三带的形成

2 “三带”理论与特征

2.1“三带”形成及特征

工作面煤层开采后，采用垮落法处理采空区，采出空间周围的岩层失去支撑而向采空区内逐渐移动、弯曲和破坏。这一过程随着采煤工作面的不断推进，逐渐从采场向外、向上（顶板）扩展直至波及地表，引起地表下沉，形成所谓的下沉盆地。

开采引起围岩的移动和破坏在时间及空间上是一个复杂的运动破坏过程，其特点是：

上覆岩层移动和破坏具有明显的分带性，从采空区至地表，覆岩破坏范围逐渐扩大、破坏强度逐渐减弱。在缓（倾）斜中厚煤层条件下，只要采深与采高之比达到一定值（Hm>40），覆岩的破坏和移动会出现三个代表性的部分，自下而上分别为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，如图2-1所示。

地表321

图2-1 采动覆岩移动破坏“三带”分布

1—冒落带 2—裂隙带 3—弯曲下沉带

2.1.1 冒落带

冒落带也称垮落带，是指失去连续性、呈不规则岩块或似层状岩块向采空区冒落的岩层。

冒落岩块由于碎胀，体积较冒落前增大，增大比率可用碎胀系数表示，碎胀系数大小与岩性及采厚有关。硬岩及采厚较大时，其值大，反之较小，平均在1.2~1.6的范围。在自由堆积状态下，由于冒落岩块碎胀性而逐渐充填开采空间，导致冒落带发展到一定高度而自行停止。

冒落带碎落岩块在上覆岩层的沉降压力作用下被逐渐压实，甚至部分形成再生顶板。厚煤层分层开采时，冒落岩块受重复采动的多次破坏，岩体碎度增大，碎胀系数减小。

冒落带内岩块之间空隙多，连通性强，是水体和泥沙溃入井下的通道，也是瓦斯逸出或聚集的场所。

2.1.2 裂隙带

裂隙带又称断裂带或裂缝带。裂隙大致分为两种：一种是垂直或斜交于岩层的新生裂隙，主要是岩层向下弯曲受拉产生的，它可部分或全部穿过岩石分层，但其两侧岩体基本能保持层状连续性；另一种是沿层面的离层裂隙，这种裂隙主要是岩层间力学性质差异较大，岩层向下异步弯曲移动所致。离层裂隙要占据一定的空间，致使上部覆岩及地表下沉量减小。地表下沉总量小于开采煤层厚度，除冒落岩块碎胀外，裂缝带的离层也是其主要原因。离层裂隙是储水和导水的通道。裂缝带之上也有裂隙，可以间接导水和积水，但因垂直裂隙不发育，故不与下部裂隙沟通。

裂隙带随开采区域的扩大而向上发展，当开采区域扩大到一定范围时，裂隙带高度达到最大，此时开采区域继续扩大，裂隙带高度基本上不再发展，并随着

时间的推移，岩层移动趋于稳定，裂隙带上部裂缝逐渐闭合，裂隙带高度也随之降低。一般在采空区形成两个月左右后，裂隙带发育最高。其破坏特征是：裂隙带内岩层不仅发生垂直于层理面的裂隙或断裂，而且产生顺层理面的离层裂缝。根据垂直层理面裂缝的大小及其连通性的好坏，裂隙带内的岩层断裂又分为严重断裂、一般断裂和微小断裂三部分。严重断裂部分的岩层大多断开，但仍保持其原有的层次，裂缝漏水严重。一般断裂部分的岩层很少断开，漏水程度一般。微小断裂部分的岩层不断开，连通性差。

2.1.3 弯曲下沉带

弯曲下沉带又称整体移动带或弯曲带，是指裂隙带顶部到地表的岩层。弯曲带基本呈整体移动，特别是带内软弱岩层及松散土层时。在垂直刨面上，弯曲带上下各部分下沉量差值很小。弯曲带上部一般很少出现离层，但其下部可能出现离层。弯曲带中的离层裂隙仅局部充水而不与导水裂隙带连通。

弯曲带上方地表一般要形成下沉盆地，盆地边缘往往出现张裂隙，其深度为3~5米，一般不超过10米，其宽度向下渐窄，直至一定深度便闭合消失。因此，弯曲下沉带具有隔水保护层的作用。

以上“三带”虽各自特征明显不同，但其界面是逐渐过渡的，因而具体划分时应合理掌握。不是在所有的开采条件下都会形成“三带”，如采用充填法处理采空区时，在覆岩中将不存在冒落带；在浅部厚煤层开采条件下，开采后覆岩冒落破坏可能直达地表，这将不存在弯曲下沉带。

2.2“三带”的分布范围

2.2.1 冒落带的分布范围

冒落带位于覆岩的最下部，煤层采空后，上覆岩层失去平衡，从紧靠煤层的顶板岩层开始冒落，并逐渐向上发展，直到开采空间被冒落的岩块充满。

冒落带的高度主要取决于采出厚度和上覆岩石的碎胀系数，通常为采出厚度的3~4倍，薄煤层开采时冒高较小，一般为采煤厚度的1.7倍左右。顶板岩石坚硬时，冒落带高度为采出厚度的5~6倍；顶板为软岩时，冒落带高度为采出厚度的2~4倍。实践中可用下两式近似估算冒落带高度：

