第六章采場巖層移動及控制

1、 第六章第六章 采場巖層移動與控制采場巖層移動與控制主講人：主講人： 王王 成成 博博 士士E_mail:E_mail:TELTEL：1583890597915838905979第六章第六章 采場巖層移動與控制采場巖層移動與控制 第一節(jié)第一節(jié) 巖層移動引起的采動損害巖層移動引起的采動損害第二節(jié)第二節(jié) 巖層控制的關(guān)鍵層理論巖層控制的關(guān)鍵層理論第三節(jié)第三節(jié) 采場上覆巖層移動規(guī)律采場上覆巖層移動規(guī)律第四節(jié)第四節(jié) 采場底板破壞與突水采場底板破壞與突水第五節(jié)第五節(jié) 采場上覆巖層移動控制技術(shù)采場上覆巖層移動控制技術(shù)本科生課程：礦山壓力與巖層控制 第一節(jié)第一節(jié) 巖層移動引起的采動損害巖層移動引起的采動損害形

2、成形成礦山壓力礦山壓力顯現(xiàn)，顯現(xiàn)， 需對采場圍巖進(jìn)行需對采場圍巖進(jìn)行支護(hù)。支護(hù)。巖層移動形成采動裂隙，會引起周圍巖巖層移動形成采動裂隙，會引起周圍巖體中的體中的水與瓦斯的運(yùn)移水與瓦斯的運(yùn)移，需對此進(jìn)行控，需對此進(jìn)行控制與利用。制與利用。巖層移動發(fā)展到地表引起巖層移動發(fā)展到地表引起地表沉陷地表沉陷，導(dǎo)，導(dǎo)致農(nóng)田、建筑設(shè)施的毀壞，需要對地表致農(nóng)田、建筑設(shè)施的毀壞，需要對地表沉陷進(jìn)行預(yù)測與控制。沉陷進(jìn)行預(yù)測與控制。緒緒 論論 煤炭開采，巖層移動引起的一系列問題煤炭開采，巖層移動引起的一系列問題地地表表沉沉陷陷水水土土流流失失煤煤矸矸石石瓦瓦斯斯排排放放溫溫室室響響應(yīng)應(yīng)本科生課程：礦山壓力與巖層控制

3、本科生課程：礦山壓力與巖層控制 對土地資源的破壞和占用對土地資源的破壞和占用 平均每采萬噸原煤造成塌陷土地平均每采萬噸原煤造成塌陷土地0.20.2公頃公頃，每年新增塌陷地約每年新增塌陷地約2 2萬公頃。萬公頃。 以山西省為例，至以山西省為例，至19981998年煤炭地下采空面積年煤炭地下采空面積達(dá)達(dá)1300Km1300Km2 2（占全省面積的（占全省面積的1%1%）。）。煤炭開采形成的環(huán)境問題之一煤炭開采形成的環(huán)境問題之一本科生課程：礦山壓力與巖層控制 水資源的破壞和污染水資源的破壞和污染 煤炭開采過程中，人為疏干排水和采煤炭開采過程中，人為疏干排水和采動形成的導(dǎo)水裂隙對煤系含水層的自然疏動形

4、成的導(dǎo)水裂隙對煤系含水層的自然疏干，破壞了地下水資源。同時(shí)開采還可能干，破壞了地下水資源。同時(shí)開采還可能污染地下水資源。污染地下水資源。以山西為例，采煤破壞以山西為例，采煤破壞地下水地下水4.24.2億億m m3 3/a/a，煤炭開采形成的環(huán)境問題之二煤炭開采形成的環(huán)境問題之二本科生課程：礦山壓力與巖層控制 對大氣環(huán)境的污染對大氣環(huán)境的污染 主要來自礦井排出的瓦斯和矸石山的自燃。主要來自礦井排出的瓦斯和矸石山的自燃。瓦斯即煤層氣，它是比瓦斯即煤層氣，它是比CO2還嚴(yán)重的溫室氣體，還嚴(yán)重的溫室氣體，也是導(dǎo)致煤礦重大安全事故的根源。同時(shí)也是導(dǎo)致煤礦重大安全事故的根源。同時(shí)瓦斯瓦斯又是最好的清潔能源

5、。又是最好的清潔能源。煤礦每年向大氣排放瓦煤礦每年向大氣排放瓦斯斯70-190億億m3。煤炭開采形成的環(huán)境問題之三煤炭開采形成的環(huán)境問題之三本科生課程：礦山壓力與巖層控制 對地面建筑物及人文環(huán)境的破壞對地面建筑物及人文環(huán)境的破壞 以淮北礦業(yè)集團(tuán)為例，以淮北礦業(yè)集團(tuán)為例，2001年，年，13個(gè)村莊因個(gè)村莊因采煤塌陷被迫搬遷，共計(jì)采煤塌陷被迫搬遷，共計(jì)1412戶、戶、5535人遷徙人遷徙煤炭開采形成的環(huán)境問題之四煤炭開采形成的環(huán)境問題之四本科生課程：礦山壓力與巖層控制 提出并盡快形成煤礦的提出并盡快形成煤礦的“綠色開采技術(shù)綠色開采技術(shù)”已迫在眉睫。已迫在眉睫。中國礦業(yè)大學(xué)教授中國礦業(yè)大學(xué)教授錢鳴高

