礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制

礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制2024/3/26礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制6.1巖層移動(dòng)引起的采動(dòng)損害概述巖層移動(dòng)主要表現(xiàn)以下：（1）形成礦山壓力顯現(xiàn)，引起采場(chǎng)和巷道頂板下沉、跨落和來(lái)壓，甚至引發(fā)沖擊地壓等強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)。（2）形成采動(dòng)裂隙，引起周圍煤體中的水與瓦斯的流動(dòng)，導(dǎo)致井下瓦斯事故與突水事故，需對(duì)此進(jìn)行控制與利用。

巖層移動(dòng)導(dǎo)致的煤巖體應(yīng)力場(chǎng)與裂隙場(chǎng)的變化，是引起瓦斯卸壓和煤層滲透率增加的原因所在。礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制（3）巖層移動(dòng)發(fā)展到地表引起地表沉陷，導(dǎo)致農(nóng)田，建筑設(shè)計(jì)的毀壞。

“三下一上”建筑物下、鐵路下、水體下、承壓水上傳統(tǒng)的開采模式引起的采動(dòng)損害與環(huán)境問(wèn)題日益突出，盡快形成煤礦的“綠色開采技術(shù)”，基本出發(fā)點(diǎn)：防治或盡可能減輕開采煤炭對(duì)環(huán)境和其他資源的不良影響。目標(biāo)：取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制6.2巖層控制的關(guān)鍵層理論關(guān)鍵層定義：對(duì)采場(chǎng)上覆巖層局部或直至地表的全部巖層活動(dòng)起控制作用的巖層。亞關(guān)鍵層：一層或多層；主關(guān)鍵層：只有一層；礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制采場(chǎng)上覆巖層中的關(guān)鍵層如下特征：1、幾何特征：相對(duì)較厚；2、巖性特征：較堅(jiān)硬，彈性模量較大，強(qiáng)度較高；3、變形特征：關(guān)鍵層層下沉變形時(shí)，上覆全部或局部巖層下沉量同步協(xié)調(diào)；4、破斷特征：破斷導(dǎo)致全部或局部上覆巖層的同步破斷，引起大范圍的巖層移動(dòng)；5、承載特征：“梁”的結(jié)構(gòu)形式為全部巖層或局部巖層的承載主體，形成砌體梁結(jié)構(gòu)礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制覆巖關(guān)鍵層位置的判別：礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制關(guān)鍵層復(fù)合破斷規(guī)律：礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制1、基本頂；2、直接頂；3、偽頂；4、煤層；5、底板巖層煤層頂?shù)装鍘r層6.3采場(chǎng)上覆巖層移動(dòng)規(guī)律一、有關(guān)概念：巖層移動(dòng)和破壞過(guò)程在地下煤層被采出之前，巖體在地應(yīng)力場(chǎng)作用下處于相對(duì)平衡狀態(tài)。當(dāng)部分煤層被采出后，在巖體內(nèi)部形成了一個(gè)采空區(qū)，其周圍巖體應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，引起應(yīng)力重新分布，從而使巖體產(chǎn)生移動(dòng)、變形和破壞，直至達(dá)到新的平衡。隨著工作面的推進(jìn)，這一過(guò)程不斷重復(fù)。重視十分復(fù)雜的物理、力學(xué)變化過(guò)程，也是巖層產(chǎn)生移動(dòng)和破壞的過(guò)程，這一現(xiàn)象和過(guò)程成為巖層移動(dòng)。礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制采空區(qū)周圍巖層的移動(dòng)和破壞形式有彎曲跨落煤的擠出巖石沿層面的滑移巖石的下滑底板的隆起以上六種移動(dòng)形式不一定同時(shí)出現(xiàn)在某一個(gè)具體的移動(dòng)過(guò)程中。礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制冒落帶彎曲下沉帶裂隙帶松散層礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制1.充分采動(dòng)：當(dāng)采空區(qū)尺寸相當(dāng)大時(shí)，地表最大下沉值為該地質(zhì)條件下應(yīng)有的最大值，稱充分采動(dòng)臨界開采尺寸：剛達(dá)到充分采動(dòng)狀態(tài)的采空區(qū)尺寸稱為臨界開采尺寸非充分采動(dòng)：采空區(qū)尺寸小于臨界開采尺寸。礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制二、地表移動(dòng)盆地的形成：1．當(dāng)工作面推進(jìn)一段距離之后才在地表產(chǎn)生顯著的移動(dòng)。2．隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)的擴(kuò)大，下沉盆地也逐漸擴(kuò)大。3．當(dāng)采空區(qū)達(dá)到一定程度時(shí)，最大下沉將不再增加而形成一個(gè)平底的下沉盆地。4．當(dāng)工作面停止以后，地表的移動(dòng)不會(huì)馬上停止，要延續(xù)一段距離時(shí)間。礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制三、充分采動(dòng)與非充分采動(dòng)1．充分采動(dòng)（Fullsubsidence）：地表下沉值達(dá)到該地質(zhì)采礦條件下應(yīng)有的最大值，此時(shí)的采動(dòng)稱充分采動(dòng)。反之稱非充分采動(dòng)（Subcriticalsubsidence）。2．臨界開采（Criticalmining）：只有一個(gè)點(diǎn)的下沉值達(dá)到最大下沉值的采動(dòng)情況，稱為臨界開采，地表移動(dòng)盆地呈碗形。下山

