9.(第九章)关键层理论
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第九章 关键层理论概述
岩层控制的关键层理论
实践表明,在直接顶上方存在厚度不等,强度不同的多层岩层. 实践表明,在直接顶上方存在厚度不等,强度不同的多层岩层. 其中一层至数层厚硬岩石层在采场上覆岩层活动中起主要的控 制作用. 制作用. 关键层: 关键层:对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起主 要控制作用的岩层 关键层的特征: 关键层的特征: (1)几何特征:相对其他同类岩层单层厚度较厚; 几何特征: 几何特征 相对其他同类岩层单层厚度较厚; (2)岩性特征:相对其他岩层较为坚硬,即弹性模量较大,强度 岩性特征: 岩性特征 相对其他岩层较为坚硬,即弹性模量较大, 较高; 较高; (3)变形特征:关键层下沉变形时,其上覆全部或局部岩层的下 变形特征: 变形特征 关键层下沉变形时, 沉量同步协调; 沉量同步协调;
关键层理论在煤层瓦斯抽放中的应用
1)运用关键层破断移动规律 ,建立了卸压瓦斯抽放"O"形圈理论 , 运用关键层破断移动规律 建立了卸压瓦斯抽放 建立了卸压瓦斯抽放" 形圈理论 并已在淮北, 它是指导卸压瓦斯抽放钻孔布置的理论依据 ,并已在淮北,淮南, 并已在淮北 淮南, 阳泉等矿区的卸压瓦斯抽放中得到成功应用 . 2 )理论与实测研究证明 ,覆岩远距离煤层能充分卸压 ,其卸压煤层 理论与实测研究证明 覆岩远距离煤层能充分卸压 其卸压煤层 气可通过" 形圈大面积抽放出来 首次在桃园进行了覆岩远距 气可通过"O"形圈大面积抽放出来 .首次在桃园进行了覆岩远距 离卸压煤层气抽放的工业性试验 ,取得了较好的抽放效果 ,为我国 取得了较好的抽放效果 为我国 低透气性煤田煤层气开采开辟了一条新途径 .同时 ,该方法扩展了 同时 该方法扩展了 开采下解放层的应用范围 ,为煤与瓦斯突出的防治提供了新途径 . 为煤与瓦斯突出的防治提供了新途径 该方法在我国许多矿区具备推广应用前景 . 3 )试验研究表明 ,邻近开采煤层的下部关键层的破断运动对"导气" 邻近开采煤层的下部关键层的破断运动对" 试验研究表明 邻近开采煤层的下部关键层的破断运动对 导气" 裂隙发育的动态过程起控制作用 .邻近层卸压瓦斯的涌出受控于 邻近层卸压瓦斯的涌出受控于 导气" "导气"裂隙发育的动态过程 ,对阳泉五矿 1 5煤综放面而言 ,在 对阳泉五矿 煤综放面而言 在 初采期 ,其上部邻近层卸压瓦斯涌出呈四阶段特征 . 其上部邻近层卸压瓦斯涌出呈四阶段特征 4)根据"导气"裂隙发育规律 ,上部邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布 根据" 根据 导气" 上部邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布 置应遵循如下原则 :高抽巷沿倾向位置 ,在初采期应位于采空区 高抽巷沿倾向位置 在初采期应位于采空区 应位于" 形圈内 据此提出了阳泉五 中部 ,而在正常回采期间 ,应位于"O"形圈内 .据此提出了阳泉五 而在正常回采期间 应位于 矿 1 5煤综放面邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布置的优化方案 . 煤综放面邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布置的优化方案
(4)破断特征:关键层的破断将导致全部或局部上覆岩层的同 破断特征: 破断特征 步破断,引起较大范围内的岩层移动; 步破断,引起较大范围内的岩层移动; (5)承载特征:关键层破断前以"板"(或简化为"梁")的结构 承载特征: 或简化为" 承载特征 关键层破断前以" 或简化为 的结构 形式作为全部岩层或局部岩层的承载主体, 形式作为全部岩层或局部岩层的承载主体,破断后则成为砌体 梁结构,继续成为承载主体. 梁结构,继续成为承载主体.