6、院士錢鳴高院士及其領(lǐng)導(dǎo)及其領(lǐng)導(dǎo)的課題組，從的課題組，從2020世紀(jì)九十年代初已開始世紀(jì)九十年代初已開始了有關(guān)了有關(guān)“綠色開采技術(shù)綠色開采技術(shù)”的研究和實(shí)踐。的研究和實(shí)踐。在長期研究和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，在長期研究和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，錢鳴高院錢鳴高院士士正式提出了煤礦綠色開采的理念及其正式提出了煤礦綠色開采的理念及其技術(shù)體系。技術(shù)體系。綠色開采的提出綠色開采的提出本科生課程：礦山壓力與巖層控制 煤礦綠色開采的內(nèi)涵煤礦綠色開采的內(nèi)涵煤礦綠色開采以及相應(yīng)的綠色開采技術(shù)煤礦綠色開采以及相應(yīng)的綠色開采技術(shù), ,在基本概念上是從廣義資源的角度上來認(rèn)識在基本概念上是從廣義資源的角度上來認(rèn)識和對待煤、瓦斯、水、土地等一

7、切可以利用和對待煤、瓦斯、水、土地等一切可以利用的各種的各種資源資源；基本出發(fā)點(diǎn)是從開采的角度防；基本出發(fā)點(diǎn)是從開采的角度防止或盡可能減輕開采煤炭對止或盡可能減輕開采煤炭對環(huán)境環(huán)境和其他資源和其他資源的不良影響；目標(biāo)是取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益、的不良影響；目標(biāo)是取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益。環(huán)境效益和社會效益。本科生課程：礦山壓力與巖層控制 煤礦綠色開采的特點(diǎn)之一煤礦綠色開采的特點(diǎn)之一 從廣義資源的角度論，在礦區(qū)范圍內(nèi)的從廣義資源的角度論，在礦區(qū)范圍內(nèi)的煤炭、地下水、煤層內(nèi)所涵的瓦斯、土煤炭、地下水、煤層內(nèi)所涵的瓦斯、土地以至于煤矸石以及在煤層附近的其他地以至于煤矸石以及在煤層附近的其他礦

8、床礦床都應(yīng)該是經(jīng)營這個(gè)礦區(qū)的開發(fā)對象都應(yīng)該是經(jīng)營這個(gè)礦區(qū)的開發(fā)對象而加以利用。而加以利用。本科生課程：礦山壓力與巖層控制 礦井瓦斯定義：礦井中主要由甲烷為主礦井瓦斯定義：礦井中主要由甲烷為主的的有害氣體有害氣體。-煤層氣煤層氣 瓦斯抽瓦斯抽放放-煤層氣開采（抽采）煤層氣開采（抽采） 礦井水文地質(zhì)類型：根據(jù)礦井水文地質(zhì)礦井水文地質(zhì)類型：根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件、涌水量、條件、涌水量、水害水害情況和防治水難易情況和防治水難易程度，程度，類型。類型。本科生課程：礦山壓力與巖層控制 煤礦綠色開采的特點(diǎn)之二煤礦綠色開采的特點(diǎn)之二 從開采的角度采取措施，從源頭消除或從開采的角度采取措施，從源頭消除或減少采礦對

9、環(huán)境的破壞，而不是減少采礦對環(huán)境的破壞，而不是先破壞先破壞后治理后治理。因而，矸石的井上處理與土地。因而，矸石的井上處理與土地復(fù)墾是屬于環(huán)境治理問題，而不屬于綠復(fù)墾是屬于環(huán)境治理問題，而不屬于綠色開采問題。色開采問題。本科生課程：礦山壓力與巖層控制 煤礦綠色開采的特點(diǎn)之三煤礦綠色開采的特點(diǎn)之三開采引起環(huán)境與主要安全問題的發(fā)生都開采引起環(huán)境與主要安全問題的發(fā)生都與開采后造成的巖層運(yùn)動有關(guān)（巖體不與開采后造成的巖層運(yùn)動有關(guān)（巖體不破壞上述問題都不會發(fā)生），因而，綠破壞上述問題都不會發(fā)生），因而，綠色開采的重大基礎(chǔ)理論為：色開采的重大基礎(chǔ)理論為：1 1）采礦后巖層內(nèi)的）采礦后巖層內(nèi)的“節(jié)理裂隙場節(jié)理

10、裂隙場”分布分布 以及離層規(guī)律；以及離層規(guī)律；2 2）開采對巖層與地表移動的影響規(guī)律）開采對巖層與地表移動的影響規(guī)律本科生課程：礦山壓力與巖層控制 3）水與瓦斯在裂隙巖體中的）水與瓦斯在裂隙巖體中的滲流規(guī)律滲流規(guī)律；4）巖體應(yīng)力場巖體應(yīng)力場分布規(guī)律及巖層控制技術(shù)分布規(guī)律及巖層控制技術(shù)巖層控制的巖層控制的關(guān)鍵層理論關(guān)鍵層理論，為煤礦綠色開，為煤礦綠色開采技術(shù)的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。采技術(shù)的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。因而，一定程度上綠色開采技術(shù)可叫做因而，一定程度上綠色開采技術(shù)可叫做“基于巖層控制的綠色開采技術(shù)基于巖層控制的綠色開采技術(shù)”。本科生課程：礦山壓力與巖層控制 煤炭開采煤炭開采巖層移動巖層移動排

