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
+<j j l l 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 4.0250007.0
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
3.关键层复合破断规律
所谓关键层复合破断是指相邻两层硬岩层出现同步破断的现象。

在薄基岩厚表土层条件下，两层硬岩层同步破断的判别条件:11212003
,2,2,1,10,10,1200,2,23,1,10.20.21≥⋅⋅⎪⎪
⎭
⎫ ⎝⎛+⋅⋅∑∑∑∑====m j m j j
j j j m
j m
j j j j j h E h h E H h h E h E γσγγσ1
+≥j j l l 二、岩层控制的关键层理论概念位置判断复合破断
1.岩层移动的有关概念
(1)岩层移动：(应力重新分布的过程）
煤层采出后，引起岩层的变形、破坏与移动，并由下向上发展至地表引起地表的移动，这一过程和现象称为岩层移动，又称为开采沉陷。

三、采场上覆岩层移动规律概念规律
三、采场上覆岩层移动规律概念规律
岩层移动概貌（椭圆形为主）
1—滑移面；2—断裂面；3—拉伸变形；4—压缩变形；
α—断裂角；β—滑移角
三、采场上覆岩层移动规律概念规律
（2）充分采动与非充分采动：
当采空区尺寸(长度和宽度)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，此时的采动称为充分采动。

（盘）将刚达到充分采动状态的采空区尺寸称为临界开采尺寸。

如果采空区尺寸小于临界开采尺寸，称为非充分采动。

非充分采动条件，下沉盆地呈尖底“碗状”，随着开采尺寸增加，地表下沉值还将继续增大。

三、采场上覆岩层移动规律概念规律
三、采场上覆岩层移动规律概念规律
（3）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。

（3）移动与变形：
①倾斜变形（i ）：指相邻点在竖直方向的相对移动与两相邻点间水平距离的比值。

反映盆地沿某一方向的坡度。

会使地表建筑歪斜。

地表相邻两点的移动和变形
m
mm l w
l w w i /,433443∆=-=--三、采场上覆岩层移动规律概念规律
（3）移动与变形：
②曲率变形（K ）：指相邻线段的倾斜差与两线段中点间的水平距离的比值。

曲率变形反映观测线断面上的弯曲程度。

曲率有正、负之分，下沉曲线上凸为正，下凹为负。

下沉曲线的凸凹分界点称为拐点。

2
/,m mm l i K ∆=三、采场上覆岩层移动规律概念规律
（3）移动与变形：③水平变形（ε）：指两相邻点的水平移动差值与两点间水平距离的比值。

它反映相邻两点间单位长度的拉伸(正)或压缩(负)值。

（建筑物破坏的主因）
地表相邻两点的移动和变形
m
mm l
u l u u /,433
443∆=-=--ε三、采场上覆岩层移动规律概念规律
三、采场上覆岩层移动规律概念规律
（4）岩层移动角：
地表下沉边界
（常以10mm 点划
定）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。

(预测影响范围，煤柱留设）三、采场上覆岩层移动规律概念规律（1）采动覆岩移动破坏的分带：
垮落带裂缝带弯曲带
导水裂隙带软弱：9-12
中硬：12-18
坚硬：18-28
2.岩层移动的基本规律：
三、采场上覆岩层移动规律概念规律
（1）采动覆岩移动破坏的分带：
“两带”高H li =(9~12)M H li =(12~18)M
H li =(18~28)M 三、采场上覆岩层移动规律概念规律
（2）覆岩内部岩层移动特征：
图6－8 上覆岩层移动实测曲线
三、采场上覆岩层移动规律概念规律
图6－8 上覆岩层移动实测曲线
①岩层移动曲线符合负指数函数关系：
()b aZ m x e s s --=1下沉：b
aZ b m x e Z s b a L dx ds i --⋅⋅⋅⋅⋅==)
1(1斜率：[]b
aZ b b m x e
abZ Z s b a L dx s d --⋅-⋅⋅⋅⋅⋅==)1-b 1)2(222（曲率：εb
x ab b dx s d 1
221Z 0⎪⎭
⎫ ⎝⎛-==，即：最大斜率位置：b
x ab b b b dx s d 1332)1)(15()1(3Z 0⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣⎡--±-==，即：最大曲率位置：三、采场上覆岩层移动规律概念规律图6－8 上覆岩层移动实测曲线
②采场覆岩移动的水平分区：
A:微小
B:下急上缓
C:上急下缓
三、采场上覆岩层移动规律概念规律
三、采场上覆岩层移动规律概念规律
③覆岩移动轨迹：
先向采空区方向移动，后转向工作面推进方向移动。

三、采场上覆岩层移动规律概念规律
④覆岩移动轨迹与煤层倾角关系：
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。

三、采场上覆岩层移动规律概念规律
（3）关键层运动对岩层移动的影响：
关键层对岩层移动控制作用的实验结果
1—关键层；2—关键层上82 m处
三、采场上覆岩层移动规律概念规律
（4）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。

关键层初次破断后，关键层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。

三、采场上覆岩层移动规律概念规律
采动裂隙分布的“O”型圈
三、采场上覆岩层移动规律概念规律
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。

④贯通的竖向裂隙是水与瓦斯涌入工作面的通道，故也称其为“导水、导气”裂隙。

“导水、导气”裂隙仅在覆岩一定高度范围内发育，其发育高度与采高和岩性有关。

煤层开采后不仅引起顶板岩层的移动与破坏,也将导致底板岩层在一定范围的移动和破坏。

当底板岩层存在含水层时，煤层开采后底板的变形破坏可能会引起底板突水事故。

采动底板突水事故是采动对底板破坏及底板承压水共同作用导致。

底板突水事故的防治需要重视研究采动底板破坏规律。

四、采场底板破坏与突水底板岩层中的应力分布
a —煤柱下σz 等值线；
b —煤体下σz 等值线
（采深800m ，平均岩石体积力25kN/m 3)
四、采场底板破坏与突水破坏深度关键层分析
1.采场底板破坏深度
四、采场底板破坏与突水破坏深度关键层分析
I—主动应力区；II—过渡区；III—被动应力区。

