厚松散层条件下采动岩土体平衡结构分类方法

摘要

本发明公开一种厚松散层条件下采动岩土体平衡结构分类方法具体步骤如下：(1)对开采地区进行地质调查；(2)确定开采地区的开采因素；(3)确定上覆岩土层采动平衡拱形结构的主岩拱临界拱高h0和副岩拱临界拱高h'0；(4)根据主岩拱临界拱高h0和副岩拱临界拱高h'0与基岩厚度、松散层厚度的比较及含水强弱情况，判断岩土拱的形成或破断状况；(5)根据岩土拱的形成或破断状态，确定上覆岩土层采动平衡拱形结构的类别，确定不同开采状态上覆岩土层的采动平衡拱形结构模型。本发明融合了基于横向开采充分性的地表移动评价与从竖向岩层移动“三带”评价的两种模式，构建了厚松散层条件下岩土体开采沉陷新的评价体系。

权利要求

1.厚松散层条件下采动岩土体平衡结构分类方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)对开采地区进行地质调查，获取开采地区岩土介质特性、产状尺度和地质构造的信息，得出开采地区的原岩初始结构；岩土介质特性包括岩层硬度和松散土层水理性质，产状尺度包括煤层倾斜度、岩层厚度和松散土层厚度；

(2)确定开采地区的开采因素，开采因素包括煤层采宽L、煤层采厚M、煤层采深H、开采方法、顶板管理、开采顺序和开拓布局；

(3)根据步骤(1)所获得的开采地区的原岩初始结构和步骤(2)中所获得的开采因素分析开采扰动对开采地层的影响，确定上覆岩土层采动平衡拱形结构的主岩拱临界拱高h0和副岩拱临界拱高h'0；

(4)根据步骤(3)中确定的主岩拱临界拱高h0和副岩拱临界拱高h'0，将主岩拱临界拱高h0和副岩拱临界拱高h'0分别与基岩厚度进行比较、将主岩拱临界拱高h0和副岩拱临界拱高h'0分别松散层厚度进行比较，根据比较情况及含水强弱情况，判断岩土拱的形成或破断状况；

(5)根据步骤(4)中得出的岩土拱的形成或破断状况，确定上覆岩土层采动平衡拱形结构的类别及模型。

2.根据权利要求1所述的厚松散层条件下采动岩土体平衡结构分类方法，其特征在于，步骤(1)中，获取开采地区岩土介质特性时，根据岩土体硬度系数f将岩土体分为：当岩体f＞8时，为坚硬覆岩；

当岩体3≤f<8，为中硬覆岩；

当岩体f＜3，为软弱覆岩；

当土体0.6≤f≤1.5，属松散层；

松散层富水性分类，贫水：出水能力0.01～0.1升/秒；弱含水：出水能力0.1～1.0升/秒；强含水：出水能力大于1.0升/秒；

松散土层厚度大于200米或者松散土层与岩层厚度大于或等于1:1的松散土层为厚松散层。

3.根据权利要求2所述的厚松散层条件下采动岩土体平衡结构分类方法，其特征在于，步骤(4)中，当上覆岩土层采动平衡拱形结构为岩土拱时，上覆岩土层采动平衡拱形结构模型的主岩拱临界拱高h0由上覆岩土层采动平衡拱形结构的半拱宽a和临界拱形系数ke0通过下述公式确定：ke0＝f/2                (2)

式中，f为岩土体硬度系数，L为煤层采宽。

4.根据权利要求3所述的厚松散层条件下采动岩土体平衡结构分类方法，其特征在于，上覆岩土层采动平衡拱形结构模型的半拱宽a通过下述公式计算求得：a＝0.5L+a'                      (3)a'＝0.005MH                    (4)其中，L为煤层采宽，a'为拱脚偏移量，M为煤层采厚，H为煤层采深。

5.根据权利要求4所述的厚松散层条件下采动岩土体平衡结构分类方法，其特征在于，步骤(4)中，副岩拱临界拱h'0高通过下述公式确定：h'0＝h0(M)                        (5)；

上式中，h0(M)由煤层采厚M和岩性通过下述公式确定：坚硬覆岩：

中硬覆岩：

软弱覆岩：

式中，M为煤层采厚。

6.根据权利要求5所述的厚松散层条件下采动岩土体平衡结构分类方法，其特征在于，步骤(3)中，当h0(L)与h0(M)不相等时，则主岩拱临界拱高h0取二者较大者。

7.根据权利要求1-6任一所述的厚松散层条件下采动岩土体平衡结构分类方法，其特征在于，在步骤(5)中，上覆岩土层采动平衡拱形结构模型分类情况为：I)当h0≤Hj时，即主岩拱临界拱高h0小于等于基岩厚度Hj，临界拱顶不突破基岩面，则上覆岩层中形成一个跨越裂缝带的主岩拱，拱上岩层以弯曲形式移动，上方土层以跟随方式移动，在主岩拱形成的前提下，厚松散层起载荷作用，它对岩层移动的影响较小，松散层自身的移动量也较小，主岩拱上无土拱，此种情况下的上覆岩土层采动平衡拱形结构模型为：主岩拱+弯压体+堆压体；

