第六章采場巖層移動與控制,第一節(jié)巖層移動引起的采動損害第二節(jié)巖層控制的關鍵層理論第三節(jié)采場上覆巖層移動規(guī)律第四節(jié)采場底板破壞與突水第五節(jié)采場上覆巖層移動控制技術,本科生課程：礦山壓力與巖層控制,第一節(jié)巖層移動引起的采動損害,形成礦山壓力顯現(xiàn)，需對采場圍巖進行支護。巖層移動形成采動裂隙，會引起周圍巖體中的水與瓦斯的運移，需對此進行控制與利用。巖層移動發(fā)展到地表引起地表沉陷，導致農(nóng)田、建筑設施的毀壞，需要對地表沉陷進行預測與控制。,緒論,煤炭開采，巖層移動引起的一系列問題,地表沉陷,水土流失,煤矸石,瓦斯排放溫室響應,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,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0.2公頃，每年新增塌陷地約2萬公頃。以山西省為例，至1998年煤炭地下采空面積達1300Km2（占全省面積的1%）。,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煤炭開采過程中，人為疏干排水和采動形成的導水裂隙對煤系含水層的自然疏干，破壞了地下水資源。同時開采還可能污染地下水資源。以山西為例，采煤破壞地下水4.2億m3/a，,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CO2還嚴重的溫室氣體，也是導致煤礦重大安全事故的根源。同時瓦斯又是最好的清潔能源。煤礦每年向大氣排放瓦斯70-190億m3。,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)境的破壞以淮北礦業(yè)集團為例，2001年，13個村莊因采煤塌陷被迫搬遷，共計1412戶、5535人遷徙,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“綠色開采技術”已迫在眉睫。中國礦業(yè)大學教授錢鳴高院士及其領導的課題組，從20世紀九十年代初已開始了有關“綠色開采技術”的研究和實踐。在長期研究和實踐的基礎上，錢鳴高院士正式提出了煤礦綠色開采的理念及其技術體系。,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,煤礦綠色開采以及相應的綠色開采技術,在基本概念上是從廣義資源的角度上來認識和對待煤、瓦斯、水、土地等一切可以利用的各種資源；基本出發(fā)點是從開采的角度防止或盡可能減輕開采煤炭對環(huán)境和其他資源的不良影響；目標是取得最佳的經(jīng)濟效益、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之一,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、土地以至于煤矸石以及在煤層附近的其他礦床都應該是經(jīng)營這個礦區(qū)的開發(fā)對象而加以利用。,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的有害氣體。-煤層氣瓦斯抽放-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)條件、涌水量、水害情況和防治水難易程度，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之二,從開采的角度采取措施，從源頭消除或減少采礦對環(huán)境的破壞，而不是先破壞后治理。因而，矸石的井上處理與土地復墾是屬于環(huán)境治理問題，而不屬于綠色開采問題。,本科生課程：礦山壓力與巖層控制,煤礦綠色開采的特點之三,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動有關（巖體不破壞上述問題都不會發(fā)生），因而，綠色開采的重大基礎理論為：1）采礦后巖層內(nèi)的“節(jié)理裂隙場”分布以及離層規(guī)律；2）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滲流規(guī)律；4）巖體應力場分布規(guī)律及巖層控制技術巖層控制的關鍵層理論，為煤礦綠色開采技術的發(fā)展提供了理論基礎。因而，一定程度上綠色開采技術可叫做“基于巖層控制的綠色開采技術”。,本科生課程：礦山壓力與巖層控制,煤炭開采,巖層移動,排放矸石,地下水流失與突水事故,瓦斯卸壓流動、瓦斯事故與排放瓦斯污染環(huán)境,地表塌陷、土地與建筑物損害,占用土地污染環(huán)境,保水開采,煤與煤層氣共采,條帶開采充填開采,矸石不出井與煤巷支護,煤炭地下氣化,綠色開采技術體系,關鍵層理論,本科生課程：礦山壓力與巖層控制,一、關鍵層的概念,采場老頂巖層“砌體梁”結構模型是針對開采過程中的礦山壓力控制而提出來的。1996年，在采場老頂巖層“砌體梁”理論基礎上，錢鳴高院士及其課題組提出了巖層控制的關鍵層理論。,第二節(jié)巖層控制的關鍵層理論,本科生課程：礦山壓力與巖層控制,關鍵層理論提出目的是為了研究層狀礦體開采中厚硬巖層對巖層中節(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沉陷控制等的影響。因此它是綠色采礦的基礎理論之一。