的位置。
图7-23中，矿床的开拓方法
已拟定为下盘竖井开拓。根据井
下最小动输功的原则，位置1较
合理，1与3处都有很好的排废
石场地，且有较理想的工业场
地，但若竖井定为位置1则必须
形成两翼通风，即两翼均需掘通
风井，这样基建工程量大，工期
长，同时利于管理。在确定竖井位置时，这将成为主要矛盾。最后确定在掘主竖井，在位置3掘主风井，形成了角式通风，大大减少了基建工程量和资金，缩短了基建周期。
考虑了上这条件后，主要开拓巷道的位置就确定了。为了解井筒将要穿过的岩层情况，检查是否有利于井筒掘进和维护的因素，一般需要先打得超过10～15m，并超深于井筒3～5m。当主要开拓巷道为斜井时，需要打彼此间距不大于50m，且与井筒垂直的钻孔。在岩性较为复杂的矿田内，打的必要性是显而易见的。如某石棉矿因事先未打工程钻，竖井下掘时遇到一段较厚的破碎带，结果不得不采取特殊办法施工，这不仅拖延了工期，增加了掘进费用用，也突破了基建投资概算。
中段平面开拓设计
中段平面开拓设计是矿床设计的一部分，其主要内容是中段开拓平巷的布置，主要目的是满足矿岩运输、通风、排水和探矿等要求。中段需要开拓一系列的运输巷道及硐室，将矿声与主要开拓巷道（各种掘进的井筒）连接起来，从而形成完整的运输、通风和排水，给井下人员造成良好的工作环境和必要的条件。因此，中段运输巷道布置是否合理，直接影响着井下工人的安全生产和作业条件、开拓工程量、中段的运输能力乃至矿块的生产能力。
中段运输平巷一般有单轨、双轨和环形等形式。
影响中段运输平巷布置的因素
1、中段运输能力
中段运输平巷的布置，首先要满足中段生产能力的要求（如有溜井与上中段相通成为组合石门中段，还应考虑从上部中段溜至本中段部分矿岩量的运输能力，在矿山设计时，中段运输留有余地，以满足生产情况多变的需要，同时也可使矿块（房）生产能力的发挥得到保证。
对于中小型矿山，因为中段运输能力不大，一般都采有用单一沿脉运输平巷；如运输些紧张，可采取在运输平巷内每隔一段距离加大巷道宽度，使局部单轨加宽为双轨的办法，以便提高中段运输能力。
2、矿体鹌鹑和矿石围岩的稳固程度
当矿体鹌鹑小于6～8m时，常采用单一沿脉巷道布置；矿体厚度在8m以上，在中小型矿山多采用单一沿脉巷道加穿脉巷道布置；只有极厚矿体，才采用环形巷道布置。
中段运输平巷一般采用沿下盘脉外布置，下盘围岩的稳固程度也应予以考虑，实践中，由于下盘围岩不稳固而将中段运输巷道布置在脉内的情况仍少，这是因为在脉久布置中段运输平巷可对同时工作的矿块分配风量，而且不须为保护运输巷道而留矿柱。
3、采矿方法
如采矿方法为崩落法（或其他空场采矿法），中段运输平巷一般布置在脉外，而且要布置在下中段的崩落界线以外，以保证开采下中段时作回风巷道。另外，中段运输平巷沿矿体走向或垂直走向的布置方式以及其底部结构形式等，都能影响矿块装车点位置、数目和装矿方式。
4、通风系统
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汇能网讯：开采作业造成地下形成采空区，打破采空区周围岩石的原始平衡状态，引起周围岩石的变形、破坏和崩落，并最终导致地表发生移动和陷落。地表产生陷落和移动的地带，分别叫做陷落带和移动带，如下图所示。采空区底部与地表陷落带或移动带边界的连线和水平面的夹角称为岩石的陷落角或移动角，其大小与岩石的性质等有关。
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提示： 首先以不同的角度作出多个剖面，在各个剖面中从最低一个开采水平的采空区底板起，根据岩石的性质选定的各层岩石崩落角和移动角，划出矿体上盘、下盘及两端的崩落和移动界限。如遇上部岩层发生变化，则按变化后的岩层的崩落角和移动角继续向上划作，并一直划到地表。这种划出的界限必与地表交成许多点，随后将各剖面上的这
& &&首先以不同的角度作出多个剖面，在各个剖面中从最低一个开采水平的采空区底板起，根据岩石的性质选定的各层岩石崩落角和移动角，划出矿体上盘、下盘及两端的崩落和移动界限。如遇上部岩层发生变化，则按变化后的岩层的崩落角和移动角继续向上划作，并一直划到地表。这种划出的界限必与地表交成许多点，随后将各剖面上的这些交点分别用光滑的曲线连成闭合图形。这个闭合图形所圈定的范围便是地表和相应各阶段的崩落带和移动带。具体方法如图5-18所示。
&&& 图5-18&&& 划定移动区和保护带界限示意图
1-表土层；2-矿体；3-地表移动区界限；4-保护带界限
