采动过程中离层出现的机理研究

摘　要：通过对岩层移动及破坏现象的分析和研究，找出了可能发生覆岩离层的岩层层位以及离层在工作面推进过程中位置的变化规律。提出了动态地计算离层位置的基本公式，为在离层注浆技术中判断离层位置提供了理论依据。
关键词：岩层移动；离层；机理研究

0　前言
　　覆岩离层注浆可有效地缓解地表沉降，它是用外来材料通过钻孔来充填采空区上覆岩层内部出现的离层空间，从而减缓地表由于地下开采引起的沉陷量，这一技术在我国一些煤矿得到了应用，并取得了较好的效果。但寻找离层可能发生的位置以及离层在开采过程中的变化规律是十分关键的问题，对离层注浆技术的应用具有重要的理论和实际意义。

1　出现离层现象的岩层层位
　　当工作面推进一定距离后，覆岩将产生移动和破坏，一般情况下上覆岩层并不是简单的一层一层由下而上运动的，而是形成的一个个组合结构有规律的运动的，也可以认为覆岩就像一系列薄厚不均匀的岩板的有序叠合；通常离层现象均出现在较硬岩层或者几个连续岩层组合起来较硬岩层组的下方，这说明硬岩层或者组合硬岩层在岩层移动过程中起着主导作用。把上述这种岩层组合结构的运动机制抽象成岩层在开采扰动下发生的多组合结构的弯曲组合，如果在个个组合结构中的挠度不同，就可能在组合结构间产生离层现象。关于哪些相邻岩层为一个组合结构可以这样判断：如果相邻岩层同时移动的岩层群为一个组合，即：当ω_{s max}＝ω_{x max}(ω_{s max}、ω_{x max}分别为上、下位岩层的最大挠度)两岩层同时运动，这样的岩层群称之为一个组合结构；当ω_{s max}＜ω_{x max}时，两岩层分别运动，也就是出现组合结构的分界线或者是离层可能出现的地方。
　　假设每一个岩层组合有n层岩层组成，离煤层较近的为第一层，较远的为第n层，如果q_n+1,1＜q_n,1(q_n,1，q_n+1,1分别为第n层岩层对第1层岩层的载荷和第n+1层岩层对第1层岩层的载荷)就说明第n+1层岩对第1层岩层施加不到载荷了，则可断定在第n层与第n+1层之间产生了离层。其中：

式中
　　　E₁，E₂，……，E_n—岩层的弹性模量
　　　　　　　　　n—岩层的层数
　　　δ₁，δ₂，……，δ_n—岩层的厚度
　　　　p₁，p₂，…，p_n—岩层的密度
　　q_n,1，q_n+1,1欲计算离层是否发生，需满足不等式

　　即：

(1)

　　利用公式(1)可以计算出离层现象可能出现的层位(即哪两组岩层之间发生离层现象)^［1～2］。

2　岩梁断裂时的长度
　　随着井下工作面的不断推进，开采空间也不断扩大，采空区顶板出现断裂、垮落，并在其上覆岩层中产生裂隙、弯曲及离层现象。起初当工作面推进到一定距离后，煤层顶板出现初次垮落，垮落形式呈现岩梁垮落，随着工作面继续推进，顶板出现周期垮落，垮落形式为悬臂梁式垮落，然而从整体上看采空区上方的岩层呈拱形破坏(如图1所示)，随着工作面的继续推进，该岩梁也要断裂，设断裂时的岩梁长度为L。