矿压-6采场岩层移动与控制关键层

采动岩体中的关键层有如下特征：
(1) 几何特征：相对其它相同岩性的岩层厚度较厚。 (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，其上部全部或 局部岩层的下沉量是同步协调的。 (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”)结构作为全部岩层或局部岩层的承载主体，断 裂后则成为砌体梁结构，继续成为承载主体。
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3.岩层移动角
移动角分为：
走向移动角δ 下山移动角β 上山移动角γ
地表下沉边界和采空区边界的连线与水平 线在煤柱一侧的夹角，称为岩层移动角。
掌握具体条件下岩层移动角参数，对岩层移 动范围的预测和各种保护煤柱(如工广保护煤柱、 井下巷道保护煤柱)的合理留设具有重要的意义。 二、岩层移动的基本规律
• 若第k层硬岩层破断距大于其上方第k+1层硬
岩层破断距，则将第k+1层硬岩层承受载荷加 到第k层硬岩层上，重新计算第k层硬岩层的 破断距。若重新计算后的第k层硬岩层破断距 小于lk+1，则取lk=lk+1。说明此时第k层硬岩 破断受控于第k+1层硬岩，即第k+1层硬岩破 断前，第k层硬岩不破断，一旦第k+1层硬岩 破断，其载荷作用于第k层硬岩上，导致第k 硬岩随之破断。
由组合梁原理：
则：
式中：q1（x）m+1为考虑第m+1层对第一层岩层 承受的载荷；Ei，hi，ri分别为第i层（i=1， 2，…，m）岩层的弹性模量、厚度和容重。 上式即为判别硬岩层位置的公式。具体判别时，
由煤层上方第一岩层开始往上按上述方法逐 层确定硬岩层的位置，直至最上一层硬岩层 （设为第n层硬岩）。 （二） 计算各硬岩层的破断步距并按以下原 则对各硬岩层的破断距进行比较来确定关键 层 位 置 。 令 硬 岩 层 的 编 号 为 K ， （ K=1 ， 2，...，n）。 • 第K层硬岩层若为亚关键层，其破断距lk应小 于其上部硬岩层lk+1的破断距，即满足lk＜ lk+1 （K=1，2，...，n-1）
条带开采 充填开采
矸石不出井 与煤巷支护
煤炭地下 气化
绿色开采技术体系
若干待研究的问题
• 采动破裂煤岩体中水与瓦斯流动规律，需建 立采动破裂煤岩体渗流实验研究系统； • 基于岩层移动与关键层理论的开采沉陷预测 与建筑物下采煤的定量设计方法； • 适合煤矿特点的充填采矿材料与工艺系统； • 煤矿绿色开采技术的经济评价方法与法规。
第二节
岩层控制的关键层理论
一、关键层的概念
• 采场老顶岩层“砌体梁”结构模型是针对
开采过程中的矿山压力控制而提出来的。 • 1996年，在采场老顶岩层“砌体梁”理论 基础上，钱鸣高院士提出了岩层控制的关 键层理论。 • 关键层理论提出目的：研究开采层状矿体 中厚硬岩层对岩层中节理裂隙的分布、对 瓦斯抽放、对突水防治以及对开采沉陷控 制等的影响。因此它是绿色采矿的基础理 论之一。
煤炭开采形成的环境问题之四
• 对地面建筑物及人文环境的破坏
导致村庄被迫迁徙。 以淮北矿业集团为例，2001年，13个村庄因采 煤塌陷被迫搬迁，共计1412户、5535人迁徙
绿色开采的提出
提出并尽快形成煤矿的“绿色开采技术” 已迫在眉睫。 事实上，中国矿业大学教授钱鸣高院士 及其领导的课题组，从20世纪九十年代 初已开始了有关“绿色开采技术”的研 究和实践。在长期研究和实践的基础上， 钱院士正式提出了煤矿绿色开采的理念 及其技术体系。
1.采动覆岩移动破坏的分带
大量的观测表明,采用全部垮落法管理采空 区情况下，根据采空区覆岩破坏程度,可以分为 “三带”，即: 冒落带 “两带”或“导水裂隙 裂隙带 带” 弯曲下沉带（整体移动带）
2.覆岩内部岩体移动特征
图6－8
上覆岩层移动实测曲线
根据岩层移动特点，将上覆岩层沿工作面推进方向划 分三个区：即 A－煤壁支撑影响区；B－离层区；C－ 重新压实区。
由此编制了判别覆岩关键层位置的计算机 软件KSPB，实现了覆岩关键层判别方法的计 算机化和判别结果的可视化。 • 关键层判别实例1 新汶华丰矿
