岩层控制的关键层理论与实践成绩
岩层控制的关键层理论及其应用
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ｐｐ，ｐｐｓ岩层控制的关键层理论及其应用钱鸣高，许家林，缪协兴（中国矿业大学采矿系．江苏徐州２２ｔ００８摘要：介绍了岩层控制关键层理论的基本概念，研究了两层硬岩层同步破断的条件厦关键层上载荷分布，揭示了关键层破断的复合效应和关键层上载荷的动态与非均布特征：．并就关键层运动对采场矿压显现、覆岩裂隙场分布及地表下沉的影响进行了分析，对关键层理论在采场矿压控制、卸压瓦斯抽放、底板突水防治、离层注装与建筑物下采煤等方面的－Ｉ－程应用情＇兄进行了．总结。
最后指出了关键层理论下一步研究的重点。
ｆ美鼍词：关键层理论；岩层移动；／卸压瓦斯抽放；离层注浆；“三下一上”采煤＾。
一１关键层理论的提出煤层开采后必然引起岩体向采空区内移动，岩层移动将造成采动损害：（１）形成矿山压力显现，危及井下回采工作面人员及设备的安全，需要对围岩进行支护；（２）形成采动裂隙，会引起周围岩体中的水与瓦斯的运移，引起井下瓦斯突出与突水等事故，需对此进行控制与利用；（３）岩层移动传递到地表引起地表沉陷，导致农田、建筑设施的毁坏，引发一系列环境问脑，需对地表下沉进行预测与控制。
ｆ．述三方面是煤矿采动损害的主要方面，也是岩层控制研究的主要内容，长期以来，采矿研究工作者对此投入了很大的研究力量，取得了相当丰硕的成果，形成了相对独立的学科研究领域和体系，如矿山压力学科和开采沉陷学科。
但是，采场围岩插动和地表沉陷是由于煤炭采出后岩体损伤和破坏变化的结果，掌握整个采动岩体的活动规律，特别是岩体内部岩层的活动规律＋才是解决采动岩体灾害的关键一由于成岩时间及矿物成分不同，煤系地层形成了厚度不等、强度不同的多层岩层。
实践表明，其中一层至数层厚硬岩层在岩层移动中起主要的控制作用。
从采场矿山压力控制的角度出发，“研究老顶岩层的破断运动为主体，于上个世纪８０年代初提出了“砌体梁”理论并研究了坚硬岩层板模型的破断规律－在此基础上，近年来为了解决岩层控制中更为广泛的问题，课题组又提出了岩层控制的关键层理论１。
关键层理论在工程实践中的应用
关键层理论在工程实践中的应用[ 摘要] 针对煤矿开采中覆岩复杂的破断与运动特征，阐述了岩层控制关键层理论的基本概念，对关键层理论在采场矿压控制、卸压瓦斯抽放、底板突水防治等方面的工程应用研究情况进行了介绍。
[ 关键词] 关键层理论地表移动底板突水中图分类号：TD325 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）36-0593-011前言煤层开采后必然引起岩体向采空区内移动，岩层移动将造成如下采动损害：①形成矿山压力显现，危及井下回采工作面人员及设备的安全。
② 形成采动裂隙，会引起周围岩体中的水与瓦斯的运移，引起井下瓦斯突出与突水等事故。
③岩层移动传递至地表引起地表沉陷，引发一系列环境问题。
因此，掌握整个采动岩体的活动规律，特别是内部岩层的活动规律，是解决采动岩体灾害的关键。
2关键层的概念及特征在采场上覆岩层中存在着多层坚硬岩层时，对岩体活动全部或局部起决定作用的岩层称为关键层，前者可称为岩层运动的关键层，后者可称为亚关键层。
采场上覆岩层中的关键层有如下特征：①几何特征：相对其它相同岩层厚度较厚；②岩性特征：相对其它岩层较为坚硬，即弹性模量较大，强度较高；③变形特征：在关键层下沉变形时，其上覆全部或局部岩层的下沉量与它是同步协调的；④破断特征：关键层的破断将导致全部或局部上覆岩层的破断，引起较大范围内的岩层移动；⑤支承特征：关键层破坏前以板（或简化为梁）的结构形式，作为全部岩层或层部岩层的承载主体，断裂后若满足岩块结构的S-R 稳定，则成为砌体梁结构，继续成为承载主体。
3关键层理论在工程实践中的应用3.1关键层理论在采场矿压控制中的应用一般情况下，煤层覆岩具有良好的分层性，长壁全部垮落式开采技术就是利用其覆岩随采随垮的特征，使采场支架无需经受剧烈动压而实现高度集中生产。
但是，也存在一些特殊覆岩构造情况，例如关键层。
分析其采场覆岩破断与冒落规律，为该类采场矿压控制提供依据。
传统采场矿压理论是以老顶作为采场来压主体，老顶上部覆岩均简化为载荷作用于老顶，而关键层理论是将在整个覆岩活动中起主要控制作用的岩层作为采场来压的主体，同时考虑关键层的复合效应。
《矿山压力及岩层控制》(Ground Pressure and Strata Control)课程教学大纲
课程编号：012102《矿山压力及岩层控制》（Ground Pressure and Strata Control）课程教学大纲48学时 3学分一、课程的性质、目的及任务《矿山压力与岩层控制》课程是采矿工程专业必修的专业核心课程和主干课程。
该课程全面反映了我国矿山压力与岩层控制研究方面所取得的科研成果和生产实践经验，适当介绍了可借鉴的国外相关理论和技术。
本课程的任务是使学生掌握：煤矿回采工作面和采区巷道矿山压力及其控制的基本理论和基础知识，采掘空间周围岩体内的应力重新分布规律，回采工作面围岩结构及其移动、破坏规律，支架－围岩相互作用关系以及矿山压力的控制方法等。
