（安全技术及工程专业论文）下保护层开采覆岩结构演化及卸压瓦斯抽放技术研究.pdf

a b s t r c t a b s t r a c t u n d e rt h ep r o t e c t i v el a y e rt h e o r y , a n dt h eo e e u l t e n c eo fm e t h a n ef l o wt h e o r ya n d m a s o n r yb e a m s ，t h e o r ya n dt h ek e yl a y e ro fc o a la n dm e t h a n eo u t b u r s tt h e o r yu n d e r t h e p r o t e c t i v el a y e r o fo v e r b u r d e nr o c km i n i n gs p a t i a ls t r u c t u r ee v o l u t i o na n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，m e a n w h i l e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d p h y s i c a l s i m u l a t i o n t e c h n o l o g i e sf o rt h er e s u m p t i o no fs p a c er o c km i n i n gs t r u c t u r en a t u r eo ft h es t r e s sa n d s t r a i na n a l y s i s ；t h ep r o t e c t i v el a y e ro f m e t h a n em i g r a t i o nr e l i e v i n gm i n i n gl a w s ； h u a i n a nc o a lm i n i n gu n d e rt h e p r o t e c t i v el a y e ro fc o n c r e t ep r a c t i c e ，t h e e s t a b l i s h m e n to fm e t h a n ed r a i n a g es y s t e m s ，o p t i m i z i n gm e t h a n ed r a i n a g ep a r a m e t e r s ， r e d u c et h ep r o t e c t i v el a y e ro fm e t h a n ec o n t e n t , r e d u c e dm e t h a n ep r e s s u r ea n di m p r o v e m e t h a n ed r a i n a g er a t ee l i m i n a t i n gt h ep r o t e c t i o nl a y e rm e t h a n eo u t b u r s tp u r p o s e s ； e x p e r i e n c es h o wt h a t ：e x p l o i t e db yt h ep r o t e c t i v el a y e r ( c o a ls e a mb 1 0 ) ，p e r f o r a t ea n d d e p r e s s u r i z i n gm e t h a n ed r a i n a g ef r o mt h ef l o o ro f t h eb 1l ba n de x c a v a t i n gt h et u n n e l o ft h em e t h a n et od r a i n a g em e t h a n ei ss u c c e s s f u l i th a sc a n c e l e dt h eb l o w o u t d a n g e r o u so f t h ec o a la n dm e t h a n e ，t h ec o n t e n to fm e t h a n eh a sr e d u c e d ，a n dr e d u c e d t h em e t h a n ep o u rf o r mt h ew o r k f a c es ot h a tt h es e a mo fb l l bc o u l db ee x p l o i t e db y m a c h i n e ，i tr e a l i z e df a s ts t o p i n ga n dt u n n e l i n gb ys a f e t ya n dh i 曲l y i tw i l lb eu n d e rt h ep r o t e c t i v el a y e ro fo v e r b u r d e nr e c km i n i n gs p a c