&&& 保护带视保护物的保护等级在移动带外延10~50m。受Ⅰ级保护的建筑物和构筑物，其移动界线外的安全距离应不小于20m；受Ⅱ级保护的建筑物和构筑物，安全距离为不小于10m；如地表有河流、湖泊则安全距离应在50m以上。地表建筑物和构筑物保护等级见表5-2。
&&& 表5-2&&& 地表建筑物和构筑物保护等级
&&& 建筑物和构筑物的名称
& 提升井筒、井架、卷扬机房
& 发电厂、中央变电所、中央机修厂、中央空压机站、主扇风机房
& 车站、铁路干线路基、索道装载站、锅炉房
& 贮水池、水塔、烟囱、多层住宅及多层公用建筑物
& 未设提升装备的井筒通风井、充填井、其他次要井筒、架空索道支架、
高压线塔、矿区专用铁路线、公路、水道干线、简易建筑物
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地下金属矿山岩层移动角与移动范围的确定方法研究（论文）
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中南大学硕士学位论文地下金属矿山岩层移动角与移动范围的确定方法研究姓名：袁义申请学位级别：硕士专业：采矿工程指导教师：赵国彦中南大学硕士学位论文摘要摘要矿山开采必然引起地表下沉，研究岩层移动与沉陷问题成为一个重要课题。&&&&我国一些地下金属矿山，由于开采设计中采用的移动角不甚合理，使得地表的建筑物和生产设施处于移动区内而产生变形破坏，不仅给矿山造成了经济损失，而且对矿山的安全生产构成巨大的威胁。&&&&本文针对永平铜矿露天、地下联合开采现状，对采场覆岩特别是上覆岩层在开采过程中的应力变化和变形特性的研究，从流变学的角度总结出了岩层特别是地表的下沉随时间的变化规律。&&&&通过分析了采场区域应力变化对覆岩特别是地表移动变形的影响。&&&&岩层移动角主要受到上覆岩层岩性、开采深度、开采厚度、采矿方法等因素影响；总结岩层移动角的确定方法，对岩石流变性对移动角的影响进行分析。&&&&初步弄清了采矿作业对地表岩层移动的主要影响因素和运动规律。&&&&通过对岩层移动与岩石蠕变的相关性分析，得到岩石蠕变特性与损伤模型，对加载过程中蠕变损伤方程进行介绍和推导。&&&&用流变力学原理推导地表移动下沉值与时间的函数关系式，通过对岩层移动角计算公式的修正，得到更为精确的移动角，有效地对开采地表变形进行预计。&&&&使用岩移参数确定方法对永平铜矿３撑，硝、群勘探线剖面进行地表移动分析，结合地下开采初步设计，确定永平铜矿移动角，得到整个开采范围的地表移动带。&&&&通过Ｓｕｒｐａｃ建立三维可视模型，将确定的移动带在三维的模型上能够显示出来。&&&&关键词：移动角，移动范围，蠕变理论模型，损伤模型，三维可视模型ＡＢＳＴＲＡＣＴＭｉｎｅｒａｌｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎｗｏｕｌｄｉｎｅｖｉｔａｂｌｙｌｅａｄｔｏｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ．Ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅａｎｇｌｅｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｒｏｃｋｍｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅａｒｅａ．ＳｏｍｅｏｆＣｈｉｎｅｓｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｍｅｔａｌｍｉｎｅｓｗｈｉｃｈｗｏｒｋｉｎｇｗｉｔｈｕｎｒｅａｓｏｎａｂｌｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅａｎｇｌｅｌｅａｄｔｏｔｈｅｄａｍａｇｅｔｏｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｂｕｉｌｄｉｎｇｓａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｆａｃｉｌｉｔｉｅｓｉｎｔｈｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅａｒｅａ．