2-3关键层运动对岩层移动与破坏的影响
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X(m) 250 300 350 400 450
the surface subsidence velocity curve in the numerical simulation
V(mm·m-1) 600
450
The 1st break of PKS
300
150
0
-100 -80
-60
-40
-20
Ⅱ1022 面
0.210
下沉 系数q
0.732
0.08
倾斜I /mm/m
9.86
0.88
曲率 K
/mm/m2 0.100
0.013
水平 水平变 位移 形ε U /m /mm/m 0.410 4.05
0.094 0.36
浅部与深部开采地表移动变形最大值的数值模拟结果
面长
采深 150 300m m 采深
2.0 2.7 2.5 2.7 2.5 1.3 2.7
Internal friction angle
(º) 5 32 25 32 25 18 30
来自百度文库
Tensile strength (MPa)
0.05 5 1.2 2.1 1.2 0.8 2.1
Cohesion (MPa)
0.094 10 3 5 3 1.5 5
-262
23
s13
22 20 19
18
17
16
15 1s41213
切眼
12 11 10
9
21
8
7
6
5
4 32
s11
1022工作面
s10
-305
1 基2 基1
s5
(a) 1022工作面
(b) Ⅱ1022工作面
-550
Ⅲ10
Ⅱ1022风巷
Ⅰ35
Ⅰ30
Ⅰ25 交1
Ⅰ20
Ⅰ17 Ⅰ16
s1
交2
Ⅲ13 Ⅲ15
-1
-1.5
-2 -2.5
采深300m 采深800m
-3 下沉 /m
浅部与深部开采地表下沉盆地范围对比
采深增加意味： 覆岩关键层层数增多；主关键层位置的改变
表土层
关键层3
关键层2
关键层1 煤层
20°
0 -100 -400 -600
-1000
表土层
关键层4
关键层3 关键层2 关键层1
7煤层
+36
中砂岩 41.7m
-2.5
关键层2破断后 关键层3破断后
-3 下沉 /m 8 水平变形 mm/m
1000 1200 采出宽度 /m
采深300m 采深800m
6 采深300m
采深800m 4
2
采出宽度 /m 0
0
200
400
600
800
1000 1200
30
29
1022风巷
Ⅲ1
1022Ⅲ机2 巷
Ⅲ5
28
27
26
25
24
Sandstone
Thickness (m)
57 10 12 5 16 3 7
Elastic modulus
(GPa)
1.5 36 7.2 19 7.2 8.8 23
Poisson’s ratio
0.29 0.2 0.22 0.17 0.2 0.23 0.18
Volume weight (104kN/m3)
Ⅱ1022工作面
N1 Nw2 1w2w3 w5
Ⅱ1022机巷 -618
N5 切眼
W10
W13 W14
Ⅲ20
N10
Ⅲ23
N11
Ⅲ24
工作面地质采矿条件
工作面
面 长 /m
煤厚 /m
平均采 深/m
表土厚 度/m
基岩厚 度/m
采动充 分程度
n
1022面 140 2.5 310 240 70 0.38 Ⅱ1022面 220 2.5 611 240 371 0.36
The research of physical simulation
Surface Soil PKS
Fig.7 the physical simulation scheme about the influence of the primary key stratum on the surface active subsidence
Remark
Slicing thichness 3m Primary key stratum Slicing thichness 2m Subordinate key stratum Slicing thichness 2m
Coal seam Floor
V/mm·m－1
400
350
300
250
200
0.706
0.621
水平变 形
ε /mm/m
采动充 分程度
n
0.155 0.5
0.116 0.19
6.266 1.5
2.860 0.56
三、关键层对采动裂隙分布的影响
• 采动裂隙定量描述方法 • 覆岩离层分布规律 • “导水、导气”裂隙动态发育规
律
采动裂隙定量描述方法
initial 100 X(m)
0
-100 -80 -60 -40 -20
0
20
40
60
-100
Key Strata
-200
Surface Soil
-300 W(cm)
90m from cut
0 -0.5 0
505m 140m
采宽500m
采出宽度 /m
300 600 900 1200 1500 1800 2100
抓起控制作用的主要矛盾。
关键层的概念
关键层在岩体运动中的控制作用
我们发现，对采动岩体运 动起主要控制作用的仅为某 一层或某几层，这些对覆岩 活动全部或局部起控制作用 的岩层称为关键层。
关键层在采动覆岩中的作 用，上可影响至地表，下可 影响至采场和支架，内部影 响到采动裂隙的分布和流体 的运移，因而它一定程度上 可作为采场矿压、岩层移动 及地表沉陷、采动岩体内的
150
100
50
0 0
-50
50 100
150
200
44m－68m 68m-72m(the initial breakage ) 81m-108m 108m-112m(the 1st periodic breakage ) 124m-148m 148m-152m(the 2nd periodic breakage )
流体运移研究统一的基础。
关键层判别方法
关键层的刚度和强度判别条件
n1
n
n
s
Eihi3 ihi < Eihi3 ihi
i 1
i 1
i 1
i 1
l 1＜ l n+1
式中 n<s<m hi —第i岩层厚度 γi —第i岩层体积力 Ei —第i岩层弹性模量
采场覆岩一般力学模型
0
-150
The 2nd break of PKS
X(m)
20
