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。

将对采场上覆岩层活动全部或局部起控制作用的岩层称为关键层。

覆岩中的关键层一般为厚度较大的硬岩层，但覆岩中的厚硬岩层不一定都是关键层。

关键层判别的主要依据是其变形和破断特征．即在关键层破断时，其上部全部岩层或局部岩层的下沉变形是相互协调一致的，前者称为岩层活动的主关键层，后着称为亚关键层。

也就是说，关键层的断裂将导致全部或相当部分的上覆岩层产生整体运动。

覆岩中的亚关键层可能不止一层，而主关键层只有一层。

关键层理论研究的总体思路是：为了并清开采时由下往上传递的岩层移动动态过程，并对岩层移动过程中形成的采场矿压显现、煤岩体中水与瓦斯的流动和地表沉陷等状态的变化进行有效监测与控制．关键在于弄清关键层的变形破断及其运动规律以及在运动过程中与软岩层中围煤炭学会间的相互耦台作用关系。

关键层理论的研究对层状矿体开采过程中的矿山压力控制、开采沉陷控制、瓦斯抽放以及突水防治等具有重要意义：自文献［１：建立关键层理论的初步框架以来，引起了学术界的广泛关注。

在文献［１］基础上，近年来笔者对关键层理论开展了全面深入的研究、２．３］，内容主要包括：（１）关键层破断的复合效应及其判别；（２）关键层载荷特征与影响因素；（３）关键层运动对采场矿压显现、覆岩移动与地表沉陷及裂隙场动态分布的影响规律；（４）关键层理论在采场围岩控制、卸压瓦斯抽放、开采沉陷控制与突水防治等方面的工程应用。

２关键层理论研究的主要进展２．１关键屡破断的复合效应采场上覆岩层中的所有岩层都同时具有施载和承载的特性，而关键层是覆岩中承载的主体。

不仅关键层所控岩层组内各岩层间会有载荷的传递与相互作用，各关键层组之间也会有载荷的传递与相互作用。

关键层理论的重要进展之一是研究和揭示了相邻硬岩层间相互作用的复合效应。

如对仅有两层硬岩层条件时，采用离散元软件ＵＤＥＣ３．０模拟研究了两硬岩破断规律及破断顺序。

模拟方案的模型如图１所示，其中软岩层１的厚度∑ｈ，固定为１０ｍ，分层厚度为２．５ｍ并划块，硬岩ｌ与硬岩２的岩性相同，硬岩１的厚度＾，固定为５ｍ。

各软岩层的岩性一致，第２，３层软岩层组的分层Ｊｉ！ＩＩｌＩｌＩｉｉ：ＪＩ—日寰土层三ｈ，工＾：硬岩２ｌ∑＾２１＾．爱岩１】Ｅ＾－｛ｍｌＥ层图１关键层复合效应的数值模拟方案厚度为５ｍ。

模拟方案改变硬岩２厚度ｈ２及硬岩１与硬岩２间距∑ｈ２的值，ｈ２按５．Ｏ，７．５，１０，１２．５，１５，１７．５，２０，３０Ｉ＇ＹＩ变化，∑＾２按１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１５ｍ变化，共模拟了１０４个方案：模拟中硬岩层的弹性模量及抗拉强度取值为软岩层的３倍［“，采用摩尔一库仑破坏准则。

将１０４个方案的模拟结果归纳列于表１。

表１中列出了随硬岩２与硬岩１厚度比＾２／＾ｌ及两硬岩间距与硬岩１厚度比∑＾２／＾１的变化，硬岩１与硬岩２的破断距，括号外数字为硬岩１破断距，括号内数字为硬岩２破断距。

裹１关■晨破断曩序的ＵＤＥＣ数值模拟精累图ｌ模型的离散元模拟结果表明，尽管坚硬岩层１厚度ｈｌ及岩性固定不变，但随着硬岩２厚度＾２及两硬岩层间距∑＾２的变化，硬岩１的破断距是变化的。