11、放矸石排放矸石地下水流失地下水流失與突水事故與突水事故瓦斯卸壓流動、瓦斯事瓦斯卸壓流動、瓦斯事故與排放瓦斯污染環(huán)境故與排放瓦斯污染環(huán)境地表塌陷、土地地表塌陷、土地與建筑物損害與建筑物損害占用土地占用土地污染環(huán)境污染環(huán)境保水保水開采開采煤與煤層氣煤與煤層氣共采共采條帶開采條帶開采充填開采充填開采矸石不出井矸石不出井與煤巷支護(hù)與煤巷支護(hù)煤炭地下煤炭地下氣化氣化綠色開采綠色開采技術(shù)體系技術(shù)體系關(guān)關(guān)鍵鍵層層理理論論本科生課程：礦山壓力與巖層控制 一、關(guān)鍵層的概念一、關(guān)鍵層的概念采場老頂巖層采場老頂巖層“砌體梁砌體梁”結(jié)構(gòu)模型是針對結(jié)構(gòu)模型是針對開采過程中的礦山壓力控制開采過程中的礦山壓力控制而提出來的

12、。而提出來的。1996年，在采場老頂巖層年，在采場老頂巖層“砌體梁砌體梁”理論理論基礎(chǔ)上，錢鳴高院士及其課題組提出了巖基礎(chǔ)上，錢鳴高院士及其課題組提出了巖層控制的層控制的關(guān)鍵層理論關(guān)鍵層理論。 第二節(jié)第二節(jié) 巖層控制的關(guān)鍵層理論巖層控制的關(guān)鍵層理論本科生課程：礦山壓力與巖層控制 關(guān)鍵層理論關(guān)鍵層理論提出目的是為了研究層狀礦體提出目的是為了研究層狀礦體開采中厚硬巖層對開采中厚硬巖層對巖層中節(jié)理裂隙的分布巖層中節(jié)理裂隙的分布及其對瓦斯抽放以及突水防治以及對開采及其對瓦斯抽放以及突水防治以及對開采沉陷控制沉陷控制等的影響。因此它是綠色采礦的等的影響。因此它是綠色采礦的基礎(chǔ)理論之一。基礎(chǔ)理論之一。本科

13、生課程：礦山壓力與巖層控制 關(guān)鍵層的定義關(guān)鍵層的定義 在煤系地層中，有一些厚硬巖層在采動巖層運(yùn)動中能在煤系地層中，有一些厚硬巖層在采動巖層運(yùn)動中能起到承載與控制作用，另外一些薄弱巖層只能起增加載荷起到承載與控制作用，另外一些薄弱巖層只能起增加載荷的作用，其大部分重量由它下部厚硬巖層來承擔(dān)。因此，的作用，其大部分重量由它下部厚硬巖層來承擔(dān)。因此，將采動巖層運(yùn)動過程中起承載和控制作用的厚硬巖層稱為將采動巖層運(yùn)動過程中起承載和控制作用的厚硬巖層稱為關(guān)鍵層關(guān)鍵層。關(guān)鍵層破斷時(shí)，其上部。關(guān)鍵層破斷時(shí)，其上部全部全部或或部分部分巖層的下沉變巖層的下沉變形是與之協(xié)調(diào)一致的，將對上部全部巖層起控制作用的稱形是

14、與之協(xié)調(diào)一致的，將對上部全部巖層起控制作用的稱為為主關(guān)鍵層主關(guān)鍵層，對上部部分巖層起控制作用的稱為，對上部部分巖層起控制作用的稱為亞關(guān)鍵層亞關(guān)鍵層。關(guān)鍵層的斷裂會導(dǎo)致全部或局部上覆巖層產(chǎn)生整體運(yùn)動，關(guān)鍵層的斷裂會導(dǎo)致全部或局部上覆巖層產(chǎn)生整體運(yùn)動，關(guān)鍵層的破斷步距即為其所控制的巖層的破斷步距。巖層關(guān)鍵層的破斷步距即為其所控制的巖層的破斷步距。巖層內(nèi)部的離層是由于各亞關(guān)鍵層之間或亞關(guān)鍵層與主關(guān)鍵層內(nèi)部的離層是由于各亞關(guān)鍵層之間或亞關(guān)鍵層與主關(guān)鍵層之間移動的不協(xié)調(diào)而形成的。之間移動的不協(xié)調(diào)而形成的。本科生課程：礦山壓力與巖層控制 關(guān)鍵層關(guān)鍵層本科生課程：礦山壓力與巖層控制 關(guān)鍵層關(guān)鍵層本科生課程：

