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1、矿山压力及岩层控制矿山压力及岩层控制知识单元二采场顶板活动规律及其移动控制知识单元二采场顶板活动规律及其移动控制知识点知识点2：采场岩层移动与控制采场岩层移动与控制教学内容教学内容p岩层控制的关键层理论；岩层控制的关键层理论；p采场上覆岩层移动规律；采场上覆岩层移动规律；p采场底板破坏与突水；采场底板破坏与突水；p采场上覆岩层控制技术采场上覆岩层控制技术重点与难点重点与难点岩层控制的关键层理论和上覆岩层移动规律；岩层控制的关键层理论和上覆岩层移动规律；采场上覆岩层移动控制技术采场上覆岩层移动控制技术3本讲提要本讲提要1 岩岩层移移动引起的采引起的采动损害概述害概述 2 岩岩层控制的关控制的关键
2、层理理论3 采采场上覆岩上覆岩层移移动规律律采动损害与关键层理论4岩层移动引起的灾害主要表现在：岩层移动引起的灾害主要表现在：1）形成矿山压力显现）形成矿山压力显现2）形成采动裂隙）形成采动裂隙3）岩层移动发展到地表引起地表沉陷）岩层移动发展到地表引起地表沉陷 统计表明，平均统计表明，平均每采万吨煤每采万吨煤地面塌陷约地面塌陷约800m800m2 2，截止，截止20002000年底，全国井年底，全国井工开采引起地面塌陷面积达工开采引起地面塌陷面积达5000km5000km2 2；并且每年以；并且每年以220km220km2 2的速度递增。的速度递增。采动损害与关键层理论一、岩层移动引起的采动损
3、害概述一、岩层移动引起的采动损害概述5绿色开采绿色开采基本出发点是防止或尽可能减轻开采煤炭对环境和其他资源的不良基本出发点是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和社会效益。影响；目标是取得最佳的经济效益和社会效益。1）基本思想）基本思想2）主要内容）主要内容水资源保护水资源保护-形成形成“保水开采保水开采”技术；技术；土地与建筑物保护土地与建筑物保护-形成形成离层注浆离层注浆、充填充填与与条带开采技术条带开采技术；瓦斯抽放瓦斯抽放形成形成“煤与瓦斯共采煤与瓦斯共采”技术；技术；煤层巷道支护技术与煤层巷道支护技术与少矸右少矸右排放技术；排放技术；地下气化技
4、术地下气化技术。采动损害与关键层理论一、岩层移动引起的采动损害概述一、岩层移动引起的采动损害概述6本讲提要本讲提要1 岩岩层移移动引起的采引起的采动损害概述害概述 2 岩岩层控制的关控制的关键层理理论3 采采场上覆岩上覆岩层移移动规律律采动损害与关键层理论71.关键层关键层对采场上覆岩层对采场上覆岩层局部局部或直至地表的或直至地表的全部岩层全部岩层活动起控制作用的岩层称为活动起控制作用的岩层称为关键层关键层；前者称为亚关键层，后者称为主关键层。前者称为亚关键层，后者称为主关键层。2.关键层特性关键层特性(1)(1)几何特征，相对其他同类岩层几何特征，相对其他同类岩层单层厚度较厚单层厚度较厚；(
5、2)(2)岩性特征，相对其他岩层较为坚硬，即岩性特征，相对其他岩层较为坚硬，即弹性模量弹性模量较大，较大，强度较高强度较高；(3)(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(4)(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同步破断；引起较大；引起较大范围内岩层移动；范围内岩层移动；(5)(5)承载特征；关键层破断前以承载特征；关键层破断前以“板（或简化为板（或简化为“梁梁”)的结构形式作为全部岩层的结构形式作为全部岩层或局部岩层的承载主体
6、，破断后则成为或局部岩层的承载主体，破断后则成为砌体梁结构砌体梁结构，继续成为承载主体；，继续成为承载主体；采动损害与关键层理论二、岩层控制的关键层理论二、岩层控制的关键层理论83.覆岩关键层位置的判别覆岩关键层位置的判别采动损害与关键层理论二、岩层控制的关键层理论二、岩层控制的关键层理论9 1）先计算第一层载荷）先计算第一层载荷 2）计算第二层对第一层的作用；计算至第三层时第一层载荷）计算第二层对第一层的作用；计算至第三层时第一层载荷 3）一直计算到第）一直计算到第n+1层时，第一层载荷反而小于第层时，第一层载荷反而小于第n层时的载荷为止。层时的载荷为止。4）取第）取第n层时的计算载荷为层时