es t r u c t u r ea n d e v o l u t i o no fm e t h a n ed r a i n a g er e l i e v i n gc o m p r e h e n s i v es t u d y , t oa c h i e v ep r o t e c t i o n l a y e rm i n i n gp u m p i n gr e f e r e n c ei n t e g r a t i o na n dg o o df o rg r e e ne x p l o t i n g k e yw o r d s ：p r o t e c t i v el a y e rm i n i n go v e r b u r d e ns p a t i a ls t r u c t u r e ，r e l i e v i n gm e t h a n e p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t , d r a i n a g e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞徵垄王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期匹巫年一月上日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解耋煎堡王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞邀理工太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论 文在解密后适用本授权书) 学雠文储鼢尹枕签字日期咖年翻? 日 锄摊：户p 易 辫嘲。州肛日 安徽理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 背景 近年来由于全国煤炭行业效益好转，煤炭供不应求，许多煤炭企业超负荷运 转，放松了对安全生产的长抓不懈，致使煤矿事故频频发生，特别是煤矿瓦斯事 故频发不断，造成重大的人员伤亡，给国家造成财产损失。据不完全统计，1 9 9 1 2 0 0 1 年间，一次死亡3 人以上的重特大死亡事故中，瓦斯事故死亡人数占总死亡 人数的7 1 8 3 之间；2 0 0 2 年，全国煤矿发生瓦斯事故5 4 9 起，其中1 0 人以上 瓦斯事故3 7 起，死亡8 3 8 人，分别占一次死亡1 0 人以上事故起数、死亡人数的7 2 5 和7 8 5 ；2 0 0 3 年全国发生煤矿瓦斯事故死亡3 以上的1 5 2 起，死亡人数1 3 9 7 人；2 0 0 4 年全年中国共发生煤矿死亡事故3 6 3 9 起，煤矿事故死亡人数6 0 2 7 人： 2 0 0 5 年全国发生煤矿瓦斯事故死亡3 人以上的1 0 9 起( 截止到2 0 0 5 年1 2 月1 7 日) ， 死亡9 8 8 人。重特大瓦斯事故，造成了不良的社会和政治影响。加强瓦斯治理， 消除瓦斯事故隐患，成为当前煤矿安全生产的重要内容。 在治理煤与瓦斯突出事故方面，长期理论研究和开采实践证明，开采保护层 和预抽煤层瓦斯是有效地防治煤与瓦斯突出的区域性措施，该方法可以避免长期 与突出危险煤层处于短兵相接的状态，提高了防治煤与瓦斯突出措施的安全性和 可靠性。我国煤矿安全规程规定：“对于有突出危险煤层，应采取开采保护层或预 抽煤层瓦斯等区域性防治突出措施；在突出矿井开采煤层群时，应优先选择开采保 护层防治突出措施；开采保护层时，应同时抽放被保护层瓦斯。2 0 0 5 年1 月，国家 安全生产监督管理局、国家煤矿安全监察局下发了国有煤矿瓦斯治理规定其 中明确规定：“突出矿井必须首先开采保护层，不具备开采保护层条件的，必须对突 出煤层进行预抽，并确保预抽时间和效果。2 0 0 5 年月，国家发展与改革委员会、国 家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局下发了煤矿瓦斯治理经验五十条， 其中规定：“强制性开采保护层，做到可保尽保，并抽采瓦斯，降低瓦斯压力”。可见 国家已经把下保护层开采技术作为高瓦斯突出煤层瓦斯治理的主要手段。 本课题来源于淮南矿业集团新庄孜煤矿，该矿井b 1 l b 层煤，具有瓦斯含量高、 低渗透性、高突出危险性：b i o 煤层瓦斯含量低且无突出危险，两煤层间距3 6 m 。 将b i o 煤层作为下保护层先开采，b 1 1 b 煤层作为被保护层后开采，通过保护层开 采以后的卸压作用，降低b 1 l b 煤层的应力水平，对卸压瓦斯施行综合抽放，解决 了开采b 1 1 b 煤层时的瓦斯治理难题。 1 绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 保护层开采应用现状 从1 9 3 3 年法国最先进行了保护层开采，到目前把保护层开采作为区域性防 治煤与瓦斯突出的最有效的方法之一，已经经历了7 0 多年的发展。保护层开采技 术日渐成熟，在突出危险参数和保护范围的确定以及卸压瓦斯抽放等方面都积累 了丰富的经验。