,本科生課程：礦山壓力與巖層控制,關鍵層的定義在煤系地層中，有一些厚硬巖層在采動巖層運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的作用，其大部分重量由它下部厚硬巖層來承擔。因此，將采動巖層運動過程中起承載和控制作用的厚硬巖層稱為關鍵層。關鍵層破斷時，其上部全部或部分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為主關鍵層，對上部部分巖層起控制作用的稱為亞關鍵層。關鍵層的斷裂會導致全部或局部上覆巖層產(chǎn)生整體運動，關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鍵層之間或亞關鍵層與主關鍵層之間移動的不協(xié)調(diào)而形成的。,本科生課程：礦山壓力與巖層控制,關鍵層,本科生課程：礦山壓力與巖層控制,關鍵層,本科生課程：礦山壓力與巖層控制,關鍵層,本科生課程：礦山壓力與巖層控制,關鍵層具有以下的主要特征：（1）幾何特征，相對其他巖層而言厚度較大。（2）巖性特征，相對其他巖層而言比較堅硬，即彈性模量較大，強度較高。（3）變形特征，在關鍵層下沉變形時，其上部全部或局部巖層隨之同步協(xié)調(diào)下沉。（4）破斷特征，關鍵層破斷會導致全部或局部巖層的破斷，從而引起較大范圍巖層移動。（5）支承特征，關鍵層破壞之前以“板”或“梁”的結構形式承載全部巖層或局部巖層，斷裂之后則形成“砌體梁”結構，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)調(diào)變形，因而所承受的載荷不再需要其下部巖層來承擔,二、關鍵層位置的判別,下層硬巖層的破斷距要小于上層硬巖層的破斷距,為了說明關鍵層的判別方法，現(xiàn)以表3-1所示巖層為例加以說明。第一步，按式原則判別有可能成為關鍵層的硬巖層位置。,第三章采場頂板活動規(guī)律,第1層本身的載荷q1為：,考慮第2層對第1層的作用則：,計算到第3層，則第1層的載荷為：,計算到第4層，則第1層的載荷為：,前文計算表明(q4)1(q3)1，因此，第一層與第四層巖層可能為關鍵層。第二步，按式(j=1，2，k，式中，為第j層的破斷距；k為由上式確定的硬巖層層數(shù)。)原則判別關鍵層位置。按兩端固支梁分別計算第一層與第四層巖層的破斷距。,本科生課程：礦山壓力與巖層控制,第一層的破斷距35.8m，假設第四層巖層所受載荷有兩種情況：q4=500kPa；q4=200kPa。按兩端固支梁計算得到的兩種情況下第四層巖層的破斷距分別為29.1m與46m。對于第一種情況，由于L4L1，因此僅第一層巖層為關鍵層。對于第二種情況，由于L4L1，因此第一層與第四層皆為關鍵層。,本科生課程：礦山壓力與巖層控制,關鍵層判別實例1新汶華豐礦,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,第三節(jié)采場上覆巖層移動規(guī)律,一、巖層移動的有關概念,1.充分采動與非充分采動當采空區(qū)尺寸相當大時，地表最大下沉值達到該地質(zhì)條件下應有的最大值，此時稱為充分采動。,采動后巖層各點的移動,地表相鄰兩點的移動和變形,本科生課程：礦山壓力與巖層控制,2.移動與變形巖層移動會導致沿豎直方向和水平方向的位移，前者稱下沉，后者稱為水平移動。由于地表相鄰點的下沉和水平移動量是不相等的，這表明點與點之間有相對移動，從而引起地表變形。地表變形分為傾斜、曲率、水平變形。,指相鄰點在豎直方向的相對移動與兩相鄰點間水平距離的比值，反映盆地沿某一方向的坡度。,1）傾斜變形(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、負之分，下沉曲線上凸為正，下凹為負。,本科生課程：礦山壓力與巖層控制,2）曲率變形(K),指兩相鄰點的水平移動差值與兩點間水平距離的比值。它反映相鄰兩點間單位長度的拉伸(正)或壓縮(負)值。,3)水平變形(),3.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柱一側(cè)的夾角，稱為巖層移動角。,本科生課程：礦山壓力與巖層控制,走向移動角下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測和各種保護煤柱(如工廣保護煤柱、井下巷道保護煤柱)的合理留設具有重要的意義。,二、巖層移動的基本規(guī)律,1.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:,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)部巖體移動特征根據(jù)巖層移動特點，將上覆巖層巖工作面推進方向劃分三個區(qū):即A煤壁支撐影響區(qū)；B離層區(qū)；C重新壓實區(qū)。,圖68上覆巖層移動實測曲線,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“橫三區(qū)”與“豎三帶”。,本科生課程：礦山壓力與巖層控制,沿走向剖面，測點先向采空區(qū)方向移動，然后又轉(zhuǎn)向工作面推進方向移動，最后基本恢復到原來位置。,開采后上覆巖層沿走向的水平與垂直移動軌跡,本科生課程：礦山壓力與巖層控制,沿傾向剖面，測點基本上沿著與層面成垂直的方向向下移動。,圖610觀測點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、關鍵層運動對巖層移動的影響,關鍵層與其上方82m處巖層幾乎同步運動（成組運動）。