15、礦山壓力與巖層控制 關(guān)鍵層關(guān)鍵層本科生課程：礦山壓力與巖層控制 關(guān)鍵層具有以下的主要特征：關(guān)鍵層具有以下的主要特征：（1 1）幾何特征幾何特征，相對其他巖層而言厚度較大。，相對其他巖層而言厚度較大。（2 2）巖性特征巖性特征，相對其他巖層而言比較堅(jiān)硬，即彈性模量較，相對其他巖層而言比較堅(jiān)硬，即彈性模量較大，強(qiáng)度較高。大，強(qiáng)度較高。（3 3）變形特征變形特征，在關(guān)鍵層下沉變形時(shí)，其上部全部或局部巖，在關(guān)鍵層下沉變形時(shí)，其上部全部或局部巖層隨之同步協(xié)調(diào)下沉。層隨之同步協(xié)調(diào)下沉。（4 4）破斷特征破斷特征，關(guān)鍵層破斷會導(dǎo)致全部或局部巖層的破斷，關(guān)鍵層破斷會導(dǎo)致全部或局部巖層的破斷，從而引起較大范圍從

16、而引起較大范圍巖層移動。巖層移動。（5 5）支承特征支承特征，關(guān)鍵層破壞之前以，關(guān)鍵層破壞之前以“板板”或或“梁梁”的結(jié)構(gòu)形的結(jié)構(gòu)形式承載全部巖層或局部巖層，斷裂之后則形成式承載全部巖層或局部巖層，斷裂之后則形成“砌體梁砌體梁”結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)，繼續(xù)作為承載主體。繼續(xù)作為承載主體。本科生課程：礦山壓力與巖層控制 根據(jù)其定義與變形特征，在關(guān)鍵層變形過程中，根據(jù)其定義與變形特征，在關(guān)鍵層變形過程中，其所控制上覆巖層隨之同步變形，其下部不與之協(xié)其所控制上覆巖層隨之同步變形，其下部不與之協(xié)調(diào)變形，因而所承受的載荷不再需要其下部巖層來調(diào)變形，因而所承受的載荷不再需要其下部巖層來承擔(dān)承擔(dān)二、二、 關(guān)鍵層位置的判

17、別關(guān)鍵層位置的判別nnqq11jjll下層硬巖層的破斷距要小于上層硬巖層的破斷距下層硬巖層的破斷距要小于上層硬巖層的破斷距為了說明關(guān)鍵層的判別方法，現(xiàn)以表為了說明關(guān)鍵層的判別方法，現(xiàn)以表3-1所示巖層所示巖層為例加以說明。第一步，按式為例加以說明。第一步，按式 原則判別有可能成為關(guān)鍵層的硬巖層位置。原則判別有可能成為關(guān)鍵層的硬巖層位置。1nnqq巖巖 性性 體體積積力力i i/ /M MN N m m- -3 3 層層 厚厚 h hi i/ /m m 彈彈性性模模量量E Ei i/ /M MP Pa a 抗抗拉拉強(qiáng)強(qiáng)度度R Ri i/ /M MP Pa a 中中 砂砂 巖巖 0 0. .0 0

18、2 23 3 4 4. .0 0 2 2. .5 5 1 10 04 4 7 7 泥泥 巖巖 0 0. .0 02 25 5 2 2. .7 7 1 1. .1 1 1 10 04 4 2 2 砂砂 質(zhì)質(zhì) 泥泥 巖巖 0 0. .0 02 26 6 2 2. .0 0 1 1. .5 5 1 10 04 4 2 2. .5 5 中中 砂砂 巖巖 0 0. .0 02 25 5 5 5. .5 5 2 2. .3 3 1 10 04 4 7 7 第三章第三章 采場頂板活動規(guī)律采場頂板活動規(guī)律111234.092qhkPa31 11 12223311 122140.5E hhhqkPaE hE h

19、 31 11 12233333311 12233174.7E hhhhqkPaE hE hE h第第1 1層本身的載荷層本身的載荷q q1 1為：為： 考慮第考慮第2 2層對第層對第1 1層的作用則：層的作用則： 計(jì)算到第計(jì)算到第3 3層，則第層，則第1 1層的載荷為：層的載荷為： 31 11 1223344433333111 1223344163.7E hhhhhqkPaqE hE hE hE h計(jì)算到第計(jì)算到第4 4層，則第層，則第1 1層的載荷為：層的載荷為： 前文計(jì)算表明前文計(jì)算表明(q4)1(q3)1，因此，第一層與第，因此，第一層與第四層巖層可能為關(guān)鍵層。四層巖層可能為關(guān)鍵層。第二

20、步，按式第二步，按式 ( (j=1j=1，2 2，k k， 式中，式中， 為第為第j層的破斷距；層的破斷距；k為由上式確定的為由上式確定的硬巖層層數(shù)。硬巖層層數(shù)。) )原則判別關(guān)鍵層位置。按兩原則判別關(guān)鍵層位置。按兩端固支梁分別計(jì)算第一層與第四層巖層的破端固支梁分別計(jì)算第一層與第四層巖層的破斷距。斷距。 jl本科生課程：礦山壓力與巖層控制 1jjll 第一層的破斷距第一層的破斷距35.8m35.8m，假設(shè)第四層巖層，假設(shè)第四層巖層所受載荷有兩種情況：所受載荷有兩種情況： q4=500kPa； q4=200kPa。按兩端固支梁計(jì)算得到的兩種情。按兩端固支梁計(jì)算得到的兩種情況下第四層巖層的破斷距分

