关键层理论在工程实践中的应用

关键层理论在工程实践中的应用

[摘要]针对煤矿开采中覆岩复杂的破断与运动特征，阐述了岩层控制关键层理论的基本概念，对关键层理论在采场矿压控制、卸压瓦斯抽放、底板突水防治等方面的工程应用研究情况进行了介绍。

[关键词]关键层理论地表移动底板突水

中图分类号：TD325 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）36-0593-01

1 前言

煤层开采后必然引起岩体向采空区内移动，岩层移动将造成如下采动损害：①形成矿山压力显现，危及井下回采工作面人员及设备的安全。②形成采动裂隙，会引起周围岩体中的水与瓦斯的运移，引起井下瓦斯突出与突水等事故。③岩层移动传递至地表引起地表沉陷，引发一系列环境问题。因此，掌握整个采动岩体的活动规律，特别是内部岩层的活动规律，是解决采动岩体灾害的关键。

2 关键层的概念及特征

在采场上覆岩层中存在着多层坚硬岩层时，对岩体活动全部或局部起决定作用的岩层称为关键层，前者可称为岩层运动的关键层，后者可称为亚关键层。采场上覆岩层中的关键层有如下特征：①几何特征：相对其它相同岩层厚度较厚；②岩性特征：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，其上覆全部或局部岩

层的下沉量与它是同步协调的；④破断特征：关键层的破断将导致全部或局部上覆岩层的破断，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）的结构形式，作为全部岩层或层部岩层的承载主体，断裂后若满足岩块结构的S-R稳定，则成为砌体梁结构，继续成为承载主体。

3 关键层理论在工程实践中的应用

3.1 关键层理论在采场矿压控制中的应用

一般情况下，煤层覆岩具有良好的分层性，长壁全部垮落式开采技术就是利用其覆岩随采随垮的特征，使采场支架无需经受剧烈动压而实现高度集中生产。但是，也存在一些特殊覆岩构造情况，例如关键层。分析其采场覆岩破断与冒落规律，为该类采场矿压控制提供依据。

传统采场矿压理论是以老顶作为采场来压主体，老顶上部覆岩均简化为载荷作用于老顶，而关键层理论是将在整个覆岩活动中起主要控制作用的岩层作为采场来压的主体，同时考虑关键层的复合效应。

邻近采场并对采场矿压显现产生影响的关键层习惯上称为老顶。关键层理论研究表明，相邻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邻近硬岩层也对矿压显现产生影响。其影响主要表现在两方面：其一，当产生复合效应的相邻硬岩层破断距相同时，一方面关键层破断距增大，另一方面一次破断岩层厚度增大，增大了工作面的来压步距和矿压显现强度。其二，当产生复合效应的相邻硬岩层破断距不等，工作面来压步距将呈一大一小的周期性变

化。当覆岩中存在典型的主关键层时，由于其一次破断运动的岩层范围大，往往会对采场来压造成影响，尤其当主关键层初次破断时，将引起采场较强烈的来压显现。

在工作面初次采动后，采场上覆岩层中关键层未破断前，将以弹性地基板或梁的结构形式产生挠曲下沉变形，此时，关键层下部将产生不协调性连续变形离层.离层的大小，取决于已破断岩层的松散系数及采高.如有亚关键层，则局部破断后的关键层（或岩层组）将形成砌体梁结构，并将在主关键层下部产生非连续变形和连续变形之间的不协调性离层.亚关键层与亚关键层、亚关键层与主关键层都破断成砌体梁结构后，在上覆岩层中将形成非连续变形的不整合性离层，这种离层将发生在开采边界的四周，而并非在中部.

