《固體密實充填采煤方法與實踐》：
　　第1章 緒論
　　1.1 煤礦開采巖層控制理論與方法
　　煤是古代植物遺體在經(jīng)歷了泥炭化和煤化作用兩個復雜的生物化學、物理化學及地球化學變化轉變而來的固體可燃礦產(chǎn)。含煤巖系簡稱煤系，是指含有煤層，并有成因聯(lián)系的沉積巖系，它是在一定的古構造、古地理、古氣候條件下形成的一套具有共生關系、多相組合的沉積物。煤層開挖過程中形成煤礦特有的采空區(qū)，從而引起整個地層應力重新分布，導致巖層移動變形，正因為這種層狀分布特征，形成了煤礦開采中普遍存在的巖層運動規(guī)律。
　　地下煤體在開挖之前，原巖應力處于平衡狀態(tài)。在煤炭的開采過程中，采空區(qū)上覆巖層自下而上發(fā)生移動、破壞，最終發(fā)展至地表并導致地表沉陷，這種現(xiàn)象稱為巖層移動或開采沉陷。前人大量的研究成果表明，用傳統(tǒng)的全部垮落法管理頂板時，采空區(qū)上覆巖層直至地表的整體移動破壞特征可分為“橫三區(qū)”、“豎三帶”，即沿工作面推進方向上覆巖層分別經(jīng)歷煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實區(qū)，由下向上巖層移動分為垮落帶（冒落帶）、裂縫帶（斷裂帶）和整體彎曲下沉帶，如圖1-1所示。
　　圖1-1上覆巖層移動的“橫三區(qū)”與“豎三帶”
　　A-煤壁支撐影響區(qū)（a-b）；B-離層區(qū)（b-c）；C-重新壓實區(qū)（c-d）
　　α-支撐影響角；Ⅰ-垮落帶；Ⅱ-裂縫帶；Ⅲ-整體彎曲下沉帶
　　圖1-1所示覆巖“三帶”特征如下：
　�。�1） 煤層開采完后頂板發(fā)生破壞并向采空區(qū)垮落的巖層范圍稱為垮落帶�？迓鋷б话闶怯芍苯禹斂迓浜笮纬傻模�其高度一般為2~3倍采高，根據(jù)垮落帶巖塊的移動破壞特征及堆積分布的形態(tài)可分為不規(guī)則垮落帶和規(guī)則垮落帶。在不規(guī)則垮落帶中破斷后的巖塊失去了原有層位，呈雜亂堆積狀況，排列也極不整齊；而規(guī)則垮落帶內(nèi)巖塊堆積較為整齊�？迓鋷�內(nèi)巖塊的松散系數(shù)較大，一般可達1.3~1.5，但經(jīng)重新壓實后，碎脹系數(shù)可降到1.05~1.10。
　�。�2） 垮落帶上方巖層產(chǎn)生裂縫或斷裂，破斷巖塊間存在水平力的傳遞作用并保持其原有層狀的巖層范圍稱為裂縫帶（斷裂帶）�？迓鋷�與裂縫帶合稱“兩帶”，又稱為“導水裂隙帶”，意指上覆巖層含水層位于“兩帶”范圍內(nèi)，將會導致巖體水通過巖體破斷裂縫流入采空區(qū)和回采工作面。
　　以上闡述的這種巖層運動一般規(guī)律，都是由于煤層開采后形成的采空區(qū)引起巖體向采空區(qū)內(nèi)移動的結果，在整個巖層移動破壞過程中，造成了煤礦采動損害及相關的安全問題，主要包括形成礦山壓力、形成采動裂隙和引發(fā)地表沉陷等。礦山壓力是由于礦山開采活動的影響，在巷硐周圍巖體中形成的和作用在巷硐支護物上的力，而在這種力的作用下引起如巖體變形、破壞、塌落及支護物變形、破壞、折損等動力現(xiàn)象稱為礦山壓力顯現(xiàn)，它將引起采場和巷道頂板的下沉、垮落和來壓，甚至引發(fā)沖擊地壓等災害，已占據(jù)我國煤礦安全事故的首位，特別是隨著開采深度不斷增大，煤礦沖擊地壓問題也日益嚴重。