论述关键层作用下的岩层移动和破坏的发展过程

1、 论述关键层作用下的岩层移动和破坏的发展过程；关键层的极限跨距分析 关键层的破断距与导水裂隙带高度有着密切的关系，破断距计算的准确与否直接关系到导水裂隙带判断的结果。关键层的初次破断，当考虑垫层的作用时，其计算公式十分复杂。相对而言，用材料力固支梁力学模型估算关键层的初次破断距的计算公式就较为简单。建立固支梁力学模型（图一所示） （图一）据材料力学理论分析可知，梁内任一点的正应力为：式中，M任一点所在截面弯矩 Y任一点与截面中性轴的距离； H岩梁厚度。由对固支梁的分析可知，固支梁最大弯矩发生在梁的两端。即所对应的最大拉应力为：岩梁断裂，由上式得其极限跨距为：由此根据上覆关键层初次断裂后的力学模

2、型，各关键层断裂时的临界开采长度为式中，LG为第层关键层断裂时的工作面推进长度；M为煤层顶板至第层关键层下部的所有岩层数；HI为第层岩层的厚度；LGJ为第层关键在不受下部岩层支承时初次断裂时的极限断跨 距；、 两角分别为岩层的前、后方断裂角。软岩受力弯曲的水平变形分析岩一般是指覆岩中抗变形能力强的岩层，如泥岩、页岩等粘土类岩层等，位于关键层之间，其在导水裂隙中仍然保持其原有的层次，它随关键层的变形协调变形。导水裂隙带是指在煤层开采影响下构造介质发生离层、断裂，但没脱离原有岩体的破坏区域。该区内岩层已断开或有微小的裂隙，但仍保持原有的顺序，裂隙间的连通性和透水性自下而上逐渐降低，一般透水但不透砂

3、。因此，导水裂隙带的岩体可以简化为连续性岩体，用固支梁力学模型来分析其水平拉伸变形。设其挠曲方程为：通过解算，可得固支梁的最大挠度为：Ymax=由于受均布载荷的固支梁弯曲后产生水平变形，梁弯曲后在其横截面上产生水平拉伸和水平压缩变形，两种变形方式以梁的中性截面对称分布。以中性截面为界，变形后凸出边的应力必为拉应力，产生水平拉伸变形；而凹入边的应力则为压应力，产生水平压缩变形。固支梁弯曲后其水平拉伸变形为： 由于在弯曲梁的中性轴面下端面产生水平拉伸变形，并且在梁的下端即的端面上水平拉应变值最大。因此，只要此处不超过岩层的临界水平拉伸应变值，那么该岩层就不会产生导水裂隙。所以最大水平拉伸变形为：导

4、水裂隙带发展到一定高度后，裂隙带范围内的软弱岩层是抑制导水裂隙带向上发展的关键，并且由上式可知固支梁弯曲后其产生的最大水平拉伸变形值与岩梁的跨距成正比，与岩层厚度的平方成反比。在此取泥岩等较软弱类岩层的临界水平拉伸变形值为，那么由上式可以得到岩梁受力弯曲产生最大水平拉伸应变值时的跨距：此时所对应的该岩层下端面到煤层顶板的距离就是导水裂隙带发育的高度，所对应的工作面推进距离为： 式中，分别为岩层的前、后方断裂角岩层破断与其下部自由空间高度的关系 煤层采出后，采空区周围原有的应力平衡状态受到破坏，引起应力的重新分布，从而引起岩层变形，破坏与移动，并由下向上发展至地表引起地表的移动（如图二所示）（图

5、二） 对于表土层较薄或覆岩中有很厚、很硬的关键层的条件，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。如图三所示：（图三） A区：体上方，水平移动角为剧烈，但垂直移动甚微。在有些场合垂直位移量还出现负值 (即岩层有上升现现象 ) B区：靠近采面的采空区上方，垂直位移急剧增加，岩层移动速度下快上慢，岩层之间重新压实。C区： 压实冒落杆石上方，变形曲线趋于缓和，岩层移动速度上快下慢，岩层之间重新压实岩层移动中的离层与裂隙分布。煤层开采后在上覆岩层中形及成两类裂隙：一类为离层裂隙，是随岩层下沉在层与层之间出现的沿层面裂隙，它使煤层产生膨胀变形而使瓦斯卸压

6、，并使卸压瓦斯沿离层裂隙诵出；另一类是竖向破断裂隙，是随岩层下沉破断形成的穿层裂隙，它沟通了上下层间瓦斯及水的通道。 沿工作面推进方向，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，随着工作面推进，离层量不断增大，最大位于离层采空区中部。关键初次破断后，关键层在采空区中部趋于压实沿顶板高度方向，随工作面推进离层呈跳跃式由下往上发展 首先，第1关键层下出现离层，当期破断后其下离层呈“0”形圈分布；此时上部关键层下出现离层，当其破断后其下层呈“O”形圈分布；如此发展直至主关键层。（如图四）（图四） 关键层初次破断前，般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

7、，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。 贯通的竖向裂隙是水与瓦斯涌人工作面的通道，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，其最大发育高度与采高和岩性有关。对“导气”裂隙发育动态过程的研究表明，在开采初期，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，“导气”裂隙高度由下向上发展是非均速的，随关键层的破断而突变。当采空区面积达一定值后“导气”裂隙的分布也同样呈“0”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。（如图五）（图五）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，媒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。底板突水事故的防治需要重视研究采动底板破坏规律。覆岩主