关键层理论在岩层移动裂隙分布中的应用
在工作面初次采动后 ,采场覆岩中关键层未破 采场覆岩中关键层未破 断前 ,关键层将以弹性地基板或梁的结构形式产生 关键层将以弹性地基板或梁的结构形式产生 挠曲下沉变形 .此时 ,关键层下部将产生离层 ,离层 此时 关键层下部将产生离层 离层 的大小取决于采高及软弱岩层的松散系数 .如有亚 如有亚 关键层 ,则破断后的亚关键层将形成砌体梁结构 , 则破断后的亚关键层将形成砌体梁结构 并也将在主关键层下部产生离层 .亚关键层与主关 亚关键层与主关 键层都破断成砌体梁结构后 ,在覆岩中将形成不整 在覆岩中将形成不整 合性离层 ,这种离层将发生在开采边界的四周 ,而 这种离层将发生在开采边界的四周 而 并非在中部. 并非在中部
覆岩关键层位置的判别
qn +1 < qn
l j < l j +1
采场上覆岩层移动控制技术
留煤柱 充填法 采空区充填 覆岩离层区注浆
覆岩注浆技术的工艺过程图
注浆钻孔
离层带
裂隙带
冒落带
覆岩离层多层位注浆示意图
粉煤灰灰坑
粉煤灰输送皮带粉煤灰灰浆搅 Nhomakorabea池粉煤灰灰浆搅拌池
注浆泵泵房
粉煤灰灰浆输送管路
相似材料模拟实验离层分布图
T2195注浆条件下地表下沉立体图 T2195注浆条件下地表下沉立体图
关键层的概念
在采场上覆岩层中存在着多层坚硬岩层时 ,对岩体活动 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 . 后者可称为亚关键层
采场上覆岩层的变形,破断, 采场上覆岩层的变形,破断,离层和地表沉陷等一系列矿压 显现规律主要由坚硬岩层中的关键层控制 .采场上覆岩层中 采场上覆岩层中 的关键层理论将使采场矿压, 的关键层理论将使采场矿压,岩层移动和地表沉陷等方面的 研究有机地统一成一个整体 . 判断某一岩层是否为关键层 ,需同时满足关键层的刚度判别 需同时满足关键层的刚度判别 条件和强度判别条件 . 当出现与地表沉陷相对应的多层岩层同步协调变形和破坏时 , 其最下部坚硬岩层为主关键层 ,只是岩体内部数层岩层协调 只是岩体内部数层岩层协调 变形与破断 ,并不影响至地表时 ,其下部坚硬岩层为亚关键层 . 并不影响至地表时 其下部坚硬岩层为亚关键层 关键层在破断前为弹性地基梁 (或板 ) ,用此模型可较为准确 或板 用此模型可较为准确 地计算出采场来压步距和岩层移动的周期性变化规律 .关键 关键 层破断后将成为砌体梁结构 . 主关键层与亚关键层之间, 主关键层与亚关键层之间,亚关键层与亚关键层之间的变形 不协调或不整合将形成岩层移动中的离层和各种裂隙分布 .
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关键层理论的应用
关键层理论在采场矿压控制中的应用
关键层理论可对采场矿压控制机理作出更为 系统和准确的分析 ,因而可对传统矿压估算公式作 因而可对传统矿压估算公式作 全面的修正 .传统采场矿压理论是以老顶作为采场 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 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 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 同时考虑关键 层的复合效应. 层的复合效应
关键层理论在岩层移动控制中的应用
建筑物下采煤 ,对地表移动变形量控制极为严 对地表移动变形量控制极为严 格 ,用关键层理论指导开采设计的基本原则为 : 用关键层理论指导开采设计的基本原则为 保证主关键层不破断 ,并限制其弯曲变形量 .当 并限制其弯曲变形量 当 采深较深 ,覆岩中存在多层或多组坚硬岩层时 , 覆岩中存在多层或多组坚硬岩层时 根据关键层理论分析 ,主关键层下部将产生较为 主关键层下部将产生较为 显著的离层变形 ,并且主关键层的破断将引起地 并且主关键层的破断将引起地 表较大幅度的沉降 .因此 ,主关键层下部将是离 因此 主关键层下部将是离 层注浆的最佳层位 .另外 ,亚关键层下部也能形 另外 亚关键层下部也能形 成较为明显的离层区 ,在其下部注浆既能起到保 在其下部注浆既能起到保 护主关键层作用 ,又能起到地表减沉的效果 . 又能起到地表减沉的效果