II)当h0＞Hj时，即主岩拱临界拱高h0大于基岩厚度Hj，临界拱顶突破基岩面，主岩拱发生破断，此时分两种情况：①当0＜h0-Hj≤Hj/3时，主岩拱拱顶破断，断口宽度较小：(i)在弱含水松散层中，可形成土主拱，与下伏破断主岩拱形成主岩土叠拱，此种情况下的上覆岩土层采动平衡拱形结构模型为：主岩土叠拱+堆压体；

(ii)在强含水松散层中，则无土主拱，也无叠拱：

(ii-1)有副岩拱形成，此种情况下的上覆岩土层采动平衡拱形结构模型为：副岩拱-岩弯压体/土堆压体-副岩拱；

(ii-2)无副岩拱形成，此种情况下的上覆岩土层采动平衡拱形结构模型为：错端叠梁-堆压体-错端叠梁；

②当h0-Hj＞Hj/3时，主岩拱破断，且断口宽度较大，分两种情况讨论：(I)当h'0≤Hj时，即副岩拱临界拱高h'0小于等于基岩厚度Hj，采空区两侧岩体中分别形成跨煤柱和采空区的副岩拱，采空区中央自下而上为岩块堆压、岩层弯压、土体堆压，此种情况下的上覆岩土层采动平衡拱形结构模型为：副岩拱-岩弯压体/土堆压体-副岩拱；

(II)当h'0＞Hj时，即副岩拱临界拱高h'0大于基岩厚度Hj，副岩拱破断：(II-1)对于弱含水厚松散层，副岩拱上方形成副土拱，构成岩土叠拱结构，此种情况下的上覆岩土层采动平衡拱形结构模型为：副岩土叠拱-堆压体-副岩土叠拱；

(II-2)对于强含水厚松散层，无副岩拱，也无副土拱，煤柱侧岩层呈单端悬露的叠层岩梁，从下到上梁端逐层外错，采空区上方岩土体逐段破断堆压，此种情况下的上覆岩土层采动平衡拱形结构模型为：错端叠梁-堆压体-错端叠梁。

说明书

厚松散层条件下采动岩土体平衡结构分类方法

技术领域

[0001] 本发明涉及煤矿开采领域，特别涉及一种厚松散层条件下采动岩 土体平衡结构分类方法。

背景技术

[0002] 开采沉陷与10多个地质采矿变化因素有关，问题复杂，研究繁 难。开采沉陷与地质采矿条件的关系描述还存在一些问题：1)岩层破 坏状况的描述与地表移动规律脱节，地表移动连续盆地与地表裂缝台 阶的描述脱节；2)岩层移动“三带”描述了变形程度的分区特性，有 些条件按“三带”描述却不完整不贴切；3)开采的充分性是对地表受 横向采动程度的描述，较少研究开采的充分性与岩层移动状况的关系， 较少研究竖向采动程度，以及竖向、横向采动程度的交互作用对岩层 和地表的影响。为此需要从平衡结构分类和判定加以研究。

发明内容

[0003] 有鉴于此，本发明在于提供一种厚松散层条件下采动岩土体平衡 结构分类方法，可以提供一个综合的、系统的上覆岩土层采动平衡拱 形结构分类，融合了基于横向开采充分性的地表移动评价与从竖向岩 层移动“三带”评价，构建了采动程开采沉陷新的评价体系。

[0004] 为解决上述问题，本发明采用如下技术方案厚松散层条件下采动 岩土体平衡结构分类方法，包括如下步骤：

[0005] (1)对开采地区进行地质调查，获取开采地区岩土介质特性、 产状尺度和地质构造的信息，得出开采地区的原岩初始结构；岩土介 质特性包括岩层硬度和松散土层水理性质，产状尺度包括煤层倾斜度、 岩层厚度和松散土层厚度；

[0006] (2)确定开采地区的开采因素，开采因素包括煤层采宽L、煤层 采厚M、煤层采深H、采法、顶板管理、开采顺序和开拓布局；

[0007] (3)根据步骤(1)所获得的开采地区的原岩初始结构和步骤(2) 中所获得的开采因素分析开采扰动对开采地层的影响，确定上覆岩土 层采动平衡拱形结构的主岩拱临界拱高h0和副岩拱临界拱高h'0；