煤礦開采巖層運動還將形成采動裂隙，引起周圍煤體中的水與瓦斯的流動，導致井下瓦斯事故與突水事故，瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出一直是我國煤礦所面臨的重大災害，瓦斯造成的死亡人數(shù)達到了煤礦事故總死亡人數(shù)的40%左右，同時，因煤炭開采而排放至大氣中的瓦斯還加劇了溫室效應，造成了嚴重的環(huán)境破壞，其中，因巖層移動導致的煤巖體應力場與裂隙場的變化是引起瓦斯卸壓和煤層滲透率增大的原因所在。煤礦開采巖層移動由下往上發(fā)展至地表將引起地表沉陷，導致農(nóng)田、建筑物設施的毀壞，巖層移動還會破壞地下水系，當?shù)孛鏉撍�位較高時，地表沉陷盆地內(nèi)大量積水，影響農(nóng)田耕種，引發(fā)一系列環(huán)境、經(jīng)濟和社會問題。
　　顯然，煤礦開采采場圍巖活動和地表沉陷等一系列災害均是煤炭采出后巖層移動過程中巖體損傷和破壞變化的結果，因此，掌握整個采動巖體的活動規(guī)律，特別是巖體內(nèi)部巖層的活動規(guī)律，有效控制巖層移動才是解決采動巖體災害的關鍵。近百年來，國內(nèi)外學者對煤礦開采巖層控制方面進行了大量的理論研究和現(xiàn)場實踐，取得了豐富的研究成果，建立了完善的巖層控制理論體系與方法。
　　我國錢鳴高院士通過大量的研究，先后提出了采場上覆巖層活動規(guī)律中基本頂巖層破斷的“砌體梁”結構力學模型，建立了“砌體梁”結構的“S-R”穩(wěn)定條件，揭示了基本頂巖層“板”的“O-X”型破斷規(guī)律；以基本頂巖層“砌體梁”模型為基礎，在考慮直接頂變形條件下，結合“支架-圍巖”相互作用剛度系統(tǒng)，建立了采場整體力學模型；提出了采場“支架-圍巖”關系和支護質量監(jiān)測原理，形成了一整套監(jiān)控指標及其控制方法。20世紀90年代中期，隨著對巖層控制科學研究的不斷深入，為了解決采動對環(huán)境的影響，相關研究涉及巖層控制中更為廣泛的問題，主要是開采引起巖體裂隙場的改變和更準確地描述開采對地表沉陷的影響。錢鳴高院士領導的研究團隊進一步提出了巖層控制的關鍵層理論，旨在研究覆巖中厚硬巖層對層狀礦體開采過程中的礦山壓力和采動對環(huán)境的影響。關鍵層理論以關鍵層作為巖層運動研究的主體，用力學方法求解采動后巖體內(nèi)部的應力場和裂隙場改變，由此對采場礦壓、開采沉陷、采動巖體中水和瓦斯運移有統(tǒng)一的認識和完整的力學描述。
　　由于成巖時間及礦物成分不同，煤系地層形成了厚度不等、強度不同的多層巖層。實踐表明，其中一層至數(shù)層厚硬巖層在巖層移動中起主要的控制作用。將對采場上覆巖層活動全部或局部起控制作用的巖層稱為關鍵層。覆巖中的關鍵層一般為厚度較大的硬巖層，但覆巖中的厚硬巖層不一定都是關鍵層。關鍵層判別的主要依據(jù)是其變形和破斷特征，即在關鍵層破斷時，其上部全部巖層或局部巖層的下沉變形是相互協(xié)調(diào)一致的，前者稱為巖層活動的主關鍵層，后者稱為亞關鍵層。也就是說，關鍵層的斷裂將導致全部或部分的上覆巖層產(chǎn)生整體運動。覆巖中的亞關鍵層可能不止一層，而主關鍵層只有一層。我國學者對關鍵層理論開展了全面深入的研究，內(nèi)容主要包括：①關鍵層破斷的復合效應及其判別；②關鍵層載荷特征與影響因素；③關鍵層運動對采場礦壓顯現(xiàn)、覆巖移動與地表沉陷及裂隙場動態(tài)分布的影響規(guī)律；④關鍵層理論在采場圍巖控制、卸壓瓦斯抽放、開采沉陷控制與突水防治等方面的工程應用。