40
60
-300 W(cm)
Fig.5 the subsidence speed curve of a surface point away from starting cut 96m
Surface
The initial
The 1st periodic The 2nd periodic
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；
关键层2破断距/m 110 90 80 70 65 60 55
关键层判别软件与实例
二、关键层运动对开采沉陷的影响
覆岩移动的动态过程
关键层对地表下沉的控制作用
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。
Table 1 the characteristics and mechanics parameters of strata in the numerical model
Lithologic characters
soil Thin Sandstone
Sand shale Mid-sandstone
Sand shale Coal
关键层复合破断
q
关键层2
软岩2
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
关键层2
软岩2 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拟结果
载荷大小/MPa
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
关键层1破断距/m 75 75 75 70 65 60 55
breakage of PKS breakage of PKS breakage of PKS
PKS SKS
75°
71°74°
64° 72° 65°
Fig.6 the variety of surface movement boundary respond to the break process of PKS (subsidence boundary 10mm)
100 initial 50 0
1st 2nd 3rd 4th
X(m)
-80 -60 -40 -20 -50 0 20 40 60 80 100
-100
Key Strata Surface Soil
-150 -200 -250
W(cm)
50m from cut
V(mm·m-1)
200
1st 2nd 3rd 4th
粗砂岩 40.8m 细砂粗岩砂岩25.130m.4m
三水平
22°
二水平
一水平
-194
-500 -700 -850 -1000
徐州某矿覆岩关键层随采深增大的变化
(a) 淮北矿区某矿
淮北某矿覆岩关键层随采深增大的变化
0 0
-0.5
200
400
600
800
关键层1破断后
-1
-1.5 -2
关键层1 破断后
Plain-stress model : Geometry similar ratio :
5m×3m×0.3m 1:50
Surface Soil PKS
Surface Soil PKS
Before the break of PKS
After the break of PKS
V(mm·m-1)
150
23.3 6.0
the subsidence velocity curve of
the primary key stratum and the
corresponding surface
Survey
line C
Survey line D
N0
N1
地面测线Ⅰ
地面测点35联巷
定向轮
1#平衡锤 35联巷
2#平衡锤
800m 采深 450 300m m 采深 800m
下沉 量
W /m
倾斜 I /mm/m
曲率 K
/mm/m
2
-0.140 -0.989 0.024
-0.137 -0.337 0.008
-2.735 -20.217 0.654
-2.46 -8.530 0.177
水平 位移 U /m
0.039
0.032
实测地表移动变形最大值
工作面
下沉量 W /m
1022面 1.830
Ⅱ1022 面
0.210
下沉 系数q
0.732
0.08
倾斜I /mm/m
9.86
0.88
曲率 K
/mm/m2 0.100
0.013
水平 水平变 位移 形ε U /m /mm/m 0.410 4.05
0.094 0.36
习惯上用采动充分程度n来评价地表沉陷程度
Survey line C
The primary key stratum
Survey line D
Survey line D
Survey line C
the observation scheme about rock strata movement and surface subsidence of face 70310 in YangQuan Colliery 1st
130m
S0 地面测线Ⅱ
180m
钢丝3绳0联巷
N5
N10
S5 测点Ⅱ
S18岩移孔
N15 30联巷
S10
运顺 S15 测点Ⅰ
25联巷 S20
回顺
25联巷
31401综采面 1-2煤层
71m 27m
N20 N22
-200
800 700
下沉速度 mm/d
600
180m处测点Ⅰ
500
130m处测点Ⅱ
400
孔口地面
n=D/H
D是采宽 H是采深
工作面地质采矿条件
工作面
面 长 /m
煤厚 /m
平均采 深/m
表土厚 度/m
基岩厚 度/m
采动充 分程度
n
1022面 140 2.5 310 240 70 Ⅱ1022面 220 2.5 611 240 371
实测地表移动变形最大值
0.38 0.36
工作面
下沉量 W /m
1022面 1.830
300
200
100
0
-100-100 0
100 200 300 400
-200
31401工作面与S18孔间距 /m
-300
The research of numerical simulation
Cut
Fig.3 the numerical simulation scheme about the influence of the primary key stratum on the surface subsidence