[0008] (4)根据步骤(3)中确定的主岩拱临界拱高h0和副岩拱临界拱 高h'0与基岩厚度、松散层厚度的比较及含水强弱情况，判断岩土拱的 形成或破断状况；

[0009] (5)根据步骤(4)中得出的岩土拱的形成或破断状况，确定上 覆岩土层采动平衡拱形结构的类别及模型。

[0010] 上述厚松散层条件下采动岩土体平衡结构分类方法，步骤(1) 中，获取开采地区岩土介质特性时，根据岩土体硬度系数f将岩土体 分为：

[0011] 当岩体f＞8时，为坚硬覆岩；

[0012] 当岩体3≤f<8，为中硬覆岩；

[0013] 当岩体f＜3，为软弱覆岩；

[0014] 当土体0.6≤f≤1.5，属松散层；

[0015] 松散层富水性分类，贫水：出水能力0.01～0.1升/秒；弱含水： 出水能力0.1～1.0升/秒；强含水：出水能力大于1.0升/秒。

[0016] 松散土层厚度大于200米或者松散土层与岩层厚度大于或等于 1:1的松散土层为厚松散层。

[0017] 上述厚松散层条件下采动岩土体平衡结构分类方法，步骤(3) 中，当上覆岩土层采动平衡拱形结构为岩土拱时，上覆岩土层采动平 衡拱形结构模型的主岩拱临界拱高h0由上覆岩土层采动平衡拱形结 构的半拱宽a和临界拱形系数ke0通过下述公式确定：

[0018]

[0019] ke0＝f/2               (2)

[0020] 式中，f为岩土体硬度系数，L为煤层采宽。

[0021] 上述厚松散层条件下采动岩土体平衡结构分类方法，采供岩土体 平衡拱形结构模型的半拱宽a通过下述公式计算求得：

[0022] a＝0.5L+a'                    (3)

[0023] a'＝0.005MH                   (4)

[0024] 其中，L为煤层采宽，a'为拱脚偏移量，M为煤层采厚，H为煤 层采深。

[0025] 上述厚松散层条件下采动岩土体平衡结构分类方法，步骤(3) 中，副岩拱临界拱h'0高通过下述公式确定：

[0026] h'0'＝h0(M)            (5)

[0027] 上式中，h0(M)由煤层采厚M和岩性通过下述公式确定：

[0028] 坚硬覆岩：

[0029] 中硬覆岩：

[0030] 软弱覆岩：

[0031] 式中，M为煤层采厚。

[0032] 上述厚松散层条件下采动岩土体平衡结构分类方法，步骤(3) 中，当h0(L)与h0(M)不相等时，则主岩拱临界拱高h0取二者较大者。

[0033] 上述厚松散层条件下采动岩土体平衡结构分类方法，在步骤(4) 和步骤(5)中，上覆岩土层采动平衡拱形结构模型分类情况为：

[0034] I)当h0≤Hj时，即主岩拱临界拱高h0小于等于基岩厚度Hj，临 界拱顶不突破基岩面，则上覆岩层中形成一个跨越裂缝带的主岩拱， 拱上岩层以弯曲形式移动，上方土层以跟随方式移动，在主岩拱形成 的前提下，厚松散层起载荷作用，它对岩层移动的影响较小，松散层 自身的移动量也较小，主岩拱上无土拱，此种情况下的上覆岩土层采 动平衡拱形结构模型为：主岩拱+弯压体+堆压体。

[0035] II)当h0＞Hj时，即主岩拱临界拱高h0大于基岩厚度Hj，临界拱 顶突破基岩面，主岩拱发生破断，此时分两种情况：

[0036] ①当0＜h0-Hj≤Hj/3时，主岩拱拱顶破断，断口宽度较小：

[0037] (i)在弱含水松散层中，可形成土主拱，与下伏破断主岩拱形成 主岩土叠拱，此种情况下的上覆岩土层采动平衡拱形结构为：主岩土 叠拱+堆压体；

[0038] (ii)在强含水松散层中，则无土主拱，也无叠拱：

[0039] (ii-1)有副岩拱形成，此种情况下的上覆岩土层采动平衡拱形结 构为：副岩拱-岩弯压体/土堆压体-副岩拱；

[0040] (ii-2)无副岩拱形成，此种情况下的上覆岩土层采动平衡拱形结 构为：错端叠梁-堆压体-错端叠梁；

[0041] ②当h0-Hj＞Hj/3时，主岩拱破断，且断口宽度较大，分两种情况 讨论：

[0042] (I)当h'0≤Hj时，即副岩拱临界拱高h'0小于等于基岩厚度Hj， 采空区两侧岩体中分别形成跨煤柱和采空区的副岩拱，采空区中央自 下而上为岩块堆压、岩层弯压、土体堆压，此种情况下的上覆岩土层 采动平衡拱形结构为：副岩拱-岩弯压体/土堆压体-副岩拱；