以∑＾２／ｈｌ＝ｌ为例，由图２可见，随着ｈｚ／ｈＩ的钱鸣高等：岩层控制的关键层理论及其应用＾ｌｎｌ圈２关键层复合效应值由１．０增大到６．０，硬岩１的破断距由１０ｍ增大到５０１Ｔｔ。

可见，当两层关键层相距较近时，往往出现关键层承载能力显著增强（即关键层破断距增大）现象，称之为关键层的复合效应。

关键层的复合效应类似于复合板或复合梁的复合效应．相邻两关键层（硬岩层）的相对厚度ｈ２／ｈｔ及间距（即相邻两关键层间软岩厚度）∑ｈ２是影响相邻两关键层间是否产生复合效应的主要因素。

由表ｌ结果，通过回归分析得到两层相邻坚硬岩层产生复合效应的条件为：当∑ｈ２／ｈｌ＞２．２时，即硬岩１与硬岩２间距小于硬岩１厚度的２．２倍时，不论＾２朋ｌ如何变化，硬岩１与硬岩２间不产生复合效应；当∑ｈ２／ｈ１≤２．２，且＾２／ｈ１≥Ｏ．５－Ｉ－１．５∑＾２肌ｌ时，相邻硬岩层产生复合效应，且∑ｈ２／ｈｌ一定，ｈ２／ｈ１越大。

则复合效应越显著。

由表１结果，通过回归分析得到两层相邻坚硬岩层同步破断的条件为：当∑＾２柏ｉ≤１．２时，即当硬岩１与硬岩２间距小于硬岩１厚度的１．２倍时，且＾２／ｈｌ≥一０．３５＋３．２５２ｈ２ｍ】时，相邻硬岩层同步破断，２．２关羹屡的虢荷动态变化特征对于图ｌ模型随着煤层开挖距的增大，关键层１上载荷分布的变化曲线如图３所示。

可见，随着开挖尺寸增大，关键层上的载荷是动态变化的，并呈非均匀分布特征。

在采空区中部区域，关键层上载荷低于上覆岩层自重并逐步降低；而在采空区两侧一定范围，关键层皇上载荷大于上覆岩层自重并逐渐增大。

由于随着开采尺萎寸增加，关键层破断前其上载荷是动态变化的，而非一成不变。

因此，严格来说，在不同开挖尺寸条件下，应以此开挖尺寸时关键层上载荷来计算破断距。

影响关键层载荷的因素主要包括：相邻关键层的厚度（ｈｚ／ｈ，）及两层关键层间的软岩层厚度（∑ｈ２）与弹图３关键层载荷的动态变化１～４——采１０．加．３０，４０ｍ性模量。

表１的数值模拟研究结果表明，对于图ｌ模型，在硬岩１厚度ｈ１＝５ｍ不变条件下，当硬岩２的厚度＾２及其距硬岩１的距离∑ｈ２变化时，硬岩１破断距随之改变，这说明硬岩２的厚度及其与硬岩ｌ的问矩对硬岩１上载荷分布有影响。