Ｉｔｂｒｉｎｇｓｈｕｇｅｅｃｏｎｏｍｉｃｌｏｓｓｅｓａｎｄｔｒｅｍｅｎｄｏｕｓｔｈｒｅａｔｔｏｔｈｅｍｉｎｅｓａｆｅｔｙ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｗｉｔｈｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔｏｆ‘‘ＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅａｒｅａｏｆｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｄｕｅｔｏＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｍｉｎｉｎｇｏｆＹｏｎｇｐｉｎｇＯｐｅｎ??ｐｉｔＣｏｐｐｅｒＭｉｎｅ”．Ａｐｐｌｉｅｄｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｈｉｃｈｇｅｔｆｒｏｍｔｅｓｔｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅａｎｇｌｅａｎｄｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅａｒｅａ．Ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅａｎｇｌｅｄｅｐｅｎｄｓｏｎｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｌｉｔｈｏｌｏｇｙ，ｍｉｎｉｎｇｄｅｐｔｈ，ｍｉｎｉｎｇｈｅｉｇｈｔ，ｍｉｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｏｔｈｅｒｆａｃｔｏｒｓ．ＴｈｅＰａｐｅｒｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆｃｏｎｆｉｒｍｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅａｎｇｌｅ，ａｎａｌｙｓｉｓｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃｒｅｅｐｔｏｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅａｎｇｌｅ，ａｎｄｕｎｃｏｖｅｒｓｐｒｉｍａｒｉｌｙｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐａｌｒｅａｓｏｎｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｐａＲｅｍｏｆｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｒｏｃｋｓｈｉｆｔｉｎｇａｓｔｈｅｍｉｎｉｎｇａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｇｏｉｎｇｏｎｉｎｔｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｍｉｎｉｎｇａｒｅａｏｆｔｈｅＹｏｎｇｐｉｎｇＯｐｅｎ―ｐｉｔＣｏｐｐｅｒＭｉｎｅ．Ｉｔｏｂｔａｉｎｔｈｅｒｏｃｋｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｃｒｅ印ｄａｍａｇｅｍｏｄｅｌｄｅｐｅｎｄｏｎｒｅｌａｔｉｖｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｔｈｅｒｏｃｋｍｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｃｒｅｅｐ．Ｉｔｄｅｒｉｖｅｄｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｉｍｅａｎｄｄｙｎａｍｉｃｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｖａｌｕｅｓｂｙｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｍｅｃｈａｎｉｃｓ．ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｆｏｒｅｃａｓｔｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ．