第六章采场岩层移动与控制.ppt

第六章采场岩层移动与控制,第一节岩层移动引起的采动损害第二节岩层控制的关键层理论第三节采场上覆岩层移动规律第四节采场底板破坏与突水第五节采场上覆岩层移动控制技术,本科生课程：矿山压力与岩层控制,第一节岩层移动引起的采动损害,形成矿山压力显现，需对采场围岩进行支护。岩层移动形成采动裂隙，会引起周围岩体中的水与瓦斯的运移，需对此进行控制与利用。岩层移动发展到地表引起地表沉陷，导致农田、建筑设施的毁坏，需要对地表沉陷进行预测与控制。,绪论,煤炭开采，岩层移动引起的一系列问题,地表沉陷,水土流失,煤矸石,瓦斯排放温室响应,本科生课程：矿山压力与岩层控制,本科生课程：矿山压力与岩层控制,对土地资源的破坏和占用平均每采万吨原煤造成塌陷土地0.2公顷，每年新增塌陷地约2万公顷。以山西省为例，至1998年煤炭地下采空面积达1300Km2（占全省面积的1%）。,煤炭开采形成的环境问题之一,本科生课程：矿山压力与岩层控制,水资源的破坏和污染煤炭开采过程中，人为疏干排水和采动形成的导水裂隙对煤系含水层的自然疏干，破坏了地下水资源。同时开采还可能污染地下水资源。以山西为例，采煤破坏地下水4.2亿m3/a，,煤炭开采形成的环境问题之二,本科生课程：矿山压力与岩层控制,对大气环境的污染主要来自矿井排出的瓦斯和矸石山的自燃。瓦斯即煤层气，它是比CO2还严重的温室气体，也是导致煤矿重大安全事故的根源。同时瓦斯又是最好的清洁能源。煤矿每年向大气排放瓦斯70-190亿m3。,煤炭开采形成的环境问题之三,本科生课程：矿山压力与岩层控制,对地面建筑物及人文环境的破坏以淮北矿业集团为例，2001年，13个村庄因采煤塌陷被迫搬迁，共计1412户、5535人迁徙,煤炭开采形成的环境问题之四,本科生课程：矿山压力与岩层控制,提出并尽快形成煤矿的“绿色开采技术”已迫在眉睫。中国矿业大学教授钱鸣高院士及其领导的课题组，从20世纪九十年代初已开始了有关“绿色开采技术”的研究和实践。在长期研究和实践的基础上，钱鸣高院士正式提出了煤矿绿色开采的理念及其技术体系。,绿色开采的提出,本科生课程：矿山压力与岩层控制,煤矿绿色开采的内涵,煤矿绿色开采以及相应的绿色开采技术,在基本概念上是从广义资源的角度上来认识和对待煤、瓦斯、水、土地等一切可以利用的各种资源；基本出发点是从开采的角度防止或尽可能减轻开采煤炭对环境和其他资源的不良影响；目标是取得最佳的经济效益、环境效益和社会效益。,本科生课程：矿山压力与岩层控制,煤矿绿色开采的特点之一,从广义资源的角度论，在矿区范围内的煤炭、地下水、煤层内所涵的瓦斯、土地以至于煤矸石以及在煤层附近的其他矿床都应该是经营这个矿区的开发对象而加以利用。,本科生课程：矿山压力与岩层控制,矿井瓦斯定义：矿井中主要由甲烷为主的有害气体。-煤层气瓦斯抽放-煤层气开采（抽采）矿井水文地质类型：根据矿井水文地质条件、涌水量、水害情况和防治水难易程度，类型。,本科生课程：矿山压力与岩层控制,煤矿绿色开采的特点之二,从开采的角度采取措施，从源头消除或减少采矿对环境的破坏，而不是先破坏后治理。因而，矸石的井上处理与土地复垦是属于环境治理问题，而不属于绿色开采问题。,本科生课程：矿山压力与岩层控制,煤矿绿色开采的特点之三,开采引起环境与主要安全问题的发生都与开采后造成的岩层运动有关（岩体不破坏上述问题都不会发生），因而，绿色开采的重大基础理论为：1）采矿后岩层内的“节理裂隙场”分布以及离层规律；2）开采对岩层与地表移动的影响规律,本科生课程：矿山压力与岩层控制,3）水与瓦斯在裂隙岩体中的渗流规律；4）岩体应力场分布规律及岩层控制技术岩层控制的关键层理论，为煤矿绿色开采技术的发展提供了理论基础。