矿山压力及其控制第六章采场岩层移动与控制

126.1岩层移动引起的采动损害概述岩层移动主要表现以下：（1）形成矿山压力显现，引起采场和巷道顶板下沉、跨落和来压，甚至引发冲击地压等强烈的矿压显现。（2）形成采动裂隙，引起周围煤体中的水与瓦斯的流动，导致井下瓦斯事故与突水事故，需对此进行控制与利用。岩层移动导致的煤岩体应力场与裂隙场的变化，是引起瓦斯卸压和煤层渗透率增加的原因所在。3（3）岩层移动发展到地表引起地表沉陷，导致农田，建筑设计的毁坏。“三下一上”建筑物下、铁路下、水体下、承压水上传统的开采模式引起的采动损害与环境问题日益突出，尽快形成煤矿的“绿色开采技术”，基本出发点：防治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：取得最佳的经济效益和社会效益。456.2岩层控制的关键层理论关键层定义：对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起控制作用的岩层。亚关键层：一层或多层；主关键层：只有一层；6采场上覆岩层中的关键层如下特征：1、几何特征：相对较厚；2、岩性特征：较坚硬，弹性模量较大，强度较高；3、变形特征：关键层层下沉变形时，上覆全部或局部岩层下沉量同步协调；4、破断特征：破断导致全部或局部上覆岩层的同步破断，引起大范围的岩层移动；5、承载特征：“梁”的结构形式为全部岩层或局部岩层的承载主体，形成砌体梁结构7覆岩关键层位置的判别：89关键层复合破断规律：101、基本顶；2、直接顶；3、伪顶；4、煤层；5、底板岩层煤层顶底板岩层6.3采场上覆岩层移动规律一、有关概念：岩层移动和破坏过程在地下煤层被采出之前，岩体在地应力场作用下处于相对平衡状态。当部分煤层被采出后，在岩体内部形成了一个采空区，其周围岩体应力平衡状态受到破坏，引起应力重新分布，从而使岩体产生移动、变形和破坏，直至达到新的平衡。随着工作面的推进，这一过程不断重复。重视十分复杂的物理、力学变化过程，也是岩层产生移动和破坏的过程，这一现象和过程成为岩层移动。11采空区周围岩层的移动和破坏形式有弯曲跨落煤的挤出岩石沿层面的滑移岩石的下滑底板的隆起以上六种移动形式不一定同时出现在某一个具体的移动过程中。12冒落带弯曲下沉带裂隙带松散层131.充分采动：当采空区尺寸相当大时，地表最大下沉值为该地质条件下应有的最大值，称充分采动临界开采尺寸：刚达到充分采动状态的采空区尺寸称为临界开采尺寸非充分采动：采空区尺寸小于临界开采尺寸。14二、地表移动盆地的形成：1．当工作面推进一段距离之后才在地表产生显著的移动。2．随着工作面的推进，采空区的扩大，下沉盆地也逐渐扩大。3．当采空区达到一定程度时，最大下沉将不再增加而形成一个平底的下沉盆地。4．当工作面停止以后，地表的移动不会马上停止，要延续一段距离时间。15三、充分采动与非充分采动1．充分采动（Fullsubsidence）：地表下沉值达到该地质采矿条件下应有的最大值，此时的采动称充分采动。反之称非充分采动（Subcriticalsubsidence）。2．临界开采（Criticalmining）：只有一个点的下沉值达到最大下沉值的采动情况，称为临界开采，地表移动盆地呈碗形。下山1、上山2、走向316水平煤层倾斜煤层17四、地表移动盆地的主断面(Majorcross-section)1．定义：地表移动盆地内，通过最大下沉点，沿煤层走向或倾斜方向所作的垂直断面。2．特征：（1）在主断面上地表移动盆地的范围最大；（2）在主断面上地表移动量最大。3．位置（1）非充分采动：水平煤层：主断面位于采空区中央。倾斜煤层：倾斜主断面位于采空区中央，走向主断面根据最大下沉角确定。（2）充分采动：首先按充分采动角1、2、3确定地表充分采动区的范围，然后通过该范围内所作的煤层走向和倾向的垂直断面均为主断面。18最大下沉角（Subsidencelimitangle）（θ）：在倾斜主断面上，地表最大下沉点和采空区中点的连线与沿煤层下山方向水平线所成的锐角。除与岩性有关外，还与煤层倾角有关。在倾斜或缓倾斜煤层条件下，θ随煤层倾角的增大而减小。一般有19五、地表移动盆地的特征（1）中间区域：下沉值达到最大，其它移动和变形值近似等于零，无明显裂缝。（2）内边缘区：产生压缩变形，不出现裂缝、凹形。（3）外边缘区：拉伸变形、凸形、裂缝。三个特征点：边界点（下沉10mm的点），拐点（内外边缘区的分界点），最大下沉点20六、地表移动盆地划分成如下三个边界：(一)移动盆地的最外边界移动盆地最外边界是以地表移动和变形都为零的盆地边界点所固定的边界。这个边界由仪器观测确定。考虑到观测误差一般取下沉为10mm的点为边界点。所以，最外边界实际上是下沉为10mm的点圈定的边界。(二)移动盆地的危险移动边界危险移动边界是以盆地内的地表移动与变形对建筑物有无危害而划分的边界。不同结构的建筑机能承受最大变形的能力不一样，所以各种类型的建筑物都应有对应的临界变形值。