岩层控制的柔性关键层理论设计专题报告

岩层控制的柔性关键层理论摘要：通过分析上覆岩层的破断规律，定义了柔性关键层，给出了柔性关键层的判别方式，分析出了柔性关键层对关键层复合破断和矿压显现的影响，柔性关键层会使上覆岩层周期来压强度减轻，频数增大。分析了组合梁对关键层和柔性关键层的影响，将组合梁胶合为一个整体时，岩梁抗弯曲能力会根据组合梁的层数指数增加，岩梁抗拉能力会根据组合梁的层数倍增加，从力学角度解释了锚杆支护中组合梁理论。关键词：关键层；柔性关键层；矿压显现；组合梁1关键层理论研究背景1.1关键层理论概述煤矿开采引起的地表沉陷和矿压显现与上覆岩层弯曲下沉和破坏过程密切相关,对岩体局部或直至地表的全部岩体的运动起控制作用的坚硬岩层称为关键层,前者称为亚关键层,后者称为主关键层,关键层较其他岩层厚而坚硬。主关键层的断裂将导致全部或者相当大部分的上覆岩层产生弯曲下沉,显著影响采场矿山压力显现,剧烈时甚至形成顶板型冲击矿压,或导致回采工作面煤体高夹持应力形成煤层型冲击矿压,威胁工作面的安全生产。煤层开采后必然引起岩体向采空区内移动,岩层移动将造成如下采动损害: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。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。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,引发一系列环境问题,需对地表下沉进行预测与控制。上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。掌握整个采动岩体的活动规律,特别是内部岩层的活动规律,是解决采动岩体灾害的关键。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,以研究老顶岩层的破断运动为主体,于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,钱鸣高院士领导下的课题组提出了岩层控制的关键层理论。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,其上覆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,后者称为亚关键层。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,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间的相互耦合作用关系。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。在此基础上,近年来课题组对关键层理论开展了全面深入的研究。邻近采场并对采场矿压显现产生影响的关键层习惯上称为老顶。关键层理论研究表明,相邻硬岩层的复合效应增大了关键层的破断距,当其位置靠近采场时,将引起工作面来压步距的增大和变化。此时不仅第一层硬岩层对采场矿压显现造成影响,与之产生复合效应的邻近硬岩层也对矿压显现产生影响。其影响主要体现在两方面:其一,当产生复合效应的相邻硬岩层破断距相同时,一方面关键层破断距增大,另一方面一次破断岩层厚度增大,增大了工作面的来压步距和矿压显现强度。其二,当产生复合效应的相邻硬岩层破断距不等,工作面来压步距将呈一大一小的周期性变化。神府浅埋煤层等多个矿井的实测资料都证实了关键层复合效应对采场矿压显现的上述影响。当覆岩中存在典型的主关键层时,由于其一次破断运动的岩层范围大,往往会对采场来压造成影响,尤其当主关键层初次破断时,将引起采场较强烈的来压显现。关键层理论研究已在理论和实践两方面取得了很大进展。关键层理论进一步研究的重点是关键层破断复合效应的深入研究、表土层与关键层耦合关系、关键层理论进一步在“三下一上”采煤研究中的应用。关键层理论的工程应用仅仅是一个开始,随着关键层理论的工程应用仅仅是一个开始,随着关键层理论研究的不断深入,必将给岩层移动控制带来重大的进展和突破。