我国自1 9 5 8 年以来，先后在北票、南桐、天府、中梁山松藻等局 矿进行了保护层开采防治煤与瓦斯突出试验研究，取得了显著效果，以后又在红 卫、立新、六枝等局矿进行了推广和应用。在煤与瓦斯突出严重的矿区推广保护 层开采技术，可使煤与瓦斯突出事故发生的次数大幅度下降，近几年在淮南矿区突 出矿井实行保护层开采结合卸压瓦斯抽放取得了良好效益，目前我国开采保护层 的矿井占突出矿井总数的3 0 9 6 左右，特别是近年保护层开采在国内得到了广泛的推 广和应用( 见表1 ) 。 1 2 2 保护层开采机理研究 保护层开采是目前区域性防治煤与瓦斯突出最有效的方法之一。我国煤矿 安全规程规定：“应优先选择无突出危险煤层作为保护层。矿井中所有煤层都有 突出危险时，应选择突出危险程度较小的煤层作保护层”“”。 近年来，国内外煤炭科技工作人员对保护层开采机理进行了深入的研究，在 保护层开采、卸压瓦斯抽放以及消突效果考察等方面的研究取得了突破性进展。 保护层是为消除或削弱相邻煤层的突出或冲击地压危险而预先开采的煤层或 矿层。一般应是煤层群条件下的首采煤层，而被保护层则是煤层群条件下的卸压 煤层。根据保护层与被保护层的相对位置关系，可将保护层分为上保护层和下保护 层，其开采方法也分为上保护层开采和下保护层开采。 对于下保护层开采，为了弄清保护层开采是如何起到保护效果的，首先要对 保护层开采后上覆岩层( 煤层) 破断和运移规律进行研究。国内对于采空区覆岩 破断、移动规律的理论研究已经比较成熟，最具代表性的是钱鸣高院士提出的覆 岩破断变形“砌体梁”结构力学模型和“关键层理论”。 随着保护层工作面向前推进，采空区上下方的卸压范围也不断沿走向延伸， 上覆岩层的应力分布可大致划分为3 个区，如图l 所示，即：煤壁支撑影响区、 断裂离层区和重新压实区。按垂直方向顶板垮落和裂隙发育情况可分为3 带，即 弯曲下沉带、断裂裂隙带和垮落带”1 。许家林等进一步通过理论与试验研究揭示： 关键层破断后，采空区中部的采动裂隙趋于压实，而在采空区四周存在如图2 所示 相互连通的采动裂隙发育区，称其为采动裂隙“0 ”形圈，采动裂隙“0 ”形圈能长 2 安徽理工大学硕士学位论文 表1 我国部分矿区保护层开采状况 t a b l eip a r t i a lc o n d i t i o no f m i n i n gp r o l e c t i n gs t r a t ai nt h ec o u n t r y 煤田矿区 被保 层间垂 倾角 采高采长护层 岩性 距 名称 矿区 中梁 山 中梁山 2 0 02 下 6 5 0 7 磨心坡矿3 6 0 7 上 6 00 5 o 81 2 0 9 天府磨心坡矿5 0 0 2 上 6 0 0 5 o 61 2 09 天府刘家沟矿4 5 0 3 上 6 0 0 5 o 7 1 2 0 9 天府刘家沟矿4 5 0 5 上 6 0 1 1 1 2 0 9 天府鱼田堡矿3 0 0 3 上3 00 5 o 74 04 南桐鱼田堡矿3 6 06下3 0l l3 6 0 4 南桐南桐一井3 1 03上 2 7 0 6 4 0 南桐南桐一井2 0 05下3 00 7 1 6 0 南桐 原东林井2 0 0 5下8 6 南桐 松藻一井2 5 0 1 0 下 3 0 1 5 o 5 4 4 1 1 04 6 08 松藻松藻二井2 5 0 6上3 00 8 16 0a 松藻台吉一井5 0 0 3 c 上 4 6 北票 台吉二井5 3 0 3 a下5 0 北票台吉三井4 4 0 2 下 6 2 北票冠山二并4 0 0 3 a 上 4 1 o 8 1 5 1 2 1 4 涟邵涌山井2 8 0 4下 7 02 7 乐平地宗矿 2 7 03上5 01 2 3 六枝老鹰山矿3 9 0 8上 2 81 5 鸡西滴道四矿5 0 0 1 9 下 2 41 3 淮南谢二矿4 7 0c 1 5 上3 01 8 2 淮南谢三矿 5 0 0 c 1 5上2 5 1 2 淮南 谢一矿5 7 0b 1 0下 2 61 2 淮南李一矿4 5 0 c 1 5 上 3 01 5 3 7粉砂岩 2 3 页岩，砂岩 9 0 砂岩，石灰岩 7 5砂岩，石灰岩 6 4砂岩，石灰岩 6 9粉砂岩，砂岩 3 6 灰岩，页岩 6 0 粉砂岩，砂岩 2 2 粉砂岩，砂岩 3 6灰岩，页岩 2 1灰岩，页岩 1 6灰岩，页岩 1 9砂岩，细砾岩 2 8砂岩，细砾岩 2 2砂岩细砾岩 6 0砂岩，页岩 5 5细砂岩，页岩 4 3 砂岩，粉页岩 2 1砂岩 1 7页岩，砂岩 1 0 0 c 1 3 1 6 8 8页岩，砂岩 1 2 0c 1 31 3 1 8页岩，砂岩 2 2 0b 1 1 b1 8 2 4页岩，砂岩 1 4 0c 1 31 3页岩，砂岩 淮南新庄孜矿5 0 0 b 1 0 下 1 61 91 7 0b l i1 8 2 4泥岩，砂岩 3 置使 开采层 采深 4 4 3 6 7 地 心 如 蛳 m h 啪 1 绪论 期保持，据此建立了卸压瓦斯抽放“0 ”形圈理论。“0 ”形圈相当于一条“瓦斯河”， 周围煤岩体中的瓦斯解吸后通过渗流不断地汇集到这条“瓦斯河”中。因此卸压 瓦斯抽放钻孔应尽量打到采动裂隙“0 ”形圈内，以保证钻孔有较长的抽放时间， 较大的抽放范围和较高的瓦斯抽放率”1 。