21、別為況下第四層巖層的破斷距分別為29.1m與與46m。 對于第一種情況，由于對于第一種情況，由于L L4 4L L1 1，因此僅第，因此僅第一層巖層為關(guān)鍵層。一層巖層為關(guān)鍵層。 對于第二種情況，由于對于第二種情況，由于L L4 4L L1 1 ，因此第一，因此第一層與第四層皆為關(guān)鍵層。層與第四層皆為關(guān)鍵層。 本科生課程：礦山壓力與巖層控制 關(guān)鍵層判別實(shí)例關(guān)鍵層判別實(shí)例1 1 新汶華豐礦新汶華豐礦本科生課程：礦山壓力與巖層控制 實(shí)例實(shí)例2 2 神府補(bǔ)連塔礦神府補(bǔ)連塔礦22112211工作面工作面本科生課程：礦山壓力與巖層控制 本科生課程：礦山壓力與巖層控制 第三節(jié)第三節(jié) 采場上覆巖層移動規(guī)律采場

22、上覆巖層移動規(guī)律一、巖層移動的有關(guān)概念一、巖層移動的有關(guān)概念1.充分采動與非充分采動充分采動與非充分采動 當(dāng)采空區(qū)尺寸相當(dāng)大時(shí)，地表最大下沉值達(dá)到該地質(zhì)條件下應(yīng)有的最大值，此時(shí)稱為充分采動。采動后巖層各點(diǎn)的移動地表相鄰兩點(diǎn)的移動和變形本科生課程：礦山壓力與巖層控制 2.2.移動與變形移動與變形巖層移動會導(dǎo)致沿豎直方向和水平方向的位移，巖層移動會導(dǎo)致沿豎直方向和水平方向的位移，前者稱前者稱下沉下沉，后者稱為，后者稱為水平移動水平移動。由于地表相鄰點(diǎn)的下沉和水平移動量是不相等由于地表相鄰點(diǎn)的下沉和水平移動量是不相等的，這表明點(diǎn)與點(diǎn)之間有相對移動，從而引起地表變的，這表明點(diǎn)與點(diǎn)之間有相對移動，從而引

23、起地表變形。地表變形分為形。地表變形分為傾斜傾斜、曲率曲率、水平變形水平變形。 指相鄰點(diǎn)在豎直方向的相對移動與兩相鄰點(diǎn)間水指相鄰點(diǎn)在豎直方向的相對移動與兩相鄰點(diǎn)間水平距離的比值，平距離的比值，反映盆地沿某一方向的坡度。反映盆地沿某一方向的坡度。 mmmlli/,433443地表相鄰兩點(diǎn)的移動和變形地表相鄰兩點(diǎn)的移動和變形1 1）傾斜變形）傾斜變形(i)(i)本科生課程：礦山壓力與巖層控制 指相鄰線段的傾斜差與兩線段中點(diǎn)間的水平距離的比指相鄰線段的傾斜差與兩線段中點(diǎn)間的水平距離的比值。它反映觀測線斷面上的彎曲程度。曲率有正、負(fù)值。它反映觀測線斷面上的彎曲程度。曲率有正、負(fù)之分，下沉曲線上凸為正，

24、下凹為負(fù)。之分，下沉曲線上凸為正，下凹為負(fù)。 2/,mmmlik本科生課程：礦山壓力與巖層控制 2 2）曲率變形）曲率變形(K)(K)1K 指兩相鄰點(diǎn)的水平移動差值與兩點(diǎn)間水平距離指兩相鄰點(diǎn)的水平移動差值與兩點(diǎn)間水平距離的比值。它反映相鄰兩點(diǎn)間單位長度的拉伸的比值。它反映相鄰兩點(diǎn)間單位長度的拉伸(正正)或或壓縮壓縮(負(fù)負(fù))值。值。 3) 3) 水平變形水平變形()()3.巖層移動角巖層移動角地表下沉量和采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤地表下沉量和采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角，稱為柱一側(cè)的夾角，稱為巖層移動角巖層移動角。本科生課程：礦山壓力與巖層控制 走向移動角走向移動角下山移動角下山移

25、動角上山移動角上山移動角本科生課程：礦山壓力與巖層控制 工業(yè)廣場保護(hù)煤柱工業(yè)廣場保護(hù)煤柱本科生課程：礦山壓力與巖層控制 掌握具體條件下巖層移動角參數(shù)，對巖層移動范圍的預(yù)測和各種保護(hù)煤柱(如工廣保護(hù)煤柱、井下巷道保護(hù)煤柱)的合理留設(shè)具有重要的意義。二、巖層移動的基本規(guī)律二、巖層移動的基本規(guī)律1.采動覆巖移動破壞的分帶采動覆巖移動破壞的分帶大量的觀測表明,采用全部垮落法管理采空區(qū)情況下,根據(jù)采空區(qū)覆巖破壞程度,可以分為“三帶”，即: 冒落帶裂隙帶彎曲下沉帶（整體移動帶）本科生課程：礦山壓力與巖層控制 本科生課程：礦山壓力與巖層控制 2.覆巖內(nèi)部巖體移動特征覆巖內(nèi)部巖體移動特征根據(jù)巖層移動特點(diǎn)，將上