[0043] (II)当h'0＞Hj时，即副岩拱临界拱高h'0大于基岩厚度Hj，副 岩拱破断：

[0044] (II-1)对于弱含水厚松散层，副岩拱上方形成副土拱，构成岩 土叠拱结构，此种情况下的上覆岩土层采动平衡拱形结构为：副岩土 叠拱-堆压体-副岩土叠拱；

[0045] (II-2)对于强含水厚松散层，无副岩拱，也无副土拱，煤柱侧 岩层呈单端悬露的叠层岩梁，从下到上梁端逐层外错，采空区上方岩 土体逐段破断堆压，此种情况下的上覆岩土层采动平衡拱形结构为： 错端叠梁-堆压体-错端叠梁。

[0046] 本发明的有益效果是：

[0047] 1.以岩土介质特性为基础，提出了一种采动岩土体的综合、系统 的平衡结构分类模型，融合了从横向采动程度(采宽采深比)、竖向采 动程度(采厚采深比)综合影响关系(非充分采动时采宽的决定作用， 基本充分采动时采厚的决定作用)的岩层移动评价体系，避免了以充 分性为主线的单一角度描述岩层和地表移动的不完整性。

[0048] 2.通过“拱成拱破”和“有拱无拱”的判断过程，全面解释了地 表和岩层移动的类别特征，揭示了岩层连续移动变形和非连续裂缝形 成的机理，为描述地表裂缝特征提供了宏观背景。

[0049] 3.为进一步从力学机理描述岩层移动提供了分类依据和分析框 架，为开采沉陷控制提供了新的思路。

附图说明

[0050] 图1为倾斜煤层开采倾向主断面上覆岩变形破坏形态素描图；

[0051] 图2为水平煤层开采覆岩变形破坏形态照片；

[0052] 图3为岩层状态-扰动-响应过程的关系图；

[0053] 图4为岩体平衡状态的介质基础和结构基础；

[0054] 图5为煤矿开采因素图；

[0055] 图6为开采引起的岩体(层)结构变化图；

[0056] 图7为厚松散层条件上覆岩土层采动平衡拱形结构的形成与分类 判定图；

[0057] 图8a为厚松散层的采动岩土体的I类平衡结构；

[0058] 图8b为厚松散层的采动岩土体的II类平衡结构；

[0059] 图8c为厚松散层的采动岩土体的III类平衡结构；

[0060] 图8d为厚松散层的采动岩土体的IV类平衡结构；

[0061] 图8e为厚松散层的采动岩土体的V类平衡结构

[0062] 图9为非充分采动主岩拱结构图；

[0063] 图10为临界充分采动主岩拱结构图；

[0064] 图11a为基岩采动充分性与岩土平衡拱结构中主岩拱+弯压/堆压 体(基岩非充分采动)的结构图

[0065] 图11b为基岩采动充分性与岩土平衡拱结构中主岩土叠拱+堆压 体(基岩充分采动)的结构图

[0066] 图11c为基岩采动充分性与岩土平衡拱结构中副岩土叠拱-堆压体 -副岩土叠拱(基岩超充分采动，松散层弱含水)的结构图

[0067] 图12a为强含水松散层岩土平衡拱结构的强含水松散层模型实验 图；

[0068] 图12b为强含水松散层岩土平衡拱结构中“副岩拱-堆压体-副岩 拱”(基岩超充分采动)的结构图；

[0069] 图13a岩层移动“三带”图；

[0070] 图13b岩体Ⅱ类平衡结构图。

具体实施方式

[0071] 为清楚说明本发明中的方案，下面给出优选的实施例并结合附图 详细说明。

[0072] 鉴于煤矿开采过程中，开挖扰动造成局部岩体应力失衡，引起岩 体的破坏、损伤、形变，同时伴有岩体内应力的变化和重新分布，并 传递、扩展、影响至更大的岩体范围，直至应力达到新的平衡，由此 形成岩层应力变化和形变的开挖扰动区，而从图1和图2中可以看出， 岩层移动“三带”界限不清晰，薄基岩的条件下甚至出现无弯曲带的 情况。开采沉陷存在岩体结构效应的问题，岩层移动“三带”(垮落带、 裂缝带、弯曲带)不能涵盖各类地质开采条件的岩层移动特点，也未 全面反映岩层移动过程的机理和移动稳定后的结构状况，因此可以用 拱形结构来补偿描述。从以上图中可以反映出，采场中岩体垮落裂缝 区外围拱结构的存在，随着开采推进拱结构也发生了变化。

[0073] 而为了能够用拱形结构对岩层移动过程的机理和移动稳定后的 结构状况进行补偿性描述，本发明厚松散层条件下采动岩土体平衡结 构分类方法对不同地质开采条件下的上覆岩土层采动平衡拱形结构进 行了分类，其具体步骤如下：