Ｗｅｃｏｕｌｄｇｅｔｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｖａｌｕｅｏｎａｍｅｎｄｉｎｇｔｈｅｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅａｎｇｌｅ．Ｍｉｎｉｎｇｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎａｒｅｐｒｏｖｉｄｅｄｆｏｒｔｈｅ３，７，８ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｌｉｎｅｓｏｆｔｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｍｉｎｅａｒｅａｄｕｅｔｏＹｏｎｇｐｉｎｇＯｐｅｎ―ｐｉｔＣｏｐｐｅｒＭｉｎｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｒｏｃｋｍａｓｓｍｅｔｈｏｄ．Ｉｔｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ３ＤｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｗｉｔｈｔｈｅｓｏｆｔｏｆＳｕｒｐａｃａｎｄａｍｅｎｄｅｄｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅａｒｅａｓｈｏｗｅｄｉｎｔｈｅｍｏｄｅ】．ＫＥＹＷＯＲＤＳ：ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅａｎｇｌｅ；ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅａｒｅａ；ｃｒｅｅｐｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ；Ｉｌ原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。&&&&尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。&&&&与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。&&&&作者签名：垂幺日期：垃年〔月三日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。&&&&同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。&&&&夕、作者签名：：礁赵．导师签名日期：鲨！年玉型日中南大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论１．１引言人类对工程开挖引起的地表移动与变形研究是从地下矿山开采的研究开始的。&&&&开采沉陷理论作为采矿工业的一个重要研究分支，其研究已有较长的历史，在各种开采现象的研究中，对地下开采引起的地表沉陷的研究方法主要有：建立数量众多的地表移动观测站、创建了各种预计理论、提出了各种计算方法，开发了大量的计算软件，使其理论与方法日趋成熟。&&&&随着地下工程开挖规模和深度的增加，金属矿山地下开采引起的岩层移动与地表沉陷也带来了一系列新的问题。&&&&研究岩层移动与沉陷最重要的角值参数就是移动角【ｌ】。&&&&在传统的采矿设计方法中，圈定移动、陷落范围时引入了移动角、陷落角的概念。&&&&地表移动盆地是在采矿工作面推进过程中，地表的影响范围不断扩大，下沉值不断增加，在地表就形成了比开采范围大得多的下沉盆地。&&&&充分采动条件下，地表移动盆地的主断面上临界变形值的点和采空区边界的连线与水平线之间在采空区外侧的夹角称为移动角。&&&&下山方向的移动角为孱，上山方向的移动角为九，走向方向的移动角为皖。&&&&图１－１移动角示意图临界变形值是指无须维修就能保持建筑物及各种设施正常使用所允许的地表最大变形值，根据临界变形值可圈定地表移动的危险变形区与非危险变形区。&&&&对于一般砖石结构的建筑物，其临界变形值定为：ｆ＝３ｍｍ／ｍｇ＝２ｍｍ／ｍｋ＝０．２×１０’３／ｍ中南大学硕士学位论文第一章绪论其中：ｆ―地表倾斜度，表示下沉沿某一方向的坡度值；占―地表水平变形，一线段两端点的水平移动差与此线段长度之比；七―她表剖面线的弯曲度。&&&&陷落角，即采空区上方地表最外侧的裂缝位置和采空区边界的连线与水平线之间在采空区外侧的夹角。