刘泽功，袁亮等根据淮南矿区试验结果， 进一步分析了“0 ”形圈瓦斯流动特点，提出利用“0 ”形圈开展综合瓦斯治理， 取得了良好的效果6 】【7 】【”。 至 i i i 工z 图l竖三带与横三区 图2 采动裂隙分布的“o ”形罔 v i g at h r e ev e r t i c a ls t r o k eb e l t sa n dh o r i z o n t a l f i g 2s h a p e d c i r c l eo f t h em i n i n gf i n d u c e d 注：a - 煤擘支撑影响区( a b ) ；1 3 - 离层区( b c ) ； f r a c t u r e c - 重新压实区( c d ) ；i - 冒落带；i i 一裂隙带；i i i - 弯曲f 沉带；a 一煤肇支撑影响角。 文献 8 1 3 对保护层开采后覆岩垮落和裂隙发育规律进行了进一步的工 业试验和数值模拟研究工作，这些研究工作使我们逐渐清晰了保护层开采结合瓦 斯抽放的防突作用原理。保护层开采后，周围的煤、岩层向采空区方向变形和移 动，地应力重新分布，采空区上、下方的岩体向采空区膨胀变形，地应力向开采 空间的周围转移，从而使得采空区上、下方煤岩体的应力降低。此外，卸压带范 围内的煤岩层中产生新的裂隙，原有裂隙也张开扩大。在距保护层一定距离内， 裂隙可彼此贯通，煤层透气性大大提高，甚至与保护层采空区连通，形成了被保 护层解吸瓦斯的涌出通道，从而形成了被保护层卸压瓦斯的“解吸一扩散一渗流” 流动条件，被保护层的卸压提高了瓦斯排放能力，瓦斯不断涌出，瓦斯压力下降， 煤的力学强度相应提高。因此，保护层开采后，其上、下方煤岩体透气性增大，被 保护层瓦斯卸压排放，瓦斯压力下降，煤体强度提高，从而使得突出危险性降低 或消除( 见图3 ) 。 4 ：如配 安徽理工大学硕士学位论文 开采保护层 i 覆岩结构演化 被地 一 煤 透瓦 保应 层气斯 护 力膨性解 层降胀增吸 卸低 变 加 压 形 煤、岩层瓦斯排放能力增高 瓦斯排放、钻孔瓦斯流量增大 应力进一步降煤机械强度瓦斯压力降低 低 提高 ( 含量减少) 消除突出 图3 保护层开采消突作用示意图 r i g 3t h e sc h e m a t i cd r a w i n go f m i n i n gp r o t e c t i n gs t r a t ad i s a p p e a r sc o a la n dm e t h a n e o u t b u r s t 在研究保护层开采的同时，国内一些学者也开展了煤层群多重保护效果的试 验和研究，扩大了保护层开采的概念“”。 1 2 3 卸压瓦斯抽放技术 1 卸压瓦斯抽放理论基础”q 【1 9 1 俞启香教授等根据对天府矿务局磨心坡矿开采上保护层时，考察被保护层的 各参数变化曲线，分析各种参数的变化提出了保护层开采的“卸压增流效应”理 论，它是抽放卸压瓦斯的理论基础。 通过实践效果来看，对被保护层卸压瓦斯进行抽放可以达到以下效果： 1 ) 可以减少被保护层卸压瓦斯向保护层工作面的流动，保证保护层工作面的 5 l 绪论 安全高效开采； 2 ) 降低突出危险煤层的地应力和瓦斯压力，提高了煤体强度，消除煤与瓦斯突 出危险性； 3 ) 使被保护层由高瓦斯突出危险煤层转变为低瓦斯无突出危险煤层。 2 卸压瓦斯抽放技术 程远平教授在对煤与瓦斯共采技术研究的同时引进了相对层间距的概念，即 保护层与被保护层之问的平均距离与保护层平均采高之比。按照相对层间距将保 护层划分为中、远、近程保护层开采。保护层工作面后部采空区的瓦斯涌出也分 为近程瓦斯涌出、中程瓦斯涌出和远程瓦斯涌出“”。通过工业实践和实验室技 术研究目前已经形成比较完善的卸压瓦斯抽放技术，对不同瓦斯涌出源，实行分 源治理与综合治理相结合的办法抽放卸压瓦斯。 目前对于保护层上部卸压瓦斯治理主要采用的技术有： 1 ) 地面钻井抽放 2 ) 顶板走向顺层长钻孔抽放 3 ) 顶板走向高抽巷抽放 4 ) 采空区埋管抽放 5 ) 采空区尾巷抽放 6 ) 顶板走向穿层钻孔抽放 7 ) 底板巷道网格式上向穿层钻孔抽放 1 3 存在的问题 保护层开采从无到有，目前作为最主要的区域性防治煤与瓦斯突出措施之一， 为实现煤矿安全高效集约化开采提供了保障，在研究和推广应用中已显示出良好 的效果，但是，保护层开采在技术上还存在许多难点，需要不断完善和提高。 1 ) 保护层开采后覆岩破坏及变形的空间结构演化过程研究偏少。 2 ) 对被保护层裂隙发育的判断带有经验性导致瓦斯抽放巷道或瓦斯钻孔方位 布置不尽合理，导致抽放效果不明显。 3 ) 将覆岩破断移动等结构演化与卸压瓦斯运移规律进行一体化研究，有待进 一步深入。由于保护层开采是一个连续推进的过程，采空区顶板不断垮落，不断 形成瓦斯运移通道，顶、底板卸压瓦斯也随即涌出，在不同应力状态下卸压瓦斯 运移规律，也有待进一步研究。 