岩层控制的关键层理论
实践表明,在直接顶上方存在厚度不等,强度不同的多层岩层. 实践表明,在直接顶上方存在厚度不等,强度不同的多层岩层. 其中一层至数层厚硬岩石层在采场上覆岩层活动中起主要的控 制作用. 制作用. 关键层: 关键层:对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起主 要控制作用的岩层 关键层的特征: 关键层的特征: (1)几何特征:相对其他同类岩层单层厚度较厚; 几何特征: 几何特征 相对其他同类岩层单层厚度较厚; (2)岩性特征:相对其他岩层较为坚硬,即弹性模量较大,强度 岩性特征: 岩性特征 相对其他岩层较为坚硬,即弹性模量较大, 较高; 较高; (3)变形特征:关键层下沉变形时,其上覆全部或局部岩层的下 变形特征: 变形特征 关键层下沉变形时, 沉量同步协调; 沉量同步协调;
关键层理论在煤层瓦斯抽放中的应用
1)运用关键层破断移动规律 ,建立了卸压瓦斯抽放"O"形圈理论 , 运用关键层破断移动规律 建立了卸压瓦斯抽放 建立了卸压瓦斯抽放" 形圈理论 并已在淮北, 它是指导卸压瓦斯抽放钻孔布置的理论依据 ,并已在淮北,淮南, 并已在淮北 淮南, 阳泉等矿区的卸压瓦斯抽放中得到成功应用 . 2 )理论与实测研究证明 ,覆岩远距离煤层能充分卸压 ,其卸压煤层 理论与实测研究证明 覆岩远距离煤层能充分卸压 其卸压煤层 气可通过" 形圈大面积抽放出来 首次在桃园进行了覆岩远距 气可通过"O"形圈大面积抽放出来 .首次在桃园进行了覆岩远距 离卸压煤层气抽放的工业性试验 ,取得了较好的抽放效果 ,为我国 取得了较好的抽放效果 为我国 低透气性煤田煤层气开采开辟了一条新途径 .同时 ,该方法扩展了 同时 该方法扩展了 开采下解放层的应用范围 ,为煤与瓦斯突出的防治提供了新途径 . 为煤与瓦斯突出的防治提供了新途径 该方法在我国许多矿区具备推广应用前景 . 3 )试验研究表明 ,邻近开采煤层的下部关键层的破断运动对"导气" 邻近开采煤层的下部关键层的破断运动对" 试验研究表明 邻近开采煤层的下部关键层的破断运动对 导气" 裂隙发育的动态过程起控制作用 .邻近层卸压瓦斯的涌出受控于 邻近层卸压瓦斯的涌出受控于 导气" "导气"裂隙发育的动态过程 ,对阳泉五矿 1 5煤综放面而言 ,在 对阳泉五矿 煤综放面而言 在 初采期 ,其上部邻近层卸压瓦斯涌出呈四阶段特征 . 其上部邻近层卸压瓦斯涌出呈四阶段特征 4)根据"导气"裂隙发育规律 ,上部邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布 根据" 根据 导气" 上部邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布 置应遵循如下原则 :高抽巷沿倾向位置 ,在初采期应位于采空区 高抽巷沿倾向位置 在初采期应位于采空区 应位于" 形圈内 据此提出了阳泉五 中部 ,而在正常回采期间 ,应位于"O"形圈内 .据此提出了阳泉五 而在正常回采期间 应位于 矿 1 5煤综放面邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布置的优化方案 . 煤综放面邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布置的优化方案
(4)破断特征:关键层的破断将导致全部或局部上覆岩层的同 破断特征: 破断特征 步破断,引起较大范围内的岩层移动; 步破断,引起较大范围内的岩层移动; (5)承载特征:关键层破断前以"板"(或简化为"梁")的结构 承载特征: 或简化为" 承载特征 关键层破断前以" 或简化为 的结构 形式作为全部岩层或局部岩层的承载主体, 形式作为全部岩层或局部岩层的承载主体,破断后则成为砌体 梁结构,继续成为承载主体. 梁结构,继续成为承载主体.
