1.1 传统垮落法开采及其岩层控制

当今中国，绿色能源、可再生能源的概念已深入人心，发展绿色可再生能源已成为社会追求的一种时尚。但“富煤、缺油、少气”的一次能源赋存条件决定了我国煤炭基础能源地位 ^[1] ，中国仍然将是全球最大的煤炭市场。《国家发展改革委 国家能源局关于印发能源发展“十三五”规划的通知》明确指出，我国2020年煤炭产能仍然高达39亿t。相关统计数据显示，到2030年中国煤炭消费仍会占一次能源消费总量的55%以上，2035年将消费几乎全球煤炭供应量的一半。由此可见，中国煤炭能源消耗主导地位短期内无法动摇。

在地下矿产资源的开采过程中，煤层开挖形成煤矿特有的采空区，采空区上覆岩层自下而上发生移动、破坏，最终发展至地表并导致地表沉陷，这种现象称为岩层移动，从而引起整个地层应力重新分布，导致岩层移动变形，正是因为这种层状分布特征，形成了煤矿开采中普遍存在的岩层运动规律。

研究成果表明，用传统的垮落法管理顶板时，采空区上覆岩层直至地表的整体移动破坏特征可分为“横三区”与“竖三带”，即沿工作面推进方向上覆岩层分别经历煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区，由下向上岩层移动分为垮落带（冒落带）、裂缝带（断裂带）和弯曲下沉带，如图1.1所示。

煤层开采后形成的采空区引起岩体向采空区内移动的结果，在整个岩层移动破坏过程中，造成了煤矿采动损害及相关的安全问题，主要包括形成矿山压力、形成采动裂隙和引发地表沉陷等。矿山压力是由于矿山开采活动的影响，在巷硐周围岩体中形成的和作用在巷硐支护物上的力，而在这种力的作用下引起的如岩体变形、破坏、塌落及支护物变形、破坏、折损等动力现象称为矿山压力显现，它将引起采场和巷道顶板的下沉、垮落和来压，甚至引发冲击地压等灾害，已占据我国煤矿安全事故的首位，特别是随着开采深度不断增大，煤矿冲击地压问题也日益严重。

岩层移动及矿山压力控制问题的研究由来已久，早在19世纪，采矿工作者就已经开始对开采过程中的岩层移动及矿山压力现象进行初步研究，到19世纪后期和20世纪初，相关学者开始用简单的力学原理对一些岩层移动及矿山压力显现现象进行了简单解释 ^[3] ，具代表性的是德国学者于1928年提出的压力拱假说，认为：在采空区上方，由于上覆岩层在自重作用下形成了一个相对平衡的自然“压力拱”，对回采工作面前后的应力分布规律及控顶范围内空间处于卸压范围作出了粗略的解释，但该学说并没有对“压力拱”的特征、覆岩移动破坏过程与规律以及支架与围岩的相互作用体系作进一步分析。

近年来，我国广大科技工作者在岩层移动和矿山压力及其控制方面进行了深入的研究，先后提出了砌体梁理论、连续梁理论、碎块体理论、关键层理论、结构关键层稳定性控制等许多理论及应用技术，为煤炭企业及社会创造了巨大的效益。

钱鸣高院士通过大量的研究，先后提出了采场上覆岩层活动规律中基本顶岩层破断的“砌体梁”结构力学模型，建立了“砌体梁”结构的“S-R”稳定条件，揭示了基本顶岩层“板”的“O-X”型破断规律；20世纪末到21世纪初，钱鸣高、缪协兴等在岩层移动及采场矿压理论的基础上，将采场矿压砌体梁力学模型发展到岩层控制的结构关键层力学模型，提出了岩层控制的关键层理论，将对岩体活动全部或局部起决定性作用的岩层称为关键层，前者可称为岩层运动的主关键层，后者可称为亚关键层，研究了主关键层对地表沉陷的控制作用。

自岩层控制的关键层理论提出以来，短短十几年时间内，在矿山压力与岩层移动控制、开采沉陷、保水开采、急倾斜煤层开采等方面得到了广泛的应用 ^[4-7] 。缪协兴等 ^[8-11] 将岩体渗流理论与岩层控制的关键层理论相结合，提出了隔水关键层的定义、原理和判别准则，将隔水关键层理论和方法成功应用于神东矿区，并提出了适用于干旱半干旱矿区的重要水源地保护、烧变岩含水体保护、厚基岩顶板水保护、薄基岩顶板水储存及矿井水资源保护等5种保水采煤模式；许家林等 ^[12-13] 对覆岩主关键层在控制岩层移动与地表沉陷动态过程的控制及影响作用进行了研究，得出主关键层的破断与否对地表沉陷的动态过程起着控制作用，主关键层的破断将导致地表快速下沉，其周期性的破断规律将会引起地表下沉速度周期性的跳跃性变化；侯忠杰、黄庆享等 ^[14-15] 利用关键层理论对神东公司浅埋煤层长壁开采过程中上覆岩层移动及矿压显现进行了深入研究，指导了现场实践，也进一步完善了关键层理论。近年来，人们对此开展了大量研究，对垮落法采场上覆关键层活动和破断规律有了深入的认识，岩层移动及采场矿压控制理论及体系已经基本成熟。 CZrU+PFAFfFy/K//NcO+I7AHUmpTSfb//wiXibIXG0nnGvaC+pACY96ZHa5FhT8Y