岩层控制的关键层理论与实践成绩
岩层控制的关键层理论及其应用
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ｐｐ，ｐｐｓ岩层控制的关键层理论及其应用钱鸣高，许家林，缪协兴（中国矿业大学采矿系．江苏徐州２２ｔ００８摘要：介绍了岩层控制关键层理论的基本概念，研究了两层硬岩层同步破断的条件厦关键层上载荷分布，揭示了关键层破断的复合效应和关键层上载荷的动态与非均布特征：．并就关键层运动对采场矿压显现、覆岩裂隙场分布及地表下沉的影响进行了分析，对关键层理论在采场矿压控制、卸压瓦斯抽放、底板突水防治、离层注装与建筑物下采煤等方面的－Ｉ－程应用情＇兄进行了．总结。
最后指出了关键层理论下一步研究的重点。
ｆ美鼍词：关键层理论；岩层移动；／卸压瓦斯抽放；离层注浆；“三下一上”采煤＾。
一１关键层理论的提出煤层开采后必然引起岩体向采空区内移动，岩层移动将造成采动损害：（１）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；（２）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；（３）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，引发一系列环境问脑，需对地表下沉进行预测与控制。
ｆ．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，长期以来，采矿研究工作者对此投入了很大的研究力量，取得了相当丰硕的成果，形成了相对独立的学科研究领域和体系，如矿山压力学科和开采沉陷学科。
但是，采场围岩插动和地表沉陷是由于煤炭采出后岩体损伤和破坏变化的结果，掌握整个采动岩体的活动规律，特别是岩体内部岩层的活动规律＋才是解决采动岩体灾害的关键一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，“研究老顶岩层的破断运动为主体，于上个世纪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，课题组又提出了岩层控制的关键层理论１。
关键层理论在工程实践中的应用
关键层理论在工程实践中的应用[ 摘要] 针对煤矿开采中覆岩复杂的破断与运动特征，阐述了岩层控制关键层理论的基本概念，对关键层理论在采场矿压控制、卸压瓦斯抽放、底板突水防治等方面的工程应用研究情况进行了介绍。
[ 关键词] 关键层理论地表移动底板突水中图分类号：TD325 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）36-0593-011前言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：①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。
② 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。
③岩层移动传递至地表引起地表沉陷，引发一系列环境问题。
因此，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。
2关键层的概念及特征在采场上覆岩层中存在着多层坚硬岩层时，对岩体活动全部或局部起决定作用的岩层称为关键层，前者可称为岩层运动的关键层，后者可称为亚关键层。
采场上覆岩层中的关键层有如下特征：①几何特征：相对其它相同岩层厚度较厚；②岩性特征：相对其它岩层较为坚硬，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，其上覆全部或局部岩层的下沉量与它是同步协调的；④破断特征：关键层的破断将导致全部或局部上覆岩层的破断，引起较大范围内的岩层移动；⑤支承特征：关键层破坏前以板（或简化为梁）的结构形式，作为全部岩层或层部岩层的承载主体，断裂后若满足岩块结构的S-R 稳定，则成为砌体梁结构，继续成为承载主体。