• 实例2
神府补连塔矿2211工作面
三、硬岩层破断的复合Baidu Nhomakorabea应
• 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。 当两层硬岩层相距较近时，往往出现承载能 力显著增强（即硬岩层破断距增大）现象， 称之为复合效应。硬岩层的复合效应类似于 复合板或复合梁的复合效应。
采用离散元模拟研究了两硬岩层破断的复 合效应。数值模型如下图。
关键层复合效应的 UDEC模拟方案
结论： • （1）硬岩层的复合效应增大了关键层的 破断距，当其位置靠近采场时，将引起 工作面来压步距的增大和变化。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上部硬岩层也 将对矿压显现产生影响。 • （2）当相邻两硬岩层复合破断时，两硬 岩层间将不会出现离层。
关键层的定义
将对岩体活动的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，其上覆 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 者称为亚关键层。显然，覆岩中的亚关键层 可能不止一层，而主关键层只有一层。
第六章
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
采场岩层移动与控制
岩层移动引起的采动损害概述 岩层控制的关键层理论 采场上覆岩层移动规律 采场底板破坏与突水 采场上覆岩层移动控制技术
第一节 岩层移动引起的采动损害
(1)形成矿山压力显现， 需对采场围岩进行 支护。
(2) 岩层移动形成采动裂隙，会引起周围岩 体中的水与瓦斯的运移，需对此进行控制 与利用。
关键层与表土层对地表下沉耦合作用的离散元模型
（a）表土层厚度30m
四、岩层移动中的离层与裂隙分布
(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。
(2) 沿工作面推进方向，关键层下离层动态分布呈 现两阶段发展规律：关键层初次破断前，最大离 层位于采空区中部；初次破断后，在采空区中部 趋于压实，而在采空区两侧仍各自保持一个离层 区，其最大宽度及高度仅为关键层初次破断前的 1/3左右。 (3) 沿顶板高度方向，随工作面推进离层呈跳跃式 由下往上发展。首先，第Ⅰ亚关键层下出现离层， 当其破断后其下离层呈“O”形圈分布；此时，上 部第Ⅱ亚关键层下出现离层，当其破断后其下层 呈“Ｏ”形圈分布；如此发展直至主关键层。
• 矿井瓦斯定义：矿井中主要以甲烷为主 的有害气体的总称。---------煤层气。 • 瓦斯抽放-------煤层气开采（抽采） • 矿井水文地质类型：根据矿井水文地质 条件、涌水量、水害情况和防治水难易 程度，……类型。
煤矿绿色开采的特点之二
• 从开采的角度采取措施，即从源头消除或 减少采矿对环境的破坏，而不是先破坏后 治理。因此，矸石的井上处理与土地复垦 是属于环境治理问题，而不属于绿色开采 问题。
的关键层理论，为煤矿绿色开采技术的 发展提供了理论基础。 因而，一定程度上绿色开采技术可叫做 “基于岩层控制的绿色开采技术”。
煤炭开采
岩层移动
排放矸石
关 键 层 理 论
地下水流失 与突水事故
瓦斯卸压流动、瓦斯事 故与排放瓦斯污染环境
地表塌陷、土地 与建筑物损害
占用土地 污染环境
保水 开采
煤与煤层气 共采
(3) 岩层移动发展到地表引起地表沉陷，导 致农田、建筑设施的毁坏，需要对地表沉 陷进行预测与控制。
煤炭开采形成的环境问题之一
• 对土地资源的破坏和占用。
井工开采以地表塌陷和矸石山压占为主，而露 天开采则以直接挖损和外排土场压占为主。 平均每采万吨原煤造成塌陷土地0.2公顷，每 年新增塌陷地约2万公顷。 以山西省为例，至1998年煤炭地下采空面积达 1300Km2（占全省面积的1%）。
煤矿绿色开采的内涵
• 煤矿绿色开采及绿色开采技术,在基本概念 上是从广义资源的角度上来认识和对待煤、 瓦斯、水、土地等一切可以利用的各种资 源。