the surface subsidence velocity curve in the numerical simulation
V(mm·m-1) 600
450
The 1st break of PKS
300
150
0
-100 -80
-60
-40
-20
Ⅱ1022 面
0.210
下沉 系数q
0.732
0.08
倾斜I /mm/m
9.86
0.88
曲率 K
/mm/m2 0.100
0.013
水平 水平变 位移 形ε U /m /mm/m 0.410 4.05
0.094 0.36
浅部与深部开采地表移动变形最大值的数值模拟结果
面长
采深 150 300m m 采深
2.0 2.7 2.5 2.7 2.5 1.3 2.7
Internal friction angle
(º) 5 32 25 32 25 18 30
来自百度文库
Tensile strength (MPa)
0.05 5 1.2 2.1 1.2 0.8 2.1
Cohesion (MPa)
0.094 10 3 5 3 1.5 5
-262
23
s13
22 20 19
18
17
16
15 1s41213
切眼
12 11 10
9
21
8
7
6
5
4 32
s11
1022工作面
s10
-305
1 基2 基1
s5
(a) 1022工作面
(b) Ⅱ1022工作面
-550
Ⅲ10
Ⅱ1022风巷
Ⅰ35
Ⅰ30
Ⅰ25 交1
Ⅰ20
Ⅰ17 Ⅰ16
s1
交2
Ⅲ13 Ⅲ15
-1
-1.5
-2 -2.5
采深300m 采深800m
-3 下沉 /m
浅部与深部开采地表下沉盆地范围对比
采深增加意味： 覆岩关键层层数增多；主关键层位置的改变
表土层
关键层3
关键层2
关键层1 煤层
20°
0 -100 -400 -600
-1000
表土层
关键层4
关键层3 关键层2 关键层1
7煤层
+36
中砂岩 41.7m
-2.5
关键层2破断后 关键层3破断后
-3 下沉 /m 8 水平变形 mm/m
1000 1200 采出宽度 /m
采深300m 采深800m
6 采深300m
采深800m 4
2
采出宽度 /m 0
0
200
400
600
800
1000 1200
30
29
1022风巷
Ⅲ1
1022Ⅲ机2 巷
Ⅲ5
28
27
26
25
24
Sandstone
Thickness (m)
57 10 12 5 16 3 7
Elastic modulus
(GPa)
1.5 36 7.2 19 7.2 8.8 23
Poisson’s ratio
0.29 0.2 0.22 0.17 0.2 0.23 0.18
Volume weight (104kN/m3)
Ⅱ1022工作面
N1 Nw2 1w2w3 w5
Ⅱ1022机巷 -618
N5 切眼
W10
W13 W14
Ⅲ20
N10
Ⅲ23
N11
Ⅲ24
工作面地质采矿条件
工作面
面 长 /m
煤厚 /m
平均采 深/m
表土厚 度/m
基岩厚 度/m
采动充 分程度
n
1022面 140 2.5 310 240 70 0.38 Ⅱ1022面 220 2.5 611 240 371 0.36
The research of physical simulation
Surface Soil PKS
Fig.7 the physical simulation scheme about the influence of the primary key stratum on the surface active subsidence
Remark
Slicing thichness 3m Primary key stratum Slicing thichness 2m Subordinate key stratum Slicing thichness 2m
Coal seam Floor
V/mm·m－1
400
350
300
250
200
0.706
0.621
水平变 形
ε /mm/m
采动充 分程度
n
0.155 0.5
0.116 0.19
6.266 1.5
2.860 0.56
三、关键层对采动裂隙分布的影响
• 采动裂隙定量描述方法 • 覆岩离层分布规律 • “导水、导气”裂隙动态发育规
律
采动裂隙定量描述方法
initial 100 X(m)
0
-100 -80 -60 -40 -20
0
20
40
60
-100
Key Strata
-200
Surface Soil
-300 W(cm)
90m from cut
0 -0.5 0
505m 140m
采宽500m
采出宽度 /m
300 600 900 1200 1500 1800 2100
抓起控制作用的主要矛盾。
关键层的概念
关键层在岩体运动中的控制作用
我们发现，对采动岩体运 动起主要控制作用的仅为某 一层或某几层，这些对覆岩 活动全部或局部起控制作用 的岩层称为关键层。
关键层在采动覆岩中的作 用，上可影响至地表，下可 影响至采场和支架，内部影 响到采动裂隙的分布和流体 的运移，因而它一定程度上 可作为采场矿压、岩层移动 及地表沉陷、采动岩体内的
150
100
50
0 0
-50
50 100
150
200
44m－68m 68m-72m(the initial breakage ) 81m-108m 108m-112m(the 1st periodic breakage ) 124m-148m 148m-152m(the 2nd periodic breakage )
流体运移研究统一的基础。
关键层判别方法
关键层的刚度和强度判别条件
n1
n
n
s
Eihi3 ihi < Eihi3 ihi
i 1
i 1
i 1
i 1
l 1＜ l n+1
式中 n<s<m hi —第i岩层厚度 γi —第i岩层体积力 Ei —第i岩层弹性模量
采场覆岩一般力学模型
0
-150
The 2nd break of PKS
X(m)
20
40
60
-300 W(cm)