3关键层理论在工程实践中的应用3.1关键层理论在采场矿压控制中的应用一般情况下，煤层覆岩具有良好的分层性，长壁全部垮落式开采技术就是利用其覆岩随采随垮的特征，使采场支架无需经受剧烈动压而实现高度集中生产。
但是，也存在一些特殊覆岩构造情况，例如关键层。
分析其采场覆岩破断与冒落规律，为该类采场矿压控制提供依据。
传统采场矿压理论是以老顶作为采场来压主体，老顶上部覆岩均简化为载荷作用于老顶，而关键层理论是将在整个覆岩活动中起主要控制作用的岩层作为采场来压的主体，同时考虑关键层的复合效应。
《矿山压力及岩层控制》(Ground Pressure and Strata Control)课程教学大纲
课程编号：012102《矿山压力及岩层控制》（Ground Pressure and Strata Control）课程教学大纲48学时 3学分一、课程的性质、目的及任务《矿山压力与岩层控制》课程是采矿工程专业必修的专业核心课程和主干课程。
该课程全面反映了我国矿山压力与岩层控制研究方面所取得的科研成果和生产实践经验，适当介绍了可借鉴的国外相关理论和技术。
本课程的任务是使学生掌握：煤矿回采工作面和采区巷道矿山压力及其控制的基本理论和基础知识，采掘空间周围岩体内的应力重新分布规律，回采工作面围岩结构及其移动、破坏规律，支架－围岩相互作用关系以及矿山压力的控制方法等。
通过课程学习，使学生能够针对矿山生产地质条件，合理布置巷道和回采工作面，合理设计回采工作面顶板和巷道围岩的控制方法，掌握防治顶板事故和冲击地压预测、预防技术。
了解矿山压力研究的基本方法，具备分析和解决矿山压力问题的能力。
二、适用专业采矿工程。
三、先修课程材料力学、岩石力学。
四、课程的基本要求1．掌握矿山压力、矿山压力显现、矿山压力控制等基本概念，了解研究矿山压力的目的、意义。
2．掌握开采空间围岩应力重新分布规律，原岩应力、构造应力、支承压力、极限平衡状态、超前支承压力、残余支承压力等概念，岩体内的弹性变形能。
3．掌握回采工作面及其采空区上覆岩层所形成的“竖三带”与“横三区”；掌握直接顶的稳定性，老顶岩层“梁”与“板”模型，老顶岩层破断块体形成的“砌体梁”结构及其稳定性；了解“关键层”理论、采场岩层移动与控制以及底板岩层破坏规律。
4．掌握回采工作面老顶初次来压、周期来压及其来压步距；掌握矿山压力显现的影响因素，顶板压力的构成及其估算，老顶来压预报方法。
5．掌握直接顶分类与老顶分级。
掌握工作面支架与围岩相互作用关系，工作面支架的基本类型和性能，支架合理工作阻力的构成及其估算；支撑式、掩护式、支撑掩护式支架的特点及其适应条件。
掌握综采工作面端面顶板稳定性影响因素；综放工作面顶板稳定性影响因素。
煤矿开采的岩层控制方案 (2)
根据巷道的围岩条件、服务年限 、断面大小等因素，选择合适的 支护方式，如木支架、金属支架
、锚喷支护等。
锚杆支护设计
锚杆的长度、直径、间排距等参数 需要根据实际情况进行设计，以确 保锚杆能够有效加固围岩，防止巷 道变形和破坏。
监测与维护
对巷道支护进行定期监测和维护， 发现异常及时处理，确保巷道安全 可靠。
巷道方向
根据矿体走向和开采顺序，合理确定巷道的方向，以减少巷道掘 进量和采动影响。
巷道间距
根据矿层厚度和开采工艺，合理确定巷道间距，以确保采掘安全 和效率。
采煤工艺选择
落煤方式
根据煤层厚度和硬度，选择合适的落煤方式，如爆破、机械割煤 等。
装煤运输
根据运输距离和运输设备，选择合适的装煤和运输方式，以提高运 输效率。
采空区处理技术
采空区分类
根据采空区的形态、大小、位置 等因素，将其分为不同类型，以
便采取相应的处理措施。
充填处理
采用砂石、尾砂、废石等材料对 采空区进行充填，以减小顶板下 沉量和下沉速度，防止顶板大面
积冒落。
崩落处理
对于不稳固的围岩，可以采用强 制崩落的方法处理采空区，同时 对崩落的岩石进行适当处理，以
采空区处理
根据采空区的特点和安全要求，选择合适的处理方式，如自然垮落 、人工充填等。
安全措施制定
瓦斯管理
制定瓦斯检测、抽放、利用等安全措施，确保瓦斯浓 度在安全范围内。