在确定移动盆地内危险移动边界时，用相应建筑物的临界变形值圈定，会更接近于实际。(三)移动盆地的裂缝边界裂缝边界是根据移动盆地内最外侧的裂缝圈定的边界。2122七、固定边界的角值参数（一）边界角（Angleofdraw）地表移动盆地主断面上盆地边界点（下沉为10mm）至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为边界角。走向方向：δ0；下山：β0；上山：γ0；急倾斜煤层底板边界角:λ0。当有松散层时，存在于基岩与松散层交界面相交处。（二）移动角((Angleofcriticaldeformation)地表下沉边界和采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为移动角。走向方向：δ；下山：β；上山：γ；底板λ。23（三）裂缝角(Angleofbreak)地表移动盆地主断面上，移动盆地内最外侧的地表裂缝至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为裂缝角。走向方向：δ’’；下山：β’’；上山：γ’’；底板λ’’。（四）松散层移动角松散层移动角以φ表示，它不受煤层倾角的影响。2425二、移动与变形分析描述地表移动盆地内移动和变形的指标是：下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形及扭曲和剪切变形。目前,前五种研究充分，后两种研究较少，应用不广泛。盆地内地表移动和变形分析261．地表主断面内某一点的下沉Hn0、Hnm分别为第n个点初次观测和第m次观测时的高程。正值代表该点下沉；负值代表该点上升。通常用w表示。2．水平移动Ln0、Lnm分别表示初次观测和第m次观测时地表n点至观测线控制点间的水平距离。通常用u表示。nmnnHHW00nnmnLLU单位：mm单位：mm273．倾斜变形地表倾斜变形是指相邻点在竖直方向的相对移动量与两相邻点间水平距离的比值。由于相邻地表点的下沉量不相等，使地表产生倾斜，反映盆地沿某一方向的坡度，通常用i表示。l2-3——2号点到3号点之间的水平距离。含义：该曲线中点的切线斜率。3232322332lWlWWi单位：mm/m284．地表曲率变形地表曲率变形是指两相邻线段的倾斜差与两线段小点间的水平距离的比值。即单位长度内倾斜的变化。它反映在观测线断面上的弯曲程度。通常用k表示。符号规定：上凸的曲率为正，下凹的曲率为负。433243243323243432221llilliiK单位：mm/m2295．水平变形地表水平变形是指相邻两点的水平移动差值与两点间水平距离的比值。它反映相邻两测点间单位长度的水平移动差值。由于相邻点的水平移动量不相等而引起的，用ε来表示。符号规定：拉伸变形为正，压缩变形为负。分布在移动盆地两拐点之间。32323223lUlUU单位：mm/m3031冒落带多数情况下，冒落带是由直接顶垮落后形成的。冒落带内的岩层破坏特征1.从煤层往上岩层破碎程度逐步减小；2.冒落岩块间空隙较大，连通性好，有利于水、沙和泥土通过；3.冒落岩石具有的碎胀性能使冒落自行停止。碎胀系数恒大于1；4.冒落带高度取决于采出厚度和上覆岩层的碎胀系数。h—冒落带高度，--煤层倾角m—采出煤层厚度，k—碎胀系数(1)cosmhk二、覆岩移动破坏分带32裂隙带采空区上覆岩层中产生裂隙、离层及断裂，但是仍然保持层状结构的岩层。裂隙带内的岩层破坏特征1.产生垂直层理面和顺层理面的裂缝；2.根据连通性好坏，一般导水，但不利于沙和泥土通过；3.冒落带和裂隙带合称两带，又称冒落断裂带，导水断裂带；4.裂隙带高度与岩性有关。5.裂隙带高度随工作面推进距离的增加，到一定范围，高度达到最大。33弯曲带裂隙带之上直至地表的这个岩系地层。弯曲带内的岩层破坏特征1.垂直方向由于自重作用产生法向弯曲，水平方向双向受压；2.不存在或极少离层裂缝，其中的隔水层是良好的保护层；3.弯曲带的高度主要受开采深度的影响。采深较小，导水断裂带直达地表，采深较大时，开采形成的裂隙带不会达到地表。3435当工作面开采达到一定距离后，相当于1/2—1/4H0的采深，开采影响到地表，地表从原有标高下降，从而在采空区上方形成一个比采空区大的多的沉陷区域，称为地表移动盆地。36一、地表移动盆地的形式：在地表移动盆地的外边缘会形成裂缝、台阶和塌陷坑等。37第四节采场底板破坏及突水38二、应用关键层理论分析采场底板破坏与突水将底板采动破坏带以下及含水层以上承载能力最大的一层岩层称为底板关键层，类似于采场覆岩中的关键层，在底板隔水层中起到关键控制作用，称为底板隔水中的关键层。39二、应用关键层理论分析采场底板破坏与突水反三铰拱式平衡结构O-X型断裂40第五节采场上覆岩层移动控制技术一、留煤柱控制岩层移动1、部分开采2、留设保护煤柱二、充填法控制岩层移动1、采空区充填（水力充填、干式充填、胶结充填）2、覆岩离层充填41