基本出发点：从开采的角度防止或尽可能减 轻开采煤炭对环境和其他资源的不良影响； 目标：取得最佳的经济效益、环境效益和社 会效益。
煤矿绿色开采的特点之一
• 从广义资源的角度论，在矿区范围内的煤 炭、地下水、煤层内所涵的瓦斯、土地、 煤矸石以及在煤层附近的其他矿床都应该 是经营这个矿区的开发对象，都应该被加 以利用。
二、关键层位置的判别
关键层判别方法（《中国矿业大学学报》2000(3）) 判别方法分为以下步骤进行：
（一） 按刚度条件由下往上确定覆岩中的坚硬岩 层位置。所谓坚硬岩层是指那些在变形中挠度小于 其下部岩层，而不与其下部岩层协调变形的岩层。 假如第1层岩层为硬岩层，第m＋1层岩层为第2层坚 硬岩层，则由于第m＋1层岩层挠度小于下部岩层的 挠度，它所承受的载荷不再需第1层硬岩层承担， 则必然有：
煤炭开采形成的环境问题之二
• 水资源的破坏和污染
煤炭开采过程中，人为疏干排水和采动形成的导 水裂隙对煤系含水层的自然疏干，破坏了地下水 资源。同时开采还可能污染地下水资源。 以山西为例，采煤破坏地下水4.2亿m3/a，导致 井水位下降或断流共计3218个，影响水利工程 433处，水库40座，输水管道793890m；造成1678 个村庄、812715口人、108241头牲畜饮水困难。 使本来缺水的山西环境受到进一步破坏。
从而形成采场覆岩移动的“横三区”与“竖三 带”。
沿走向剖面，测点先向采空区方向移动，然后 又转向工作面推进方向移动，最后基本恢复到 原来位置。
图6－9
开采后上覆岩层沿走向方向 水平与垂直移动轨迹图
沿倾向剖面，测点基本上沿着与层面成垂 直的方向向下移动。
图6－10 观测点在沿煤层倾斜剖面上的移动
煤炭开采形成的环境问题之三
• 对大气环境的污染
主要来自矿井排出的瓦斯和矸石山的自燃。 瓦斯即煤层气，它是比CO2还严重的温室气体， 也是导致煤矿重大安全事故的根源。同时瓦斯 又是最好的清洁能源。
建国以来,我国煤矿发生煤与瓦斯突出事故 1500余次,仅2001年由于瓦斯事故的死亡人数 达2356人，为煤矿总死亡人数的40%。 煤矿每年向大气排放瓦斯70-190亿m3。
第三节
采场上覆岩层移动规律
一、岩层移动的有关概念
采动后岩层各点的移动
地表相邻两点的移动和变形
1.充分采动与非充分采动 当采空区尺寸相当大时，地表最大下沉值 达到该地质条件下应有的最大值，此时称为充 分采动，反之。。。。。。。
2.移动与变形 岩层移动会导致沿竖直方向和水平方向的 位移，前者称下沉，后者称为水平移动。 由于地表相邻点的下沉和水平移动量是不 相等的，这表明点与点之间有相对移动，从而 引起地表变形。地表变形分为倾斜、曲率、水 平变形。分别由下沉和水平移动导出。 如水平变形：
三、关键层运动对岩层移动的影响
实验与实测证明，岩层移动由下向上成组运
动，岩层移动的动态过程受控于覆岩关键层的 破断运动。
覆岩移动的动态过程
实验及实测研究结果都证明，主关键层对地
表移动过程起控制作用，主关键层的破断将
导致地表快速下沉，地表下沉速度随主关键
层周期性破断而呈现跳跃性变化。
关键层理论研究表明：关键层不仅对地表动态下沉过程 起控制作用，还对地表移动曲线特性产生影响，地表下 沉是关键层与表土层耦合作用的结果。一方面，关键层 破断块度越大，对地表下沉曲线特征的影响越显著，相 应地表下沉曲线的非正态分布特征越显著；另一方面， 表土层起着消化关键层非均匀下沉的作用，表土层越薄， 地表下沉的非均匀、非正态特征越显著，反之亦然。当 关键层破断块度较小或表土层厚度足够大时，关键层对 地表下沉的影响就很小。因此，对于表土层较薄或覆岩 中有很厚、很硬的关键层(即其破断块度很大)存在时， 预计地表下沉必须考虑表土层与关键层的耦合关系，充 分考虑关键层破断对地表下沉曲线特征的影响。
煤矿绿色开采的特点之三
开采引起环境与主要安全问题的发生都 与开采后造成的岩层运动有关（岩体不 破坏上述问题都不会发生）。因而，绿 色开采的基础理论为： 1）采矿后岩层内的“节理裂隙场”分布 以及离层规律； 2）开采对岩层与地表移动的影响规律
3）水与瓦斯在裂隙岩体中的渗流规律；
4）岩体应力场分布规律及岩层控制技术