　　基于關鍵層理論等煤礦開采巖層控制理論，發(fā)展了一些煤礦開采巖層控制的技術方法，主要包括條帶開采、局部充填采煤和采空區(qū)全部充填采煤技術，條帶開采是煤礦常用的最典型的巖層移動控制方法，它將開采的煤層劃分成若干條帶，采一條留一條，使留下的條帶煤柱足以支撐上覆巖層的重量，從而起到有效控制巖層移動的目的，但這種技術方法在煤礦開采中的采出率較低。注漿充填是典型的采空區(qū)局部充填采煤技術，根據(jù)巖層控制的關鍵層理論，提出了冒落區(qū)注漿充填和離層帶注漿充填兩種巖層控制技術，先后在新汶華豐煤礦、兗州東灘煤礦、開灤唐山煤礦等礦區(qū)進行了采空區(qū)離層注漿減沉工業(yè)性試驗，從現(xiàn)場實際工程實踐結果來看，在某些采礦地質條件下，離層注漿充填技術在減小地面沉降量、控制地表下沉速度等方面取得了一定的成效，之后還提出了采空區(qū)膏體條帶充填、覆巖離層分區(qū)隔離注漿充填、條帶開采冒落區(qū)注漿充填三種技術，主張在關鍵層理論的基礎上，結合采動巖層移動規(guī)律對采空區(qū)離層區(qū)域、冒落區(qū)域進行部分充填，靠充填體與部分煤柱共同支撐覆巖，控制關鍵層的移動，從而達到控制開采沉陷的目的。與局部充填采煤技術相比，采空區(qū)全部充填采煤技術將井下生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的矸石、尾礦或地面的矸石、粉煤灰、風積沙等固體廢棄物充填采空區(qū)，實現(xiàn)井下所有采空區(qū)的充填，先后經(jīng)歷了廢棄物干式充填階段、水砂充填階段、細砂膠結充填階段和以高濃度充填、全尾礦膠結充填、膏體充填、高水材料充填、固體廢棄物直接充填等為代表的現(xiàn)代充填采礦階段，對煤礦開采巖層移動起到較好的控制作用，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。
　　1.2煤礦開采地表沉陷控制理論與方法
　　1.2.1煤礦開采
　　沉陷國內(nèi)外研究現(xiàn)狀當?shù)叵掠杏玫V物被采出以后，采空區(qū)周邊巖體的原始應力平衡狀態(tài)被打破，經(jīng)過應力重新分布達到新的平衡。在此過程中，巖層和地表將產(chǎn)生連續(xù)的移動、變形和非連續(xù)的破壞（開裂、垮落），這種現(xiàn)象統(tǒng)稱為“開采沉陷”。其中采空區(qū)周圍巖體直至地表的地層內(nèi)部移動變形稱為巖層移動，地表的移動和變形成為地表移動或地表塌陷。
　　地下煤炭資源屬于層狀礦體，其大規(guī)模開采通常會導致大范圍的巖層移動和大面積的地表塌陷，威脅地表及地下水體和地表建（構）筑物的安全，并破壞工礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境。因此，世界各國對開采引起的沉陷問題高度重視，并通過多年的研究取得了豐碩成果。
　　1.國外礦山開采沉陷研究的發(fā)展
　　19世紀，由于比利時的列日城受采礦影響而造成極大的破壞，引起了比利時對開采沉陷影響的調(diào)查研究，由此拉開了礦山開采沉陷學基本理論研究的序幕。
　　1838年產(chǎn)生了開采沉陷的第一個理論——“垂線理論”，之后被“法線理論”所代替。隨后，又相繼出現(xiàn)了一系列的理論假設，主要有“二等分線理論”、“自然斜面理論”、“拱形理論”、“三帶理論”。這些早期的理論研究主要是針對覆巖移動變形與地表下沉的關系，并在此基礎上提出了相關的幾何理論模型。