地基中的极限平衡区
四、采场底板破坏与突水破坏深度关键层分析
I—主动应力区；II—过渡区；III—被动应力区。

支承压力形成的底板破坏深度
✓底板岩层承压能力与采面长度关系
（赵阳升等，2004）
四、采场底板破坏与突水破坏深度关键层分析
✓不同采煤方法的底板破坏深度值
采煤方法
长壁
80~100m
短壁
50m
条带
20m
房柱
15 15m
底板破坏深
度/m 10~17 3.5~7 2.5~33~5
四、采场底板破坏与突水破坏深度关键层分析
四、采场底板破坏与突水破坏深度关键层分析
2.应用关键层理论分析采场底板破坏与突水
正向载荷
负向载荷
初次来压时底板关键层载荷特征
四、采场底板破坏与突水破坏深度关键层分析
底板关键层破断后的一般状态
五、岩层移动控制技术煤柱充填离层区协调开采
1.留设煤柱控制岩层移动
（1）部分开采：条带开采、房柱式开采
条带开采的类型
a －保留条带宽度; b－采出条带宽度
五、岩层移动控制技术煤柱充填离层区协调开采
房
柱
式
采
煤
五、岩层移动控制技术煤柱充填离层区协调开采
（2）留设保护煤柱：
留设保护煤柱保护地面重要建(构)
筑物。

保护煤柱留设主要根据具体矿
井条件下，岩层移动角参数来进行设
计。

水体下采煤必须在煤层与水体之
间留设一定高度的起隔水作用的煤层
和岩层，通称为防水煤岩柱。

留设防
水煤岩柱的目的，是不允许导水断裂
带波及到水体。

五、岩层移动控制技术煤柱充填离层区协调开采
断
层
防
水
煤
柱
留
设
示
例
2.充填法控制岩层移动
五、岩层移动控制技术煤柱充填离层区协调开采
煤矿充填开采技术体系
煤矿充填开采
膏体充填
高水材料充填干式充填
充填工艺设备
充填材料充填支架充填设计/评价
回收煤柱
沿空留巷防煤自燃
矸石处理
水砂/矸石充填
高水材料
胶结性膏体
非胶结性膏体
充填环境安全
充填系统集成
充填泵
充填管件
系统测控
现场实测
整体充填支架
分体充填支架
端头充填支架
巷旁充填支架
干式充填支架
采面控制设计
材料选择设计
支架设计方法
充采方法设计
沉陷控制效果
环境保护效果
充填工艺设计复合外加剂
膏体胶结料
膏体胶结料
粉尘防治
三下一上采煤
充采设计规范
充填支架规范
充填系统规范
材料标准
工作面
采空区
水平短梁
（1）干式充填：2.充填法控制岩层移动
五、岩层移动控制技术煤柱充填离层区协调开采 岱庄煤矿采煤工作面膏体充填过程
支架煤层充
填
体
（2）膏体充填：
五、岩层移动控制技术煤柱充填离层区协调开采
膏体充填技术优势：✓密实度高，减沉效果好，采出率高。

✓膏体管道输送，充分利用矿现行巷道，运输效率高。

✓膏体充填系统计算控制，自动化程度高，
占用人员少。

✓综合效益好。

✓适用范围广。

●矸石散体与膏体压缩性能对比0102030405005101520253035压缩率/%
压缩应力/MPa 矸石散体1矸石散体2膏体✓膏体充填技术优势：五、岩层移动控制技术煤柱充填离层区协调开采
矿名煤层厚度/m 充填目的充填面布置地表下沉系数q 充填采出率/%不充填采出率
/%
太平
煤矿9.00提高开采上限，减沉分层无煤柱180m 长壁面0.15~
0.26>85<12
小屯
煤矿 5.50保护建筑提高采出率分层无煤柱120m 长壁面0.15~
0.20>8530
朱村煤矿 1.34保护建筑和
承压水上开采安全
无煤柱105m
长壁面往复采0.1±>85<40
岱庄
煤矿 2.66保护建筑提高采出率回收条带采
遗留煤柱<0.1>85<40
注：地表下沉系数指充分采动后。

采出率指采区采出率。

五、岩层移动控制技术煤柱充填离层区协调开采
“覆岩离层分区隔离注浆法”示意图
（离层区充填＋条带开采）
“分区隔离注浆法“示意图地表
主关键层
3.离层区充填法控制岩层移动
确定关键层位置
注浆工艺优化关键层不在两带内
五、岩层移动控制技术煤柱充填离层区协调开采协调开采是减少地表变形的一种技术措施，一般不能减少地表下沉。

在开采过程中通过两个或多个工作面的配合，便被保护对象处于下沉盆地的中间区，只承受动态变形及最终的均匀下沉，可以有效减少地表变形对地表建筑物的损害。

波兰在卡托维茨城下采煤时，在整个城市煤柱内由3个煤矿联合布置三组阶梯长壁工作面；英国、前苏联等也采用此法开采了大量的建筑物压煤。

我国峰峰局曾采用协调开采技术进行了辛寺庄下压煤开采试验，布置了7个工作面同时开采。

4.协调开采
五、岩层移动控制技术煤柱充填离层区协调开采
2016/12/9谢谢！
31。