,柏建彪教授:bjianb,實驗與實測證明，巖層移動由下向上成組運動，巖層移動的動態(tài)過程受控于關鍵層的破斷運動。主關鍵層的破斷將導致地表快速下沉，地表下沉速度隨主關鍵層周期性破斷而呈現(xiàn)跳躍性變化。,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,本科生課程：礦山壓力與巖層控制,關鍵層對地表下沉控制作用的實測結果,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,關鍵層理論研究表明，覆巖層關鍵層不僅對地表動態(tài)下沉過程起控制作用，還對地表移動曲線特性產(chǎn)生影響，地表下沉是關鍵層與表土層耦合作用的結果。一方面，關鍵層破斷塊度越大，其對地表下沉曲線特征的影響越顯著，相應地表下沉曲線的非正態(tài)分布特征越顯著。另一方面，表土層起著消化關鍵層非均勻下沉的作用，表土層越薄，地表下沉的非均勻、非正態(tài)特征越顯著，反之亦然，當關鍵層破斷塊度較小或表土層厚度足夠大時，關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、很硬的關鍵層(即其破斷塊度很大)的條件，地表下沉的預計必須考慮表土層與關鍵層的耦合關系，充分考慮關鍵層破斷對地表下沉曲線特征的影響。,柏建彪教授:bjianb,關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30m,（b）表土層厚度100m,關鍵層與表土層對地表下沉耦合作用的離散元模擬結果,本科生課程：礦山壓力與巖層控制,四、巖層移動中的離層與裂隙分布,關鍵層運動對離層及裂隙的產(chǎn)生、發(fā)展與時空分布起控制作用，覆巖離層主要出現(xiàn)在關鍵層下。,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)關鍵層下離層動態(tài)分布呈現(xiàn)兩階段發(fā)展規(guī)律：關鍵層初次破斷前，最大離層位于采空區(qū)中部。關鍵層初次破斷后，關鍵層在采空區(qū)中部趨于壓實，而在采空區(qū)兩側(cè)仍各自保持一個離層區(qū),其最大寬度及高度僅為關鍵層初次破斷前的1/3左右。,本科生課程：礦山壓力與巖層控制,最大離層,離層區(qū),離層區(qū),關鍵層破斷前后的離層分布,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,采動裂隙分布的O”形圈,本科生課程：礦山壓力與巖層控制,(3)沿頂板高度方向，隨工作面推進離層呈跳躍式由下往上發(fā)展。首先，第亞關鍵層下出現(xiàn)離層，當其破斷后其下離層呈“O”形圈分布；此時，上部第亞關鍵層下出現(xiàn)離層，當其破斷后其下層呈“”形圈分布，如此發(fā)展直至主關鍵層。(4)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“導水、導氣”裂隙?！皩?、導氣”裂隙僅在覆巖一定高度范圍內(nèi)發(fā)育。下位關鍵層的破斷運動對“導氣”裂隙從下向上發(fā)展的動態(tài)過程起控制作用，當采空區(qū)面積達一定值后，“導氣”裂隙的分布也同樣呈“O”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。,本科生課程：礦山壓力與巖層控制,第四節(jié)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,也將導致底板巖層在一定范圍的移動和破壞。當?shù)装鍘r層存在含水層時，煤層開采后底板的變形破壞可能會引起底板突水事故。采動底板突水事故是采動對底板破壞及底板承壓水共同作用導致。,開采而引起的底板破壞深度，一般可采用土力學中地基的計算方法，極限平衡區(qū)分為三個區(qū)。,圖6-15地基中的極限平衡區(qū)區(qū)為主動應力區(qū)，區(qū)為過渡區(qū)，區(qū)為被動應力區(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,應用關鍵層理論分析采場底板破壞與突水,取得了進展。很好地解釋了底板突水點位置分布特點。,圖617初次來壓時底板關鍵層載荷特征,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、關鍵層理論對建筑物下采煤的指導巖層控制的關鍵層理論為進一步完善建筑物下開采設計提供了理論指導，原則為：判別上覆巖層中的主關鍵層位置，在對主關鍵層破斷特征進行研究的基礎上，通過合理設計條帶開采、房柱開采、覆巖離層注漿、采空區(qū)充填等技術手段來保證覆巖主關鍵層不破斷并保持長期穩(wěn)定。,第五節(jié)采場上覆巖層移動控制技術,本科生課程：礦山壓力與巖層控制,二、留煤柱控制巖層移動,1.部分開采條帶開采房柱式開采,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.留邊界保護煤柱采用留設保護煤柱的方法來避免開采后巖層移動影響地面重要建(構)筑物，使得井下開采后巖層移動影響邊界達不到地面要保護的建(構)筑物。保護煤柱留設主要根據(jù)具體礦井條件下，巖層移動角參數(shù)來進行設計。,水體下采煤必須在煤層與水體之間留設一定高度的起隔水作用的煤層和巖層，