采场上覆岩层中的关键层有如下特征：（1）几何特征，相对于其他同类岩层单层厚度较厚；（2）岩性特征，相对其他岩层较为坚硬，即弹性模量较大，强度较高；（3）变形特征，关键层下沉变形时，其上覆全部或局部岩层的下沉量同步协调；（4）破断特征，关键层的破断将导致全部或局部上覆岩层的同步破断，引起较大范围内的岩层移动；（5）承载特征，关键层破断前以“板”（或简化为“梁”）的结构形式作用全部岩层或局部岩层产生整体运动，使其上覆全部岩层或局部岩层的下沉变形相互协调一致。覆岩中的亚关键层可能不止一层，而主关键层只有一层。一般来说，关键层即为主承载层，在破断前可以“板”（或简化为“梁”）结构的形式承受上部岩层的部分重量，断裂后则可形成砌体梁结构，其结构形态即是岩层移动的形态。而各亚关键层之间或主关键层和亚关键层之间移动的不协调即形成了岩体内部的离层。关键层理论将整个覆岩作为统一对象，研究岩层移动由下往上传递的动态过程及其形成的采场矿压显现，岩层中节理裂隙的分布、瓦斯抽放、突水防治以及开采沉陷等采动损害问题。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。1.2关键层理论的工程实践将关键层理论及其有关采动裂隙分布规律的研究成果应用于我国卸压瓦斯抽放的研究与工程实践,取得了显著性成果。理论与试验研究揭示，当关键层破断后,位于采空区中部的采动裂隙趋于压实，而在采空区四周存在采动裂隙“O”形圈，采动裂隙“O”形圈能长期保持，周围煤岩体中的瓦斯解析后通过渗流不断地汇集“O”形圈，卸压瓦斯抽放钻孔应打到采动裂隙“O”形圈内，以保证钻孔有较长的抽放时间、较大的抽放范围、较高的瓦斯抽放率。“O”形圈理论已在淮北、淮南、阳泉等矿区的卸压瓦斯抽放中得到成功试验与应用。“O”形圈理论对注浆充填的钻孔布置同样具有重要的指导意义。关键层理论为“三下一上”采煤的深化研究提供了理论基础。将关键层理论应用于“三下一上”采煤研究与工程实践，取得了显著性成果。关键层理论为进一步完善建筑物下开采设计提供了理论指导，其基本原则是保证上覆岩层中的主关键层破断并保持长期稳定，通过条带开采、覆岩离层注浆等技术手段来保证覆岩主关键层的稳定。在关键层理论指导下，开展了大量“三下一上”开采试验，并取得了显著的经济效益和社会效益。岩层控制的关键层理论的原理可以用于采场底板突水治理研究中，即在采场底板隔水层中，找出起主要控制作用的岩层隔水关键层，由此展开相应的力学分析。在采场底板突水事故统计分析的基础上，对无断层底板关键层的破断与突水机理及有断层底板关键层的破断与突水机理进行了研究，据此提出了底板突水预测预报的原理与方法，在淮北朱庄矿 6313 工作面底板突水危险性的预测预报中得到了应用与验证。关键层理论研究表明，相邻硬岩层的复合效应增大了关键层的破断距，当其位置靠近采场时，将引起工作面来压步距的增大和变化。此时不仅第一层硬岩层对采场矿压显现造成影响,与之产生复合效应的邻近硬岩层也对矿压显现产生影响。其影响主要体现在两方面：其一，当产生复合效应的相邻硬岩层破断距相同时，一方面关键层破断距增大，另一方面一次破断岩层厚度增大，增大了工作面的来压步距和矿压显现强度。其二，当产生复合效应的相邻硬岩层破断距不等，工作面来压步距将呈一大一小的周期性变化。神府浅埋煤层等多个矿井的实测资料都证实了关键层复合效应对采场矿压关键层判别的主要依据为其变形和破断特征，即关键层的断裂将导致其上覆全部岩层或局部岩层产生整体运动，使其上覆全部岩层或局部岩层的下沉变形相互协调一致。覆岩中的亚关键层可能不止一层，而主关键层只有一层。一般来说，关键层即为主承载往往会对采场来压造成影响，尤其当主关键层初次破断时，将引起采场较强烈的来压显现。关键层理论研究已在理论和实践两方面取得了很大进展。基于岩层控制的关键层理论，钱鸣高院士领导下的课题组提出了煤矿的绿色开采技术体系。 “绿色开采技术”主要包括以下内容：（1）水资源保护形成“保水开采”技术；（2）土地与建筑物保护形成离层注浆、充填与条带开采技术；（3）瓦斯抽放形成“煤与瓦斯共采”技术；（4）煤层巷道支护技术与减少矸石排放技术；（5）煤炭地下气化技术。