[0074] (1)对开采地区进行地质调查，获取开采地区岩土介质特性、 产状尺度和地质构造的信息，得出开采地区的原岩初始结构。

[0075] 岩层移动，是开采扰动下，岩体从初始平衡状态经过动态平衡达 到再平衡状态的过程，如图3所示。岩体平衡是指其内力的平衡，也 是指其沉陷稳定。

[0076] 上覆岩土层采动平衡拱形结构与岩土介质特性、产状尺度和地质 构造有关，介质特性主要包括岩层硬度(坚硬、中硬、软岩、松散土)， 产状尺度(主要指急倾斜、中倾斜、缓倾斜，厚岩层、薄岩层、厚土 层、薄土层)，如图4所示。在一定的地质构造条件下，岩土介质特性 和产状尺度构成原岩初始结构，形成初始应力场和初始平衡状态。

[0077] 在获取开采地区岩土介质特性时，根据岩土体硬度系数f将岩土 体分为：

[0078] 当岩体f＞8时，为坚硬覆岩；

[0079] 当岩体3≤f<8，为中硬覆岩；

[0080] 当岩体f＜3，为软弱覆岩；

[0081] 当土体0.6≤f≤1.5，属松散层；

[0082] 松散层富水性分类，贫水：出水能力0.01～0.1升/秒；弱含水： 出水能力0.1～1.0升/秒；强含水：出水能力大于1.0升/秒。

[0083] 本发明中，松散土层厚度大于200米或者松散土层与岩层厚度大 于或等于1:1的松散土层为厚松散层。

[0084] (2)确定开采地区的开采因素。

[0085] 在开采扰动是打破岩体初始平衡状态的动力，开采因素主要包括： 煤层采宽L、煤层采厚M、煤层采深H、采法(长壁、短壁、柱式)、 顶板管理(垮落法、充填法)、开采顺序(顺采、跳采、错距同采)、 开拓布局(阶段、水平、采区、工作面)，如图5所示。这些开采因素 的变化和不同组合，构成了对岩体的不同程度、不同方式的扰动。

[0086] (3)根据步骤(1)所获得的开采地区的原岩初始结构和步骤(2) 中所获得的开采因素分析开采扰动对开采地层的影响，确定上覆岩土 层采动平衡拱形结构的主岩拱临界拱高h0和副岩拱临界拱高h'0。

[0087] 岩体结构按尺度规模分为体结构、层结构和裂隙结构。原岩结构 在开采扰动下，在一定的影响范围内发生结构变化，裂隙结构岩层可 能变成断裂碎块；层结构岩层，在顶板处变成断连结构，在更上位置 变成断块结构；多岩层组成的岩体结构，变成以椭圆拱结构为基本特 征、以拱成拱断为变化形式的平衡结构。三个尺度的结构变化相互影 响，相辅相成，由此构成采动岩体结构，如图6所示。

[0088] 采动岩拱的形成条件是：岩拱的临界拱高不大于基岩厚度，即岩 拱拱顶不超过基岩面。

[0089] 采动土拱的形成条件是：1)岩拱拱顶破断且断口较小；2)土体 弱含水；3)临界拱高不大于土体顶面。

[0090] 为了对上覆岩土层采动平衡拱形结构形成的必要条件进行分析， 以便于对上覆岩土层采动平衡拱形结构进行分类，本实施例中，需对 上覆岩土层采动平衡拱形结构的主岩拱临界拱高h0和副岩拱临界拱 高h'0进行确定。

[0091] 其中，由于上覆岩土层采动平衡拱形结构为岩土拱，因而上覆岩 土层采动平衡拱形结构的主岩拱临界拱高h0由上覆岩土层采动平衡 拱形结构的半拱宽a和临界拱形系数ke0通过下述公式确定：

[0092]

[0093] ke0＝f/2               (2)

[0094] 式中，f为岩土体硬度系数，L为煤层采宽。

[0095] 而采供岩土体平衡拱形结构的半拱宽a通过下述公式计算求得：

[0096] a＝0.5L+a'                     (3)

[0097] a'＝0.005MH                   (4)

[0098] 其中，L为煤层采宽，a'为拱脚偏移量，M为煤层采厚，H为煤 层采深。

[0099] 副岩拱临界拱h'0高则可以通过下述公式确定：

[0100] h'0'＝h0(M)                        (5)

