矿山压力及岩层控制之7.采场岩层移动与控制

矿山压力与岩层控制

——采场岩层移动与控制主讲：李成伟

采场岩层移动与控制

C ONTENTS 第

七

章岩层移动引起的采动损害概述

1岩层控制的关键层理论2上覆岩层移动规律3工作面底板破坏与突水4岩层移动控制技术

5一、岩层移动引起的采动损害概述

我国煤矿90%以上是井工垮落法开采。垮落法采煤，开采以后必然引起岩体向采空区移动，将造成采动损害及相关问题，主要表现为：

（1）形成矿山压力显现，引起采场和巷道围岩变形、垮落和来压，需对采取支护措施维护采场与巷道的生产安全。

（2）形成采动裂隙，引起周围煤岩体中的水和瓦斯的流动，导致井下瓦斯与突水事故，需要对此进行控制和利用。

1.煤层开采产生的相关问题

一、岩层移动引起的采动损害概述

（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，当地面潜水位较高时，地表沉陷盆地

内大量积水，农田无法耕种村庄被迫搬迁，引发一系列

环境、经济和社会问题。

（4）由于开采对围岩的破坏，为了保护矿井生产安全，需要留设大量的煤柱，我国煤炭采出率低。

一、岩层移动引起的采动损害概述

2.煤矿绿色开采理念

2016年3月，国家发改委、国家能源局联合印发2016-2030能源技术革命创新行动计划；

在煤炭无害化开采技术创新方面提出绿色开发与生态矿山建设，重点在绿色高效充填开采、绿色高效分选、采动损伤监测与控制、采动塌陷区治理与利用、保水开采、矿井水综合利用及深度净化处理、生态环境治理等方面开展研发与攻关。

煤炭开采岩层移动排 放 水地表塌陷土地与建筑物损害瓦斯事故排放瓦斯污染环境地下水资

源流失与

突水事故

煤与瓦斯

共 采保水开采充填开采排放矸石煤巷支护矸石井下处 理煤炭地下

气 化

占用农田污染环境绿色开采

●“高效安全、高采出率、环境协调”绿色开采技术体系

膏体材料充填

超高水材料充填

矸石干式充填

一、岩层移动引起的采动损害概述●瓦斯抽采与利用

被保护层组保护层

地面钻井071421283504080120160200

时间/d 抽采量/

m 3

/m i n

20

406080

100

抽

采

浓度

/%

抽采瓦斯量抽采瓦斯浓度

远距离保护层开采（100～110m ）地面钻井抽采法

一、岩层移动引起的采动损害概述

一、岩层移动引起的采动损害概述

●瓦斯抽采与利用

压缩转运

✓瓦斯发电✓瓦斯罐装利用

一、岩层移动引起的采动损害概述

●煤炭地下气化

煤炭地下气化是指其不将煤炭采出地面，而将其在地下直接气化，即将地下煤炭通过热化学反应在原地转化为可燃气体的技术。它1912年开始于英国，美国始于1946，苏联始于1932年。其它如德国、法国、荷兰、西班牙都进行过试验，但由于热值低，成本高而末得到发展。

我国于1958~1960年曾在16个矿区进行试验，于1962年停止，1984年又开始了新的试验，1994年达到连续生产295d，产气量为200m3/h，热值13816～17584kJ/m3，采用的是有井式、长通道、大断面的煤炭地下气化方法。

二、岩层控制的关键层理论概念位置判断复合破断

1. 关键层的概念

关键层指对岩体活动局部或直至地表的全部起控制作用的岩层。前者称为

亚关键层，后者称为主关键层。关键层特征如下：

（1）几何特征：单层厚度较厚；

（2）岩性特征：相对较坚硬，弹性模量较大，强度较高；

（3）变形特征：关键下沉变形时，其上覆全部或局部岩层的下沉量同步协调。

（4）破断特征：关键层破断将导致全部或局部上覆岩层的同步破断，引起较

大范围岩层移动。

（5）承载特征：关键层破断前以板/梁结构为上覆全部或部分岩层的承载体，

破断后则为砌体梁结构，继续成为承载主体。

二、岩层控制的关键层理论概念位置判断复合破断

二、岩层控制的关键层理论概念位置判断复合破断二、岩层控制的关键层理论概念位置判断复合破断

（1）计算各硬岩层所受载荷：所谓坚硬岩层是指那些在变形中挠度小于其下部岩层，与其下部岩层离层的岩层。

（2）计算各硬岩层的破断步距：2.覆岩关键层位置的判断

n

n q q <+11

+

岩层岩性γ/kN/m 3h/m E/MPa R t /MPa 1中砂岩23 4.0250007.0

2泥岩25 2.711000 2.0

3砂质泥岩25 2.015000 2.5

4中砂岩25 5.5230007.0

()3

3

223

1122113111)(n n n n n h E h E h E h h h h E q +⋅⋅⋅+++⋅⋅⋅++=γγγ()()()kPa

q kPa q kPa

q kPa

q

7.1637.1745.140921413121====二、岩层控制的关键层理论概念位置判断复合破断

●关键层计算举例：

岩层岩性γ/kN/m 3h/m E/MPa R t /MPa 1中砂岩23 4.0250007.02泥岩25 2.711000 2.03砂质泥岩25 2.015000 2.54中砂岩25 5.5230007.0()()()kPa

q kPa q kPa q kPa

q 7.1637.1745.140921413121====()）

（第一层破断距：m 8.352131

11==q R h l T 二、岩层控制的关键层理论概念位置判断复合破断

●关键层计算举例：

岩层岩性γ/kN/m 3h/m E/MPa R t /MPa 1中砂岩23 4.0250007.02泥岩25 2.711000 2.03砂质泥岩25 2.015000 2.54中砂岩25 5.5230007.0）（，）取（）（，）取（第四层破断距：m 462002m 1.2925001444

4444=====l kPa q q R h l kPa q T 所以，对于第一种情

况，仅第一层岩层为

关键层。对于第二种

情况，第一、第四层

皆为关键层。

二、岩层控制的关键层理论概念位置判断复合破断