1 4 论文研究的主要内容 论文拟在广泛收集资料及大量调研的基础上，结合淮南新庄孜煤矿的具体下 6 安徽理工大学硕士学位论文 保护层开采条件，运用理论分析、计算机数值模拟( 覆岩应力和应变数值模拟) ， 相似材料模拟以及现场工业性实践相结合的综合研究方法，对下面三个方面内容， 进行系统研究： ( 1 ) 下保护层开采覆岩结构演化规律； ( 2 ) 下保护层开采卸压瓦斯运移规律： ( 3 ) 下保护层开采卸压瓦斯抽放工艺及保护效果 1 5 研究方法及技术路线 研究技术路线如图4 所示： 覆岩结构 演化规律 理论研究 覆岩结构 演化规律 数值模拟 覆岩结构 演化规律 相似模拟 卸压瓦斯运移规律研究 卸压瓦斯抽放技术研究 归纳研究成果进 行理论分析 工程应用研究 现场测试成果与试 验结果分析比较 撰写毕业论文 图4 研究技术路线 f i g 4t e c h n i c a ls y s t e mo f t h es t u d y 1 6 论文研究的意义 瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出是煤矿安全生产必须解决的重要课题。统计资料表 7 1 绪论 明，在1 9 9 0 2 0 0 4 年期间，我国煤矿发生一次性死亡1 0 人以上的事故近千次， 死亡人数超过万人，在这些特大事故当中，瓦斯事故占绝大部分。仅2 0 0 4 年一年 全国煤矿事故死亡5 6 7 0 人，而瓦斯事故就有2 4 3 6 人，占总人数的4 3 ；2 0 0 5 年 初，在河南郑州的大平煤矿、陕西铜川陈家山煤矿、辽宁阜新的孙家湾煤矿等多 处发生特大瓦斯爆炸事故；2 0 0 6 年1 月在淮南矿业集团望峰岗煤矿发生了大型煤 与瓦斯突出事故：全国各地的小煤窑瓦斯事故更是屡见不鲜。这一系列的事故的 发生已经引起了党和国家领导人的高度重视。事故发生后，需要冷静思考、究其 根源，这些瓦斯爆炸或煤与瓦斯突出事故除了在管理方面存在不规范因素外，不 少是因为开采技术落后或没有采用预先防范措施，因此，加大作为区域性防治煤 与瓦斯突出技术之一的保护层开采就显得尤为重要，同时需进一步加强对采动后 覆岩结构演化规律以及卸压瓦斯在采动煤岩体中的运移特性等的研究。本选题对 下保护层开采后上覆岩层的应力分布和应变规律进行深入研究，对下保护层开采 覆岩结构演化规律的研究成果将为合理布置抽放巷道、钻孔的位置，提高卸压瓦 斯抽采效率等方面提供科学依据。同时，进行保护层开采，抽放卸压瓦斯，实现 煤与瓦斯共采，实现绿色开采，也是煤矿瓦斯灾害防治与环保所追求的最佳目标， 具有重大社会意义，不仅对淮南矿区乃至全国适合下保护层开采的矿区都有指导 意义。 8 安徽理工大学硕士学位论文 2 覆岩采动结构演化规律 2 1 覆岩采动结构演化规律的研究理论叫3 ” 国内外对覆岩采动结构演化规律进行了长期大量的研究，因而在这一领域的 研究成果很多，相继提出了多种理论，其中具有一定历史地位和代表性的主要有 四类：掩护拱理论、掩护梁理论、薄岩板理论和关键层理论。 2 1 1 掩护拱理论 该理论的基本观点是：采动形成的工作空间处在一种“拱结构”的掩护之下， 拱结构承担上覆岩层的重量：通过拱脚传递到煤层及岩体上的矿山压力及由此在 煤岩体中形成的应力，是煤岩体破坏的原因，也是拱结构向外扩展的条件；工作 面空间的支架仅承受拱结构内己破坏岩层的重量。由于对拱结构的性质及形成条 件的不同解释，拱结构理论又可分为自然平衡拱理论和压力拱理论。 2 1 2 掩护梁理论 1 8 8 5 年f a y o l 发表了关于巷道项板简支梁变形力学机制的研究成果，他通过 模拟巷道顶板跨度，发现将连续梁力加到简支梁组上的时候，最下层的梁发生挠 曲，因此他指出，在某个阶段最下层梁不会承受上层梁沿铅垂方向传下的横向载 荷，最上层梁的重力载荷从侧向传到了支座上，这种载荷侧向分布的过程与上层 梁表面之间的粘结力有关，称为成拱作用。f a y o l 提出的基本概念是，层状岩体 中巷道上方产生石拱，巷道顶板和石拱间的岩层，构成实际己离层脱开的直接顶 板，他的这一研究结果仅用于解释巷道顶板表面的沉降现象。 根据对梁的性质作用及形成条件的不同解释，这种理论又可分为下列几种： 悬臂梁理论；预成裂隙梁理论；铰接岩块理论；弹性基础梁理论；砌 体梁理论；传递岩梁理论。 2 1 3 薄岩板理论 岩板理论是岩梁理论的进一步发展。由于上述各种梁理论和压力拱理论均限 于采场中部沿走向的平面问题，随着对矿山压力研究的深入，将老顶岩层视为板 结构逐渐为人们所接受。岩板理论的发展，前苏联学者b n 斯列萨列夫起了开 创作用，他明确阐述了巷道顶板与板相类似，并提出用等效梁代替板的近似计算 方法。 1 9 8 2 年b e e r 和m e e k 对方形板和矩形板进行了较深入的研究，得出了方形板 和矩形板的屈服破坏形式。对于方形岩板，最大拉伸主应力的方向垂直于岩板的 对角线，因此沿对角线方向形成对称开裂；对于矩形岩板，其拉伸开裂线也与岩 9 2 覆岩采动结构演化规律 板对称性有关，他们提出矩形岩板开裂形成三角形和梯形岩块，因梯形块的重量 和力臂比三角形块的大，故梯形岩块之间形成的拱的性质对岩板稳定性起控制作 用。 在我国采矿界先后有钱鸣高院士、朱德仁教授、贾喜荣教授等视老顶岩层为 板结构，对其稳定性进行了研究，贾喜荣教授基于在开采过程中煤层及其上覆和 下覆岩层的力学过程类同于各种组合形式的薄板的工作状态这一认识，建立了多 种支承条件下的薄板力学模型，对顶板岩层的下沉和断裂过程进行了薄板分析， 并基于弹性板与铰接板结构模型建立了顶板岩层来压步距及来压强度计算的解析 方法，创立了采场薄板矿压理论。