绿色开采技术体系将是我国今后煤矿开采的发展方向和出路。2柔性关键层的提出由关键层的定义：将对采场上覆岩层局部或直至地表全部额岩层起控制作用的岩层称为关键层。关键层与上覆所控制的岩层同步变形，但是关键层破断的时，关键层控制的上覆岩层并不一定也同时破断，而可能出现上覆岩层中存在某一层岩层不跟随破断，起到类似关键层的作用，控制该层以上数层岩层的活动。图2-1 柔性关键层示意图为了说明这样一种岩层的存在，建立如图2-1所示模型。煤层上覆岩层中已知1层为关键层，并且控制上覆岩层2，为了简化问题，本模型中岩层一共两层。岩层1、2的力学物理参数如表2-1。表2-1 岩层1、2物理力学参数表岩层体积力/MNm-3厚度/m弹性模量/MPa抗拉强度/MPa11h1E1R122h2E2R2考虑到第2层对第1层的作用，关键层1所受到的载荷为： （2-1）按固支梁来计算极限跨距为： （2-2）把式1带入式2得到： （2-3）从上往下只考虑岩层2时，岩层2的载荷为： （2-4）极限跨距为： （2-5）当L1L1时，即载荷作用下的岩层1发生破断的破断距大小于岩层2单独存在时的破断距，即：关键层1发生破断时，岩层2并未发生破断。关键层1变形过程中，岩层2随之同步变形，之所以同步变形是因为关键层1作用一个支撑作用力于岩层2，可知假如没有该作用力岩层2的挠曲线曲率会更大。单独只考虑岩层2时，曲率 （2-6）式中： M2为岩层2所受到的弯矩； J2为岩层2的端面距；而如果单独只考虑岩层1时，曲率 （2-7）式中： M1为岩层1所受到的弯矩； J1为岩层1的端面距；关键层1控制岩层2的变形，可以推知在单独分别考虑岩层1和岩层2时，跨度中间岩层2的曲率会大于跨度中间岩层1的曲率。这样在形成关键层时，关键层1会给岩层2一定的支撑作用力，使岩层2的曲率变小，岩层1和岩层2趋于相，。即： （2-8） （2-9）这里我们假定岩层1和岩层2的几何尺寸和体积力均相同，则跨度中间M1和M2、J1和J2也相同。则： （2-10）由此可以看到岩层1的弹性模量大于岩层2的弹性模量，可知当几何尺寸一样时岩层1的刚度要大于岩层2的的刚度。岩层2在岩层1破断之后仍可保持平衡，在一定条件下，可以继续作为关键层控制上覆岩层的变形，但相比关键层1，岩层2的刚度较小，这里我们定义这种在关键层破断后继续作为关键层控制上覆一层或几层岩层变形的岩层称为柔性关键层。3柔性关键层的判别采动覆岩中,任一岩层所受的载荷除了自身的载荷外，还会受到上覆临近岩层的相互作用。一般来说采动引起的覆岩载荷是非均匀分布的，但为了分析的方便，假设岩层载荷为均匀分布下面进行柔性关键层的辨别分析。图3-1 岩层示意图假设图所示为一组岩层，其中岩层1为关键层，控制上覆岩层2n的变形移动，根据关键层破断条件，当：其中：时，关键层1发生破断，但是如果上覆岩层中存在柔性关键层，柔性关键层会继续起到关键层的作用控制上覆岩层的活动和变形。表3-1 岩层1n层物理力学参数表岩层体积力/MNm-3厚度/m弹性模量/MPa抗拉强度/MPa11h1E1R122h2E2R2nnhnEnRn关键层1破断后，这里把2n层岩层重新看做一组新的岩层，在此基础上寻找新的关键层，根据岩层2是不是关键层可以分为两种情况：（1）岩层2为关键层，此时又可以根据岩层2是控制局部基层岩层还是控制全部3n层岩层分为以下两种情况： 岩层2控制3n全部岩层，此时根据组合梁理论求出极限跨距L2：其中： 如果L2l1,则岩层2为柔性关键层，在关键层1破断后，岩层2会成为关键层，支撑上覆岩层，控制上覆岩层的变形，不随关键层1的破断而破断。如果L2l1,则岩层2不是柔性关键层，关键层1破断后，岩层2会随关键层1的破断而破断。此后，3n层岩层重新看做一组新的岩层，回到开始部分进行新的分析。 关键层1破断后，岩层2只控制岩层2以上部分岩层，说明此种情形下，关键层1破断后，2n层岩层中形成不止一个关键层。这种情形下，就要考虑关键层的复合破断问题：假设关键层1破断后，岩层2和岩层m分别成为新的关键层，根据组合梁理论分别求出关键层2和m的极限跨距L2、Lm，当时，关键层2破断时，关键层m不会破断。