&&&&也有理解为与陷落临界变形点的连线的夹角，陷落临界变形点的变形值恒定为：ｆ＝ｌＯｍｍ／小占＝６ｍｍ／胁七＝０．６×１０－３／ｍ在金属矿山地下开采过程中可以根据、上述判别标准圈定实测的移动角和陷落角。&&&&由于在矿山开采之前由于移动角、陷落角取值的影响因素十分复杂，通常只能通过与条件相近的矿山进行类比，参考它们的实测资料来预测。&&&&由于各个矿山的条件千差万别，很难类比，所以在确定的时候，操作者的经验和分析判断的能力就起着很重要的作用。&&&&另外，从上述移动角和陷落角的概念可以看出，对它们的定义都是由采空区底部边界出发联线的，与矿体的起采高程等都不发生关系，在采用工程类比法时，很难找到各种条件都类似的开采时不同起采高程的参考资料。&&&&采用传统设计方法中，依据移动角、陷落角的概念进行设计时，往往会得出矿体埋深越深，地表移动、陷落范围越大的结果，这与实际情况有较大出入。&&&&因此，为实现矿山的安全开采，在地下开采过程中，必须对地下开采引起的上覆岩层的移动规律及其对地表移动的影响和采场地压分布规律进行研究。&&&&确定合理的岩层移动角及移动范围。&&&&’１．２岩层移动角及国内外研究现状一般将地表岩层移动分为连续岩层移动和非连续岩层移动两种类型，就其研究理论而言，目前主要有以下几种理论。&&&&（１）上盘渐进崩落理论【２】主要针对露天转地下、用崩落法回采的矿山。&&&&霍克（Ｈｏｅｋ）１９７４年发展了一种根据已知初始位置来计算渐进崩落的极限平衡分析方法。&&&&布朗（Ｂｒｏｗｎ）和佛古逊（Ｆｏｒｇｕｓｏｎ）将其适用条件扩大，应用于倾斜地表以及剪切面中含有地下水的情况，这种方法称为顶板渐进崩落极限平衡分析法。&&&&该法认为在顶板渐进崩落过程中处于极限平衡状态的楔形体随着矿石的采出将沿某一个破坏面滑移，采用莫尔一库仑强度准则进行判断。&&&&因其直观具体，该法在许多矿山地表的稳定性评价中都有应用。&&&&（２）上下盘渐进断裂理论ｐＪ该理论也是针对露天矿转地下开采、用崩落法回采的矿山。&&&&印度矿业学院的辛格教授认为，上下盘地表的破坏机理应该是拉伸断裂而非剪切破坏。&&&&在地表的４中南大学硕士学位论文第一章绪论上盘区域一旦发生拉伸断裂，就会以张力不稳定方式随同采深增加而变强，从而在地表出现新的拉伸断裂。&&&&借助ＦＬＡＣ程序，分别对瑞典基律纳铁矿，印度拉贾斯坦帮的拉杰普拉里巴锌矿进行数值模拟研究，其结果与实测基本一致。&&&&（３）松动区引起地表岩层移动理论【４】葛修润等认为，地下开采的采空区周围存在破损区，将采空区和破损区作为松动区，在松动区内将会发生沉陷或较大的位移，而在松动区外的岩体则有自成平衡的稳定趋势。&&&&崩落区的确定，从松动区边界最宽的位置作铅垂线，与地表的．交点作为崩落区。&&&&移动区范围的确定，从采空区顶作横线，与上述两条铅垂线相交于两点，以此两点分别按类似矿山的移动角做出两条斜线与地表相交于两点，该两点之间的范围为移动区。&&&&（４）构造应力控制矿山地表岩层移动理论【６】我国金属矿山与非金属矿山，倾斜、急倾斜产状矿床总是与显著残余构造应力场相联系。&&&&例如铁矿床，无论是沉积变质磁铁石英岩型的鞍本、冀东、岚县矿区及岩浆岩钒钛磁铁矿型的攀西矿区，还是高温热液接触交代矽卡岩磁铁矿型的鄂东、宁芜、邯邢、鲁中矿区及含稀土金属型的包头矿区，实测构造应力显著。&&&&如构造应力存在及其开挖卸载作用，改变了破碎体向采空区的移动轨迹与模式，使得同一水平面内各个方向的移动呈现各向异性。&&&&颜荣贵教授等认为构造应力型矿山的地表岩层移动与变形可等效于自重应力及概化地应力两者开挖卸载作用．迭加，概化地应力开挖卸载导致围岩扩容，从而使采空区地表最大下沉值减小，水平移动及变形影响范围外扩，相对值增加。&&&&（５）矿山岩体采动影响与控制工程学理论【７】虽然这一理论主要是针对煤矿开采地表岩层移动的理论，但有些科技工作者将之应用到金属矿山领域，也取得了可喜的成果【３】。&&&&刘天泉提出了岩体变形的空间分带论，地表变形的空间形态论，岩体和地表变形的地层结构论，岩体和地表变形的地层质量评价论。&&&&刘天泉还提出了控制岩体采动影响的７种控制类型，即下沉、变形、水平移动、垂直变形、顶板破坏高度、底板破坏深度及集中应力强度。&&&&（６）随机介质理论波李特威尼中等学者应用非连续介质力学中的颗粒体介质力学研究岩层及地表移动问题，认为开采引起的岩层和地表移动的规律与作为随机介质的颗粒体介质模型所描述的规律在宏观上相似。