[0101] 上式中，h0(M)由煤层采厚M和岩性通过下述公式确定：

[0102] 坚硬覆岩：

[0103] 中硬覆岩：

[0104] 软弱覆岩：

[0105] 式中，M为煤层采厚。

[0106] 本发明中的煤层为单一煤层，即为煤层采厚是同一个煤层采厚的 煤层。

[0107] 而当h0(L)与h0(M)不相等时，则主岩拱临界拱高h0取二者较大者。

[0108] (4)根据步骤(3)中确定的主岩拱临界拱高h0和副岩拱临界拱 高h'0与基岩厚度、松散层厚度的比较及含水强弱情况，判断岩土拱的 形成或破断状况，然后根据得出的岩土拱的形成或破断状况，确定上 覆岩土层采动平衡拱形结构的类别及模型。

[0109] 对于上覆层为厚松散层与基岩构成的上覆层而言，拱的形成与基 岩厚度、松散层厚度、松散层的含水性有关。对于一定的岩土介质， 在采矿扰动下可能存在一定拱形系数的临界椭圆拱，而采宽和拱脚偏 移距决定拱宽，拱宽、采厚、岩土特性决定临界拱高。先根据步骤(3) 中确定的主岩拱临界拱高h0和副岩拱临界拱高h'0与基岩厚度、松散 层厚度的比较及含水强弱情况，判断岩土拱的形成或破断状况，然后 根据得出的岩土拱的形成或破断状况，确定上覆岩土层采动平衡拱形 结构的类别及模型，如图7所示。对于水平煤层厚松散层条件，上覆 岩土层采动平衡拱形结构分类情况为：

[0110] I)当h0≤Hj时，即主岩拱临界拱高h0小于等于基岩厚度Hj，临 界拱顶不突破基岩面，则上覆岩层中形成一个跨越裂缝带的主岩拱， 拱上岩层以弯曲形式移动，上方土层以跟随方式移动，在主岩拱形成 的前提下，厚松散层起载荷作用，它对岩层移动的影响较小，松散层 自身的移动量也较小，主岩拱上无土拱，此种情况下的上覆岩土层采 动平衡拱形结构模型为：主岩拱+弯压体+堆压体，此种上覆岩土层采 动平衡拱形结构为厚松散层条件的I类平衡结构，如图8a所示。

[0111] II)当h0＞Hj时，即主岩拱临界拱高h0大于基岩厚度Hj，临界拱 顶突破基岩面，主岩拱发生破断，此时分两种情况：

[0112] ①当0＜h0-Hj≤Hj/3时，主岩拱拱顶破断，断口宽度较小：

[0113] (i)在弱含水松散层中，可形成土主拱，与下伏破断主岩拱形成 主岩土叠拱，此种情况下的上覆岩土层采动平衡拱形结构模型为：主 岩土叠拱+堆压体，此种上覆岩土层采动平衡拱形结构为厚松散层条 件的II类平衡结构，如图8b所示；

[0114] (ii)在强含水松散层中，则无土主拱，也无叠拱：

[0115] (ii-1)有副岩拱形成，此种情况下的上覆岩土层采动平衡拱形结 构模型为：副岩拱-岩弯压体/土堆压体-副岩拱，此种上覆岩土层采动 平衡拱形结构为厚松散层条件的III类平衡结构，如图8c所示；

[0116] (ii-2)无副岩拱形成，此种情况下的上覆岩土层采动平衡拱形结 构模型为：错端叠梁-堆压体-错端叠梁，此种上覆岩土层采动平衡拱 形结构为厚松散层条件的V类平衡结构，如图8e所示；

[0117] ②当h0-Hj＞Hj/3时，主岩拱破断，且断口宽度较大，分两种情况 讨论：

[0118] (I)当h'0≤Hj时，即副岩拱临界拱高h'0小于等于基岩厚度Hj， 采空区两侧岩体中分别形成跨煤柱和采空区的副岩拱，采空区中央自 下而上为岩块堆压、岩层弯压、土体堆压，此种情况下的上覆岩土层 采动平衡拱形结构模型为：副岩拱-岩弯压体/土堆压体-副岩拱；

[0119] (II)当h'0＞Hj时，即副岩拱临界拱高h'0大于基岩厚度Hj，副 岩拱破断：

[0120] (II-1)对于弱含水厚松散层，副岩拱上方形成副土拱，构成岩 土叠拱结构，此种情况下的上覆岩土层采动平衡拱形结构模型为：副 岩土叠拱-堆压体-副岩土叠拱，此种上覆岩土层采动平衡拱形结构为 厚松散层条件的IV类平衡结构，如图8d；

[0121] (II-2)对于强含水厚松散层，无副岩拱，也无副土拱，煤柱侧 岩层呈单端悬露的叠层岩梁，从下到上梁端逐层外错，采空区上方岩 土体逐段破断堆压，此种情况下的上覆岩土层采动平衡拱形结构模型 为：错端叠梁-堆压体-错端叠梁。