若则关键层2和关键层m会产生复合破断，产生复合破断后会导致破断距减小可能岩层2会随关键层1的破断而破断，关于关键层复合破断和柔性关键层对复合破断的影响会在文章后面进行介绍。（2）岩层2为不是关键层，若岩层2不是关键层，岩层2对上覆岩层不起到控制作用。通过计算得出岩层2单独的破断距L2，若则岩层2会随着岩层1的破断而破断，破断之后3n岩层重新组成一组岩层，进行重新的分析。若则关键层1破断后，岩层2在不和上部岩层产生复合破断的情形下不会随之破断。但是如果和上部岩层或关键层产生复合破断则情况和关键层复合破断形式相似，可以用关键层复合破断的理论进行分析。4柔性关键层对关键层复合破断和矿压显现的影响图4-1 关键层层位示意图根据关键层的定义和变形特点，在关键层的变形过程中，其所控制的岩层随之变形，因而它所承受的载荷不在需要其下部的岩层来承担。如图4-1中，第一层岩层为第一关键层，它所控制的范围为1n层，则n+1层为第一层关键层，满足条件：式中： qn+1、qn分别表示计算到第n+1和n层时，关键层1所受载荷。按照式子原则,由下往上逐层计算判别,计算出有可能成为关键层的硬岩位置,如图4-1,设覆岩中有岩层1和岩层n+1满足条件。按照以上条件算出的硬岩还必须满足关键层存在的强度条件，即满足下层硬岩的破断距小于上层硬岩的破断距，即：式中： lj为第j层的破断距；k为确定出来的硬岩层数。当岩层仅满足第一个条件，而不满足第二个条件时，即：岩层将会发生同步破断的现象称为是关键层的同步破断。当产生复合破断的关键层临近开采煤层称为老顶时，由于复合破断关键层一次破断的距离较厚，因而作用在支架上的受力会明显增大，容易出现花落失稳的现象，因而造成矿上来压显现的增强。如图4-1所示，假设岩层1和岩层n+1为两层硬岩，且满足则硬岩会在关键层1破断之前发生破断，因而计算关键层1的破断距时，应该考虑到硬岩n+1破断的影响。但是硬岩破断并不一定引起硬岩控制的所有岩层的破断，可以根据硬岩控制的岩层中是否存在柔性关键层分类讨论：（1）硬岩n+1所控制的岩层中不存在柔性关键层，此时，当关键层1破断时，硬岩n+1控制的n+1m层岩层的全部重量载荷作用到关键层1上重新计算破断跨距和来压时的矿山压力：其中：此时，为了不使老顶切落，支架的工作阻力应大于1m层老顶切落时的重力。（2）硬岩n+1所控制的岩层中存在柔性关键层k，此时，当硬岩n+1破断时，由于存在柔性关键层，因而当硬岩随关键层1破断时，硬岩所控制的上覆岩层并不一定随关键层破断而破断： 情形一：柔性关键层破断距大于关键层1的破断距，此时，计算矿山压力和破断跨距时，只需计算第1k层岩层的作用，不需要考虑km层对关键层1的作用。可以发现由于存在柔性关键层，复合破断的层数减少，因而矿山压力的显现会减小，因而在矿山生产实际中，柔性关键层的存在对矿井的安全是有利的，随着关于关键层研究的进一步进行，相应技术手段的提高，在矿井施工中应考虑柔性关键层的作用。情形二：柔性关键层破断距小于关键层1的破断距，此时，当关键层1破断时，柔性关键层也会随之破断，部分岩层会随柔性关键层的破断而破断，在计算关键层1的破断距和来压时要考虑这部分岩层对关键层1的作用，如果硬岩n+1控制的岩层中的柔性关键层均小于关键层1的破断距，情况和没有柔性关键层时的情况就基本一样。5组合梁对关键层和柔性关键层的影响5.1组合梁的力学分析顶板的稳定性和采场安全性有着密切的联系，当顶板过于松软，容易出现冒顶事故，支架受力不稳等问题。但是，顶板过于坚硬，岩层之间紧密结合，会造成关键层破断距离、来压步距过大，来压过于强烈，严重情况出现支架压死，顶板一次破断面积过大，形成暴风，冲击矿压等严重矿井灾害。图5-1 组合梁示意图表5-1 岩层1n层物理力学参数表岩层体积力/MNm-3厚度/m弹性模量/MPa抗拉强度/MPa11h1E1R122h2E2R2nnhnEnRn（1）组合梁抗弯能力力学分析根据组合梁理论，组合梁每个截面上的弯矩M都由n层岩层各自的小截面负担，其关系式为：此时，每个岩层在自重作用，各个岩层组合在一起，上下岩层的曲率基本一致。每个岩梁的曲率为：则有：这里为了简化问题，便于分析，令：有：而如果用锚杆支护注浆等方法把,增加组合梁各岩层之间的抗剪强度,使组合梁称为一个整体,因为各层的弹性模量相同，均为E，所以组合梁的弹性模量也是E。