防尘措施
采取有效的防尘措施，如喷雾降尘、通风除尘等，降 低粉尘浓度。
防水措施
制定防水措施，如设置防水闸门、排水沟等，以防止 水患对开采的影响。
03
岩层控制方案实施
采场设计
岩层控制中的关键层理论研究
岩层控制中的关键层理论研究一、本文概述《岩层控制中的关键层理论研究》这篇文章旨在深入探讨和分析岩层控制领域中的关键层理论。
关键层理论是地质工程学和岩石力学的重要组成部分，它对于理解岩层的稳定性、预测地质灾害、优化地下工程设计和保障工程安全具有重大意义。
本文首先将对关键层理论的基本概念、研究背景和研究现状进行概述，为后续深入研究和应用提供理论基础。
文章将首先阐述关键层的定义和特性，包括关键层的形成机制、结构特征以及其在岩层中的作用。
接着，将回顾关键层理论的发展历程和研究现状，分析当前研究存在的问题和挑战。
在此基础上，文章将重点探讨关键层理论在岩层控制中的应用，包括其在地质灾害预测、地下工程设计和施工中的实际应用案例。
本文还将对关键层理论的未来发展趋势进行展望，探讨新技术和新方法在关键层理论研究中的应用前景。
文章将总结关键层理论在岩层控制中的重要作用，强调其在保障地下工程安全和促进地质工程学科发展方面的重要价值。
通过本文的研究，将为岩层控制领域提供新的理论支撑和实践指导，推动关键层理论在地质工程学和岩石力学中的广泛应用和发展。
二、关键层理论的基本概念关键层理论是岩层控制领域中的一个重要理论，它主要关注的是在地下工程中，如何通过对岩层的科学分析和合理控制，实现工程安全、高效和经济的目标。
关键层理论的基本概念包括关键层的定义、特性以及其在岩层控制中的作用。
关键层是指在地下工程中，对岩层稳定性起决定性作用的岩层或岩层组合。
这些岩层或岩层组合由于其特殊的物理力学性质、结构特征或空间位置，对周围岩层的稳定性和变形行为具有重要影响。
关键层的存在往往决定了地下工程的稳定性和安全性。
关键层具有一些显著的特性。
例如，关键层往往具有较高的强度和刚度，能够承受较大的载荷和变形；同时，关键层还可能具有特殊的结构特征，如层面、节理、断层等，这些结构特征对岩层的稳定性和变形行为具有重要影响。
关键层在空间位置上往往处于地下工程的关键部位，如巷道顶板、底板、侧帮等，对地下工程的整体稳定性起着至关重要的作用。
煤矿开采的岩层控制
通过智能算法和控制系统，自动调整 采煤机、支架等设备的工作参数，实 现岩层控制的最优化。
新型支护材料与技术
新型支护材料
研发高强度、轻质、耐腐蚀的支护材 料，提高巷道支护效果，降低维护成 本。
新型支护技术
推广锚网索支护、注浆加固等先进支 护技术，提高巷道稳定性，降低事故 风险。
生态友好型采煤技术
岩层破坏机制
研究岩层的破坏机制和演化过程，为制定有效的 控制措施提供依据。
岩层控制设计原理
采场设计
根据矿床赋存条件和开采技术条件，合理设计采场结 构参数，确保采场稳定。
巷道支护
根据巷道的围岩条件和受力状态，选择合适的支护方 式和材料，提高巷道稳定性。
采掘顺序优化
优化采掘顺序，降低对岩层的扰动，减少岩层失稳的 风险。
绿色开采
研究开发低污染、低能耗的采煤技术，降低对环境的影响，实现绿色开采。
生态恢复
利用生态工程技术，对采煤破坏的土地进行恢复和治理，实现矿区生态环境的 可持续发展。
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04
巷道岩层控制技术
巷道围岩监测
监测目的
实时监测巷道围岩的应力 状态、位移变化和潜在破 坏区域，为支护设计和施 工提供依据。
监测方法
采用应力计、位移计、声 发射仪等设备，对围岩进 行应力、位移和声发射信 号的监测。
数据处理
对监测数据进行整理、分 析和处理，绘制围岩应力 、位移变化曲线和声发射 事件分布图。
岩层控制工程实践
监测预警系统
建立监测预警系统，实时监测岩层的位移、应力和变形等参数， 及时发现异常情况。
应急处理措施
制定应急处理措施，一旦发生岩层失稳事故，能够迅速采取有效 措施进行处置。
矿山岩层控制新理论