[0122] 由上述上覆岩土层采动平衡拱形结构分类情况可知，对于一定采 厚的情况，仅从拱的形成特征来看，这一过程可概括为：

[0123] 1)一定的采宽时，基岩厚度满足成拱条件，则主岩拱形成。

[0124] 2)采宽增加，基岩厚度变得不满足成拱条件，主岩拱破断，若松 散层弱含水，则主土拱及主岩土叠拱形成；若松散层强含水，则无主 土拱和主岩土叠拱。

[0125] 3)采宽再增加，副岩拱形成。特别地，浅埋厚煤层开采，可能发 生阶段性切冒，副岩拱不能形成。

[0126] 4)采宽继续增加，副岩拱破断，若厚松散层弱含水时，则副土拱 及副岩土叠拱形成；若厚松散层强含水，则无副土拱和副岩土叠拱。

[0127] 而基于对上覆岩土层采动平衡拱形结构的分类，采动岩土体的五 种平衡结构模型总结如下：

[0128] 1)岩土Ⅰ类平衡结构“主岩拱+弯压体+堆压体”：一定的采宽时， 基岩厚度满足成拱条件，基岩处于非充分和临界充分采动，采动主岩 拱形成。

[0129] 2)岩土Ⅱ类平衡结构“主岩土叠拱+堆压体”：基岩超充分采动， 主岩拱破断但断口较窄，副岩拱形成。

[0130] 3)岩土Ⅲ类平衡结构“副岩拱-弯压/堆压体-副岩拱”：基岩超充 分采动，主岩拱破断，副岩拱形成。

[0131] 4)岩土Ⅳ类平衡结构“副岩土叠拱-堆压体-副岩土叠拱”：基岩 超充分采动，厚松散层弱含水，主岩拱破断但断口较宽，副岩拱破断 但断口较窄，上方副土拱形成。

[0132] 5)岩土Ⅴ类平衡结构“错端叠梁-堆压体-错端叠梁”：基岩超充 分采动，主厚松散层强含水；或者基岩非充分采动，基岩采厚比值很 小，此时无岩拱，也无土拱。

[0133] 其中，Ⅰ～Ⅳ类为有拱结构，Ⅳ类为无拱结构。

[0134] 以上平衡结构是从岩层的横向采动充分性和竖向采动程度、按岩 土拱结构能否形成进行判断并分类的，仅仅横向采动充分性问题还涉 及煤层倾角级别、单向充分还是双向充分(走向和倾向)、相邻的采空 区的影响情况。

[0135] 并且对于工作面推进过程中的平衡结构问题也可归结为阶段性变 化拱结构模型。

[0136] 为了进一步阐明上覆岩土层采动平衡拱形结构分类在采动充分 性即岩层移动“三带”分析中的应用，本实施例进行了如下分析：

[0137] (一)平衡结构与采动程度的关系分析

[0138] 采动充分性是以采宽、采深、岩性为主要影响因素的横向采动程 度评价模式。以下对地表不同采动充分性条件下拱结构及平衡结构分 类模型的形成进行分析。

[0139] 1、非充分采动、临界充分采动的跨裂缝带主拱结构

[0140] 以水平煤层、采厚不大为例。在非充分开采条件下，覆岩中形成 了横向跨岩层裂缝区、竖向跨多个岩层的一个椭圆拱结构，即跨裂缝 带主拱，有拱则采空区及岩层垮落裂缝区上方形成封闭挤压的、无采 动岩体裂缝的承载圈，由拱结构承担上部载荷，抵抗外部扰动，避免 外部水体流入拱芯。如图9即是岩层的非充分开采情况，水平煤层情 况的主拱是直立的椭圆拱。

[0141] 在达到充分开采之前必然经历非充分开采的过程。随着采宽的增 加，采动程度增加，拱宽和拱高不断增大。在达到临界充分采动时主 岩拱拱顶接近地面，岩拱濒临破断，采动拱如图10。

[0142] 2、超充分采动的跨主裂缝副拱与“副岩拱-堆压体-副岩拱”结构

[0143] 在进入超充分开采的状态时，此前非充分开采时覆岩中业已形成 的椭圆拱拱顶发生断裂，跨裂缝带主拱破断，变为两侧分别成拱，各 侧拱在煤壁与近侧裂缝带之间形成，跨采动岩层主裂缝，称为采动岩 体的跨主裂缝副拱。两拱之间为垮落岩石、裂缝岩层形成的堆压体， 整个采动岩体就形成“副岩拱-堆压体-副岩拱”的结构体，如图11所 示。副拱的两个拱脚分别座落于煤柱和垮落岩石上，基础介质的完整 性不同，因此椭圆拱并非直立，而是倾向采空区一侧。

