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第三章采煤工作面上覆岩层移动规律第一节概述一、煤层顶底板岩层的构成煤层处于各种岩层的包围之中。
处于煤层之上的岩层称为煤层的顶扳；处于煤层之下的岩层称为煤层的底板。
依据顶、底板岩层离煤层的距离及对开采工作的影响程度不同，煤层的顶、底板岩层可分为：(l)伪顶。
紧贴在煤层之上，极易垮落的薄岩层称为伪顶。
通常由炭质页岩等脆弱岩层组成，厚度一般小于0.5m，随采随冒。
(2)直接顶。
位于伪顶或煤层之上，具有肯定的稳定性，移架或回柱后能自行垮落的岩层称为直接顶。
通常由泥质页岩、页岩、砂质页岩等不稳定岩层组成，具有随回柱放顶而垮落的特征。
直接顶的厚度一般相当于冒落带内的岩层的厚度。
(3)老顶。
位于直接顶或煤层之上坚硬而难垮落的岩层称为老顶。
常由砂岩、石灰岩、砂砾岩等坚硬岩石组成。
(4)直接底。
直接位于煤层下面的岩层。
如为较坚硬的岩石时，可作为采煤工作面支柱的良好支座；如为泥质页岩等松软岩层时，则常造成底臌和支柱插入底板等现象。
二、采煤工作面上覆岩层移动及其破坏在承受长壁采煤法时，随着采工作面的不断向前推动，暴露出来的上覆岩层在矿山压力的作用下，将产生变形、移动和破坏。
依据破坏状态不同，上覆岩层可划分为三个带(图3－l)。
冒落带。
指承受全部垮落法治理顶板时，采煤工作面放顶后引起的煤层直接顶的破坏范围(图3－l，Ⅰ)。
该局部岩层在采空区内已经垮落，而且越靠近煤层的岩石就越紊乱、裂开。
在采煤工作面内这局部岩层由支架临时支撑。
裂隙带。
指位于冒落带之上、弯曲带之下的岩层。
这局部岩层的特点是岩层产生垂直于层面的裂缝或断开，但仍能整齐排列(图3－l，Ⅱ)。
弯曲下沉带。
一般是指位于裂隙带之上的岩层，向上可进展到地表。
此带内的岩层将保持其整体性和层状构造(图3－l，Ⅲ)。
生产实践和争论说明，采煤工作面支架上受到的力远远小于其上覆岩层的重量。
只有接近煤层的一局部岩层的运动才会对工作面四周的支承压力和工作面支架产生明显的影响。
所谓采煤工作面矿山压力掌握，也就是对这局部岩层的掌握。
上覆岩层在采煤工作面推进方向上的运动发展规律随着采煤工作面的推进，煤壁前方的支承压力及支架上显现的压力都在不断的变化，采煤工作面矿压显现的发展变化规律是由对其有影响的上覆各岩层的运动发展规律决定的，除岩层运动的纵向发展规律影响外，还受推进方向的发展规律所影响，因此必须进一步研究岩层运动在推进方向上的发展规律。
一、采煤工作面上覆岩层运动的发展阶段采煤工作面在推进过程中，由于上覆各岩层承受的矿山压力大小不同支承（约束）条件的差别，就其运动发展状态来说可分为初次运动和周期性运动阶段。
1、初次动动阶段从岩层由开切眼开始悬露，到对工作面矿山压力显现有明显影响的一两个传递岩梁初次裂断运动结束为止为初次运动阶段（图2-a、图2-b）。
其中包括直接顶岩层初次垮落和基本顶的初次来压。
该阶段岩层两端由煤壁支撑，其受力状态可视为两端嵌固梁。
采煤工作面各岩层初次运动在采煤工作面的压力显现称为初次来压。
由于任何岩层初次运动步距相对正常情况下的运动步距要大得多，因此初次来压运动来压面积大，强度高，并且可能伴随有动压冲击，在控制岩层运动和矿压显现时，一定要十分注意动压的冲击，以保证采煤工作面在初次来压期间的安全。
2、周期性运动阶段从岩层初次运动结束到工作面采完，顶板岩层按一定周期有规律的断裂运动，称为周期性运动阶段（图2-c、图2f)。
在此发展阶段，岩层的约束条件发生了根本性变化，直接顶岩层在采煤工作面里为一端固定的悬壁梁，直接顶上方各岩梁为一端由煤壁支承，另一端则为由采空区矸石支承的不等高的传递岩梁。