因而，一定程度上绿色开采技术可叫做“基于岩层控制的绿色开采技术”。,本科生课程：矿山压力与岩层控制,煤炭开采,岩层移动,排放矸石,地下水流失与突水事故,瓦斯卸压流动、瓦斯事故与排放瓦斯污染环境,地表塌陷、土地与建筑物损害,占用土地污染环境,保水开采,煤与煤层气共采,条带开采充填开采,矸石不出井与煤巷支护,煤炭地下气化,绿色开采技术体系,关键层理论,本科生课程：矿山压力与岩层控制,一、关键层的概念,采场老顶岩层“砌体梁”结构模型是针对开采过程中的矿山压力控制而提出来的。1996年，在采场老顶岩层“砌体梁”理论基础上，钱鸣高院士及其课题组提出了岩层控制的关键层理论。,第二节岩层控制的关键层理论,本科生课程：矿山压力与岩层控制,关键层理论提出目的是为了研究层状矿体开采中厚硬岩层对岩层中节理裂隙的分布及其对瓦斯抽放以及突水防治以及对开采沉陷控制等的影响。因此它是绿色采矿的基础理论之一。,本科生课程：矿山压力与岩层控制,关键层的定义在煤系地层中，有一些厚硬岩层在采动岩层运动中能起到承载与控制作用，另外一些薄弱岩层只能起增加载荷的作用，其大部分重量由它下部厚硬岩层来承担。因此，将采动岩层运动过程中起承载和控制作用的厚硬岩层称为关键层。关键层破断时，其上部全部或部分岩层的下沉变形是与之协调一致的，将对上部全部岩层起控制作用的称为主关键层，对上部部分岩层起控制作用的称为亚关键层。关键层的断裂会导致全部或局部上覆岩层产生整体运动，关键层的破断步距即为其所控制的岩层的破断步距。岩层内部的离层是由于各亚关键层之间或亚关键层与主关键层之间移动的不协调而形成的。,本科生课程：矿山压力与岩层控制,关键层,本科生课程：矿山压力与岩层控制,关键层,本科生课程：矿山压力与岩层控制,关键层,本科生课程：矿山压力与岩层控制,关键层具有以下的主要特征：（1）几何特征，相对其他岩层而言厚度较大。（2）岩性特征，相对其他岩层而言比较坚硬，即弹性模量较大，强度较高。（3）变形特征，在关键层下沉变形时，其上部全部或局部岩层随之同步协调下沉。（4）破断特征，关键层破断会导致全部或局部岩层的破断，从而引起较大范围岩层移动。（5）支承特征，关键层破坏之前以“板”或“梁”的结构形式承载全部岩层或局部岩层，断裂之后则形成“砌体梁”结构，继续作为承载主体。,本科生课程：矿山压力与岩层控制,根据其定义与变形特征，在关键层变形过程中，其所控制上覆岩层随之同步变形，其下部不与之协调变形，因而所承受的载荷不再需要其下部岩层来承担,二、关键层位置的判别,下层硬岩层的破断距要小于上层硬岩层的破断距,为了说明关键层的判别方法，现以表3-1所示岩层为例加以说明。第一步，按式原则判别有可能成为关键层的硬岩层位置。,第三章采场顶板活动规律,第1层本身的载荷q1为：,考虑第2层对第1层的作用则：,计算到第3层，则第1层的载荷为：,计算到第4层，则第1层的载荷为：,前文计算表明(q4)1(q3)1，因此，第一层与第四层岩层可能为关键层。第二步，按式(j=1，2，k，式中，为第j层的破断距；k为由上式确定的硬岩层层数。)原则判别关键层位置。按两端固支梁分别计算第一层与第四层岩层的破断距。,本科生课程：矿山压力与岩层控制,第一层的破断距35.8m，假设第四层岩层所受载荷有两种情况：q4=500kPa；q4=200kPa。按两端固支梁计算得到的两种情况下第四层岩层的破断距分别为29.1m与46m。对于第一种情况，由于L4L1，因此仅第一层岩层为关键层。对于第二种情况，由于L4L1，因此第一层与第四层皆为关键层。,本科生课程：矿山压力与岩层控制,关键层判别实例1新汶华丰矿,本科生课程：矿山压力与岩层控制,本科生课程：矿山压力与岩层控制,本科生课程：矿山压力与岩层控制,第三节采场上覆岩层移动规律,一、岩层移动的有关概念,1.