26、覆巖層巖工作面推進(jìn)方向劃根據(jù)巖層移動特點(diǎn)，將上覆巖層巖工作面推進(jìn)方向劃分三個(gè)區(qū)分三個(gè)區(qū):即即 A煤壁支撐影響區(qū)；煤壁支撐影響區(qū)；B離層區(qū)；離層區(qū)；C重新壓實(shí)區(qū)。重新壓實(shí)區(qū)。圖68 上覆巖層移動實(shí)測曲線本科生課程：礦山壓力與巖層控制 從而形成采場覆巖移動的從而形成采場覆巖移動的“橫三區(qū)橫三區(qū)”與與“豎三豎三帶帶”。本科生課程：礦山壓力與巖層控制 沿走向剖面沿走向剖面，測點(diǎn)先向采空區(qū)方向移動，測點(diǎn)先向采空區(qū)方向移動，然后又轉(zhuǎn)向工作面推進(jìn)方向移動，最后基本恢然后又轉(zhuǎn)向工作面推進(jìn)方向移動，最后基本恢復(fù)到原來位置。復(fù)到原來位置。開采后上覆巖層沿走向的水平與垂直移動軌跡開采后上覆巖層沿走向的水平與垂直移動

27、軌跡本科生課程：礦山壓力與巖層控制 沿傾向剖面沿傾向剖面，測點(diǎn)基本上沿著與層面成垂，測點(diǎn)基本上沿著與層面成垂直的方向向下移動。直的方向向下移動。 圖610 觀測點(diǎn)在沿煤層傾斜剖面上的移動本科生課程：礦山壓力與巖層控制 三、關(guān)鍵層運(yùn)動對巖層移動的影響三、關(guān)鍵層運(yùn)動對巖層移動的影響關(guān)鍵層與其上方關(guān)鍵層與其上方82 m82 m處巖層幾乎同步運(yùn)動（處巖層幾乎同步運(yùn)動（成組運(yùn)動成組運(yùn)動）。）。柏建彪教授: 實(shí)驗(yàn)與實(shí)測證明，巖層移動由下向上成組運(yùn)實(shí)驗(yàn)與實(shí)測證明，巖層移動由下向上成組運(yùn)動，巖層移動的動態(tài)過程受控于動，巖層移動的動態(tài)過程受控于關(guān)鍵層的破斷關(guān)鍵層的破斷運(yùn)動運(yùn)動。主關(guān)鍵層的破斷將導(dǎo)致地表快速下沉，

28、。主關(guān)鍵層的破斷將導(dǎo)致地表快速下沉，地表下沉速度隨主關(guān)鍵層周期性破斷而地表下沉速度隨主關(guān)鍵層周期性破斷而呈現(xiàn)跳呈現(xiàn)跳躍性變化躍性變化。 覆巖移動的動態(tài)過程覆巖移動的動態(tài)過程本科生課程：礦山壓力與巖層控制 陽泉一礦巖移觀測孔布置示意圖陽泉一礦巖移觀測孔布置示意圖 本科生課程：礦山壓力與巖層控制 關(guān)鍵層對地表下沉控制作用的實(shí)測結(jié)果關(guān)鍵層對地表下沉控制作用的實(shí)測結(jié)果本科生課程：礦山壓力與巖層控制 V ( m m / m )- 2 5 0- 2 0 0- 1 5 0- 1 0 0- 5 005 01 0 01 5 0- 1 0 0- 8 0- 6 0- 4 0- 2 002 04 06 0X ( m

29、)W ( c m )關(guān) 鍵 層表 土 層表 土 層 下 沉 量表 土 層 下 沉 速 度初 次 破 斷第 一 次 周 期 破 斷第 二 次 周 期 破 斷第 四 次 周 期 破 斷第 三 次 周 期 破 斷本科生課程：礦山壓力與巖層控制 關(guān)鍵層理論研究表明，覆巖層關(guān)鍵層不僅對關(guān)鍵層理論研究表明，覆巖層關(guān)鍵層不僅對地表動態(tài)下沉過程地表動態(tài)下沉過程起控制作用起控制作用，還對，還對地表移動曲線特性產(chǎn)生影響地表移動曲線特性產(chǎn)生影響，地表下沉是關(guān)，地表下沉是關(guān)鍵層與表土層耦合作用的結(jié)果。一方面，關(guān)鍵層破斷塊度越大，鍵層與表土層耦合作用的結(jié)果。一方面，關(guān)鍵層破斷塊度越大，其對地表下沉曲線特征的影響越顯著，