通过课程学习，使学生能够针对矿山生产地质条件，合理布置巷道和回采工作面，合理设计回采工作面顶板和巷道围岩的控制方法，掌握防治顶板事故和冲击地压预测、预防技术。
了解矿山压力研究的基本方法，具备分析和解决矿山压力问题的能力。
二、适用专业采矿工程。
三、先修课程材料力学、岩石力学。
四、课程的基本要求1．掌握矿山压力、矿山压力显现、矿山压力控制等基本概念，了解研究矿山压力的目的、意义。
2．掌握开采空间围岩应力重新分布规律，原岩应力、构造应力、支承压力、极限平衡状态、超前支承压力、残余支承压力等概念，岩体内的弹性变形能。
3．掌握回采工作面及其采空区上覆岩层所形成的“竖三带”与“横三区”；掌握直接顶的稳定性，老顶岩层“梁”与“板”模型，老顶岩层破断块体形成的“砌体梁”结构及其稳定性；了解“关键层”理论、采场岩层移动与控制以及底板岩层破坏规律。
4．掌握回采工作面老顶初次来压、周期来压及其来压步距；掌握矿山压力显现的影响因素，顶板压力的构成及其估算，老顶来压预报方法。
5．掌握直接顶分类与老顶分级。
掌握工作面支架与围岩相互作用关系，工作面支架的基本类型和性能，支架合理工作阻力的构成及其估算；支撑式、掩护式、支撑掩护式支架的特点及其适应条件。
掌握综采工作面端面顶板稳定性影响因素；综放工作面顶板稳定性影响因素。
煤矿开采的岩层控制方案 (2)
根据巷道的围岩条件、服务年限 、断面大小等因素，选择合适的 支护方式，如木支架、金属支架
、锚喷支护等。
锚杆支护设计
锚杆的长度、直径、间排距等参数 需要根据实际情况进行设计，以确 保锚杆能够有效加固围岩，防止巷 道变形和破坏。
监测与维护
对巷道支护进行定期监测和维护， 发现异常及时处理，确保巷道安全 可靠。
巷道方向
根据矿体走向和开采顺序，合理确定巷道的方向，以减少巷道掘 进量和采动影响。
巷道间距
根据矿层厚度和开采工艺，合理确定巷道间距，以确保采掘安全 和效率。
采煤工艺选择
落煤方式
根据煤层厚度和硬度，选择合适的落煤方式，如爆破、机械割煤 等。
装煤运输
根据运输距离和运输设备，选择合适的装煤和运输方式，以提高运 输效率。
采空区处理技术
采空区分类
根据采空区的形态、大小、位置 等因素，将其分为不同类型，以
便采取相应的处理措施。
充填处理
采用砂石、尾砂、废石等材料对 采空区进行充填，以减小顶板下 沉量和下沉速度，防止顶板大面
积冒落。
崩落处理
对于不稳固的围岩，可以采用强 制崩落的方法处理采空区，同时 对崩落的岩石进行适当处理，以
采空区处理
根据采空区的特点和安全要求，选择合适的处理方式，如自然垮落 、人工充填等。
安全措施制定
瓦斯管理
制定瓦斯检测、抽放、利用等安全措施，确保瓦斯浓 度在安全范围内。
防尘措施
采取有效的防尘措施，如喷雾降尘、通风除尘等，降 低粉尘浓度。
防水措施
制定防水措施，如设置防水闸门、排水沟等，以防止 水患对开采的影响。
03
岩层控制方案实施
采场设计
岩层控制中的关键层理论研究
岩层控制中的关键层理论研究一、本文概述《岩层控制中的关键层理论研究》这篇文章旨在深入探讨和分析岩层控制领域中的关键层理论。
关键层理论是地质工程学和岩石力学的重要组成部分，它对于理解岩层的稳定性、预测地质灾害、优化地下工程设计和保障工程安全具有重大意义。
本文首先将对关键层理论的基本概念、研究背景和研究现状进行概述，为后续深入研究和应用提供理论基础。
文章将首先阐述关键层的定义和特性，包括关键层的形成机制、结构特征以及其在岩层中的作用。
接着，将回顾关键层理论的发展历程和研究现状，分析当前研究存在的问题和挑战。
在此基础上，文章将重点探讨关键层理论在岩层控制中的应用，包括其在地质灾害预测、地下工程设计和施工中的实际应用案例。
本文还将对关键层理论的未来发展趋势进行展望，探讨新技术和新方法在关键层理论研究中的应用前景。
文章将总结关键层理论在岩层控制中的重要作用，强调其在保障地下工程安全和促进地质工程学科发展方面的重要价值。
通过本文的研究，将为岩层控制领域提供新的理论支撑和实践指导，推动关键层理论在地质工程学和岩石力学中的广泛应用和发展。
二、关键层理论的基本概念关键层理论是岩层控制领域中的一个重要理论，它主要关注的是在地下工程中，如何通过对岩层的科学分析和合理控制，实现工程安全、高效和经济的目标。
关键层理论的基本概念包括关键层的定义、特性以及其在岩层控制中的作用。
关键层是指在地下工程中，对岩层稳定性起决定性作用的岩层或岩层组合。
这些岩层或岩层组合由于其特殊的物理力学性质、结构特征或空间位置，对周围岩层的稳定性和变形行为具有重要影响。
关键层的存在往往决定了地下工程的稳定性和安全性。
关键层具有一些显著的特性。
例如，关键层往往具有较高的强度和刚度，能够承受较大的载荷和变形；同时，关键层还可能具有特殊的结构特征，如层面、节理、断层等，这些结构特征对岩层的稳定性和变形行为具有重要影响。
关键层在空间位置上往往处于地下工程的关键部位，如巷道顶板、底板、侧帮等，对地下工程的整体稳定性起着至关重要的作用。
煤矿开采的岩层控制
通过智能算法和控制系统，自动调整 采煤机、支架等设备的工作参数，实 现岩层控制的最优化。
新型支护材料与技术
新型支护材料
研发高强度、轻质、耐腐蚀的支护材 料，提高巷道支护效果，降低维护成 本。
新型支护技术