此时，运动步距较初次运动步距小得多。
岩层周期性运动在采煤工作面引起的矿压显现称为采煤工作面的周期来压。
这个阶段岩层的完整性比初次运动前差，运动步距又比较小，因此控制岩层运动和矿压显现和要求也不同。
当两种运动来压强度差别很大时，不仅要尽可能扩大推进方向上的距离，而且支架的选型和设计必须分别处虑。
显然，如果按初次来压设计和选择支架，周期来压阶段支架的阻力不能充分发挥，将带来较大浪费。
采场上覆岩层动态移动规律研究张静，吴侃，敖剑锋（中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州221008）［摘要］通过建立相似材料模拟实验，对倾斜煤层开采引起的上覆岩层移动进行了系统地全面地观测研究。
利用首次观测数据和开采结束稳定后数据，定性与定量分析了岩层内部各点移动矢量，得出测点移动矢量图。
分析不同区域内6个观测点的动态运动轨迹，得到了详细的移动轨迹。
对岩体内部巷道工程的损害及治理具有指导意义。
［关键词］覆岩动态移动；相似材料模型；岩体点运动轨迹［中图分类号］TD325.4［文献标识码］A［文章编号］1006-6225（2012）02-0020-03Research on Dynamical Movement Rule of Overlying StrataZHANG Jing ，WU Kan ，AO Jian-feng（Environment ＆Survey School ，China University of Mining ＆Technology ，Xuzhou 221008，China ）Abstract ：Strata movement of surrounding rock induced by inclined coal-seam mining was observed by analog simulation.Movement vector of every point in rock was analyzed qualitatively and quantitatively and point movement vector map was obtained.Detailed move-ment tracks were obtained by analyzing dynamical movement tracks of 6observation points.This would provide reference for preventing roadway failure in rock.Key words ：dynamical movement of surrounding rock ；analog simulation ；point movement track of rock［收稿日期］2011－12－05［基金项目］国家环保公益性行业专项资助（200809128）［作者简介］张静（1987－），女，山西晋城人，硕士，主要从事煤矿开采沉陷预测方面工作。
相似材料模型试验是以相似理论为基础，按一定的相似比例将岩体抽象、简化为相似模型［1］，对模型中的煤层模拟实际情况进行开采，观测岩体由于煤层开采引起的移动和变形，弥补采动岩体移动难以测量的缺陷，是研究岩层移动规律的一种科学方法。
相似材料实验可以人为地控制模拟实体的主要因素，略去次要因素，研究采场上覆岩层移动和破坏规律，对煤岩层内巷道的保护与治理具有指导意义。
本次实验在岩体上布点，采用高精度的三维光学点测量系统作为观测仪器，提高了数据的准确性，观测效率高［2］，有利于精确求得相似材料模型岩层内部标志点的移动量。
通过相似材料模型数据分析，获得采场上覆岩层动态移动规律。