1、上山

2、走向

3

礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制水平煤層傾斜煤層礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制四、地表移動(dòng)盆地的主斷面(Majorcross-section)1．定義：地表移動(dòng)盆地內(nèi)，通過(guò)最大下沉點(diǎn)，沿煤層走向或傾斜方向所作的垂直斷面。2．特征：（1）在主斷面上地表移動(dòng)盆地的范圍最大；（2）在主斷面上地表移動(dòng)量最大。3．位置（1）非充分采動(dòng)：水平煤層：主斷面位于采空區(qū)中央。傾斜煤層：傾斜主斷面位于采空區(qū)中央，走向主斷面根據(jù)最大下沉角確定。（2）充分采動(dòng)：首先按充分采動(dòng)角

1、

2、

3

確定地表充分采動(dòng)區(qū)的范圍，然后通過(guò)該范圍內(nèi)所作的煤層走向和傾向的垂直斷面均為主斷面。礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制最大下沉角（Subsidencelimitangle）（θ）：在傾斜主斷面上，地表最大下沉點(diǎn)和采空區(qū)中點(diǎn)的連線與沿煤層下山方向水平線所成的銳角。除與巖性有關(guān)外，還與煤層傾角有關(guān)。在傾斜或緩傾斜煤層條件下，θ隨煤層傾角的增大而減小。一般有礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制五、地表移動(dòng)盆地的特征（1）中間區(qū)域：下沉值達(dá)到最大，其它移動(dòng)和變形值近似等于零，無(wú)明顯裂縫。（2）內(nèi)邊緣區(qū)：產(chǎn)生壓縮變形，不出現(xiàn)裂縫、凹形。（3）外邊緣區(qū)：拉伸變形、凸形、裂縫。

三個(gè)特征點(diǎn)：邊界點(diǎn)（下沉10mm的點(diǎn)），拐點(diǎn)（內(nèi)外邊緣區(qū)的分界點(diǎn)），最大下沉點(diǎn)礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制六、地表移動(dòng)盆地劃分成如下三個(gè)邊界：(一)移動(dòng)盆地的最外邊界

移動(dòng)盆地最外邊界是以地表移動(dòng)和變形都為零的盆地邊界點(diǎn)所固定的邊界。這個(gè)邊界由儀器觀測(cè)確定?？紤]到觀測(cè)誤差一般取下沉為10mm的點(diǎn)為邊界點(diǎn)。所以，最外邊界實(shí)際上是下沉為10mm的點(diǎn)圈定的邊界。(二)移動(dòng)盆地的危險(xiǎn)移動(dòng)邊界

危險(xiǎn)移動(dòng)邊界是以盆地內(nèi)的地表移動(dòng)與變形對(duì)建筑物有無(wú)危害而劃分的邊界。不同結(jié)構(gòu)的建筑機(jī)能承受最大變形的能力不一樣，所以各種類型的建筑物都應(yīng)有對(duì)應(yīng)的臨界變形值。在確定移動(dòng)盆地內(nèi)危險(xiǎn)移動(dòng)邊界時(shí)，用相應(yīng)建筑物的臨界變形值圈定，會(huì)更接近于實(shí)際。

(三)移動(dòng)盆地的裂縫邊界

裂縫邊界是根據(jù)移動(dòng)盆地內(nèi)最外側(cè)的裂縫圈定的邊界。礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制七、固定邊界的角值參數(shù)

（一）邊界角（Angleofdraw）地表移動(dòng)盆地主斷面上盆地邊界點(diǎn)（下沉為10mm）至采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角稱為邊界角。

走向方向：δ0；下山：β0；上山：γ0；急傾斜煤層底板邊界角:λ0。當(dāng)有松散層時(shí)，存在于基巖與松散層交界面相交處。

（二）移動(dòng)角((Angleofcriticaldeformation)地表下沉邊界和采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角稱為移動(dòng)角。

走向方向：δ；下山：β；上山：γ；底板λ。礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制

（三）裂縫角(Angleofbreak)地表移動(dòng)盆地主斷面上，移動(dòng)盆地內(nèi)最外側(cè)的地表裂縫至采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角稱為裂縫角。

走向方向：δ’’；下山：β’’；上山：γ’’；底板λ’’。（四）松散層移動(dòng)角松散層移動(dòng)角以φ表示，它不受煤層傾角的影響。礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制二、移動(dòng)與變形分析描述地表移動(dòng)盆地內(nèi)移動(dòng)和變形的指標(biāo)是：下沉、傾斜、曲率、水平移動(dòng)、水平變形及扭曲和剪切變形。