对∑＾２／ｈ１＝０．２，１．０，３．０，ｈ２／ｈ１＝１．０，２．５，４．０共９个方秉，硬岩１在采空区中部的载荷进行计算的结果如图４所示。

可见，当ｈ２／ｈｌ一定时，随∑＾２朋ｔ增大，硬岩１在采空区中部区域的载荷呈增大趋势。

即当两硬岩层厚度一定时，两硬岩层间距越小，硬岩１在采空区中部的载荷越小，硬岩ｌ的破断距相对越大。

当∑＾２以１一定，随＾２朋ｌ增大，硬岩１在采空区中部的载荷呈递减趋势，且∑ｈ２／ｈＩ越小，随＾２“ｌ增大递减趋势越明显。

即当两硬岩层间距一定时，硬岩２厚度越大，硬岩１在采空区中部的载荷越小，硬岩１的破断距相对越大。

５６｛：２ｈｚ拈１（ａ）图４卜一３——∑ｈ２／ｈｌ＝Ｏ．２．５６ｌ：２∑ｈｉ／＾ｌ（ｂ）关键层载荷的影响因素１．Ｏ，３０；４～６＿～ｈｚ／ｈ１＝１．Ｏ，２．５．４．０中国煤炭学套２．３燕键层运动对采场矿压显现的影响邻近采场并对采场矿压显现产生影响的关键层习惯上称为老顶。

关键层理论研究表明．相邻硬岩层的复合效应增大了若键层的破断距，当其位置靠近采场时，将引起工作面来ｆＥ步距的增大和变化此时不仅第一层硬岩层对采场矿压显现造成影响，与之产生复合效应的邻近硬岩层也对矿压显现产生影响。

其影响主要体现在两方面：其一、当产生复合效应的相邻硬岩层破断距相同时，一一方面关键层破断距增大．另一方面一次破断岩层厚度增大，增大了工作面的来压步距和矿压显现强度；其二，当产牛复合效应的相邻硬岩层破断距不等，工作面来压步距将呈一大一小的周期性变化。

许多回采【作面实测资料都证实了关键层复合效应对采场矿压显现的上述影响２０Ｊ。

当覆岩中存在典型的主关键层时．由于其一－次破断ｉ宣动的岩层范围太，往往会对采场来压造成影响，尤其当主关键层初次破断时，将引起采场较强烈的来压显现．这在华丰煤矿及王庄煤矿超长综放面的生产实践中得到了证实。

２．４关键层运动对爱岩采动裂隙分布的影响煤层开采会引起上覆岩层的移动与破断，从而在覆岩中形成采动裂隙，覆岩采动裂隙场分布与水体下采煤、卸压瓦斯抽放及离层注浆减沉等工程问题密切相关。

基于关键层理论，采用理论分析、物理与数值模拟实验、实测及图像分析等方法对岩层移动中的裂隙分布规律进行了深＾研究，其主要成果归纳如Ｆ：（１）关键层运动对离层及裂隙的产生、发展与时空分布起控制作用。

覆岩离层主要出现在关键层下当相邻两层关键层复合破断时，尽管上部关键层的厚度与硬度比下部关键层大，其下部也不会出现离层。

图５为相邻两层关键层非复合破断与复合破断条件下，上部关键层下离层的物理模拟结果，两模型除上部关键层的载荷条件不同外，其他条件一致，两关键层的岩性相同，上部关键层的厚度是下部关键层的２倍：由图５可见，模型２由于上部关键层上载荷的变化导致了两关键层的复合破断，上部关键层下未出现模型１所示的离层，图５关键层下离层的模拟结果（２）沿工作面推进方向，随着工作面推进，关键层下离层动态分布呈现两阶段发展规律：阶段Ｉ，从开切眼开始至关键层初次垮落。

不同推进距时关键层下的最大离层量均位于各自走向采长的中部。

此阶段内关键层下离层发展由离层始动区、离层扩展区、离层闭合区组成。

阶段Ⅱ，关键层初次垮落以后的阶段，此阶段内关键层在采空区中部离层趋于压实，而在采空区两侧仍各自保持一个离层区＝切眼侧离层区是固定不动的，而工作面侧的离层区是随着工作面开采而不断前移的，工作面侧离层区的长度相当于关键层初次破断前离层区长度的１／３主差１２０ｉ６０撬１００１５０２００２５１采空区描走向长度／ｍ图６采动裂隙分布的“（，形圈图中数字为离层章冉ｃ左右：从平面看，由于关键层破断后形成“砌体粱”结构，在采空区四周存在图６所示一沿层面横向连通的离层发育区，称之为采动裂隙“０”形圈。