矿山压力与岩层控制

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；煤层内所含的瓦斯；土
地以至于煤矸石以及在煤层附近的其他
矿床都应该是这个矿区的开发经营对象
而加以利用。
煤矿绿色开采的特点之一

矿井瓦斯定义：矿井中主要由甲烷为主
的有害气体。---------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。
3.岩层移动角 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。
走向移动角δ 下山移动角β 上山移动角γ
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 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）
关键层理论提出目的是为了研究层状矿体 开采中厚硬岩层对岩层中节理裂隙的分布 及其对瓦斯抽放以及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。
关键层的定义
将对岩体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。
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.
关 键 层 破 断 前 后 的 离 层 分 布
100 80 ¹ ¼ ² ³ ´ Æ ¶ Ç Ø ü ã õ Î Ï ° ¹ ¼ ² ³ ´ Æ ¶ º Ø ü ã õ Î Ï ó
第四节
采场底板破坏与突水
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。
图6－16
支承压力形成的底板破坏深度
应用关键层理论分析采场底板破坏与突水, 取得了进展。很好地解释了底板突水点位置分 布特点
图6－17 初次来压时底板关键层载荷特征
图6－18 底板关键层破断后的一般状态
第五节
采场上覆岩层移动控制技术
一、关键层理论对建筑物下采煤的指导
岩层控制的关键层理论为进一步完善建筑物下开采
设计提供了理论指导，原则为：
判别上覆岩层中的主关键层位置，在对主关键层破
煤炭开采形成的环境问题之一
对土地资源的破坏和占用 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。
二、关键层位置的判别
关键层判别方法 （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．
（二） 计算各硬岩层的破断步距 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Fra Baidu bibliotek键层判别方法的计算机化和判 别结果的可视化。
煤矿绿色开采的特点之三
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
岩层控制的关键层理论，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
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。
阳泉一矿岩移观测孔布置示意图
关键层对地表下沉控制作用的实测结果
V(mm/m) 150 100
初次破断 50
第二次周期破断 第三次周期破断 第四次周期破断
第一次周期破断
X(m) 20 40 60
0 -60 -40 -20 -50 0 -100 -150 -200 -250 W(cm)
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
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
关键层 表土层 表土层下沉量 表土层下沉速度
关键层理论研究表明：
上覆岩层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，其对地表下沉曲线特 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。
(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。 下位关键层的破断运动对“导气”裂隙从下向上发 展的动态过程起控制作用; 当采空区面积达一定值后，“导气”裂隙的分布也 同样呈“O”形圈特征，它是正常回采期间邻近 层卸压瓦斯流向采空区的主要通道。
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
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
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，钱鸣高院士及其课题组提出了 岩层控制的关键层理论。
三、硬岩层破断的复合效应
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。
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。
煤矿绿色开采的特点之二

从开采的角度采取措施，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。因而，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。
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，因而， 绿色开采的重大基础理论为： 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
绿色开采的提出
尽快形成煤矿的“绿色开采技术”已迫 在眉睫。 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，钱鸣高院 士正式提出了煤矿绿色开采的理念及其 技术体系。
煤矿绿色开采的内涵



基本概念上 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。
矿山压力与岩层控制
第六章 采场岩层移动与控制
目 录
第一节 第二节 第三节 第四节 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
第五节
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。 (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。
采动岩体中的关键层有如下特征： (1) 几何特征：相对其他相同岩性的岩层厚度较厚。 (2) 岩性特性：相对其他岩层较为坚硬，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。
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已很小。 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)的条件，地表下 沉的预计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。
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
（b）表土层厚度100m
关键层与表土层对地表下沉耦合作用的离散元模 拟结果
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：
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。煤矿每年向大气排放瓦 斯70-190亿m3。
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 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。
/mm ë ã ¿ À ² Á
60 40 20 0 -20 -50 0 50 100 150
200
250
300
Ç Ñ Ð Û
¾ Ç Ñ ¾ À à Ð Û à ë
/m
采动裂隙分布的“O”形圈
(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。
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，将上覆岩层岩工作面推进 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。
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。
第三节 采场上覆岩层移动规律
一、岩层移动的有关概念
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。
采动后岩层各点的移动 地表相邻两点的移动和变形
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：