采場巖層移動與控制

采場巖層移動與控制第一頁，共31頁。6.1巖層移動引起的采動損害概述巖層移動主要表現(xiàn)以下：（1）形成礦山壓力顯現(xiàn)，引起采場和巷道頂板下沉、垮落和來壓，甚至引發(fā)沖擊地壓等強烈的礦壓顯現(xiàn)。（2）形成采動裂隙，引起周圍煤體中的水與瓦斯的流動，導(dǎo)致井下瓦斯事故與突水事故，需對此進行控制與利用。

巖層移動導(dǎo)致的煤巖體應(yīng)力場與裂隙場的變化，是引起瓦斯卸壓和煤層滲透率增加的原因所在。2第二頁，共31頁。（3）巖層移動發(fā)展到地表引起地表沉陷，導(dǎo)致農(nóng)田，建筑設(shè)計的毀壞。

“三下一上”建筑物下、鐵路下、水體下、承壓水上傳統(tǒng)的開采模式引起的采動損害與環(huán)境問題日益突出，盡快形成煤礦的“綠色開采技術(shù)”，基本出發(fā)點：防治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：取得最佳的經(jīng)濟效益和社會效益。3第三頁，共31頁。4第四頁，共31頁。6.2巖層控制的關(guān)鍵層理論關(guān)鍵層定義：對采場上覆巖層局部或直至地表的全部巖層活動起控制作用的巖層。亞關(guān)鍵層：一層或多層；主關(guān)鍵層：只有一層；5第五頁，共31頁。采場上覆巖層中的關(guān)鍵層如下特征：1、幾何特征：相對較厚；2、巖性特征：較堅硬，彈性模量較大，強度較高；3、變形特征：關(guān)鍵層下沉變形時，上覆全部或局部巖層下沉量同步協(xié)調(diào)；4、破斷特征：破斷導(dǎo)致全部或局部上覆巖層的同步破斷，引起大范圍的巖層移動；5、承載特征：“梁”的結(jié)構(gòu)形式為全部巖層或局部巖層的承載主體，形成砌體梁結(jié)構(gòu)6第六頁，共31頁。覆巖關(guān)鍵層位置的判別：7第七頁，共31頁。8第八頁，共31頁。關(guān)鍵層復(fù)合破斷規(guī)律：9第九頁，共31頁。1、基本頂；2、直接頂；3、偽頂；4、煤層；5、底板巖層煤層頂?shù)装鍘r層6.3采場上覆巖層移動規(guī)律一、有關(guān)概念：巖層移動和破壞過程在地下煤層被采出之前，巖體在地應(yīng)力場作用下處于相對平衡狀態(tài)。當部分煤層被采出后，在巖體內(nèi)部形成了一個采空區(qū)，其周圍巖體應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，引起應(yīng)力重新分布，從而使巖體產(chǎn)生移動、變形和破壞，直至達到新的平衡。隨著工作面的推進，這一過程不斷重復(fù)。

這一現(xiàn)象和過程稱為巖層移動。10第十頁，共31頁。采空區(qū)周圍巖層的移動和破壞形式有彎曲跨落煤的擠出巖石沿層面的滑移巖石的下滑底板的隆起以上六種移動形式不一定同時出現(xiàn)在某一個具體的移動過程中。11第十一頁，共31頁。冒落帶彎曲下沉帶裂隙帶松散層12第十二頁，共31頁。1.充分采動：當采空區(qū)尺寸相當大時，地表最大下沉值為該地質(zhì)條件下應(yīng)有的最大值，稱充分采動臨界開采尺寸：剛達到充分采動狀態(tài)的采空區(qū)尺寸稱為臨界開采尺寸非充分采動：采空區(qū)尺寸小于臨界開采尺寸。13第十三頁，共31頁。地表移動盆地的形成：1．當工作面推進一段距離之后才在地表產(chǎn)生顯著的移動。2．隨著工作面的推進，采空區(qū)的擴大，下沉盆地也逐漸擴大。3．當采空區(qū)達到一定程度時，最大下沉將不再增加而形成一個平底的下沉盆地。4．當工作面停止以后，地表的移動不會馬上停止，要延續(xù)一段距離時間。14第十四頁，共31頁。2、移動與變形分析描述地表移動盆地內(nèi)移動和變形的指標是：下沉、水平移動、傾斜、曲率、水平變形及扭曲和剪切變形。