推广锚网索支护、注浆加固等先进支 护技术，提高巷道稳定性，降低事故 风险。
生态友好型采煤技术
岩层破坏机制
研究岩层的破坏机制和演化过程，为制定有效的 控制措施提供依据。
岩层控制设计原理
采场设计
根据矿床赋存条件和开采技术条件，合理设计采场结 构参数，确保采场稳定。
巷道支护
根据巷道的围岩条件和受力状态，选择合适的支护方 式和材料，提高巷道稳定性。
采掘顺序优化
优化采掘顺序，降低对岩层的扰动，减少岩层失稳的 风险。
绿色开采
研究开发低污染、低能耗的采煤技术，降低对环境的影响，实现绿色开采。
生态恢复
利用生态工程技术，对采煤破坏的土地进行恢复和治理，实现矿区生态环境的 可持续发展。
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04
巷道岩层控制技术
巷道围岩监测
监测目的
实时监测巷道围岩的应力 状态、位移变化和潜在破 坏区域，为支护设计和施 工提供依据。
监测方法
采用应力计、位移计、声 发射仪等设备，对围岩进 行应力、位移和声发射信 号的监测。
数据处理
对监测数据进行整理、分 析和处理，绘制围岩应力 、位移变化曲线和声发射 事件分布图。
岩层控制工程实践
监测预警系统
建立监测预警系统，实时监测岩层的位移、应力和变形等参数， 及时发现异常情况。
应急处理措施
制定应急处理措施，一旦发生岩层失稳事故，能够迅速采取有效 措施进行处置。
矿山岩层控制新理论
摘要煤炭开采后会引起采空区岩层移动和破坏,并导致地表塌陷、煤岩体中水与瓦斯的流动,从而引发了一系列的环境与安全问题,如顶板冒顶事故、地表建筑物和土地的破坏、地下水资源的破坏和井下突水事故、井下瓦斯事故与瓦斯排放污染大气等。
煤炭开采引起的上述环境与安全问题的发生都与采动岩层移动与控制有关,因此,为了实现煤炭资源的高效、安全和绿色开采,必须建立岩层控制的理论和技术。
然而最切入实际的也被最广泛应用与思考的应当是工程改造补强作用与岩体结构稳定性关联性问题及不同结构类型岩体的工程地质性质及岩基的变形特征与承载能力。
关键词煤炭开采、矿山岩层控制、工程改造补强、岩体结构、岩基的变形特征、承载能力。
矿山岩层控制新理论一、矿山岩层控制的定义 (3)二、矿山岩层控制新理论 (3)三、工程改造补强作用与岩体结构稳定性关联性 (4)（一）工程改造补强作用 (4)（二）与岩体结构稳定性 (4)（三）工程改造补强作用与岩体结构稳定性关联性 (4)四、不同结构类型岩体的工程地质性质及岩基的变形特征与承载能力 (6)（一）不同结构类型岩体的工程地质性质 (6)（二）岩基的变形特征 (7)（三）岩体的稳定性分析 (8)矿山岩层控制新理论一、矿山岩层控制的定义由于矿山开采活动的影响，在硐室周围岩体中形成的和作用在巷硐支护物上的力定义为矿山压力。
在矿山压力的作用下，会引起各种力学现象，从而使岩层发生变化，为使矿山压力显现不影响正常的开采工作和保证生产安全，采取各种技术措施加以控制，称为岩层控制。
岩层控制是采矿学科的核心理论与关键技术之一。
二、矿山岩层控制新理论煤炭开采后会引起采空区岩层移动和破坏,并导致地表塌陷、煤岩体中水与瓦斯的流动,从而引发了一系列的环境与安全问题,如顶板冒顶事故、地表建筑物和土地的破坏、地下水资源的破坏和井下突水事故、井下瓦斯事故与瓦斯排放污染大气等。
煤炭开采引起的上述环境与安全问题的发生都与采动岩层移动与控制有关,因此,为了实现煤炭资源的高效、安全和绿色开采,必须建立岩层控制的理论和技术。
9.(第九章)关键层理论
岩层控制的关键层理论
实践表明,在直接顶上方存在厚度不等,强度不同的多层岩层. 实践表明,在直接顶上方存在厚度不等,强度不同的多层岩层. 其中一层至数层厚硬岩石层在采场上覆岩层活动中起主要的控 制作用. 制作用. 关键层: 关键层:对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起主 要控制作用的岩层 关键层的特征: 关键层的特征: (1)几何特征:相对其他同类岩层单层厚度较厚; 几何特征: 几何特征 相对其他同类岩层单层厚度较厚; (2)岩性特征:相对其他岩层较为坚硬,即弹性模量较大,强度 岩性特征: 岩性特征 相对其他岩层较为坚硬,即弹性模量较大, 较高; 较高; (3)变形特征:关键层下沉变形时,其上覆全部或局部岩层的下 变形特征: 变形特征 关键层下沉变形时, 沉量同步协调; 沉量同步协调;
关键层理论在煤层瓦斯抽放中的应用
1)运用关键层破断移动规律 ,建立了卸压瓦斯抽放"O"形圈理论 , 运用关键层破断移动规律 建立了卸压瓦斯抽放 建立了卸压瓦斯抽放" 形圈理论 并已在淮北, 它是指导卸压瓦斯抽放钻孔布置的理论依据 ,并已在淮北,淮南, 并已在淮北 淮南, 阳泉等矿区的卸压瓦斯抽放中得到成功应用 . 2 )理论与实测研究证明 ,覆岩远距离煤层能充分卸压 ,其卸压煤层 理论与实测研究证明 覆岩远距离煤层能充分卸压 其卸压煤层 气可通过" 形圈大面积抽放出来 首次在桃园进行了覆岩远距 气可通过"O"形圈大面积抽放出来 .首次在桃园进行了覆岩远距 离卸压煤层气抽放的工业性试验 ,取得了较好的抽放效果 ,为我国 取得了较好的抽放效果 为我国 低透气性煤田煤层气开采开辟了一条新途径 .