采场薄板矿压理论的基本观点有： 长壁工作面顶板岩层在垮落前可视为多种支承条件下的薄板结构，可以应 用弹性薄板进行分析； 工作面顶板岩层在断裂后可视为铰接板结构； 顶板岩层在初次断裂前视为四边固支板。 2 1 4 关键层理论 进人九十年代后，随着对砌体梁结构研究的深人及砌体梁关键块体的“s r ” 稳定性准则的提出，砌体粱理论发展为砌体梁关键块体稳定性理论，明确提出在 覆岩采动中形成的砌体梁大结构中，影响采场顶板控制的主要是几个关键块体的 稳定性，这些关键块体的平衡与否，直接影响着顶板的稳定性及支架受力大小， 判断关键块体稳定性的准则为“s - r ”稳定条件。然而，由于层状矿体开采过程中 的矿山压力、开采沉陷、底板突水及瓦斯抽放等是一个有机联系的整体，砌体梁 及其关键块体稳定性理论难以全面解决采动中的相互关联问题。事实上，煤层开 采后一方面引起岩体向采空区内移动，造成矿山压力显现，危及井下回采工作面 人员及设备的安全；另一方面形成采动裂隙，引起周围岩体中的水与瓦斯突出与 突水等事故；再一方面还使岩层移动传递到地表引起地表沉陷，导致农田、建筑 设施毁坏等一系列环境问题。为了弄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，搞清覆岩采动变形破断运动规律以及在运动 过程中不同岩层间的相互作用关系，钱鸣高院士等在砌体梁理论的基础上提出了 岩层控制的关键层理论，将采场矿压、岩层移动与地表沉陷等方面有机结合起来， 在力学机理上统一为一个整体，建立了关键层判别准则，研究了在关键层作用下 岩层的变形、离层及断裂规律，描述了采场上覆岩层活动中的整体结构形态，将 关键层结构模型作为采场矿压、岩层移动和地表沉陷等研究统一的基础，形成了 】o 安徽理工大学硕士学位论文 统一的思想和方法，为矿山采动岩层控制理论的深入发展奠定了基础。 关键层理论认为，在煤系岩层中，由于成岩时间和矿物成分等不同，使各岩 层厚度和力学特性存在着一些差别，形成厚度不等、强度不同的多层岩层，这些 岩层无论坚硬、软弱或厚薄，在覆岩采动演化过程中同时兼有加载和承载作用， 但其中某些坚硬岩层在覆岩采动变形破坏和运动演化过程中起主要控制作用，它 们破断前以连续梁力学结构支承上覆岩层，破断后以砌体梁力学结构支承上覆岩 层，并以砌体梁力学结构演化运动影响采场矿压、岩层移动和和地表沉陷，钱鸣 高院士把这种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。关 键层的变形破断及其形成的结构演化运动将引起大范围的岩层活动，向上可影响 至地表，向下可影响至采场、支架和底板岩体。判别关键层的主要依据是其刚度 和强度条件及其变形破断特征，当关键层破断时，是上覆全部岩层下沉变形相互 协调一致，还是上覆局部岩层下沉变形协调一致，对覆岩采动活动全局起决定性 控制作用的岩层为主关键层，对覆岩局部运动起决定性控制作用的岩层为亚关键 层。由于主关键层与亚关键层之间及亚关键层与亚关键层之间的厚度和刚度存在 差异，使主、亚关键层间及亚、亚关键层间的变形下沉不协调而导致离层产生。 综上所述，国内外无论是在采场覆岩结构与矿压控制研究方面，还是在岩 层移动与地表沉陷研究方面，都取得了丰硕成果和巨大进展。但是，由于采场覆 岩结构移动问题实质是一个空间结构演化问题，因而许多事故发生的机理用传统 的平面岩层运动理论难以解释，必须将其视为空间结构模型来研究其运动演化与 矿山压力及地表沉陷的内在规律，从而有望更好地揭示平面岩层运动理论所难以 解释的某些重大问题。 探讨被保护层的变形特征，运用关键层理论研究覆岩离层及裂隙发育规律， 将为后面的相似材料模型实验、数值模拟试验及工业试验过程中卸压瓦斯抽放巷 道和钻孔布置提供理论依据。 2 2 覆岩结构的形成与演化规律 采场覆岩结构是指对采场矿压显现有重要影响的覆岩破裂后形成的三维结 构。 覆岩结构演化包括两个方面，从宏观上它是指覆岩的破断和变形；从微观上 说它包括覆岩的离层和裂隙发育。同时，覆岩结构演化又与应力的分布与变化紧 密相连，或者说由于覆岩结构的改变，覆岩应力也将重新分布，而这种应力的重 新分布又将造成覆岩结构的进一步演化直至二者形成新的平衡体系。 保护层开采后将引起上覆岩层的移动与破断，从而在覆岩中形成采动裂隙， 2 覆岩采动结构演化规律 覆岩采动裂隙场的分布与卸压瓦斯抽放等工程问题密切相关，为了优化卸压瓦斯 抽放钻孔的布置，减少钻井工程量，提高卸压瓦斯抽放率，有必要开展覆岩采动 裂隙场动态分布规律的研究。采动裂隙的产生、发展与时空分布特征取决于覆岩 移动过程，根据现有的资料，采动岩体内存在的破坏形式可以分为：冒落、离层、 层问错动、剪切破坏和塑性变形和块体滚动等形式。 由于覆岩采动移动和破断相关数据现场采集困难，研究采用相似模拟、理论 分析、现场实测及数值模拟等方法，对采场覆岩结构的形成、演化规律与支承压 力分布的关系及主要影响因素进行探讨。 2 2 1 覆岩结构的形成与演化时间过程 工作面自切眼开始推进，当推进到一定距离时，采场覆岩初次破断呈“v ”型 垮落。着工作面继续推进，“v ”型空间结构被破坏，部分老顶下部岩层转化为直 接顶。