第六章采场岩层移动与控制关键层

第六章采场岩层移动与控制第一节岩层移动引起的采动损害概述第二节岩层控制的关键层理论第三节采场上覆岩层移动规律第四节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。（1）、对土地资源的破坏和占用井工开采以地表塌陷和矸石山压占为主，而露天开采则以直接挖损和外排土场压占为主。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一（2）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，导致井水位下降或断流共计3218个，影响水利工程433处，水库40座，输水管道793890m；造成1678个村庄、812715口人、108241头牲畜饮水困难。使本来缺水的山西环境受到进一步破坏。煤炭开采形成的环境问题之二（3）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。建国以来,我国煤矿发生煤与瓦斯突出事故1500余次,仅2001年由于瓦斯事故的死亡人数达2356人，为煤矿总死亡人数的40%。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三（4）对地面建筑物及人文环境的破坏导致村庄被迫迁徙。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人迁徙煤炭开采形成的环境问题之四提出并尽快形成煤矿的“绿色开采技术”已迫在眉睫。事实上，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。绿色开采的提出煤矿绿色开采的内涵煤矿绿色开采以及相应的绿色开采技术,在基本概念上是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；基本出发点是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；目标是取得最佳的经济效益、环境效益和社会效益。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；煤层内所涵的瓦斯；土地以至于煤矸石以及在煤层附近的其他矿床都应该是经营这个矿区的开发对象而加以利用。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。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（岩体不破坏上述问题都不会发生），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地下水流失与突水事故瓦斯卸压流动、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关键层理论若干待研究的问题采动破裂煤岩体中水与瓦斯流动规律，需建立采动破裂煤岩体渗流实验研究系统；基于岩层移动与关键层理论的开采沉陷预测与建筑物下采煤的定量设计方法；适合煤矿特点的充填采矿材料与工艺系统；煤矿绿色开采技术的经济评价方法与法规。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。第二节岩层控制的关键层理论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。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。关键层判别方法（《中国矿业大学学报》2000(3）)判别方法分为以下步骤进行：（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．假如第1层岩层为硬岩层，第m＋1层岩层为第2层坚硬岩层，则由于第m＋1层岩层挠度小于下部岩层的挠度，它所承受的载荷不再需第1层硬岩层承担，则必然有：二、关键层位置的判别由组合梁原理：则：式中：q1（x）m+1为考虑第m+1层对第一层岩层承受的载荷；Ei，hi，ri分别为第i层（i=1，2，…，m）岩层的弹性模量、厚度和容重。上式即为判别硬岩层位置的公式。具体判别时，由煤层上方第一岩层开始往上按上述方法逐层确定硬岩层的位置，直至最上一层硬岩层（设为第n层硬岩）。（二）计算各硬岩层的破断步距并按以下原则对各硬岩层的破断距进行比较来确定关键层位置。令硬岩层的编号为K，（K=1，2，...，n）。第K层硬岩层若为亚关键层，其破断距lk应小于其上部硬岩层lk+1的破断距，即满足lk＜lk+1（K=1，2，...，n-1）若第k层硬岩层破断距大于其上方第k+1层硬岩层破断距，则将第k+1层硬岩层承受载荷加到第k层硬岩层上，重新计算第k层硬岩层的破断距。若重新计算后的第k层硬岩层破断距小于lk+1，则取lk=lk+1。说明此时第k层硬岩破断受控于第k+1层硬岩，即第k+1层硬岩破断前，第k层硬岩不破断，一旦第k+1层硬岩破断，其载荷作用于第k层硬岩上，导致第k硬岩随之破断。由此编制了判别覆岩关键层位置的计算机软件KSPB，实现了覆岩关键层判别方法的计算机化和判别结果的可视化。关键层判别实例1新汶华丰矿实例2神府补连塔矿2211工作面三、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。采用离散元模拟研究了两硬岩层破断的复合效应。数值模型如下图。关键层复合效应的UDEC模拟方案硬岩层复合效应判别图结论：（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。第三节采场上覆岩层移动规律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：3.岩层移动角地表下沉量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:“两带”或“导水裂隙带”冒落带裂隙带弯曲下沉带（整体移动带）2.覆岩内部岩体移动特征根据岩层移动特点，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。图6－8上覆岩层移动实测曲线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。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。关键层理论研究表明，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，反之亦然，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：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.(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。(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