同时 ,该方法扩展了 同时 该方法扩展了 开采下解放层的应用范围 ,为煤与瓦斯突出的防治提供了新途径 . 为煤与瓦斯突出的防治提供了新途径 该方法在我国许多矿区具备推广应用前景 . 3 )试验研究表明 ,邻近开采煤层的下部关键层的破断运动对"导气" 邻近开采煤层的下部关键层的破断运动对" 试验研究表明 邻近开采煤层的下部关键层的破断运动对 导气" 裂隙发育的动态过程起控制作用 .邻近层卸压瓦斯的涌出受控于 邻近层卸压瓦斯的涌出受控于 导气" "导气"裂隙发育的动态过程 ,对阳泉五矿 1 5煤综放面而言 ,在 对阳泉五矿 煤综放面而言 在 初采期 ,其上部邻近层卸压瓦斯涌出呈四阶段特征 . 其上部邻近层卸压瓦斯涌出呈四阶段特征 4)根据"导气"裂隙发育规律 ,上部邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布 根据" 根据 导气" 上部邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布 置应遵循如下原则 :高抽巷沿倾向位置 ,在初采期应位于采空区 高抽巷沿倾向位置 在初采期应位于采空区 应位于" 形圈内 据此提出了阳泉五 中部 ,而在正常回采期间 ,应位于"O"形圈内 .据此提出了阳泉五 而在正常回采期间 应位于 矿 1 5煤综放面邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布置的优化方案 . 煤综放面邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布置的优化方案
采矿工程专业2013《矿山压力与岩层控制》11级复习用的
关键层：将对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起控制作用的岩层称为关键层。
岩石的空隙度：岩石中各种孔洞和裂隙体积总和与岩石总体积之比。
也称孔隙率。
直接顶初次跨落：直接顶的第一次大面积垮落称为直接顶初次垮落。
老顶：通常把位于直接顶之上对采场矿山压力直接造成影响的厚而坚硬的岩层称为老顶。
直接顶：一般把直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层称为直接顶周期来压：由于裂隙带岩层周期性失稳而引起的顶板来压现象称之为工作面顶板的周期来压。
矿山压力：这种由于矿山开采活动的影响，在巷道周围岩体中形成的和作用在巷道支护物上的力定义为矿山压力。
支承压力：在岩体内开掘巷道后，巷道围岩必然出现应力重新分布，一般将巷道两侧改变后的切向应力增高部分称为支承压力。
锚杆托锚力：锚杆托锚力包括安装锚杆时，①通过拧螺母产生的锚杆托板对围岩的预紧力②水胀式管状锚杆杆体纵向收缩，使托盘对围岩产生的预紧力③锚杆托板阻止围岩向巷道内位移时，对围岩施加的径向支护力。
原岩应力：存在于地层中未受工程扰动的天然应力称为原岩应力。
老顶初次来压：当老顶悬露达到极限跨距时，老顶断裂形成三铰拱式的平衡，同时发生已破断的岩块回转失稳（变形失稳）。
有时可能伴随滑落失稳（顶板的台阶下沉），从而导致工作面顶板的急剧下沉。
此时，工作面支架呈现受力普遍加大现象，即称为老顶的初次来压。
工程软岩：指在巷道工程力作用下，能产生显著变形的工程岩体。
端面距：就是工作面在移架后，支架的前梁端部到煤壁之间的距离，也称之为梁端距。
沿空留巷：通过加强支护或采用其他有效方法，将相邻区段巷道保留下来，供本区段工作面回采时使用的巷道矿山压力控制：所有减轻、调节、改变和利用矿山压力作用的各种方法叫矿山压力控制。
冲击矿压：冲击矿压是聚积在矿井巷道和采场周围煤岩体中的能量突然释放，在井巷发生爆炸性事故地质软岩：指强度低，孔隙度大，胶结程度差，受结构面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层的总称。
采动岩体的关键层理论研究新进展_缪协兴
层移动裂隙与边界线的描述 ; 3) 地表沉陷与采场
推进关系的力学描述等等 .
判别某一岩层为关键层 ,必须同时满足其刚度
条件和强度条件 . 假设覆岩中共有 m 层岩层 ,且从
下至上第 1层岩层为关键层 ,则其刚度条件为
q1|n+ 1 < q1|n ( n < m ) ,
( 1)
n- 1
∑ E1h
3 1
合效应的平均影响为
L m = k lm ,
( 6)
式中 k 为修正系数 ,算例中 k= 1. 35.
当既考虑采高影响 ,又考虑复合效应时 ,实际
采场来压步距的修正公式可表示为
L m = k lm - k1 ( b - b0 ) .
( 7)
需要说明的是 ,传统采场来压步距估算主要以
梁理论为基础 ,分析简单直观 . 而关键层理论则要
2 6 中国矿业大学学报 第 29卷
强度条件为
ln+ 1 > l1 ,
( 3)
式中: l 1 , ln+ 1分别为第 1层和第 n+ 1层岩层的断裂 长度 .
在式 ( 1)和式 ( 3)均成立的前提下 ,就可判别出 关键层 1所能控制的岩层数或岩层高度 .当 n= m , 则关键层 1为主关键层 ,控制全部岩层的活动 ; 当 n < m ,则关键层 1为亚关键层 ,仅控制 n 层岩层的活 动.