7、的计算载荷为 q，此值为计算过程中得到的最大值。，此值为计算过程中得到的最大值。下层硬岩层的破断距小于上层硬岩层的破断距下层硬岩层的破断距小于上层硬岩层的破断距采动损害与关键层理论二、岩层控制的关键层理论二、岩层控制的关键层理论104.关键层复合破断规律关键层复合破断规律1）关键层复合破断概念）关键层复合破断概念关键层理论研究发现，一定条件下相邻两层硬岩层产生同步破断。将关键层理论研究发现，一定条件下相邻两层硬岩层产生同步破断。将满足式满足式(6(6-1)1)的相邻两层硬岩层，不满足式的相邻两层硬岩层，不满足式(6(6-2)2)，从而出现同步破断，从而出现同步破断的现象称为的现象称为关键层复合
8、破断。关键层复合破断。采动损害与关键层理论二、岩层控制的关键层理论二、岩层控制的关键层理论11当产生复合破断的关键层邻近开采煤层而成为老顶时，由于复合破断关键当产生复合破断的关键层邻近开采煤层而成为老顶时，由于复合破断关键层一般一次破断岩层厚度相对较厚，作用在砌体梁岩块层一般一次破断岩层厚度相对较厚，作用在砌体梁岩块B B上载荷较大，容易上载荷较大，容易出现出现滑落失稳滑落失稳，因而会引起采场来压显现的增强。在，因而会引起采场来压显现的增强。在薄基岩薄基岩厚厚表土层条件表土层条件下，更容易出现关键层复合破断现象，并对采场来压造成强烈的影响。下，更容易出现关键层复合破断现象，并对采场来压造成强烈
9、的影响。采动损害与关键层理论二、岩层控制的关键层理论二、岩层控制的关键层理论122）两层硬岩层同步破断的判别条件两层硬岩层同步破断的判别条件采动损害与关键层理论二、岩层控制的关键层理论二、岩层控制的关键层理论133）影响两层硬岩层破断的因素：）影响两层硬岩层破断的因素：(1)两硬岩层厚度、抗拉强度及弹性模量；两硬岩层厚度、抗拉强度及弹性模量；(2)岩层所控制软岩层的厚度、弹性模量；岩层所控制软岩层的厚度、弹性模量；(3)表土层厚度。表土层厚度。风积沙厚度风积沙厚度小于小于9.3米时，两层硬岩层将不同步破断，工作面也不会出米时，两层硬岩层将不同步破断，工作面也不会出现全厚切落式来压显现。现全厚切
10、落式来压显现。结构不出现滑落失稳所承担的岩层厚度应满足：结构不出现滑落失稳所承担的岩层厚度应满足：采动损害与关键层理论二、岩层控制的关键层理论二、岩层控制的关键层理论14采动损害与关键层理论二、岩层控制的关键层理论二、岩层控制的关键层理论15采动损害与关键层理论二、岩层控制的关键层理论二、岩层控制的关键层理论16本讲提要本讲提要1 岩岩层移移动引起的采引起的采动损害概述害概述 2 岩岩层控制的关控制的关键层理理论3 采采场上覆岩上覆岩层移移动规律律采动损害与关键层理论17（1）冒落带）冒落带(35M)（2）裂隙带或导水裂隙带）裂隙带或导水裂隙带（3）弯曲带（移动带）弯曲带（移动带）1 岩层移动
11、及其特征岩层移动及其特征煤层采出后，采空区周围原有的应力平衡状态受到破坏，引起应力的重煤层采出后，采空区周围原有的应力平衡状态受到破坏，引起应力的重新分布，从而引起岩层的变形、破坏与移动，这一过程和现象称为岩层新分布，从而引起岩层的变形、破坏与移动，这一过程和现象称为岩层移动，又称为开采沉陷。移动，又称为开采沉陷。三、采场上覆岩层移动规律三、采场上覆岩层移动规律采动损害与关键层理论18三、采场上覆岩层移动规律三、采场上覆岩层移动规律采动损害与关键层理论192 地表移动特征地表移动特征1）几个概念几个概念1.滑移面滑移面:岩层移动的边界。岩层移动的边界。2.最终移动盆地最终移动盆地:采空区上方地
12、表形成沉陷的区域采空区上方地表形成沉陷的区域三、采场上覆岩层移动规律三、采场上覆岩层移动规律采动损害与关键层理论20移动盆地的形成（移动盆地的形成（10mm下沉等高线为边界）下沉等高线为边界）三、采场上覆岩层移动规律三、采场上覆岩层移动规律采动损害与关键层理论212）移动盆地的形成过程移动盆地的形成过程三、采场上覆岩层移动规律三、采场上覆岩层移动规律采动损害与关键层理论223 覆岩内部岩体移动特征覆岩内部岩体移动特征(1)根据观测，岩层移动曲线符合根据观测，岩层移动曲线符合负指数函数关系曲线负指数函数关系曲线(2)煤层上方的岩层在开采的影响下，一般在回采工作面前方煤层上方的岩层在开采的影响下，