30、相應(yīng)地表下沉曲線的非其對地表下沉曲線特征的影響越顯著，相應(yīng)地表下沉曲線的非正態(tài)分布特征越顯著。正態(tài)分布特征越顯著。另一方面，表土層起著消化關(guān)鍵層非均另一方面，表土層起著消化關(guān)鍵層非均勻下沉的作用勻下沉的作用，表土層越薄，地表下沉的非均勻、非正態(tài)特征，表土層越薄，地表下沉的非均勻、非正態(tài)特征越顯著，反之亦然，當(dāng)關(guān)鍵層破斷塊度較小或表土層厚度足夠越顯著，反之亦然，當(dāng)關(guān)鍵層破斷塊度較小或表土層厚度足夠大時(shí)，關(guān)鍵層對地表下沉的影響已很小。大時(shí)，關(guān)鍵層對地表下沉的影響已很小。 因此，對于表土層較薄或覆巖中有很厚、很硬的關(guān)鍵層因此，對于表土層較薄或覆巖中有很厚、很硬的關(guān)鍵層( (即即其破斷塊度很大其破斷塊

31、度很大) )的條件，地表下沉的預(yù)計(jì)必須考慮表土層與關(guān)的條件，地表下沉的預(yù)計(jì)必須考慮表土層與關(guān)鍵層的耦合關(guān)系，充分考慮關(guān)鍵層破斷對地表下沉曲線特征的鍵層的耦合關(guān)系，充分考慮關(guān)鍵層破斷對地表下沉曲線特征的影響。影響。柏建彪教授:關(guān)鍵層與表土層對地表下沉耦合作用的離散元模型本科生課程：礦山壓力與巖層控制 （a）表土層厚度）表土層厚度30m（b）表土層厚度）表土層厚度100m關(guān)鍵層與表土層對地表下沉耦合作用的離散元模擬結(jié)果關(guān)鍵層與表土層對地表下沉耦合作用的離散元模擬結(jié)果本科生課程：礦山壓力與巖層控制 四、四、巖層移動中的離層與裂隙分布巖層移動中的離層與裂隙分布關(guān)鍵層運(yùn)動對離層及裂隙的產(chǎn)生、發(fā)展與時(shí)空分

32、布起關(guān)鍵層運(yùn)動對離層及裂隙的產(chǎn)生、發(fā)展與時(shí)空分布起控制作用，覆巖離層主要控制作用，覆巖離層主要出現(xiàn)在關(guān)鍵層出現(xiàn)在關(guān)鍵層下。下。本科生課程：礦山壓力與巖層控制 本科生課程：礦山壓力與巖層控制 (2) (2) 關(guān)鍵層下離層動態(tài)分布呈現(xiàn)關(guān)鍵層下離層動態(tài)分布呈現(xiàn)兩階段發(fā)展規(guī)律兩階段發(fā)展規(guī)律：關(guān)鍵層初次破斷前，關(guān)鍵層初次破斷前，最大離層位于采空區(qū)中部最大離層位于采空區(qū)中部。關(guān)鍵層初次破斷后，關(guān)鍵層在采空區(qū)關(guān)鍵層初次破斷后，關(guān)鍵層在采空區(qū)中部趨于壓實(shí)中部趨于壓實(shí)，而在，而在采空區(qū)兩側(cè)仍各自保持一個(gè)離層區(qū)采空區(qū)兩側(cè)仍各自保持一個(gè)離層區(qū), ,其最大寬度及高度僅其最大寬度及高度僅為關(guān)鍵層初次破斷前的為關(guān)鍵層初次

33、破斷前的1/31/3左右。左右。本科生課程：礦山壓力與巖層控制 最大離層最大離層離層區(qū)離層區(qū)離層區(qū)離層區(qū)本科生課程：礦山壓力與巖層控制 本科生課程：礦山壓力與巖層控制 本科生課程：礦山壓力與巖層控制 (3) (3) 沿頂板高度方向，隨工作面推進(jìn)離層呈跳躍式由下往沿頂板高度方向，隨工作面推進(jìn)離層呈跳躍式由下往上發(fā)展上發(fā)展。首先，第。首先，第亞關(guān)鍵層下出現(xiàn)離層，當(dāng)其破斷后亞關(guān)鍵層下出現(xiàn)離層，當(dāng)其破斷后其下離層呈其下離層呈“O”O(jiān)”形圈分布；此時(shí)，上部第形圈分布；此時(shí)，上部第亞關(guān)鍵層亞關(guān)鍵層下出現(xiàn)離層，當(dāng)其破斷后其下層呈下出現(xiàn)離層，當(dāng)其破斷后其下層呈“”形圈分布，如形圈分布，如此發(fā)展直至主關(guān)鍵層。此

34、發(fā)展直至主關(guān)鍵層。(4) (4) 貫通的豎向裂隙是水與瓦斯涌入工作面的通道，故也貫通的豎向裂隙是水與瓦斯涌入工作面的通道，故也稱其為稱其為“導(dǎo)水、導(dǎo)氣導(dǎo)水、導(dǎo)氣”裂隙裂隙?！皩?dǎo)水、導(dǎo)氣導(dǎo)水、導(dǎo)氣”裂隙僅在裂隙僅在覆巖一定高度范圍內(nèi)發(fā)育。下位關(guān)鍵層的破斷運(yùn)動對覆巖一定高度范圍內(nèi)發(fā)育。下位關(guān)鍵層的破斷運(yùn)動對“導(dǎo)氣導(dǎo)氣”裂隙從下向上發(fā)展的動態(tài)過程起控制作用，當(dāng)裂隙從下向上發(fā)展的動態(tài)過程起控制作用，當(dāng)采空區(qū)面積達(dá)一定值后，采空區(qū)面積達(dá)一定值后，“導(dǎo)氣導(dǎo)氣”裂隙的分布也同樣呈裂隙的分布也同樣呈“O O”形圈特征，它是正常回采期間鄰近層卸壓瓦形圈特征，它是正?；夭善陂g鄰近層卸壓瓦斯流向采空區(qū)的主要通道。斯