关键层破断垮落的非连续变形曲线即为砌体
梁结构下沉位移形态曲线 ,文献 [ 9 ]给出了砌体梁 结构下沉位移形态 y ( x )的拟合曲线表达式 ,即
y (x ) = -
W
1-
ex p -
x 2l
,
( 8)
煤矿开采中的岩层控制
结合绿色发展理念，研究绿色开采技术，减少对环境的负面影响，实现煤矿开采的可持续发展。
推进绿色开采技术
THANKS
感谢您的观看。
重要性
岩层控制是煤矿开采中的关键环节，直接关系到采矿作业的安全和效率。有效的岩层控制可以降低事故发生率，提高采矿作业的可持续性和经济效益。
早期的岩层控制技术主要依靠经验，通过观察和简单工具进行判断和操作。
初期阶段
随着科技的不断进步，岩层控制技术逐渐引入了力学、地质学、计算机科学等学科知识，形成了更为科学和系统的理论体系。
煤矿开采中的岩层控制
汇报人：可编辑
2024-01-01
目录
岩层控制技术概述岩层控制技术在煤矿开采中的应用岩层控制技术的发展趋势与挑战案例分析结论
01
CHAPTER
岩层控制技术概述
定义
岩层控制技术是指通过采取一系列措施，对采矿过程中岩层的稳定性进行控制，以减少或避免岩层垮塌、冒顶等事故发生的技术。
详细描述
总结词
冲击地压是一种常见的岩层控制问题，主要涉及应力监测、解压开采和卸压等方面。
详细描述
冲击地压是一种由于地下岩层在高应力状态下突然发生破坏而产生的现象，常常导致巷道变形、破坏和人员伤亡。为了防治冲击地压事故的发生，需要采取一系列措施。首先，对岩层的应力状态进行实时监测，掌握应力变化情况；其次，采取解压开采技术，降低应力集中程度；最后，采取卸压措施，释放岩层中的高应力。同时，还需要加强人员安全培训和应急处置演练，提高应对冲击地压事故的能力。
03
CHAPTER
岩层控制技术的发展趋势与挑战
利用人工智能、大数据和物联网等技术，实现岩层控制过程的自动化和智能化，提高开采效率和安全性。
煤矿企业岩层控制部门年度总结与计划
煤矿企业岩层控制部门年度总结与计划【煤矿企业岩层控制部门年度总结与计划】【前言】在过去的一年里，煤矿企业岩层控制部门在困难和挑战中取得了显著的成绩。
为了更好地总结经验、提高工作效率和明确未来发展方向，特进行本部门的年度总结与计划。
【一、工作总结】1. 工作概述岩层控制部门作为煤矿企业的重要组成部分，负责煤矿中岩层的稳定与安全管理。
过去一年，我们针对煤矿岩层控制工作的难点和风险，采取了一系列有效措施，取得了以下成绩。
2. 技术改进与创新通过引入先进的岩层监测仪器和设备，以及采用新的岩层控制技术，有效提升了岩层控制的精度和效果。
其中，我们成功地实施了XXX技术，在多个重点工作面取得了良好的效果，大幅度降低了岩层事故的发生率。
3. 风险评估与预警机制我们建立并完善了岩层风险评估与预警机制，及时发现各类岩层隐患，并采取有效的预防和控制措施。
通过持续的监测和动态分析，成功预防了多起潜在岩层灾害事故的发生，为煤矿生产保驾护航。
4. 岩层管理标准化通过加强对煤矿岩层管理的规范化和标准化，提高了安全生产管理水平。
我们进一步完善了岩层工作指导手册和操作规程，建立了全员参与的安全责任制度，有效提升了员工的安全意识和管理能力。
5. 队伍建设与培养我们注重对岩层控制队伍的培训和交流，激发队员的创新能力和团队合作精神。
通过组织专项技能培训和经验分享会，不断提高员工的岩层控制技术和应急处理能力，为煤矿生产提供了坚实的技术支持。
【二、存在问题】在工作过程中，我们也面临一些问题和挑战。
1. 资源投入不足由于资金和设备的限制，我们在一些重要的岩层控制工作中存在资源投入不足的问题，影响了工作效果和安全管理水平。
2. 部门协同不畅岩层控制部门与其他相关部门的协同工作存在一定的问题，导致信息共享不及时、工作不协调，需要进一步加强合作与沟通。
3. 岩层监测与预警能力仍需提升虽然我们取得了一定的成绩，但面对复杂多变的岩层情况，我们仍需要进一步提升岩层监测与预警能力，更加准确地评估和判断岩层风险。
岩层控制中的关键层理论研究miuxiexing-7
y
=
q1 | n
E1 I1
1 24
x
4
+
1 6
Ml x 5
+
1 4
l2 (1
-
2α)
x2
+
1 6
l3 (1
-
6α) x +
2 ωl
+
1 2
-
α
l2
ω2
( -
l ≤ x ≤n0) ,
1
| y
=
q1 E1
I 1ωn lI22 e -
ω 2
x
2 ωl
+1 I
1 2
- α cos/
ω 2. x
+
α-
1 2
其弯矩为 Mα, 则 Mα = EIy″- l =αq1| nl2 .
当 y″= 0 , 则此时的弯矩值| M | = M max , 其位置 xβ 为
xβ = ω2arc tg[ 2/ ( 2 + ωl - 2αωl) ].
此处弯矩 Mβ 为
式后
ω
| Mβ = - q1 nl 2 e - 2 xβ
ω=2l
+
1 2
- =α siin
ω
xβ 2
+
1 2
- α cos
ω
xβ 2
= 1βq1 | nl2 ,
其中
k,
β=Wei-
ω 2
xβ0/
2 ωl
+
1 2
- α为sin
ω
xβ 2
+
1 2
-, α可 cos
ω
xβ 2
.