13、一般在回采工作面前方3040米米处处就开始变形。其特点是水平移动较为剧烈，但垂直移动甚微；当工作面就开始变形。其特点是水平移动较为剧烈，但垂直移动甚微；当工作面推过此区域，才引起垂直位移急剧增加。推过此区域，才引起垂直位移急剧增加。(3)工作面推过测点后，垂直位移急剧增加，但各层位移速度不尽相同，工作面推过测点后，垂直位移急剧增加，但各层位移速度不尽相同，其特点为越向上越缓慢其特点为越向上越缓慢,此时必然在此区域内形成层间离层。如图此时必然在此区域内形成层间离层。如图6-8中的中的曲线曲线b-c段即是如此，此处称之为段即是如此，此处称之为B区域。区域。(4 4)曲线曲线c-dc-d段变形曲线又
14、段变形曲线又趋于缓和趋于缓和，岩层移动速度的特点是邻近煤层岩层移动速度的特点是邻近煤层岩层的运动速度要缓于其上覆岩层岩层的运动速度要缓于其上覆岩层。三、采场上覆岩层移动规律三、采场上覆岩层移动规律采动损害与关键层理论23图6-8 上覆岩层移动实测曲线三、采场上覆岩层移动规律三、采场上覆岩层移动规律采动损害与关键层理论244 关键层运动对岩层移动的影响关键层运动对岩层移动的影响5 岩层移动中的离层与裂隙分布岩层移动中的离层与裂隙分布 煤层开采后将引起上覆岩煤层开采后将引起上覆岩层的移动与破断，从而在层的移动与破断，从而在覆岩中形成采动裂隙。覆覆岩中形成采动裂隙。覆岩采动裂隙场分布与岩采动裂隙场分
15、布与水体水体下采煤下采煤、卸压瓦斯抽放卸压瓦斯抽放及覆岩离层区充填减沉覆岩离层区充填减沉等工等工程问题密切相关。程问题密切相关。三、采场上覆岩层移动规律三、采场上覆岩层移动规律采动损害与关键层理论255 岩层移动中的离层与裂隙分布岩层移动中的离层与裂隙分布 通过通过岩层移动中的裂隙分布规律岩层移动中的裂隙分布规律进行深入研究，其主要成果归纳如下：进行深入研究，其主要成果归纳如下：1)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。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。覆岩离层主要出现在关键层下。图6-12 关键层破断前后离层分布实验结果
16、三、采场上覆岩层移动规律三、采场上覆岩层移动规律采动损害与关键层理论262)2)沿工作面推进方向，关键层下离层动态分布呈现沿工作面推进方向，关键层下离层动态分布呈现两阶段发展规律两阶段发展规律：关键层初次破断前，随关键层初次破断前，随着工作面推进，离层量不断增大，着工作面推进，离层量不断增大，最大离层位于采空区中部最大离层位于采空区中部。关键层初次破断后，关键层在采关键层初次破断后，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。工作面侧的离层区是随着工作面空区中部趋于压实，而在采空区两侧仍各自保持一个离层区。工作面侧的离层区是随着工作面开采而不断前移的，其开采而不断前移的，其
17、最大宽度及高度最大宽度及高度仅为关键层初次破断前的仅为关键层初次破断前的1 13 3左右。左右。三、采场上覆岩层移动规律三、采场上覆岩层移动规律采动损害与关键层理论27从平面看，在采空区四周存在一沿层面横向连通的离层发育区，称之为从平面看，在采空区四周存在一沿层面横向连通的离层发育区，称之为采动裂隙采动裂隙“O O”形圈形圈三、采场上覆岩层移动规律三、采场上覆岩层移动规律采动损害与关键层理论283)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。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。4)4)裂隙仅在覆岩裂隙仅在覆岩一定高度范围内发育一定高度范围内发育，其最大发育高度与
18、，其最大发育高度与采高和岩性采高和岩性有关有关。对。对“导导”气气”烈隙发育动态过程的研究表明，在开采初期，烈隙发育动态过程的研究表明，在开采初期，下位下位关键层关键层的破断运动对的破断运动对“导气导气”裂隙从下向上发展的动态过程起控制作用，裂隙从下向上发展的动态过程起控制作用，“导气导气”裂隙高度由下向上发展是非均速的，随关键层的破断而突变。裂隙高度由下向上发展是非均速的，随关键层的破断而突变。当采空区面积达一定值后，当采空区面积达一定值后，“导气导气”裂隙的分布也同样呈裂隙的分布也同样呈“O O”形圈特形圈特征，它是正常回采期间邻近层卸压瓦斯流向采空区的主要通道。征，它是正常回采期间邻近层卸压瓦斯流向采空区的主要通道。三、采场上覆岩层移动规律三、采场上覆岩层移动规律采动损害与关键层理论