目前,前五種研究充分，后兩種研究較少，應(yīng)用不廣泛。

盆地內(nèi)地表移動和變形分析15第十五頁，共31頁。(1)．地表主斷面內(nèi)某一點的下沉

Hn0、Hnm分別為第n個點初次觀測和第m次觀測時的高程。正值代表該點下沉；負值代表該點上升。通常用w表示。(2)．水平移動

Ln0、Lnm分別表示初次觀測和第m次觀測時地表n點至觀測線控制點間的水平距離。通常用u表示。

單位：mm單位：mm16第十六頁，共31頁。(3)．傾斜變形地表傾斜變形是指相鄰點在豎直方向的相對移動量與兩相鄰點間水平距離的比值。由于相鄰地表點的下沉量不相等，使地表產(chǎn)生傾斜，反映盆地沿某一方向的坡度，通常用i表示。

l2-3——2號點到3號點之間的水平距離。含義：該曲線中點的切線斜率。單位：mm/m17第十七頁，共31頁。(4)．地表曲率變形地表曲率變形是指兩相鄰線段的傾斜差與兩線段中點間的水平距離的比值。即單位長度內(nèi)傾斜的變化。它反映在觀測線斷面上的彎曲程度。通常用k表示。符號規(guī)定：上凸的曲率為正，下凹的曲率為負。單位：mm/m2

18第十八頁，共31頁。19第十九頁，共31頁。(5)．水平變形地表水平變形是指相鄰兩點的水平移動差值與兩點間水平距離的比值。它反映相鄰兩測點間單位長度的水平移動差值。由于相鄰點的水平移動量不相等而引起的，用ε來表示。符號規(guī)定：拉伸變形為正，壓縮變形為負。分布在移動盆地兩拐點之間。單位：mm/m20第二十頁，共31頁。3．巖層移動角21第二十一頁，共31頁。1.冒落帶(垮落帶)多數(shù)情況下，冒落帶是由直接頂垮落后形成的。冒落帶內(nèi)的巖層破壞特征從煤層往上巖層破碎程度逐步減??；冒落巖塊間空隙較大，連通性好，有利于水、沙和泥土通過；冒落巖石具有的碎脹性能使冒落自行停止。碎脹系數(shù)恒大于1；冒落帶高度取決于采出厚度和上覆巖層的碎脹系數(shù)。

h—冒落帶高度，--煤層傾角

m—采出煤層厚度，k—碎脹系數(shù)二、覆巖移動破壞分帶22第二十二頁，共31頁。冒落帶彎曲下沉帶裂隙帶松散層23第二十三頁，共31頁。A—煤壁支撐影響區(qū)(a—b)；B—離層區(qū)(b—c)；C—重新壓實區(qū)(c—d)

Ⅰ—冒落帶

Ⅱ—裂隙帶

Ⅲ—彎曲下沉帶

橫三區(qū)、豎三帶的形成：圖(3-7)24第二十四頁，共31頁。2.裂隙帶采空區(qū)上覆巖層中產(chǎn)生裂隙、離層及斷裂，但是仍然保持層狀結(jié)構(gòu)的巖層。裂隙帶內(nèi)的巖層破壞特征產(chǎn)生垂直層理面和順層理面的裂縫；根據(jù)連通性好壞，一般導(dǎo)水，但不利于沙和泥土通過；冒落帶和裂隙帶合稱兩帶，又稱冒落斷裂帶，導(dǎo)水斷裂帶；裂隙帶高度與巖性/采高有關(guān)。裂隙帶高度隨工作面推進距離的增加，到一定范圍，高度達到最大。

25第二十五頁，共31頁。上覆松軟巖層9-12倍

上覆中硬巖層12-18倍上覆堅硬巖層18-28倍實際測得的不同類型覆巖開采后的破壞情況

1—冒落帶；2—裂隙帶

26第二十六頁，共31頁。3.彎曲帶裂隙帶頂界之上直至地表的整個巖系地層。彎曲帶內(nèi)的巖層破壞特征垂直方向由于自重作用產(chǎn)生法向彎曲，水平方向雙向受壓；不存在或極少離層裂縫，其中的隔水層是良好的保護層；彎曲帶的高度主要受開采深度的影響。采深較小，導(dǎo)水斷裂帶直達地表，采深較大時，開采形成的裂隙帶不會達到地表。27第二十七頁，共31頁。28第二十八頁，共31頁。