关键层理论在岩层移动裂隙分布中的应用
在工作面初次采动后 ,采场覆岩中关键层未破 采场覆岩中关键层未破 断前 ,关键层将以弹性地基板或梁的结构形式产生 关键层将以弹性地基板或梁的结构形式产生 挠曲下沉变形 .此时 ,关键层下部将产生离层 ,离层 此时 关键层下部将产生离层 离层 的大小取决于采高及软弱岩层的松散系数 .如有亚 如有亚 关键层 ,则破断后的亚关键层将形成砌体梁结构 , 则破断后的亚关键层将形成砌体梁结构 并也将在主关键层下部产生离层 .亚关键层与主关 亚关键层与主关 键层都破断成砌体梁结构后 ,在覆岩中将形成不整 在覆岩中将形成不整 合性离层 ,这种离层将发生在开采边界的四周 ,而 这种离层将发生在开采边界的四周 而 并非在中部. 并非在中部
覆岩关键层位置的判别
qn +1 < qn
l j < l j +1
采场上覆岩层移动控制技术
留煤柱 充填法 采空区充填 覆岩离层区注浆
覆岩注浆技术的工艺过程图
注浆钻孔
离层带
裂隙带
冒落带
覆岩离层多层位注浆示意图
粉煤灰灰坑
粉煤灰输送皮带粉煤灰灰浆搅 Nhomakorabea池粉煤灰灰浆搅拌池
注浆泵泵房
粉煤灰灰浆输送管路
相似材料模拟实验离层分布图
T2195注浆条件下地表下沉立体图 T2195注浆条件下地表下沉立体图
关键层的概念
在采场上覆岩层中存在着多层坚硬岩层时 ,对岩体活动 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 . 后者可称为亚关键层
采场上覆岩层的变形,破断, 采场上覆岩层的变形,破断,离层和地表沉陷等一系列矿压 显现规律主要由坚硬岩层中的关键层控制 .采场上覆岩层中 采场上覆岩层中 的关键层理论将使采场矿压, 的关键层理论将使采场矿压,岩层移动和地表沉陷等方面的 研究有机地统一成一个整体 . 判断某一岩层是否为关键层 ,需同时满足关键层的刚度判别 需同时满足关键层的刚度判别 条件和强度判别条件 . 当出现与地表沉陷相对应的多层岩层同步协调变形和破坏时 , 其最下部坚硬岩层为主关键层 ,只是岩体内部数层岩层协调 只是岩体内部数层岩层协调 变形与破断 ,并不影响至地表时 ,其下部坚硬岩层为亚关键层 . 并不影响至地表时 其下部坚硬岩层为亚关键层 关键层在破断前为弹性地基梁 (或板 ) ,用此模型可较为准确 或板 用此模型可较为准确 地计算出采场来压步距和岩层移动的周期性变化规律 .关键 关键 层破断后将成为砌体梁结构 . 主关键层与亚关键层之间, 主关键层与亚关键层之间,亚关键层与亚关键层之间的变形 不协调或不整合将形成岩层移动中的离层和各种裂隙分布 .
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关键层理论的应用
关键层理论在采场矿压控制中的应用
关键层理论可对采场矿压控制机理作出更为 系统和准确的分析 ,因而可对传统矿压估算公式作 因而可对传统矿压估算公式作 全面的修正 .传统采场矿压理论是以老顶作为采场 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 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 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 同时考虑关键 层的复合效应. 层的复合效应
关键层理论在岩层移动控制中的应用
建筑物下采煤 ,对地表移动变形量控制极为严 对地表移动变形量控制极为严 格 ,用关键层理论指导开采设计的基本原则为 : 用关键层理论指导开采设计的基本原则为 保证主关键层不破断 ,并限制其弯曲变形量 .当 并限制其弯曲变形量 当 采深较深 ,覆岩中存在多层或多组坚硬岩层时 , 覆岩中存在多层或多组坚硬岩层时 根据关键层理论分析 ,主关键层下部将产生较为 主关键层下部将产生较为 显著的离层变形 ,并且主关键层的破断将引起地 并且主关键层的破断将引起地 表较大幅度的沉降 .因此 ,主关键层下部将是离 因此 主关键层下部将是离 层注浆的最佳层位 .另外 ,亚关键层下部也能形 另外 亚关键层下部也能形 成较为明显的离层区 ,在其下部注浆既能起到保 在其下部注浆既能起到保 护主关键层作用 ,又能起到地表减沉的效果 . 又能起到地表减沉的效果