Fig.5 the subsidence speed curve of a surface point away from starting cut 96m
Surface
The initial
The 1st periodic The 2nd periodic
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；
关键层2破断距/m 110 90 80 70 65 60 55
关键层判别软件与实例
二、关键层运动对开采沉陷的影响
覆岩移动的动态过程
关键层对地表下沉的控制作用
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。
Table 1 the characteristics and mechanics parameters of strata in the numerical model
Lithologic characters
soil Thin Sandstone
Sand shale Mid-sandstone
Sand shale Coal
关键层复合破断
q
关键层2
软岩2
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
关键层2
软岩2 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拟结果
载荷大小/MPa
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
关键层1破断距/m 75 75 75 70 65 60 55
breakage of PKS breakage of PKS breakage of PKS
PKS SKS
75°
71°74°
64° 72° 65°
Fig.6 the variety of surface movement boundary respond to the break process of PKS (subsidence boundary 10mm)
100 initial 50 0
1st 2nd 3rd 4th
X(m)
-80 -60 -40 -20 -50 0 20 40 60 80 100
-100
Key Strata Surface Soil
-150 -200 -250
W(cm)
50m from cut
V(mm·m-1)
200
1st 2nd 3rd 4th
粗砂岩 40.8m 细砂粗岩砂岩25.130m.4m
三水平
22°
二水平
一水平
-194
-500 -700 -850 -1000
徐州某矿覆岩关键层随采深增大的变化
(a) 淮北矿区某矿
淮北某矿覆岩关键层随采深增大的变化
0 0
-0.5
200
400
600
800
关键层1破断后
-1
-1.5 -2
关键层1 破断后
Plain-stress model : Geometry similar ratio :
5m×3m×0.3m 1:50
Surface Soil PKS
Surface Soil PKS
Before the break of PKS
After the break of PKS
V(mm·m-1)
150
23.3 6.0
the subsidence velocity curve of
the primary key stratum and the
corresponding surface
Survey
line C
Survey line D
N0
N1
地面测线Ⅰ
地面测点35联巷
定向轮
1#平衡锤 35联巷
2#平衡锤
800m 采深 450 300m m 采深 800m
下沉 量
W /m
倾斜 I /mm/m
曲率 K
/mm/m
2
-0.140 -0.989 0.024
-0.137 -0.337 0.008
-2.735 -20.217 0.654
-2.46 -8.530 0.177
水平 位移 U /m
0.039
0.032
实测地表移动变形最大值
工作面
下沉量 W /m
1022面 1.830
Ⅱ1022 面
0.210
下沉 系数q
0.732
0.08
倾斜I /mm/m
9.86
0.88
曲率 K
/mm/m2 0.100
0.013
水平 水平变 位移 形ε U /m /mm/m 0.410 4.05
0.094 0.36
习惯上用采动充分程度n来评价地表沉陷程度
Survey line C
The primary key stratum
Survey line D
Survey line D
Survey line C
the observation scheme about rock strata movement and surface subsidence of face 70310 in YangQuan Colliery 1st
130m
S0 地面测线Ⅱ
180m
钢丝3绳0联巷
N5
N10
S5 测点Ⅱ
S18岩移孔
N15 30联巷
S10
运顺 S15 测点Ⅰ
25联巷 S20
回顺
25联巷
31401综采面 1-2煤层
71m 27m
N20 N22
-200
800 700
下沉速度 mm/d
600
180m处测点Ⅰ
500
130m处测点Ⅱ
400
孔口地面
n=D/H
D是采宽 H是采深
工作面地质采矿条件
工作面
面 长 /m
煤厚 /m
平均采 深/m
表土厚 度/m
基岩厚 度/m
采动充 分程度
n
1022面 140 2.5 310 240 70 Ⅱ1022面 220 2.5 611 240 371
实测地表移动变形最大值
0.38 0.36
工作面
下沉量 W /m
1022面 1.830
300
200
100
0
-100-100 0
100 200 300 400
-200
31401工作面与S18孔间距 /m
-300
The research of numerical simulation
Cut
Fig.3 the numerical simulation scheme about the influence of the primary key stratum on the surface subsidence