摘要煤炭开采后会引起采空区岩层移动和破坏,并导致地表塌陷、煤岩体中水与瓦斯的流动,从而引发了一系列的环境与安全问题,如顶板冒顶事故、地表建筑物和土地的破坏、地下水资源的破坏和井下突水事故、井下瓦斯事故与瓦斯排放污染大气等。
煤炭开采引起的上述环境与安全问题的发生都与采动岩层移动与控制有关,因此,为了实现煤炭资源的高效、安全和绿色开采,必须建立岩层控制的理论和技术。
然而最切入实际的也被最广泛应用与思考的应当是工程改造补强作用与岩体结构稳定性关联性问题及不同结构类型岩体的工程地质性质及岩基的变形特征与承载能力。
关键词煤炭开采、矿山岩层控制、工程改造补强、岩体结构、岩基的变形特征、承载能力。
矿山岩层控制新理论一、矿山岩层控制的定义 (3)二、矿山岩层控制新理论 (3)三、工程改造补强作用与岩体结构稳定性关联性 (4)（一）工程改造补强作用 (4)（二）与岩体结构稳定性 (4)（三）工程改造补强作用与岩体结构稳定性关联性 (4)四、不同结构类型岩体的工程地质性质及岩基的变形特征与承载能力 (6)（一）不同结构类型岩体的工程地质性质 (6)（二）岩基的变形特征 (7)（三）岩体的稳定性分析 (8)矿山岩层控制新理论一、矿山岩层控制的定义由于矿山开采活动的影响，在硐室周围岩体中形成的和作用在巷硐支护物上的力定义为矿山压力。
在矿山压力的作用下，会引起各种力学现象，从而使岩层发生变化，为使矿山压力显现不影响正常的开采工作和保证生产安全，采取各种技术措施加以控制，称为岩层控制。
岩层控制是采矿学科的核心理论与关键技术之一。
二、矿山岩层控制新理论煤炭开采后会引起采空区岩层移动和破坏,并导致地表塌陷、煤岩体中水与瓦斯的流动,从而引发了一系列的环境与安全问题,如顶板冒顶事故、地表建筑物和土地的破坏、地下水资源的破坏和井下突水事故、井下瓦斯事故与瓦斯排放污染大气等。
煤炭开采引起的上述环境与安全问题的发生都与采动岩层移动与控制有关,因此,为了实现煤炭资源的高效、安全和绿色开采,必须建立岩层控制的理论和技术。
9.(第九章)关键层理论
岩层控制的关键层理论
实践表明,在直接顶上方存在厚度不等,强度不同的多层岩层. 实践表明,在直接顶上方存在厚度不等,强度不同的多层岩层. 其中一层至数层厚硬岩石层在采场上覆岩层活动中起主要的控 制作用. 制作用. 关键层: 关键层:对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起主 要控制作用的岩层 关键层的特征: 关键层的特征: (1)几何特征:相对其他同类岩层单层厚度较厚; 几何特征: 几何特征 相对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 岩性特征: 岩性特征 相对其他岩层较为坚硬,即弹性模量较大, 较高; 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 变形特征: 变形特征 关键层下沉变形时, 沉量同步协调; 沉量同步协调;
关键层理论在煤层瓦斯抽放中的应用
1)运用关键层破断移动规律 ,建立了卸压瓦斯抽放"O"形圈理论 , 运用关键层破断移动规律 建立了卸压瓦斯抽放 建立了卸压瓦斯抽放" 形圈理论 并已在淮北, 它是指导卸压瓦斯抽放钻孔布置的理论依据 ,并已在淮北,淮南, 并已在淮北 淮南, 阳泉等矿区的卸压瓦斯抽放中得到成功应用 . 2 )理论与实测研究证明 ,覆岩远距离煤层能充分卸压 ,其卸压煤层 理论与实测研究证明 覆岩远距离煤层能充分卸压 其卸压煤层 气可通过" 形圈大面积抽放出来 首次在桃园进行了覆岩远距 气可通过"O"形圈大面积抽放出来 .首次在桃园进行了覆岩远距 离卸压煤层气抽放的工业性试验 ,取得了较好的抽放效果 ,为我国 取得了较好的抽放效果 为我国 低透气性煤田煤层气开采开辟了一条新途径 .同时 ,该方法扩展了 同时 该方法扩展了 开采下解放层的应用范围 ,为煤与瓦斯突出的防治提供了新途径 . 为煤与瓦斯突出的防治提供了新途径 该方法在我国许多矿区具备推广应用前景 . 