1相似材料模型针对本研究区域地质赋存条件和煤层顶板岩层钻孔柱状图设计了岩层分布图，如图1所示。
选择相似系数为1ʒ200，模型架长度为4m ，模型架高度为2m ，厚度为0.3m ，煤层倾角30ʎ。
根据覆岩情况及模型比例，得到模型层厚如表1，由岩层实际组分得出模型相似材料配比如表2。
图130ʎ煤层相似材料模型设计表1模型设计层厚实际围岩厚度/m 模型围岩厚度/m 表土20表土0.1砂泥岩（软弱）50砂泥岩（软弱）0.25泥岩（软弱）30泥岩（软弱）0.15砂质页岩（中硬）14砂质页岩（中硬）0.07灰岩（坚硬）4灰岩（坚硬）0.02页岩（软弱）22页岩（软弱）0.11砂砾岩（中硬）10砂砾岩（中硬）0.05粉砂岩（中硬）26粉砂岩（中硬）0.13煤4煤0.02相似材料模型的观测方法采用高精度的数字工业近景摄影测量系统（XJTUDP ），通过XJTUDP 三维光学点测量系统观测得到的是编码点和非编码点的系统坐标。
编码点是全局控制解算点，如图22第17卷第2期（总第105期）2012年4月煤矿开采Coal mining Technology Vo1.17No.2（Series No.105）April 2012DOI:10.13532/11-3677/td.2012.02.006表230ʎ模型相似材料配比岩石类型抗压强度实际/MPa 模型/（N ·cm －2）密度/（kg ·m －3）实际模型查表所得R 压/（N ·cm －2）材料砂云母粉胶结物胶结物石膏碳酸钙泥岩12.7 3.7425501500 3.678017337砂泥岩27.77.71269315007.418017373砂质页岩37.210.612630150010.127123637页岩20.0 5.6626501500 5.2080181273灰岩87.820.983139150021.0070121837砂砾岩54.715.842590150015.537123655粉砂岩76.221.452664150021.527022855粗砂岩91.226.822550150026.0674161055砾岩90.823.892850150021.737123673中的较大黑色标志点，而非编码点是布设于岩层表面的目标点，如图2中较密的小标志点。
图2煤层模型布点实例2数据处理通过XJTUDP 测量系统得到的是不同坐标系统下的坐标，需用XJTUDP 测量系统自带软件中的坐标对齐功能处理，得到同一坐标系统下所有标志点的三维坐标。
编码点是全局控制点，在每次扫描中同一编码点的编号不变；但非编码点的编号是系统随机编排。
本次实验需获取同一标志点在不同时刻的三维坐标，必须进行非编码点匹配处理。
通过VB 程序识别不同扫描时间下的同一非编码点，确定不同时间下的三维坐标，作为获取的最终数据［3］。
3岩层动态移动规律3.1岩层内部各测点运动轨迹分析岩体剖面各测点的运动轨迹时，选取首次观测数据和开采结束稳定后数据，标示在这一段时间内剖面岩层观测点运动轨迹，得到剖面岩层各测点的运动轨迹图，如图3所示。
图4为图3简图，在图4中，带箭头的线段表示该区域点移动方向，在同一区域中，线段长度表示其移动量的相对大小，非实际移动量。
根据剖面点移动矢量，将30ʎ倾斜煤层岩体剖面划分为A ，B ，C ，D 四个区域（图3，图4）。
在图中，表土层区域A 是水平层位，受到煤层开图3开采至稳定后剖面测点运动矢量图4开采至稳定后剖面测量运动矢量采影响后，观测点移动矢量指向采空区。
从表土层边缘到采空区上方，移动量逐渐增大，采空区上方地表的移动量最大。
在采空区上方区域C ，采区煤层采出后，直接顶板岩层弯曲而产生拉伸变形，当其拉伸变形超过岩石的最大抗拉强度时，直接顶板及其上部的岩层便与整体分离，破坏成大小不一的岩体，无规则地充填采空区。