M) （2-1） H?(3~4式中：H—冒落带高度；

M—采出煤层厚度；

H?M （2-2）

(k?1)c?os式中：H—冒落带高度；

M—采出煤层厚度；

k—岩石碎胀系数；

?—煤层倾角。

岩石的碎胀系数取决于岩石性质，坚硬岩石的碎胀系数较大，软岩碎胀系数较小。碎胀系数值恒大于1，平均在1.2~1.6之间。

2.2.2 裂隙带的分布范围

裂缝带位于冒落带之上，具有与采空区相通的导水裂隙。冒落带和裂隙带合称为两带，又称冒落裂隙带，在解决水体下采煤时，称两带为导水裂隙带。两带之间没有明显的分界线，均属于破坏性影响区一般是上覆岩层离采空区距离越大，破坏程度越小。当采深较小，采厚较大、用全部垮落法管理顶板时，裂隙带可发展到地表，甚至冒落带达到地表。这时地表和采空区连通，地表呈现出塌陷

或崩落。

两带高度与岩性有关，一般情况下，软弱岩石形成的两带高度为采厚的9~12倍，中硬岩石为采厚的12~18倍，坚硬岩石为采厚的18~28倍。准确地确定两带高度，对解决水体下采煤问题有特别重要的意义。

在达到或接近充分采动时的移动盆地主断面上，临界变形点和采空区边界点的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为移动角。在移动角的形成过程中，裂隙带中形成的移动盆地靠近边缘的上部受拉，盆底受压，随着工作面的不断推进，裂隙逐渐闭合，工作面推进到一定长度，达到充分采动时，裂缝将完全闭合。

相关的计算导水裂隙带高度的经验公式可可按表2-1中的公式计算。

表2-1导水裂隙带高度计算公式

序列

岩性

计算公式（m）

1 坚硬

H1i?1.2?M?2.0100?M100?M?8.9

2 中硬

H1i?1.6?M?3.6?5.6

3 软弱

H1i?3.1?M?5.0100?M100?M?4.0

4 极软弱

H1i?5.0?M?8.0?3.0

注：?M——累计采厚，公式应用范围，单层采厚1～3m，累计采厚不超过15m，?号项为中误差。

当开采近距离煤层群时，冒落带和导水裂隙带高度的计算方法又有三种情况：

(1) 当上、下两层煤的垂距h大于回采下层煤时所产生的冒落带高度时，下层冒落带开采影响很小，可按上、下煤层的厚度分别计算各自的导水裂隙带高度

和冒落带高度，取其中标高值最大者作为两层煤的导水裂隙带高度；冒落带高度则取上层煤的冒落带高度。

(2) 当下层煤的冒落带接触到或完全进入上层煤时，上层煤的导水裂隙带最大高度按本层煤的厚度计算，下层煤的导水裂隙带最大高度则采用上、下层煤的综合开采高度计算，取其中标高最大者作为两层煤的导水裂隙带最大高度。上、下层煤的综合开采厚度可按下式（2-3）计算：

M1?2?M2?(M1?h1?2) （2-3） y2式中：M1、M2—分别是上、下层煤的开采厚度；

h1?2—上、下层煤之间的法线距离； y2—下层煤的冒落带高度与采厚之比。

(3) 如果上、下层煤的间距很小，则综合开采厚度取两层煤厚之和。 求出综合开采厚度后，即可按照单一煤层开采时的冒落带高度和导水裂隙带高度的计算公式，计算出多煤层开采条件下冒落带高度和导水裂隙带高度。

2.2.3 弯曲下沉带的分布范围

弯曲下沉带位于裂隙带之上直至地表。弯曲带的高度主要受开采深度的影响。当采深很大时，弯曲带的高度可大大超过冒落带和裂隙带的高度之和。此时，开采形成的裂隙带不会达到地表，地表的移动和变形相对比较平缓。有时在地表也可能产生一些裂缝（由地表的拉伸变形所引起），但这些裂缝表现为上大、下小，到一定深度自行闭合而消失，一般不和井下裂缝相沟通。

和冒落带高度，取其中标高值最大者作为两层煤的导水裂隙带高度；冒落带高度则取上层煤的冒落带高度。

(2) 当下层煤的冒落带接触到或完全进入上层煤时，上层煤的导水裂隙带最大高度按本层煤的厚度计算，下层煤的导水裂隙带最大高度则采用上、下层煤的综合开采高度计算，取其中标高最大者作为两层煤的导水裂隙带最大高度。上、下层煤的综合开采厚度可按下式（2-3）计算：

M1?2?M2?(M1?h1?2) （2-3） y2式中：M1、M2—分别是上、下层煤的开采厚度；

h1?2—上、下层煤之间的法线距离； y2—下层煤的冒落带高度与采厚之比。

(3) 如果上、下层煤的间距很小，则综合开采厚度取两层煤厚之和。 求出综合开采厚度后，即可按照单一煤层开采时的冒落带高度和导水裂隙带高度的计算公式，计算出多煤层开采条件下冒落带高度和导水裂隙带高度。

2.2.3 弯曲下沉带的分布范围

弯曲下沉带位于裂隙带之上直至地表。弯曲带的高度主要受开采深度的影响。当采深很大时，弯曲带的高度可大大超过冒落带和裂隙带的高度之和。此时，开采形成的裂隙带不会达到地表，地表的移动和变形相对比较平缓。有时在地表也可能产生一些裂缝（由地表的拉伸变形所引起），但这些裂缝表现为上大、下小，到一定深度自行闭合而消失，一般不和井下裂缝相沟通。

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