3.2 关键层运动对邻近层瓦斯涌出的影响分析

在关键层运动时，其所控制的全部或局部岩层的下沉变形是相互协调一致的，关键层的断裂将导致其所控制的岩层随之产生整体运动。关键层控制着上覆裂隙的动态发展，相关研究结果表明：采动裂隙由下往上的动态扩展过程是非匀速的，而是受下位关键层的控制，随关键层的破断而突变。

瓦斯在煤层中的赋存主要为游离和吸附两种状态，并以吸附态为主。煤层瓦斯只有在游离状态下并且有大量裂隙通道存在时方能大量涌出。在特定的煤层赋存条件下，煤层瓦斯的吸附?解吸主要受到瓦斯压力的影响。煤层采动过程中，覆岩在下部关键层运动的控制下随之弯曲下沉进而破断。随着关键层的弯曲下沉，覆岩层内将产生应力卸压区和增高区。处在

卸压区内的含瓦斯煤体卸压膨胀，瓦斯压力减小，吸附瓦斯得到解吸，游离瓦斯增多。关键层的突然破断，将引起其所控制的岩层随之整体破断，产生上下贯通的穿层裂隙，给上覆煤体卸压瓦斯的运移提供了通道，这必将引起其内瓦斯的大量涌出和持续解吸。因此，控制覆岩移动和裂隙动态扩展的关键层必将影响着上覆邻近层瓦斯的动态涌出过程。

沿工作面推进方向，随着工作面推进，关键层下离层动态分布呈现两阶段发展规律：阶段Ⅰ，从开切眼开始至关键层初次垮落。不同推进距离时关键层下的最大离层量均位于各自走向采长的中部。此阶段内关键层下离层发展由离层使动区、离层扩展区、离层闭合区组成。阶段Ⅱ，关键层初次垮落以后的阶段，此阶段内关键层在采空区中部离层趋于压实，而在采空区两侧仍各自保持一个离层区。切眼侧离层区是固定不动的，而工作面侧的离层区是随着工作面开采而不断前移的，工作面侧离层区的长度相当于关键层初次断裂前离层区长度的1/3左右。从平面上看，由于关键层破断后形成“砌体梁”结构，在采空区四周存在如图1所示一沿层面横向连通的离层发育区，称其为采动裂隙“O”形圈。

采动裂隙“O”形圈能长期保持，据此建立了卸压瓦斯抽放“O”形圈理论。“O”形圈相当于一条“瓦斯河”，周围煤岩体中的瓦斯解析后通过渗流不断地汇集到这条“瓦斯河”中。因此卸压瓦斯抽放钻孔应打到采动裂隙“O”形圈内，以保证钻孔有较长的抽放时间、较大的抽放范围、较高的瓦斯抽放率。

3.3 关键层理论在采场底板突水防治中的应用

在煤岩层中，由于成岩时间和矿物成份不同，各岩层厚度和力学性质

等方面存在不同程度的差别。底板采动破坏带以下及含水层以上承载能力最大的一层岩层被称为底板关键层，在底板隔水层中起关键控制作用，如图2所示。

若关键层岩层抗拉强度较小，关键层岩梁先在两侧支座的下端裂开，而后在梁的中间顶部开裂。随着岩块的转动形成强大的水平挤压力，从而使岩块间形成如图3所示的反三铰拱式平衡结构。此结构平衡取决于咬合点处的摩擦力与剪切力的相互关系，当剪切力大于摩擦力时形成滑落失稳；另外即是咬合点处的挤压力是否超过该咬合点接触面处的强度极限，在一定条件下可能导致岩块随着回转而变形失稳，其表现形式为关键层的台阶上浮，从而发生底板突水。底板关键层在破断成岩块后，只要有一定的条件，它仍然能形成外形如梁，实质是拱的平衡条件，保护着采场底板，使其不发生突水事故。

4 结语

关键层理论研究已在理论和实践两方面取得了很大进展。在采场矿压控制、卸压瓦斯抽放、底板突水防治等方面的应用日趋成熟，为煤炭的安全高效生产提供了理论依据和技术支持。

作者简介

朱鹏程（1988.08），男，助理工程师，2010年6月毕业于安徽理工大学采矿工程专业，现任职于霍州煤电集团洪洞悦昌煤业生产技术部技术员。