岩层控制的关键层理论及其应用

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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。

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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２

ｌ∑＾２

１＾．爱岩１

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｛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。

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（ａ）

图４

卜一３——∑ｈ２／ｈｌ＝Ｏ．２

．５６

ｌ：

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（ｂ）

关键层载荷的影响因素

１．Ｏ，３０；４～６＿～ｈｚ／ｈ１＝１．Ｏ，２．５．４．０