目前,前五種研究充分，后兩種研究較少，應(yīng)用不廣泛。盆地內(nèi)地表移動(dòng)和變形分析礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制1．地表主斷面內(nèi)某一點(diǎn)的下沉

Hn0、Hnm分別為第n個(gè)點(diǎn)初次觀測(cè)和第m次觀測(cè)時(shí)的高程。正值代表該點(diǎn)下沉；負(fù)值代表該點(diǎn)上升。通常用w表示。2．水平移動(dòng)

Ln0、Lnm分別表示初次觀測(cè)和第m次觀測(cè)時(shí)地表n點(diǎn)至觀測(cè)線控制點(diǎn)間的水平距離。通常用u表示。

單位：mm單位：mm礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制3．傾斜變形地表傾斜變形是指相鄰點(diǎn)在豎直方向的相對(duì)移動(dòng)量與兩相鄰點(diǎn)間水平距離的比值。由于相鄰地表點(diǎn)的下沉量不相等，使地表產(chǎn)生傾斜，反映盆地沿某一方向的坡度，通常用i表示。

l2-3——2號(hào)點(diǎn)到3號(hào)點(diǎn)之間的水平距離。含義：該曲線中點(diǎn)的切線斜率。單位：mm/m礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制4．地表曲率變形地表曲率變形是指兩相鄰線段的傾斜差與兩線段小點(diǎn)間的水平距離的比值。即單位長(zhǎng)度內(nèi)傾斜的變化。它反映在觀測(cè)線斷面上的彎曲程度。通常用k表示。符號(hào)規(guī)定：上凸的曲率為正，下凹的曲率為負(fù)。單位：mm/m2

礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制5．水平變形地表水平變形是指相鄰兩點(diǎn)的水平移動(dòng)差值與兩點(diǎn)間水平距離的比值。它反映相鄰兩測(cè)點(diǎn)間單位長(zhǎng)度的水平移動(dòng)差值。由于相鄰點(diǎn)的水平移動(dòng)量不相等而引起的，用ε來(lái)表示。符號(hào)規(guī)定：拉伸變形為正，壓縮變形為負(fù)。分布在移動(dòng)盆地兩拐點(diǎn)之間。單位：mm/m礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制冒落帶多數(shù)情況下，冒落帶是由直接頂垮落后形成的。冒落帶內(nèi)的巖層破壞特征從煤層往上巖層破碎程度逐步減?。幻奥鋷r塊間空隙較大，連通性好，有利于水、沙和泥土通過(guò)；冒落巖石具有的碎脹性能使冒落自行停止。碎脹系數(shù)恒大于1；冒落帶高度取決于采出厚度和上覆巖層的碎脹系數(shù)。h—冒落帶高度，--煤層傾角m—采出煤層厚度，k—碎脹系數(shù)二、覆巖移動(dòng)破壞分帶礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制裂隙帶采空區(qū)上覆巖層中產(chǎn)生裂隙、離層及斷裂，但是仍然保持層狀結(jié)構(gòu)的巖層。裂隙帶內(nèi)的巖層破壞特征產(chǎn)生垂直層理面和順層理面的裂縫；根據(jù)連通性好壞，一般導(dǎo)水，但不利于沙和泥土通過(guò)；冒落帶和裂隙帶合稱兩帶，又稱冒落斷裂帶，導(dǎo)水?dāng)嗔褞В涣严稁Ц叨扰c巖性有關(guān)。裂隙帶高度隨工作面推進(jìn)距離的增加，到一定范圍，高度達(dá)到最大。

礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制彎曲帶裂隙帶之上直至地表的這個(gè)巖系地層。彎曲帶內(nèi)的巖層破壞特征垂直方向由于自重作用產(chǎn)生法向彎曲，水平方向雙向受壓；不存在或極少離層裂縫，其中的隔水層是良好的保護(hù)層；彎曲帶的高度主要受開采深度的影響。采深較小，導(dǎo)水?dāng)嗔褞е边_(dá)地表，采深較大時(shí)，開采形成的裂隙帶不會(huì)達(dá)到地表。礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制當(dāng)工作面開采達(dá)到一定距離后，相當(dāng)于1/2—1/4H0的采深，開采影響到地表，地表從原有標(biāo)高下降，從而在采空區(qū)上方形成一個(gè)比采空區(qū)大的多的沉陷區(qū)域，稱為地表移動(dòng)盆地。礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制一、地表移動(dòng)盆地的形式：在地表移動(dòng)盆地的外邊緣會(huì)形成裂縫、臺(tái)階和塌陷坑等。礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制第四節(jié)采場(chǎng)底板破壞及突水礦山壓力及其控制第六章采場(chǎng)巖層移動(dòng)與控制二、應(yīng)用關(guān)鍵層理論分析采場(chǎng)底板破壞與突水將底板采動(dòng)破壞帶以下及含水層以上承載能力最大的一層巖層稱為底板關(guān)鍵層，類似于采場(chǎng)覆巖中的關(guān)鍵層，在底板隔水層中起到關(guān)鍵控制作用，稱為底板隔水中的關(guān)鍵層。礦山