3 )试验研究表明 ,邻近开采煤层的下部关键层的破断运动对"导气" 邻近开采煤层的下部关键层的破断运动对" 试验研究表明 邻近开采煤层的下部关键层的破断运动对 导气" 裂隙发育的动态过程起控制作用 .邻近层卸压瓦斯的涌出受控于 邻近层卸压瓦斯的涌出受控于 导气" "导气"裂隙发育的动态过程 ,对阳泉五矿 1 5煤综放面而言 ,在 对阳泉五矿 煤综放面而言 在 初采期 ,其上部邻近层卸压瓦斯涌出呈四阶段特征 . 其上部邻近层卸压瓦斯涌出呈四阶段特征 4)根据"导气"裂隙发育规律 ,上部邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布 根据" 根据 导气" 上部邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布 置应遵循如下原则 :高抽巷沿倾向位置 ,在初采期应位于采空区 高抽巷沿倾向位置 在初采期应位于采空区 应位于" 形圈内 据此提出了阳泉五 中部 ,而在正常回采期间 ,应位于"O"形圈内 .据此提出了阳泉五 而在正常回采期间 应位于 矿 1 5煤综放面邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布置的优化方案 . 煤综放面邻近层卸压瓦斯走向高抽巷布置的优化方案
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岩层控制的关键层理论与实践
简介：获省部级科技进步（包括自然科学）一等奖3项、二等奖3项、三等奖3项；获国家技术创新优秀项目奖1项；获国家专利5项。
随着大范围地下煤炭的采出，会造成覆岩的剧裂变形、破断和移动，从而引发采场顶板冒落、瓦斯突出、突水、地下水资源流失、地面建筑物和环境破坏、向大气排放大量瓦斯及有害气体等重大灾害性事故。
在岩层控制的关键层理论与实践研究中，针对煤系地层的特殊地质构造特征，创造性地把采动覆岩整体视作受特殊结构控制的多相介质，是这种特殊结构随采动的演化而引起采场矿压显现、岩层和地表移动以及水和瓦斯在裂隙内的运移等采矿工程问题，从而可以在实践中指导开发有关煤矿开采、安全和环境保护等方面的创新技术。
目前，本项研究已经指导开发成功并取得显著经济和社会效益的技术有：高产高效超长综放工作面开采技术；综放大断面沿空留巷技术；治理综放工作面瓦斯超限的J型通风系统；煤与瓦斯共采新技术；神东矿区厚风积沙、薄基岩浅埋煤层特殊矿压控制技术城镇地区密集建筑物下不搬迁采煤等。
主要技术特点：针对煤矿开采中覆岩复杂的破断与运动特征，抓住起主要控制作用的硬岩层作为主要研究对象，建立了岩层控制的关键层理论，由此获得了采动岩层变形破断全过程及破断后的结构运动规律，实现了矿山压力、岩层与地表移动、采动岩体裂隙内水与瓦斯的运移、卸压瓦斯开采、突水防治等方面研究的有机统一。
利用关键层的破断规律与结构特征，开发了能实现安全高效生产的超长综放工作面开采岩层控制技术；开发了综放大断面沿空留巷新技术；开发了神东矿区厚风积沙、薄基岩浅埋煤层开采的特殊矿压控制技术；开发了基于综放小断面沿空留巷技术的治理工作面瓦斯超限的J型通风系统。
揭示了采动覆岩裂隙动态发育规律和卸压瓦斯流动的“O”形圈通道，开发了能实现资源开采和瓦斯灾害防治并举的煤与瓦斯共采新技术。
揭示了覆岩关键层与表土层对开采沉陷的耦合作用机理，建立了以主关键层稳定为基础的建筑物下采煤设计原则，并指导城镇地区密集建筑物下不搬迁采煤实践。
应用情况：本项研究已出版专著3部（其中1部已获江苏省优秀图书一等奖）；发表论文100余篇，其中被SCI、EI、ISTP收录60篇，被他人引用100多次，其标志性论文《岩层控制中的关键层理论研究》已被引用39次，《岩层控制的关键层理论》专著被引用9次，他人引用“关键层”一词的文献共计97篇；获国家专利5项。
本项研究指导开发成功，并取得显著经济和社会效益的技术已在潞安、兖州、平顶山、徐州、淮北、淮南、阳泉以及神东矿区得到推广应用。
服务方式：合作开发、技术指导
本文来自: 中国煤矿安全生产网() 详细出处参考：/Article/cghb/cumt/201105/Article_57596.html。