9.(第九章)关键层理论

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。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。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：(1)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沉量同步协调；覆岩关键层位置的判别nnqq11jjll(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。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拌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.关键层在破断前为弹性地基梁(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.关键层破断后将成为砌体梁结构.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.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全面的修正.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.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断前,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,离层的大小取决于采高及软弱岩层的松散系数.如有亚关键层,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.亚关键层与主关键层都破断成砌体梁结构后,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,而并非在中部.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格,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.当采深较深,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显著的离层变形,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层注浆的最佳层位.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护主关键层作用,又能起到地表减沉的效果.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,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、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.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”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“导气”裂隙发育的动态过程,对阳泉五矿15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.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.据此提出了阳泉五矿15煤综放面邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布置的优化方案.