岩层控制的关键层理论及其应用.pdf

tp9，。。09、I。……。’“。 }21世圮中圈煤炭工业} { 学术研讨会 l ≮f，pp．pppp，，}。pp，pps 岩层控制的关键层理论及其应用 钱鸣高，许家林，缪协兴 (中国矿业大学采矿系．江苏徐州22t008 摘要：介绍了岩层控制关键层理论的基本概念，研究了两层硬岩层同步破断的条件厦关键层上 载荷分布，揭示了关键层破断的复合效应和关键层上载荷的动态与非均布特征：．并就关键层运动 对采场矿压显现、覆岩裂隙场分布及地表下沉的影响进行了分析，对关键层理论在采场矿压控 制、卸压瓦斯抽放、底板突水防治、离层注装与建筑物下采煤等方面的-I-程应用情兄进行了．总 结。最后指出了关键层理论下一步研究的重点。 f 美鼍词：关键层理论；岩层移动；／卸压瓦斯抽放；离层注浆；“三下一上”采煤^。一 1关键层理论的提出 煤层开采后必然引起岩体向采空区内移动，岩层移动将造成采动损害：(1)形成矿山压力显现，危及 井下回采工作面人员及设备的安全，需要对围岩进行支护；(2)形成采动裂隙，会引起周围岩体中的水与 瓦斯的运移，引起井下瓦斯突出与突水等事故，需对此进行控制与利用；(3)岩层移动传递到地表引起地 表沉陷，导致农田、建筑设施的毁坏，引发一系列环境问脑，需对地表下沉进行预测与控制。f．述三方面 是煤矿采动损害的主要方面，也是岩层控制研究的主要内容，长期以来，采矿研究工作者对此投入了很大 的研究力量，取得了相当丰硕的成果，形成了相对独立的学科研究领域和体系，如矿山压力学科和开采沉 陷学科。但是，采场围岩插动和地表沉陷是由于煤炭采出后岩体损伤和破坏变化的结果，掌握整个采动岩 体的活动规律，特别是岩体内部岩层的活动规律+才是解决采动岩体灾害的关键一 由于成岩时间及矿物成分不同，煤系地层形成了厚度不等、强度不同的多层岩层。实践表明，其中一 层至数层厚硬岩层在岩层移动中起主要的控制作用。从采场矿山压力控制的角度出发，“研究老顶岩层的 破断运动为主体，于上个世纪80年代初提出了“砌体梁”理论并研究了坚硬岩层板模型的破断规律-在 此基础上，近年来为了解决岩层控制中更为广泛的问题，课题组又提出了岩层控制的关键层理论1。将 对采场上覆岩层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，其上部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，后着称 为亚关键层。也就是说，关键层的断裂将导致全部或相当部分的上覆岩层产生整体运动。覆岩中的亚关键 层可能不止一层，而主关键层只有一层。关键层理论研究的总体思路是：为了并清开采时由下往上传递的 岩层移动动态过程，并对岩层移动过程中形成的采场矿压显现、煤岩体中水与瓦斯的流动和地表沉陷等状 态的变化进行有效监测与控制．关键在于弄清关键层的变形破断及其运动规律以及在运动过程中与软岩层 中 围煤炭学会 间的相互耦台作用关系。 关键层理论的研究对层状矿体开采过程中的矿山压力控制、开采沉陷控制、瓦斯抽放以及突水防治等 具有重要意义：自文献[1：建立关键层理论的初步框架以来，引起了学术界的广泛关注。在文献[1]基 础上，近年来笔者对关键层理论开展了全面深入的研究、2．3]，内容主要包括：(1)关键层破断的复合效应 及其判别；(2)关键层载荷特征与影响因素；(3)关键层运动对采场矿压显现、覆岩移动与地表沉陷及裂 隙场动态分布的影响规律；(4)关键层理论在采场围岩控制、卸压瓦斯抽放、开采沉陷控制与突水防治等 方面的工程应用。 2关键层理论研究的主要进展 2．1关键屡破断的复合效应 采场上覆岩层中的所有岩层都同时具有施载和承载的特性，而关键层是覆岩中承载的主体。不仅关键 层所控岩层组内各岩层间会有载荷的传递与相互作用，各关键 i!Il I 层组之间也会有载荷的传递与相互作用。关键层理论的重要进 J I I l I i i：J —日寰土层