　　第二次世界大戰(zhàn)結束以后，人們開始著重從連續(xù)介質和非連續(xù)介質理論來研究開采沉陷的分布規(guī)律。1947年，有人提出利用數(shù)學塑性理論對巖層移動進行分析，并以理論分析的結果為指導建立了地表移動的計算方法。后來，又提出了更為一般的線彈性分析原理——“面元原理”。波蘭的學者們提出了影響曲線的概念，得出了正態(tài)分布的影響函數(shù)。緊接著將巖石視為不連續(xù)介質，將巖層移動過程作為一個隨機過程的觀點被提出，形成了開采沉陷的隨機介質理論和概念。此時，蘇聯(lián)的專家們也系統(tǒng)地分析了地表移動和變形規(guī)律，并提出了蘇聯(lián)通用的地表移動變形計算方法——“典型曲線法”。后又采用鉆孔伸長儀和鉆孔測斜儀觀測巖體內(nèi)部的豎向和橫向移動，獲得了巖體內(nèi)部的水平移動分布規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)了巖體沿層面的滑移和離層現(xiàn)象。
　　隨著社會的不斷發(fā)展和科學的不斷進步，經(jīng)典的理論算法通過計算機程序得以實現(xiàn)，使得過去難于計算的問題成為可能。一些數(shù)值分析方法，如有限元法、邊界元法和離散元法等在開采沉陷計算中得到了廣泛的應用，新的數(shù)值計算方法，如不連續(xù)變形分析法和流形元法等的出現(xiàn)也給巖層移動計算帶來新的契機。許多適合巖土工程數(shù)值計算的數(shù)值軟件也應運而生，如巖土工程和巖土環(huán)境模擬計算的仿真軟件GeoStudio、有限元分析軟件ANSYS、有限差分法程序FLAC、離散單元法程序UDEC、顆粒元法PFC等軟件。這些都為開采沉陷理論研究及計算預測奠定了基礎。
　　2.國內(nèi)礦山開采沉陷規(guī)律研究的發(fā)展
　　我國對開采沉陷的研究工作是從新中國成立以后才開始的。20世紀50年代起，在我國的一些主要礦區(qū)，開灤、撫順、淮南、阜新、峰峰、大同、鶴崗等，先后建立了地表觀測站，展開了對開采沉陷的觀測工作。隨著我國綜合實力的不斷增強，科學水平的不斷提高，我國的開采沉陷基本理論和實踐研究都有了全面而深入的發(fā)展。我國不僅積累了上千條觀測線的實測資料，而且在大量現(xiàn)場實測巖層與地表實測資料的基礎上，對巖層與地表移動變形規(guī)律進行了深入的研究，提出了一系列具有中國特色的巖層控制理論。在開采沉陷預計方面，我國學者經(jīng)過幾十年的努力，已經(jīng)建立了適合我國實際情況的多種沉陷預計方法，主要有概率積分法、負指數(shù)函數(shù)法、典型曲線法、積分格網(wǎng)法、威布爾分布法、樣條函數(shù)法、雙曲線函數(shù)法、皮爾森函數(shù)法、山區(qū)地表移動預計法等，其中概率積分法在我國各大礦區(qū)應用最為廣泛。在煤層開采巖層移動機理研究方面，我國學者相繼提出巖層移動的三維層狀模型、采動損害空間的力學模式、巖層二次壓縮理論、巖層移動的位錯理論、條帶開采覆巖破壞的托板理論等，同時在“三下”壓煤開采、山區(qū)開采、急傾斜煤層開采、采動覆巖離層形成基本規(guī)律等方面研究獲得了重大的成果，對樹立科學的采礦意識、提高煤炭資源采出率、預防和減輕采動損害、確保地表建（構）筑物安全運行等方面有著重要的實際意義。
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