&&&&概率积分计算方法就是把地下开采所引起的岩层及地表移动过程看成是随机过程，用概率论的方法建立了由地下单元开采所引起的岩层及地表单元下沉盆地表达式、单元水平移动表达式，经迭加建立地表下沉的剖面方程及其它移动与变形分布表达式。&&&&５中南大学硕士学位论文第一章绪论随机介质作为一种力学模型也存在着缺陷，主要是无法研究复杂地质采矿下的岩层移动和无法进行应力分析。&&&&１９６５年，我国学者刘宝深、廖国华把随机介质理论发展成为概率积分法。&&&&在我国得到广泛应用，至今仍是开采沉陷预计方法中应用最多的一种。&&&&但大量试验表明该法存在一些不足。&&&&在充分采动条件下，上覆岩层遭到的破坏较为严重，把破坏的岩层看成是随机介质符合一定的实际情况；在极不充分开采条件下，上覆岩层破坏的远不如充分开采那样严重，岩层移动变形机理与充分开采有着明显不同，不能把整个岩层看成是随机介质的游动，这样如果利用基于随机介质理论的概率积分法来预计地表的移动和变形就可能与实际情况相差很远。&&&&而且用概率积分法进行地表移动变形研究时，其参数的选择是至关重要的，一般需要经过现场观测，将若干观测资料进行综合分析才能确定。&&&&（７）灰色理论系统我国学者邓聚龙于１９８２年首先提出灰色系统理谢１３】。&&&&这个理论不要求对系统的物理机制有详尽确切的了解，而着重对系统的内部机构及参数的总体特征进行研究，尽量发挥己有信息的作用，对系统的发展、控制和局势决策做出合乎实际的判断。&&&&灰色系统模型（ＧＫ）是以微分方程描述的，它揭示了事物长期发展的过程〔ＩＯｌ。&&&&一般来说，灰色系统采用线性模型。&&&&矿山岩层与地表移动受地质、采矿条件等多种因素的作用，在具有二定观测资料的条件下，特别适合应用灰色系统预测。&&&&该理论不同于数理统计方法，后者要求相当大的数据量，从而寻找典型的概率分布，这往往是困难和不经济的。&&&&而灰色系统理论不是从寻找统计规律的角度出发和进行大样本的研究，而是巧妙地利用数据生成的方法，将杂乱无章的原始数据整理成规律性较强的生成序列进行研究。&&&&１．３课题来源及研究意义１．３．１课题研究背景‘目前，地下开采引起的岩层移动和地表沉陷是一个非常严重的地下工程问题。&&&&在地下开采过程中，原岩应力平衡遭到破坏，围岩发生变形、移动，甚至产生大面积移动。&&&&随着开采深度的增加，矿石不断采出，围岩变形、移动和破坏逐渐加剧。&&&&因此，为实现矿山的安全开采，在地下开采过程中，必须对地下开采引起的上覆岩层的移动规律及其对地表移动的影响和采场地压分布规律进行研究。&&&&我国一些地下金属矿山，由于开采设计中采用的移动角不甚合理，使得地表的建筑物和生产设施处于移动区内而产生变形破坏，不仅给矿山造成巨大的经济损失，而且对矿山的安全生产构成巨大的威胁。&&&&当然，移动角的选取问题十分复杂，一方面移动角的选取满足安全生产的需求，另一方面减少征地面积，降低丌采成本。&&&&因此，如何科学合理地确定矿山地下开采的地表岩体移动角，是一项重６中南大学硕士学位论文第一章绪论大的科研难题。&&&&永平铜矿是江西铜业第二大主体矿山，采、选生产能力１００００ｔ／ｄ。&&&&矿山从１９８２年用露天开采方法开采至今已有２０多年历史。&&&&矿山于２００２年实施了扩帮延深开采，但基于露采储量限制，矿山稳产年限仅８年左右，矿山预计２０１５年停产闭坑。&&&&为充分回收永平铜矿露天境界外的金属资源，尽可能延长矿山寿命，维持永平铜矿１００００ｔ／ｄ生产规模，确保江铜持续稳定发展，永平铜矿实施了露天转地下工程建设，即维持５０００ｔ／ｄ露采规模，新增地下开采５０００ｔ／ｄ生产规模。&&&&在露转坑过程中，由于地采深入露采最终境界以下，地下开采工程与空区势必严重影响露采边坡稳定性及其地采主要井巷工程的安全。&&&&因此，有必要对地采工程影响范围内的岩体稳定性进行深入的调查和研究，并计算圈定移动带范围。&&&&本文以工程地质调查和岩石力学实验结果为基础，并结合北京有色冶金设计总院提交的《江西铜业股份有限公司永平铜矿露天转地下开采可行性研究报告》中相关资料和说明，采用理论研究和计算的方法系统研究永平铜矿露天转地下开采时矿区地表的移动机理，预测岩层的移动角和移动范围。&&&&１．３．２课题研究意义金属矿床中矿体形状通常是不规则的，因而所形成的采空区形状和尺寸也千差万别。&&&&金属矿山地质构造较煤矿更为复杂和不规则，致使一些用于煤层开采引起地表移动的规律和预测理论一般难以直接用于地下金属矿床。&&&&金属矿地下开采的地表移动预测研究仍旧处于初步阶段。