充分采动与非充分采动当采空区尺寸相当大时，地表最大下沉值达到该地质条件下应有的最大值，此时称为充分采动。,采动后岩层各点的移动,地表相邻两点的移动和变形,本科生课程：矿山压力与岩层控制,2.移动与变形岩层移动会导致沿竖直方向和水平方向的位移，前者称下沉，后者称为水平移动。由于地表相邻点的下沉和水平移动量是不相等的，这表明点与点之间有相对移动，从而引起地表变形。地表变形分为倾斜、曲率、水平变形。,指相邻点在竖直方向的相对移动与两相邻点间水平距离的比值，反映盆地沿某一方向的坡度。,1）倾斜变形(i),本科生课程：矿山压力与岩层控制,指相邻线段的倾斜差与两线段中点间的水平距离的比值。它反映观测线断面上的弯曲程度。曲率有正、负之分，下沉曲线上凸为正，下凹为负。,本科生课程：矿山压力与岩层控制,2）曲率变形(K),指两相邻点的水平移动差值与两点间水平距离的比值。它反映相邻两点间单位长度的拉伸(正)或压缩(负)值。,3)水平变形(),3.岩层移动角地表下沉量和采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角，称为岩层移动角。,本科生课程：矿山压力与岩层控制,走向移动角下山移动角上山移动角,本科生课程：矿山压力与岩层控制,工业广场保护煤柱,本科生课程：矿山压力与岩层控制,掌握具体条件下岩层移动角参数，对岩层移动范围的预测和各种保护煤柱(如工广保护煤柱、井下巷道保护煤柱)的合理留设具有重要的意义。,二、岩层移动的基本规律,1.采动覆岩移动破坏的分带大量的观测表明,采用全部垮落法管理采空区情况下,根据采空区覆岩破坏程度,可以分为“三带”，即:,本科生课程：矿山压力与岩层控制,本科生课程：矿山压力与岩层控制,2.覆岩内部岩体移动特征根据岩层移动特点，将上覆岩层岩工作面推进方向划分三个区:即A煤壁支撑影响区；B离层区；C重新压实区。,图68上覆岩层移动实测曲线,本科生课程：矿山压力与岩层控制,从而形成采场覆岩移动的“横三区”与“竖三带”。,本科生课程：矿山压力与岩层控制,沿走向剖面，测点先向采空区方向移动，然后又转向工作面推进方向移动，最后基本恢复到原来位置。,开采后上覆岩层沿走向的水平与垂直移动轨迹,本科生课程：矿山压力与岩层控制,沿倾向剖面，测点基本上沿着与层面成垂直的方向向下移动。,图610观测点在沿煤层倾斜剖面上的移动,本科生课程：矿山压力与岩层控制,三、关键层运动对岩层移动的影响,关键层与其上方82m处岩层几乎同步运动（成组运动）。,柏建彪教授:bjianb,实验与实测证明，岩层移动由下向上成组运动，岩层移动的动态过程受控于关键层的破断运动。主关键层的破断将导致地表快速下沉，地表下沉速度随主关键层周期性破断而呈现跳跃性变化。,覆岩移动的动态过程,本科生课程：矿山压力与岩层控制,阳泉一矿岩移观测孔布置示意图,本科生课程：矿山压力与岩层控制,关键层对地表下沉控制作用的实测结果,本科生课程：矿山压力与岩层控制,本科生课程：矿山压力与岩层控制,关键层理论研究表明，覆岩层关键层不仅对地表动态下沉过程起控制作用，还对地表移动曲线特性产生影响，地表下沉是关键层与表土层耦合作用的结果。一方面，关键层破断块度越大，其对地表下沉曲线特征的影响越显著，相应地表下沉曲线的非正态分布特征越显著。另一方面，表土层起着消化关键层非均匀下沉的作用，表土层越薄，地表下沉的非均匀、非正态特征越显著，反之亦然，当关键层破断块度较小或表土层厚度足够大时，关键层对地表下沉的影响已很小。因此，对于表土层较薄或覆岩中有很厚、很硬的关键层(即其破断块度很大)的条件，地表下沉的预计必须考虑表土层与关键层的耦合关系，充分考虑关键层破断对地表下沉曲线特征的影响。