[0144] 采动岩体成拱与否，成主拱还是副拱，这对于岩层移动状态和性 质的判断至关重要。采动过程的动态拱结构与不同采宽/采厚的静态拱 结构及形成判断方法相类似，在非充分及临界充分开采阶段，在进入 超充分采动阶段，切眼侧副拱趋于稳定，推进侧副拱随着顶部周期性 垮落而不断前移，形成阶段性动态拱。

[0145] (二)厚松散层条件的平衡结构分析

[0146] 1、地表的采动充分性主要取决于基岩的采动充分性。

[0147] 图11a-11c为基岩采动充分性与岩土平衡拱结构的关系图，以淮 南典型地质条件)(采厚10m，基岩厚300m，松散层厚300m)为例 进行分析。

[0148] 图11a为基岩非充分采动情形(采宽200m)，形成上下分布的“主 岩拱+弯压/堆压体”平衡结构，主岩拱上方是岩层弯压体，再往上是 堆压土体。此时松散层的采动程度较小，含水也不会流失，松散层对 地表移动量、移动形态影响较小。

[0149] 图11b为基岩充分采动情形(采宽400m)，形成上下分布的“主 岩土叠拱+堆压体”平衡结构，岩层窄幅度全厚破断，主岩土叠拱上 方无岩层弯压体，而是堆压土体。此时松散层的采动程度仍然不大， 土体含水可能少量流失，松散层对地表移动量、移动形态影响仍然不 大。

[0150] 图11c为基岩超充分采动情形(采宽900m)，形成横向分布的“副 岩土叠拱-堆压体-副岩土叠拱”平衡结构，岩层宽幅度全厚破断，采 空区两侧为副岩土叠拱，中间为岩土堆压体。此时松散层的采动程度 大，无隔水层条件下土体含水可能大量流失，松散层对地表移动量、 移动形态影响大。

[0151] 以上分析可知，1)松散层对地表移动的影响，不仅与松散层厚度 和介质特性有关，还与采宽、基岩厚度、岩性等多种地质采矿因素有 关，呈现不同的影响程度和多种影响方式。2)采动岩体拱的类别决定 岩层移动的类型，决定松散层对地表移动的影响程度。

[0152] 2、基岩超充分采动时，松散层对地表移动的影响才表现得充分； 非充分采动时则影响较小。

[0153] 基岩土体含水率是土的物理性质指标之一。土体含水率高低与粘 性土的强度和压缩性等物理性质指标、物理状态指标具有密切的关系。

[0154] 因此，1)薄基岩条件下松散层对地表移动影响较大，厚基岩条件 下松散层对地表移动影响较小。2)松散层的采动影响，在一定程度上 是通过松散层的含水性和失水量变化来表现的。3)强含水松散层对地 表移动影响较大，弱含水松散层对地表移动影响较小。

[0155] (三)平衡结构与岩层移动“三带”的关系分析

[0156] 按照传统的描述方法，岩层移动有三种模式，即岩层移动“三带”： 垮落带2、裂缝带3、弯曲带，如图13a所示。如图13a和13b为 岩层移动“三带”与平衡结构示意图。

[0157] 岩层移动“三带”主要描述的是岩层竖向的采动状况，如图13a 所示，岩层移动三带图只能贴切地描述采动覆岩三种平衡结构中之一 种，如图13b所示，不能全面描述岩层移动的特征，如，采厚采深比 值较大，岩层主裂缝(发源于开采边界的顶板，跨岩层的裂缝迹线) 延伸到地表；又如，采宽采深比值较小，裂缝带和弯曲带不明显，这 些情形下三带模式就难于描述。

[0158] 平衡结构分类与判定方法从横向采动程度(采宽采深比)、竖向采 动程度(采厚采深比)以及它们的相互影响关系，全面解释了岩层移 动与地质采矿条件的关系。由此可见，岩层“三带”理论与平衡结构 分类模型相互关联。

[0159] (四)平衡拱结构分类模型的意义和作用

[0160] 平衡拱结构分类模型的意义和作用在于：

[0161] 1)以岩土介质特性为基础，提出了一种采动岩土体的综合、系统 的平衡结构分类模型，融合了从横向采动程度(采宽采深比)、竖向采 动程度(采厚采深比)以及它们的相互影响关系(非充分采动时采宽 的决定作用，基本充分采动时采厚的决定作用)的岩层移动评价体系， 避免了以充分性为主线的单线描述的不完整性。

[0162] 2)通过“拱成拱破”和“有拱无拱”的，全面解释了地表和岩层 移动的类别特征，揭示了岩层连续移动变形和非连续裂缝形成的机理， 为描述地表裂缝特征提供了宏观背景。

[0163] 3)为进一步从力学机理描述岩层移动提供了分类依据和分析框 架，为开采沉陷控制提供了新的思路。

[0164] 上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非 对本发明创造具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来 说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这 里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则 之内所引伸出的任何显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要 求的保护范围之中。