&&&&分析归纳起来，由开采引起的岩层移动和地表塌陷而造成的负面影响主要有以下几点：（１）地表出现采动沉陷盆地，在地面产生开裂、倾斜和弯曲等变形，甚至出现阶梯状塌陷坑、塌陷漏斗，在山区可能引起山体或地表滑坡等地质灾害。&&&&（２）地面各种建筑物（包括城乡民宅、机关学校、商店及工矿厂房等）产生裂缝、倾斜，甚至倒塌，或者由于地表沉陷而使建筑区出现积水。&&&&（３）铁路、公路、地面管道及地下所埋设的各种管线（包括自来水管、煤气管、电缆管）产生偏斜、坡度变化，甚至被拉裂或拉断。&&&&（４）地表河流、湖泊、水库、工业和民用水井及地下含水层等各种水体产生导水裂隙，引起水资源大量渗漏，还可能出现流失现象。&&&&（５）土壤生态系统遭受严重侵蚀，有用矿物质、养分和水汽漏失或挥发，绿色植被生长环境被破坏，甚至引起肥沃的土壤沙漠化或沼泽化。&&&&（６）地表水、地下含水层中水、开采矿层上覆岩层中的流砂砾石等流入井下采区，严重威胁井下人员及生产安全。&&&&７中南大学硕士学位论文第一章绪论（７）破坏了开采矿层上覆岩层中的有用矿床，造成地下水系紊乱，严重影响了矿产资源的合理开发和综合利用。&&&&上述地质灾害一旦发生，将给矿山企业、矿区居民造成难以估计的经济损失。&&&&地表移动变形造成的地表生态环境破坏问题己经成为矿山企业面对的最严重的社会问题。&&&&它不仅影响着矿区人民的生产、生活，同时也降低了矿山的经济效益，制约矿山的生产发展。&&&&为此，必须对开采区影响范围内的岩层移动和地表变形进行准确的计算，杜绝地质灾害的发生。&&&&地表移动带的圈定意义重大，不仅能带来巨大的经济效益，也能带来显著的社会效益及环境效益。&&&&通过对矿山岩移规律的研究，可以有效地减少损失，保证矿山的安全生产，促进矿区经济发展和社会稳定。&&&&１．４本章小结地下开采都可能造成地表的移动，但到目前为止，国内外研究仍多集中于煤矿开采地表移动规律和控制技术的研究，对于地下金属矿山则研究得相对较少。&&&&煤层赋存条件等与金属矿山的差别较大，导致一些研究煤矿开采地表移动的计算不能直接应用于金属矿山的岩层移动问题，但仍有一定的借鉴作用。&&&&事实上，由于金属矿山矿体形状极不规则，产状极不确定，对地下开采岩层移动规律的研究，在世界范围内目前都还只处于初期探索阶段。&&&&金属矿山地下开采地表移动规律及机理的建立具有相当的难度，迄今为止，该领域的研究工作依旧是国际上重大工程科研难题。&&&&地下开采地表移动的研究有这极强的经济价值和社会意义。&&&&８中南大学硕士学位论文第二章岩层移动角影响因素分析与确定方法第二章岩层移动角影响因素分析与确定方法２．１岩层移动角影响因素分析地下金属矿床复杂的地层结构、多变的采场边界条件以及众多采矿因素的影响，不仅导致围岩变形破坏的连续和非连续并存，拉、压及剪切破坏机理共在，而且在采场围岩中还潜在着形状各异的节理、裂隙【１６】。&&&&同时，其介质的力学性质、变形破坏机理以及空区、空洞等，在复杂多变的采矿因素影响下，随着时间和时间的不同而发生相应的变化。&&&&矿山的开采必然引起岩层变形与移动，其变形速度、影响范围、发生与发展时间受众多因素的影响，诸如岩体物理力学性质、开挖深度、地质构造、水文地质条件与开挖施工工序与工艺等都是影响岩层移动的影响因素【１７ｌ。&&&&实测资料及理论研究已证实，影响岩层移动角的地质采矿因素如下：（１）上覆岩层岩性。&&&&上覆岩层的力学性质是影响岩层移动角的主要因素之一。&&&&不同矿区上覆岩层的力学性质不同，岩层移动角的数值也不同。&&&&硬岩层的移动角大，软岩层的移动角小。&&&&文献〔１８〕给出了岩层移动角随覆岩性质变化的取值范围。&&&&通常用覆岩平均坚固性系数，来反映上覆岩层岩性。&&&&可按下式计算：厂＝磷（２－１）式中，ｍ；一覆岩第ｉ层的法向厚度，ｍ；足一第ｆ层的单向抗拉强度，ＭＰａ。&&&&（２）开采深度。&&&&开采深度也是影响岩层移动角的一个重要因素。&&&&实测资料及理论证明，随着采深的增大，移动角有所增大。&&&&因在其他条件相同的条件下，地表移动和变形值与采深成反比，采深越大，地表变形减小，与临界变形值相应的点相对地向盆地中央偏移，故移动角就大。&&&&（３）开采厚度。&&&&开采厚度对上覆岩层及地表移动过程的性质有重要的影响。&&&&采厚越大，地表移动和变形值也越大，移动过程剧烈，移动范围增大，岩层移动角减小。&&&&（４）矿体倾角。&&&&综合分析表明，矿体倾角不同，上覆岩层移动形式、破坏发展过程、破坏影响分布状态等特征也会不同。&&&&随着矿体倾角的增大，地表移动盆地向采区下山方向扩展，下山移动角减小。