当离层岩板达到极限跨度，其下离层空间达到最大值，硬岩层断裂陷落。 覆岩各岩层断裂位置由下而上依次内错，各岩层断裂位置的联线近似为直线，我 们称之为覆岩采动断裂线，覆岩断裂线与采空区一侧煤层底板的夹角我们称为覆 岩采动断裂角。 随着工作面的进一步推进，覆岩离层与断裂向上发展，从而在剖面上形成一 系列梯形断陷拱，在三维空间上形成梯形堤坝状断陷结构，其长轴方向为工作面 推进方向。该三维空间结构拱顶以尚未断裂的覆岩厚硬岩层或岩组底部为界，承 担并传递拱上直至地表的地层载荷，形成覆岩“支承压力壳”，拱下为呈“组合岩 板”弯曲离层断裂挤压铰接演化的免压卸荷区，整个采空区覆岩结构，实质为一 拱形空自j 压力壳及其掩护下的呈组合岩板运动演化的岩层复合结构。随着工作面 的继续向前推进，梯形断陷拱沿竖向梯级增高，沿推进方向不断加宽，直到梯形 断陷拱达到该地质采矿条件下的最大高度后，断陷拱的高度不再随工作面推进长 度的增大而增大，只在横向范围上随工作面继续推进而增大。梯形断陷拱的竖向 范围包括冒落带和贯穿裂隙带的岩层，横向范围是由覆岩破断角确定的断裂线以 内的冒落带和贯穿裂隙带的岩层。梯形断陷拱以外的岩层即使处于冒落带和贯穿 裂隙带高度之内也不会产生断裂冒落，只会产生组合悬板的整体沉陷移动与变形。 但这种在梯形断陷拱四周之外的岩层组合悬板整体沉陷移动与变形，受到梯形断 陷拱形态及其稳定性的制约与控制，归根结底还是采场覆岩结构的形态及其稳定 与失稳的发展演化过程与规律决定了采场覆岩下沉盆地的形态与发展演化规律， 继而通过松散层传播至地表。 在采场覆岩运动演化过程中，覆岩厚硬岩层组控制着空间结构的演化。在覆 1 2 安徽理工大学硕士学位论文 岩最上部的厚硬岩层或岩组断裂前，采场覆岩结构发展到最高点。此时，覆岩与 地表沉陷达到非充分采动阶段的最大值。采场覆岩结构拱的发展演化与其大拱内 下覆组合岩板破断挤压铰接形成的半拱小空间结构的发展演化密切相关。随着工 作面的推进，大空间结构拱内组合岩板不断产生周期性断裂失稳，由组合岩板弯 沉结构逐渐向挤压铰接岩板结构演化，从而导致覆岩离层层位不断升高，覆岩大 空间结构高度向上演进。推进方向上，破断岩板挤压铰接半拱小空间结构的若干 周期性断裂失稳对应采场覆岩结构的一次周期性演进。 采场覆岩结构发展到覆岩中某一厚硬岩层或岩组下方，厚硬岩层以上至地表 的覆岩压力通过压力壳( 在任意剖面上呈现为压力拱) 传递到工作面围岩形成围岩 支承压力场。在覆岩支承压力壳内厚硬岩层的下方，采空区覆岩形成组合铰接岩 板结构，并在自重、采空区冒研及采空区四周半拱的支撑下形成半椭球形( 采空区 见方时为半球形) 空间结构，其顶部被厚硬岩层削平近似成为椭圆盘形离层空间结 构。在覆岩结构内部岩层中，形成以内部岩层自重为主、以采空区四周半拱支承 反力为辅的空间结构内部应力场，即所谓内应力场。在空间结构外部近场围岩中， 则形成以空间结构上覆地层重量为主的空间结构外围支承压力场，即所谓夕 应力 场。 k s 图5 覆岩采动结构示意图 f i g 5t h es c h e m a t i cd r a w i n go f c a pr o c ks p a t i a ls t r u c t u r e 2 2 2 覆岩采动结构演化失稳条件 根据钱鸣高院士的砌体梁结构的“s r ”稳定理论，采动后上覆岩体内形成 一个大的砌体梁力学结构，而此大结构中影响覆岩变形的主要因素是岩层移动中 形成的离层区附近的几个岩块我们称其为关键块( 亚关键块) 。砌体梁关键块的垮 落与转动变形失稳条件，即“s r ”稳定条件。 ( 1 ) 滑落稳定条件( s 条件) 1 3 2 覆岩采动结构演化规律 h + h t 素( t a n 妒+ 扣印2 ( 2 _ 1 ) ( 2 ) 回转变形稳定条件( r 条件) h + h 1 堂( i 2 一知n 钟昙s i n 2 p ) ( 2 2 ) 1 昭、 22 。 式中h 一承载层厚度； h ，一承载层所负载岩层厚度： 盯一承载层的抗压强度； 昭一岩体的体积力： 0 一砌体梁中悬露岩块断裂后的回转角； 诅n 妒一岩块间的摩擦因数； i 一块度。 “s - r ”稳定条件为采场上覆岩作用力与位移提供了边界条件，从而为分析 上覆岩结构演化变形提供了依据。 2 2 3 覆岩关键层破断演化规律 对于采用走向长壁开采形式，关键层在未破断| j 可视为处于四周不同支承条 件下的矩形板。据开采边界形式可将其归纳为4 种力学模型的板，即：( a ) 四周均 为实体煤固支：( b ) 一边采空或断层简支、三边固支：( c ) 两邻边简支、两邻边固 支：( d ) 三边简支、一边固支，即称孤岛工作面条件。其弯矩分布有四种形式： 图6 各种支承条件下板四周及中心线上弯矩分布 f i g 6u n d e re a c hk i n do f s u p p o r t i n gc o n d i t i o nb o a r da l la r o u n da n dc e n t e ri n c o r ed i s t r i b u t i o n 由图6 可知，工作面( 矩形的长边) 上方中部弯矩的绝对值始终为最大。