专题-岩层控制的柔性关键层理论.doc

1、专题部分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

2、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

3、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

4、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

5、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,

6、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,

7、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

8、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

9、。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

10、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

11、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

12、，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

13、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/MP

14、a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；

15、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