此时组合梁的弯曲曲率为k时:可见,如果通过增加抗剪强度,注浆防离层等手段,使组合梁成为一个整体,岩梁抗弯曲能力会根据组合梁的层数指数增加。（2）组合梁抗拉能力力学分析根据固支梁的计算,最大弯矩发生在梁的两端,截面上最大拉应力为:带入式,最大拉应力在时取得:当组合梁破断时，首先破断的会是最下层，然后逐层往上依次破断。 最下层硬岩一般是关键层，考虑到上覆岩层的作用，我们暂取承受的单位长度载荷：破断距离而如果用锚杆支护注浆等方法把,增加组合梁各岩层之间的抗剪强度,使组合梁称为一个整体,因为各层的体积力相同，均为，所以组合梁的弹性模量也是。此时组合梁的破断距:可见,如果通过增加抗剪强度,注浆防离层等手段,使组合梁成为一个整体,岩梁抗拉能力会根据组合梁的层数倍增加。5.2组合梁对关键层和柔性关键层的影响通过增加抗剪强度,注浆防离层等手段,使组合梁成为一个整体,岩梁抗弯曲能力会根据组合梁的层数指数增加。岩梁抗拉能力会根据组合梁的层数倍增加。在采场顶板的控制过程中,一方面要保持顶板的完整性,避免顶板过于破碎,对工作面的安全造成影响,另一方面,如果顶板数层岩层胶结程度高,根据上面的分析,岩层的抗弯曲能力指数增加和岩层的抗拉能力会以倍数增加,会导致顶板悬露面积过大。如果这种情况下不对顶板做相应的处理，关键层的破断跨距倍数增加，破断后发生滑落失稳。如果组合梁各层之间不存在剪应力，即岩层之间完全没有胶结在一起，支架承受的力为:如果组合梁之间，通过锚杆、锚索，注浆加固等手段，增加各个层面之间的剪应力，使层与层之间胶结在一起，组合梁可以看做是一个整体，这时支架所承受的力为：其中：由此可见，胶结在一起的顶板当顶板来压时，支架所承受的压力是没有胶结在一起的倍，为了避免来压过大，压死支架，工程实践中应采取相应的措施降低底板的胶结程度，弱化顶板岩层强度主要措施有：（1）坚硬顶板注水放顶技术顶板岩体注水压裂，注水孔周围的岩体是处于弹性应力状态，顶板岩体在注水孔内的水压作用下产生破裂。岩体的开裂过程分为2个阶段，即孔壁开裂和岩体内开裂，开裂的方式受各自的应力状态的控制。孔壁开裂是由于密封的注水孔水压增加时只对孔壁有法向应力，并随水压增加。孔壁的切向应力将随之减少，最终变为张应力。当张应力大于或等于岩体的抗拉强度时，在孔壁上出现垂直裂缝。孔壁开裂后会迅速转入岩体内开裂，这是由于注水的压力克服了岩体内最小主应力和岩体抗拉强度时引起的岩体内开裂。顶板岩体开裂面是垂直于最小主应力分量，即水平开裂(在强度较低的弱面附近进行注水压裂，压裂面会沿弱面扩展)。经过上面两个阶段对岩体产生两个作用效果岩层间产生裂隙，经过持续水压作用，裂隙不断扩展，最终使层面之间分离。经过上述力学分析，降低了岩层之间的胶结程度后，来压时支架所受到的压力会明显降低。由于水的压力和侵蚀，岩体内裂隙的产生，岩石的软化等作用，使岩体的强度降低。岩石的软化机理是使注入岩体中的水与岩石矿物产生物理、化学的综合作用，使岩石矿物向着分离、分散、松散、比重变小、硬度降低方向转化，导致岩石强度降低。顶板岩体注水软化程度取决于岩石的矿物成分、结构、节理裂隙程度、胶结情况及水质、软化时间等因素。虽然岩石一般都具有浸水软化特性，但软化程度不一。顶板岩体注水软化只有达到一定程度后，这种作用才有实用价值。（2）通过爆破等手段使顶板离层，降低顶板的强度。5.3对锚杆支护组合梁的解释图5-3 锚杆支护图通过上述，组合梁的力学分析，得出：通过增加锚杆支护等手段,使组合梁成为一个整体,岩梁抗弯曲能力会根据组合梁的层数指数增加。使组合梁成为一个整体,岩梁抗拉能力会根据组合梁的层数倍增加。当岩层有足够硬度，通过锚杆支护，增大岩层间的抗剪强度使其成为一个整体，通过分析认为，锚杆支护主要是通过增加岩层间的抗剪强度来实现顶板稳定的。但当顶板过于松软，流变蠕变作用明显时，锚杆支护作用体现在悬吊作用，前提是软岩上覆近距离内有足够的坚硬顶板。6结论（1）关键层破断的时，关键层控制的上覆岩层并不一定也同时破断，而可能出现上覆岩层中存在某一层岩层不跟随破断，起到类似关键层的作用，控制该层以上数层岩层的活动。一般