312 关键层的初次与周期破断距
岩层控制中的关键层理论结课报告
岩层控制中的关键层理论1、地质资料本次作业选取的是晋煤集团赵庄二号井。
设计生产能力0.9Mt/a，是晋煤集团重点扶持的中型矿井之一。
该矿井位于赵庄煤矿井田范围东部的刀把形区域内；由于该区域受地质构造，赵庄煤矿赵庄坑口电厂工业广场煤柱的影响，与井田北翼盘区形成了相对独立的区域。
且该区域内还受地面村庄、河流、铁路等的影响。
其首采工作面为1305大采高钻式综采工作面，开采工艺为一次采全高后退式综合机械化采煤，主采3#煤层，煤层厚度为4.6 — 5.5m，平均为5 m；煤层倾角为1~8°，平均为3°，属于近水平煤层。
工作面地面标高为+996〜+987m, 煤层底板标高+582.4 ~ +586.2m,盖山厚度为404.6 ~ 409.8m；工业储量为193179.87t,可采储量179657.28t,开采面积25381m2；工作面倾斜长85m，工作面走向总长298.6m，机采高度为5m，循环进度为1.2m;作业方式为正规循环作业（三~八制作业）。
1305大采高钻式综采工作面煤层为黑色块状，平坦断口，亮煤为主。
半光亮型，有玻璃光泽、性脆、低硫、发热量高的贫煤。
基本顶为粉砂岩，灰黑色，中厚层状，均匀层理，厚度为3.6m；直接顶为泥岩，灰黑色，中厚层状，均匀层理，水平纹理,厚度为1.8m；直接底为泥岩,灰黑色，薄层状，具有植物根化石,厚2.6m;老底为细粒砂岩，灰黑色,中厚层状，均匀层理，厚度为2.1m。
详见工作面煤层综合柱状图1-1，工作面综合柱状图及其物理参数表1-1。
表1-1 1305工作面综合柱状图及其物理参数序号岩性厚度/m抗压强度/MPa抗拉强度/MPa 弹性模量/MPa体积力N/m319细粒砂岩 3.279.3 6.9464.327610 18粉砂岩 4.285.2 6.7368.527590 17中粒砂岩16.088.4 6.4871.527570 16粉砂岩 6.585.2 6.7368.527590 15细粒砂岩 3.279.3 6.9464.32761014中粒砂岩14.988.4 6.4871.527570 13砂质泥岩 5.463.8 5.3238.727110 12细粒砂岩 3.279.3 6.9464.32761011砂质泥岩 3.863.8 5.3238.727110 10细粒砂岩8.879.3 6.9464.327610 9粉砂岩 4.485.2 6.7368.5275790 8中粒砂岩 2.588.4 6.4871.527570 7粉砂岩 3.685.2 6.7368.527590 6泥岩 1.836.4 2.31627220 5煤 5.0140.56 6.814360 4泥岩 2.636.4 2.31627220 3细粒砂岩 2.179.3 6.9464.327610 2粉砂岩 4.785.2 6.7368.527590 1砂质泥岩 5.863.8 5.3238.727110图1 1305工作面煤岩综合柱状图2岩层控制中的关键层理论2.1关键层的定义与特征在采场上覆岩层中存在着多层坚硬岩层时， 对岩体活动全部或局部起决定作用的岩层称为关键层，前者可称为岩层运动的关键层，后者可称为亚关键层 1采场上覆岩层中的关键层有如下特征：(1)几何特征，相对其它相同岩层厚度较厚； (2)岩性特性，相对其它岩层较为坚硬，即弹性模量较大，强度较高； (3 )变形特征，在关键层下沉变形时，其上覆全部或 局部岩层的下沉量与它是同步协调的； (4)破断特征，关键层的破断将导致全部或局部上覆岩层的破断，引起较大范围内的岩层移动； (5)支承特征，关键层破坏前以板(或简化为梁)的结构形式，作为全部岩层或层部岩层的承载主体 ，断裂后若满足岩块结构的S-R 稳定，则成为砌体梁结构，继续成为承载主体。
2-3关键层运动对岩层移动与破坏的影响
一、岩层控制关键层理论的基本原理 二、关键层运动对开采沉陷的影响 三、关键层运动对采动裂隙分布的的影响
一、关键层理论的基本原理
传统研究（三个方面）
● 采场矿压——老顶结构模型（力学模型） ● 岩层内部移动——三带论（统计加模型） ● 地表沉陷——数理统计 ● 关键层理论思想——将采动覆岩作为统一的研究整体； 将采动覆岩作为统一的研究整体； 将采动覆岩作为统一的研究整体 抓起控制作用的主要矛盾。 抓起控制作用的主要矛盾。
采场覆岩一般力学模型
关键层复合破断
q
关键层2
关键层2
软岩2
软岩2 关键层1 软岩1 煤层 底板
关键层1 软岩1 煤层 底板
载荷对关键层复合破断影响的数值模型 载荷对关键层复合破断影响的数值模拟结果 载荷大小/MPa 载荷大小/MPa 关键层1破断距/m 关键层1破断距/m 关键层2破断距/m 关键层2破断距/m 0 75 110 0.2 75 90 0.4 75 80 0.6 70 70 0.8 65 65 1.0 60 60 1.2 55 55
实测地表移动变形最大值
曲率 下沉量 下沉 倾斜I 工作面 K W /m 系数q /mm/m /mm/m2 0.100 1022面 1.830 0.732 9.86 Ⅱ1022 0.210 面 0.08 0.88 0.013
浅部与深部开采地表下沉盆地范围对比