,柏建彪教授:bjianb,关键层与表土层对地表下沉耦合作用的离散元模型,本科生课程：矿山压力与岩层控制,（a）表土层厚度30m,（b）表土层厚度100m,关键层与表土层对地表下沉耦合作用的离散元模拟结果,本科生课程：矿山压力与岩层控制,四、岩层移动中的离层与裂隙分布,关键层运动对离层及裂隙的产生、发展与时空分布起控制作用，覆岩离层主要出现在关键层下。,本科生课程：矿山压力与岩层控制,本科生课程：矿山压力与岩层控制,(2)关键层下离层动态分布呈现两阶段发展规律：关键层初次破断前，最大离层位于采空区中部。关键层初次破断后，关键层在采空区中部趋于压实，而在采空区两侧仍各自保持一个离层区,其最大宽度及高度仅为关键层初次破断前的1/3左右。,本科生课程：矿山压力与岩层控制,最大离层,离层区,离层区,关键层破断前后的离层分布,本科生课程：矿山压力与岩层控制,本科生课程：矿山压力与岩层控制,采动裂隙分布的O”形圈,本科生课程：矿山压力与岩层控制,(3)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，第亚关键层下出现离层，当其破断后其下离层呈“O”形圈分布；此时，上部第亚关键层下出现离层，当其破断后其下层呈“”形圈分布，如此发展直至主关键层。(4)贯通的竖向裂隙是水与瓦斯涌入工作面的通道，故也称其为“导水、导气”裂隙。“导水、导气”裂隙仅在覆岩一定高度范围内发育。下位关键层的破断运动对“导气”裂隙从下向上发展的动态过程起控制作用，当采空区面积达一定值后，“导气”裂隙的分布也同样呈“O”形圈特征，它是正常回采期间邻近层卸压瓦斯流向采空区的主要通道。,本科生课程：矿山压力与岩层控制,第四节采场底板破坏与突水,煤层开采后不仅引起顶板岩层的移动与破坏,也将导致底板岩层在一定范围的移动和破坏。当底板岩层存在含水层时，煤层开采后底板的变形破坏可能会引起底板突水事故。采动底板突水事故是采动对底板破坏及底板承压水共同作用导致。,开采而引起的底板破坏深度，一般可采用土力学中地基的计算方法，极限平衡区分为三个区。,图6-15地基中的极限平衡区区为主动应力区，区为过渡区，区为被动应力区,本科生课程：矿山压力与岩层控制,本科生课程：矿山压力与岩层控制,图616支承压力形成的底板破坏深度,本科生课程：矿山压力与岩层控制,应用关键层理论分析采场底板破坏与突水,取得了进展。很好地解释了底板突水点位置分布特点。,图617初次来压时底板关键层载荷特征,本科生课程：矿山压力与岩层控制,图618底板关键层破断后的一般状态,本科生课程：矿山压力与岩层控制,一、关键层理论对建筑物下采煤的指导岩层控制的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，原则为：判别上覆岩层中的主关键层位置，在对主关键层破断特征进行研究的基础上，通过合理设计条带开采、房柱开采、覆岩离层注浆、采空区充填等技术手段来保证覆岩主关键层不破断并保持长期稳定。,第五节采场上覆岩层移动控制技术,本科生课程：矿山压力与岩层控制,二、留煤柱控制岩层移动,1.部分开采条带开采房柱式开采,图619条带开采的类型a保留条带宽度;b采出条带宽度,房柱式采煤,本科生课程：矿山压力与岩层控制,本科生课程：矿山压力与岩层控制,2.留边界保护煤柱采用留设保护煤柱的方法来避免开采后岩层移动影响地面重要建(构)筑物，使得井下开采后岩层移动影响边界达不到地面要保护的建(构)筑物。保护煤柱留设主要根据具体矿井条件下，岩层移动角参数来进行设计。,水体下采煤必须在煤层与水体之间留设一定高度的起隔水作用的煤层和岩层，