&&&&通常把下山移动角ｐ表示为煤层倾角ａ的函数，即：‖＝万一七口（２―２）９中南大学硕士学位论文第二章岩层移动角影响因素分析与确定方法式中：镰向移动角；七一系数，与上覆岩层的岩性有关，岩性越硬，ｋ值越大。&&&&（５）采矿方法和顶板管理方法。&&&&采矿方法和空区管理方法对岩层移动有重要的影响。&&&&煤矿方面普遍采用的采煤方法是长壁式采煤法，顶板管理方法绝大部分为全部跨落法：金属矿矿山主要采用空场法、崩落法和充填法。&&&&凡是允许顶板跨落的采矿方法势必对地表的移动产生影响，崩落采矿法即在允许地表塌陷的情况下使用的采矿方法；充填采矿法则是对采空区进行充填，充填体的强度对地表的塌陷有较好的改善作用。&&&&（６）断层的影响。&&&&岩层移动受断层的控制，若上覆岩层中有断层存在，可能引起断层上下盘沿断层面相对移动。&&&&根据断层面倾角与岩层移动角之间的相对关系，断层可使地表移动范围增大，也可使移动范围减小。&&&&岩层移动受到断层的影响还是要具体问题具体分析。&&&&（７）岩石的流变特性。&&&&岩石材料本身所具有的粘性性质，如蠕变松弛、滞后以及弹性后效等。&&&&一般的软岩，如盐岩、泥岩、粘土岩等，其粘滞系数都达到１０仁１０９ＭＰａ／ｓ硬岩的流变性态相对较弱，如测得的花岗岩的粘滞系数为１０１３ＭＰａ／ｓ。&&&&然而，由于受到成岩过程中的地质构造运动影响，岩石材料中存在各种裂隙、节理、层理等构造面，这一结构特点导致脆性岩体亦呈现较强的流变性态。&&&&同时，结构面在岩石中的随机分布特点，也使得有关岩石材料流变规律和变形特征的研究变得十分复杂和困难。&&&&岩石材料所受到的应力水平和加载方式。&&&&在岩体开挖与支护过程中，按所处的空间位置和时间间隔，岩石材料各质点所受到的应力水平和加载速率都是不同的，而这些因素都直接影响到材料的流变规律。&&&&已有观测资料表明，当施加的应力水平相对于材料强度较低情况下，岩石材料一般表现为蠕变速率持续衰减的情况，只有在应力水平达到或超过某一限值时，材料的应变速率才维持在某一常值或持续增大，并很快导致材料的破坏。&&&&室内试验中采取不同的加载速率、加载路径以及加载形式（如单轴压缩、常规三轴等），所获得的岩石材料应力―应变一时间曲线间存在很大差别。&&&&岩石材料的强度随着时间的变化而发生变化，流变是考虑到时间作用对移动角的影响因素。&&&&２．２岩层移动角确定方法地下工程结构以矿山最为复杂。&&&&就现有矿山而言，由于对岩层移动预测不足或不准确，许多矿山不同程度地受到岩层移动的危害，导致井巷破坏、地面下陷或矿山局部报废等，不得不对工程重新进行加固，因而额外增加工程费用，延长工程周期，或者不得不留保安矿柱，造成资源的永久性损失，导致巨大的经济损ｌＯ中南大学硕士学位论文第二章岩层移动角影响因素分析与确定方法失和不可挽回的资源浪费。&&&&提高地下工程岩层移动参数预测的准确性，一直是岩土工程领域的研究重点。&&&&总结国内外在该领域的发展现状与研究成果，岩层移动的预测理论与预测方法主要有：①观测、探测、测试方法；②理论分析方法；③物理模拟方法；④数值分析方法等。&&&&２．２．１煤矿岩层移动研究进展２．２．１．１观测、探测、测试方法观测、探测、测试方法是研究地下开采对地表变形影响的重要手段。&&&&分为地表岩层移动观测和岩层内部变形观测。&&&&地表布置变形监测网（线），采用水准仪、经纬仪、或全站仪进行监测，这是比较常用的方法。&&&&岩层内部变形观测还可以采用钻孔倾斜仪法。&&&&钻孔倾斜仪可以从两个正交方向上描述全测孔深的位移全貌，从而准确地确定岩层移动的具体位置及位移的大小和方向。&&&&特别适合于地下开采地表岩层移动的监测。&&&&其它方法还有电阻法、声发射法和地质雷达等。&&&&这样一种方法可以观测到地表及岩层移动、变形、破坏的规律、围岩的应力及应力变化情况和岩体的力学性质，它是其它一切研究方法的基础，可以为其它研究方法提供必需的参数，同时，又可以检验其它方法研究结论的可靠程度。&&&&２．２．１．２理论分析方法（１）经验法目前基于实测资料的经验方法主要有：影响曲线函数法和剖面曲线法。&&&&①影响曲线函数法最早使用公式预计地面下沉的学者狄芒（Ｄｕｍｏｕｔ），他于１８７１年提出影响函数法预计公式，指出陷落法开采造成的地表下沉量（形）按下式计算：形＝ｍ×ＣＯＳａ（２－３）式中：ｍ为采厚，口为煤层倾角。&&&&１８９５年，德国人埃森提出了下列公式：矿＝ｑｍＴ（２―４）式中：ｑ表示开采方法（冒落或充.
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