当在 四周固支条件下，随着工作面的推进，长边的中心区首先超过极限弯矩而成裂隙 ( 图7 ( a ) ) ，而后在短边中央形成裂缝( 图7 ( b ) ) ，待四周裂缝贯通成“0 ”型 后，四周简支的板再形成“x ”型破坏( 图7 ( c ) ) 。形成关键层初次破断的“0 一 x ”型特征，即随着工作面的推进，覆岩周期破断时所呈现的半“x ”型破坏。 1 4 安徽理工大学硕士学位论文 ( a )( b )( c ) 图7 关键层破断过程 f i g 7c o l l a p s ed e v e l o p i n gp r o c e s so f t h ek e ys t r a t u mb r e a k s 在保护层开采过程中，当关键层初次破断形成“o - x ”型破坏后，x 型裂缝 中都是上表面相互咬合，而在0 型裂缝中均为下表面相互咬合，只有在0 型与x 型裂缝的交点处才产生突变。若邻近层距开采煤层较近( 处于冒落带或断裂带内) ， 则在交汇点处形成最先导气通道，邻近层瓦斯通过导气裂隙大量进入上下围岩和 保护层采空区：若邻近层距开采煤层较远( 如远距离保护层开采) 时，被保护层处 于规则移动带内，由于关键层及其上覆岩层因变形特性的不同，随之协调或不协 调的垮落，在被保护层中同样产生“o - x ”型破坏，主要产生层内破断裂隙，一般 被保护层距开采煤层愈远，“o _ x ”型破坏范围愈小，产生破断裂缝愈少，被保护 层中离层裂隙和破断裂隙内集存的瓦斯大多在层内运移，层间运移的瓦斯量较少。 2 2 4 覆岩采动离层演化规律 煤层开采后上覆岩层中形成离层裂隙和竖向破断裂隙，关键层运动对离层的 产生、发展与时空分布起控制作用。沿工作面推进方向，离层裂隙分布呈现2 个 阶段性特征： 第一阶段从开切眼开始，随着工作面推进，离层裂隙不断增大，采空区中部离 层裂隙最发育。关键层初次破断后，关键层在采空区中部离层趋于压实，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，工作面侧离层区最大宽度及高度仅为关键层初次破断前的1 4 1 3 左右( 见 图8 ) 。 第二阶段，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。首先， 第1 层亚关键层下出现离层，当其破断后其下部离层呈“0 ”形圈分布；此时，上部 第2 层亚关键层下出现离层，当其破断后其下离层呈“0 ”形圈分布，如此发展直至 主关键层。第二阶段和稍后一段时期内，位于采空区中部的离层裂隙基本被压实， 而在采空区四周仍存在一连通的离层裂隙发育区。 1 5 2 覆岩采动结构演化规律 图8 关键层破断前后离层分布 f i g 8b e ds e p a r a t i o nd i s t r i b u t i o nw h e n t h ek e ys t r a t u mb r e a k s “0 ”形圈随着工作面的推进也是发展变化的，其变化过程可用如图9 描述。 一定开采条件下的岩层的岩性、厚度、断块长度及其层理是影响岩层离层裂隙分 布的主要因素，只要有厚硬岩层的存在，即使远离开采煤层，处于所谓的弯曲下沉 带内，也能产生较大的离层裂隙。 采场边界 卜 = = ：= ：， 工 裂隙区 l 一 作 ，淞。 图9 “0 ”形圈的形成及顶板0 - x 形破断过程 f i g 9t h ee v o l u t i o ns k e t c ho f o v e rs t r a t a os p a t i a ls t r u c t u r e 2 2 5 三带高度计算 根据钱鸣高院士的关键层理论，采场覆岩纵向呈现三带分布特性，研究三带 高度，对于高抽巷及卸压瓦斯抽放孔的布置具有十分重要的意义。 通常在对现场工程地质条件、岩石地质条件和岩石物理力学指标了解不充分 的情况下，可应用已有的经验公式预计覆岩的破坏高度，它们来源于实测，简单 易用。缓倾斜保护煤层开采冒落带和裂隙带高度按下式计算。 1 垮落带高度 1 ) 当煤层顶板有坚硬岩层，采后能形成悬顶时，则垮落高度h 。可用下式计 1 6 安徽理工大学硕士学位论文 算： h k = 丝 ( 2 3 ) ( k 一1 ) c o s 口 式中口一煤层倾角： m 一采高： k 一冒落岩石的碎胀系数，视顶板岩性不同变化在1 1 1 5 之间。 2 ) 当煤层顶板有坚硬、中硬、较软弱和极软弱岩层或其互层时，采后随垮随 沉，则开采单一煤层垮落高度h 。，可用下式计算： h k = 面m 面- - 忑w ( 2 - - 4 ) 式中驿一冒落过程中项板下沉量；其他符号同式( 2 3 ) 。 2 裂隙带高度 裂隙带高度主要受岩性、采高等因素影响。 表2 裂隙带高度计算公式 t a b l e 2c r e v a s s eb e l th i g hf o r m u l a 岩性计算公式之- - m 计算公式之二m 坚硬 中硬 日裂障2 1 0 0 m 1 2 y , m + 2 ( 8 9 ) 日一：型竺( 5 6 ) 日勰2 丽亨亏寿磊( 5 6 ) = 嬲( 1 1 2 )h 勰2 i 互矛 西( 士1 1 2 ) = 絮( + 1 1 2 )裂隙。嵩( + 1 1 2 ) 棚h a 隙= 未粤熙c 圳，= 罢黑c 硝， 软弱 隙。了污i ；石( + 4 o )日裂骧2 五i 矛幸五( 3