由于岩石破坏碎胀，垮落岩石体积增大，致使其上部岩层的移动量逐渐减弱。
上覆岩层中的各个分层，从直接顶开始沿层里面的法线方向，依次向采空区方向弯曲。
在上山煤柱上方区域B 中，岩体受采动影响，受到拉伸变形，区域中观测点的移动矢量指向上山煤柱方向。
煤层开采对周围岩体影响不同，沿岩层层位，从上山方向到采空区方向移动量逐渐增加。
在下山方向煤柱上方区域D 中，岩体受到压缩变形，区域中观测点的移动矢量指向下山方向。
煤层开采对周围岩体的影响不同，沿岩层层位，从采空区到下山边缘方向，移动量逐渐减小。
同样，底板周围岩体移动量小，其上部发展空间大，移动12张静等：采场上覆岩层动态移动规律研究2012年第2期量大。
3.2岩层剖面内点动态运动轨迹分析岩体剖面点动态运动轨迹时，选取不同区域内6个点，如图3中标示的6个点，其中1，2号点大体位于同一铅垂线；3，4号点和5，6号点分别大体位于同一铅垂线。
取开采至14m ，42m ，70m ，98m ，126m ，154m ，182m 及稳定后6个点的观测数据，分别绘制各点的动态移动轨迹图，如图5 10所示。
图5 10中的1，2，3标示出点运动轨迹的拐点及拐点在煤层开采中的相应位置。
图51号点运动轨迹图62号点运动轨迹图73号点动态运动轨迹图84号点动态运动轨迹图95号点动态运动轨迹图106号点动态运动轨迹1号点位于表土层区域A 中，从图5可以看出，在整个开采到稳定过程中，1号点运动轨迹指向采空区。
2号点位于上山煤柱上方区域B 中，从图6中得出，在煤层开采至开采稳定过程，2号点的运动轨迹先指向上山方向，再逐渐指向采空区方向。
3，4号点位于采空区上方，受开采影响最大，岩层垮落充填采空区，剖面点移动量大。
从动态移动轨迹图7和图8中可以看出，剖面点移动轨迹近乎沿煤层法线方向。
5，6号点位于下山方向煤柱上方区域D 中，岩层层面受到压缩变形的影响。
5号点移动轨迹先是指向采空区，随着开采的继续，移动轨迹逐渐沿铅垂方向指向下山。
6号点移动轨迹先指向采空区，随后指向下山方向。
上山煤柱上方区域的松动岩石由于自重的作用，沿岩层层面方向向下山方向滑移，1，2号点位于上山煤柱上方区域，其运动轨迹随煤层开采，始终指向采空区。
5，6号点位于下山方向煤柱上方区域D ，在初始开采过程中，不受上山方向岩层滑移影响，5，6号点运动指向采空区；随着其上山方向岩层的滑移运动，挤压下山方向岩层，当运动发展充分后，造成下山方向5，6号点运动轨迹指向下山方向。
4结论以相似材料模型试验为基础，通过大量数据绘制得到岩体剖面测点移动矢量图，分析得到岩层内部各点移动矢量与地表各点移动矢量不同，地表各点移动矢量指向采空区，而岩体内部点受到岩层的相互作用，不同区域测点的移动矢量不同。
上山煤柱上方区域岩体移动矢量指向上山煤柱，且底板周围岩体移动量较其上部小；采空区上方区域岩体移动矢量近乎沿层面法线方向，且移动量沿层面法线方向向上逐渐减小；下山方向煤柱上方区域岩体移动矢量指向下山方向，且底板周围岩体移动量小于其上部。
不同区域点动态运动轨迹有与其所在区域运动大体相符，下山煤柱上方点的动态运动轨迹与其所在区域运动存在微小不同，但最终指向下山方向。
岩体内部点移动现象和规律的研究为巷道工程提供参考，对采空区上方覆岩运动的研究起到重要作用。
（下转85页）22总第105期煤矿开采2012年第2期略大，计算得到的导水裂缝带发育高度与实际观测高度基本符合，故规程中的导水裂缝带高度计算公式在本区是适用的。
4结论（1）通过钻孔冲洗液漏失量法和钻孔电视法，对覆岩破坏的发育情况进行直观观测，得出该矿综采条件下导水裂缝带、垮落带的发育高度。