采深增加意味： 采深增加意味： 覆岩关键层层数增多； 覆岩关键层层数增多；主关键层位置的改变
表土层
0 -100
-400
关键层3 关键层2 关键层1 煤层
-600
20°
-1000
+36
表土层
煤矿开采的岩层控制方案
采空区处理方法
根据采空区的类型和实际情况， 采取相应的处理方法，如封闭采 空区、填充采空区、自然垮落采 空区等。
采空区监测
通过安装压力传感器、温度传感 器等设备，实时监测采空区的压 力和温度变化，及时发现异常情 况。
03
岩层控制方案制定
方案制定原则
安全第一原则
确保岩层控制方案能够保障矿工的生命安全 和健康，防止事故发生。
设备与人员准备
确保具备实施方案所需的设备 和人员，并进行必要的培训和 演练。
应急预案制定
制定应对可能出现的突发事件 的应急预案，确保安全事故得
到及时处理。
实施过程中的注意事项
动态监测
对采掘工作面进行实时监测，及时发 现和解决安全隐患。
支护质量保证
确保支护结构的质量和稳定性，防止 岩层崩塌。
控制爆破作业
板等。
顶板监测
通过安装顶板压力传感器、位移传 感器等设备，实时监测采场顶板的 压力和位移变化，及时发现顶板异 常。
顶板加固
对于不稳定顶板，采取注浆、锚杆 、锚索等加固措施，提高顶板的稳 定性，防止冒顶和片帮事故。
巷道支护技术
巷道断面设计
巷道维护
根据巷道的用途、运输量、通风要求 等因素，合理设计巷道断面形状和尺 寸。
定期检查巷道的支护状况，对损坏的 支架进行维修或更换，保证巷道的畅 通和安全。
支护方式选择
根据岩层的性质、地压大小、巷道的 服务年限等因素，选择合适的支护方 式，如木支护、金属支架支护、锚杆 支护等。
采空区处理技术
采空区分类
根据采空区的规模、稳定性等特 征，将采空区分为不同类型，如 大采空区、小采空区、自然发火 采空区等。
根据评估结果，提出针对性的改进建议， 不断完善岩层控制方案。
9.(第九章)关键层理论
关键层理论的应用
关键层理论在采场矿压控制中的应用
关键层理论可对采场矿压控制机理作出更为 系统和准确的分析 ,因而可对传统矿压估算公式作 因而可对传统矿压估算公式作 全面的修正 .传统采场矿压理论是以老顶作为采场 传统采场矿压理论是以老顶作为采场 来压主体 ,老顶上部覆岩均简化为载荷作用于老 老顶上部覆岩均简化为载荷作用于老 顶 .而关键层理论是将在整个覆岩活动中起主要控 而关键层理论是将在整个覆岩活动中起主要控 制作用的岩层作为采场来压的主体 ,同时考虑关键 同时考虑关键 层的复合效应. 层的复合效应
关键层理论在煤层瓦斯抽放中的应用
1)运用关键层破断移动规律 ,建立了卸压瓦斯抽放"O"形圈理论 , 运用关键层破断移动规律 建立了卸压瓦斯抽放 建立了卸压瓦斯抽放" 形圈理论 并已在淮北, 它是指导卸压瓦斯抽放钻孔布置的理论依据 ,并已在淮北,淮南, 并已在淮北 淮南, 阳泉等矿区的卸压瓦斯抽放中得到成功应用 . 2 )理论与实测研究证明 ,覆岩远距离煤层能充分卸压 ,其卸压煤层 理论与实测研究证明 覆岩远距离煤层能充分卸压 其卸压煤层 气可通过" 形圈大面积抽放出来 首次在桃园进行了覆岩远距 气可通过"O"形圈大面积抽放出来 .首次在桃园进行了覆岩远距 离卸压煤层气抽放的工业性试验 ,取得了较好的抽放效果 ,为我国 取得了较好的抽放效果 为我国 低透气性煤田煤层气开采开辟了一条新途径 .同时 ,该方法扩展了 同时 该方法扩展了 开采下解放层的应用范围 ,为煤与瓦斯突出的防治提供了新途径 . 为煤与瓦斯突出的防治提供了新途径 该方法在我国许多矿区具备推广应用前景 . 3 )试验研究表明 ,邻近开采煤层的下部关键层的破断运动对"导气" 邻近开采煤层的下部关键层的破断运动对" 试验研究表明 邻近开采煤层的下部关键层的破断运动对 导气" 裂隙发育的动态过程起控制作用 .邻近层卸压瓦斯的涌出受控于 邻近层卸压瓦斯的涌出受控于 导气" "导气"裂隙发育的动态过程 ,对阳泉五矿 1 5煤综放面而言 ,在 对阳泉五矿 煤综放面而言 在 初采期 ,其上部邻近层卸压瓦斯涌出呈四阶段特征 . 其上部邻近层卸压瓦斯涌出呈四阶段特征 4)根据"导气"裂隙发育规律 ,上部邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布 根据" 根据 导气" 上部邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布 置应遵循如下原则 :高抽巷沿倾向位置 ,在初采期应位于采空区 高抽巷沿倾向位置 在初采期应位于采空区 应位于" 形圈内 据此提出了阳泉五 中部 ,而在正常回采期间 ,应位于"O"形圈内 .据此提出了阳泉五 而在正常回采期间 应位于 矿 1 5煤综放面邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布置的优化方案 . 煤综放面邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布置的优化方案
《岩层控制的实验方法与实测技术》实验教学大纲 3