35、流向采空區(qū)的主要通道。本科生課程：礦山壓力與巖層控制 第四節(jié)第四節(jié) 采場底板破壞與突水采場底板破壞與突水煤層開采后不僅引起頂板巖層的移動與破壞煤層開采后不僅引起頂板巖層的移動與破壞, ,也將導(dǎo)致底板巖層在一定范圍的移動和破壞。也將導(dǎo)致底板巖層在一定范圍的移動和破壞。 當(dāng)?shù)装鍘r層存在含水層時(shí)，煤層開采后底板當(dāng)?shù)装鍘r層存在含水層時(shí)，煤層開采后底板的變形破壞可能會引起的變形破壞可能會引起底板突水事故底板突水事故。采動底板突水事故是采動底板突水事故是采動對底板破壞采動對底板破壞及及底板底板承壓水承壓水共同作用導(dǎo)致。共同作用導(dǎo)致。 開采而引起的底板破壞深度，一般可采用土力學(xué)開采而引起的底板破壞深度，一般

36、可采用土力學(xué)中地基的計(jì)算方法，極限平衡區(qū)分為三個(gè)區(qū)。中地基的計(jì)算方法，極限平衡區(qū)分為三個(gè)區(qū)。 圖圖6-15 6-15 地基中的極限平衡區(qū)地基中的極限平衡區(qū)區(qū)為主動應(yīng)力區(qū)，區(qū)為主動應(yīng)力區(qū)，區(qū)為過渡區(qū)，區(qū)為過渡區(qū)，區(qū)為被動應(yīng)力區(qū)區(qū)為被動應(yīng)力區(qū)本科生課程：礦山壓力與巖層控制 本科生課程：礦山壓力與巖層控制 圖616 支承壓力形成的底板破壞深度本科生課程：礦山壓力與巖層控制 應(yīng)用關(guān)鍵層理論分析采場底板破壞與突水,取得了進(jìn)展。很好地解釋了底板突水點(diǎn)位置分布特點(diǎn)。圖617 初次來壓時(shí)底板關(guān)鍵層載荷特征本科生課程：礦山壓力與巖層控制 圖618 底板關(guān)鍵層破斷后的一般狀態(tài)本科生課程：礦山壓力與巖層控制 一、關(guān)

37、鍵層理論對建筑物下采煤的指導(dǎo)一、關(guān)鍵層理論對建筑物下采煤的指導(dǎo)巖層控制的關(guān)鍵層理論為進(jìn)一步完善建筑物巖層控制的關(guān)鍵層理論為進(jìn)一步完善建筑物下開采設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)，原則為：判別下開采設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)，原則為：判別上覆巖層中的上覆巖層中的主關(guān)鍵層主關(guān)鍵層位置，在對位置，在對主關(guān)鍵層主關(guān)鍵層破斷特征進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，通過合理設(shè)計(jì)破斷特征進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，通過合理設(shè)計(jì)條帶開采、房柱開采、覆巖離層注漿、條帶開采、房柱開采、覆巖離層注漿、等技術(shù)手段來保證覆巖等技術(shù)手段來保證覆巖主關(guān)鍵層主關(guān)鍵層不破不破斷并保持長期穩(wěn)定。斷并保持長期穩(wěn)定。第五節(jié)第五節(jié) 采場上覆巖層移動控制技術(shù)采場上覆巖層移動控制技術(shù)本科

38、生課程：礦山壓力與巖層控制 二、留煤柱控制巖層移動二、留煤柱控制巖層移動1.1.部分開采部分開采條帶開采條帶開采房柱式開采房柱式開采圖619 條帶開采的類型a保留條帶寬度;b采出條帶寬度房柱式采煤本科生課程：礦山壓力與巖層控制 本科生課程：礦山壓力與巖層控制 2.2.留邊界保護(hù)煤柱留邊界保護(hù)煤柱 采用留設(shè)保護(hù)煤柱的方法來避免開采后巖層移動影采用留設(shè)保護(hù)煤柱的方法來避免開采后巖層移動影響地面重要建響地面重要建( (構(gòu)構(gòu)) )筑物，使得井下開采后巖層移動影響邊筑物，使得井下開采后巖層移動影響邊界達(dá)不到地面要保護(hù)的建界達(dá)不到地面要保護(hù)的建( (構(gòu)構(gòu)) )筑物。保護(hù)煤柱留設(shè)主要根筑物。保護(hù)煤柱留設(shè)主要根據(jù)具體礦井條件下，巖層移動角參數(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。據(jù)具體礦井條件下，巖層移動角參數(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。 水體下采煤必須在煤