《岩层控制的实验方法与实测技术》实验教学大纲课程代码：11015600 课程类别:选修课适用专业：采矿工程（二表、三表、定向通用）实验学时：4大纲执笔人：于敬敏大纲审定人：路占元大纲审批人：宋志伟一、本门课程实验的任务与目的1、培养学生初步掌握岩层控制的实验的方法和实测技术。
2、验证所学理论、巩固所学知识并加深理解。
3、对学生进行实验研究的基本训练。
三、实验概述实验一：单体液压支柱性能测定目的：掌握单体液压支柱的类型,构造,工作原理和性能测定技术.原理概述：内注式单体液压支柱的活柱内腔装满5#机油,升柱时压动手压泵,将机油抽压入柱体腔内,使活柱上升,支撑顶板,达到初撑力后,阀门关闭.顶板压力经活柱传给柱体腔内的机油,使其对应增长.当顶板压力增长超过支柱额定工作阻力值时,对应增长的油压使安全阀开启,高压油经中心孔流回活柱内腔,油压下降至支柱额定工作阻力值时, 安全阀关闭,周而复始,使支柱始终工作在额定工作阻力值,即恒阻状态.外注式单体液压支柱没有手压泵,它的工作液是含2%乳化液体,经乳化液泵站加压成高压液,经注液枪顶开阀门, 压入柱体腔内,使活柱上升,支撑顶板,达到初撑力后,拔出注液枪.工作原理同内注式.不同的是安全阀开启后, 乳化液体排出柱外.方法与手段：使用单体液压支柱和支柱测力计进行实验.应得到的实验结果和数据：单体液压支柱的额定工作阻力特性是一条随着支柱变形增加的锯齿直线.实验二：井下实测仪表综合实验目的：验证所学理论,掌握井下实测仪表的名称,结构和工作原理,掌握现场观测技术.原理概述：井下实测矿山压力的仪表是根据金属元件受力产生弹性变形的特性的原理和井下使用条件,由专业厂家制作的,所以在实验室测试完成标定曲线,就可在现场实测的仪表上精确的测出矿山压力,井下实测位移和变形的仪表是根据保证测量精度的机械装置,由专业厂家制作的.方法与手段：使用目前国内广泛使用的各种井下实测仪表进行实验,让学生动手操作.应得到的实验结果和数据：学生能够使用井下实测仪表测试出所要观测的数据,掌握现场矿压观测技术.四、主要仪器设备配置ADL-2.5型测杆,顶板沉降记录仪,KY-82型数显动态仪,HS-10型测枪,JSS30A型数显收敛仪,GSJ-1型钢弦频率计,CT-2型钢弦压力盒,YTL-610型圆图压力自记仪,YSZ-1型液压支架压力下缩双记仪,ML-10型锚杆拉力计等五、教学形式实验前安排学生预习实验指导书，实验中通过实物的使用等使学生对教学中的理论内容有一个直观具体的理解和掌握，实验结束后，要求学生按时完成实验报告。
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岩层控制的关键层理论与实践
简介：获省部级科技进步（包括自然科学）一等奖3项、二等奖3项、三等奖3项；获国家技术创新优秀项目奖1项；获国家专利5项。
随着大范围地下煤炭的采出，会造成覆岩的剧裂变形、破断和移动，从而引发采场顶板冒落、瓦斯突出、突水、地下水资源流失、地面建筑物和环境破坏、向大气排放大量瓦斯及有害气体等重大灾害性事故。
在岩层控制的关键层理论与实践研究中，针对煤系地层的特殊地质构造特征，创造性地把采动覆岩整体视作受特殊结构控制的多相介质，是这种特殊结构随采动的演化而引起采场矿压显现、岩层和地表移动以及水和瓦斯在裂隙内的运移等采矿工程问题，从而可以在实践中指导开发有关煤矿开采、安全和环境保护等方面的创新技术。
目前，本项研究已经指导开发成功并取得显著经济和社会效益的技术有：高产高效超长综放工作面开采技术；综放大断面沿空留巷技术；治理综放工作面瓦斯超限的J型通风系统；煤与瓦斯共采新技术；神东矿区厚风积沙、薄基岩浅埋煤层特殊矿压控制技术城镇地区密集建筑物下不搬迁采煤等。
主要技术特点：针对煤矿开采中覆岩复杂的破断与运动特征，抓住起主要控制作用的硬岩层作为主要研究对象，建立了岩层控制的关键层理论，由此获得了采动岩层变形破断全过程及破断后的结构运动规律，实现了矿山压力、岩层与地表移动、采动岩体裂隙内水与瓦斯的运移、卸压瓦斯开采、突水防治等方面研究的有机统一。
利用关键层的破断规律与结构特征，开发了能实现安全高效生产的超长综放工作面开采岩层控制技术；开发了综放大断面沿空留巷新技术；开发了神东矿区厚风积沙、薄基岩浅埋煤层开采的特殊矿压控制技术；开发了基于综放小断面沿空留巷技术的治理工作面瓦斯超限的J型通风系统。
揭示了采动覆岩裂隙动态发育规律和卸压瓦斯流动的“O”形圈通道，开发了能实现资源开采和瓦斯灾害防治并举的煤与瓦斯共采新技术。
揭示了覆岩关键层与表土层对开采沉陷的耦合作用机理，建立了以主关键层稳定为基础的建筑物下采煤设计原则，并指导城镇地区密集建筑物下不搬迁采煤实践。
应用情况：本项研究已出版专著3部（其中1部已获江苏省优秀图书一等奖）；发表论文100余篇，其中被SCI、EI、ISTP收录60篇，被他人引用100多次，其标志性论文《岩层控制中的关键层理论研究》已被引用39次，《岩层控制的关键层理论》专著被引用9次，他人引用“关键层”一词的文献共计97篇；获国家专利5项。
本项研究指导开发成功，并取得显著经济和社会效益的技术已在潞安、兖州、平顶山、徐州、淮北、淮南、阳泉以及神东矿区得到推广应用。
服务方式：合作开发、技术指导
本文来自: 中国煤矿安全生产网() 详细出处参考：/Article/cghb/cumt/201105/Article_57596.html。