本發(fā)明涉及煤礦開采領(lǐng)域，特別涉及一種厚松散層條件下采動(dòng)巖土體平衡結(jié)構(gòu)分類方法。

背景技術(shù)：

開采沉陷與10多個(gè)地質(zhì)采礦變化因素有關(guān)，問題復(fù)雜，研究繁難。開采沉陷與地質(zhì)采礦條件的關(guān)系描述還存在一些問題：1)巖層破壞狀況的描述與地表移動(dòng)規(guī)律脫節(jié)，地表移動(dòng)連續(xù)盆地與地表裂縫臺(tái)階的描述脫節(jié)；2)巖層移動(dòng)“三帶”描述了變形程度的分區(qū)特性，有些條件按“三帶”描述卻不完整不貼切；3)開采的充分性是對(duì)地表受橫向采動(dòng)程度的描述，較少研究開采的充分性與巖層移動(dòng)狀況的關(guān)系，較少研究豎向采動(dòng)程度，以及豎向、橫向采動(dòng)程度的交互作用對(duì)巖層和地表的影響。為此需要從平衡結(jié)構(gòu)分類和判定加以研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明在于提供一種厚松散層條件下采動(dòng)巖土體平衡結(jié)構(gòu)分類方法，可以提供一個(gè)綜合的、系統(tǒng)的上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)分類，融合了基于橫向開采充分性的地表移動(dòng)評(píng)價(jià)與從豎向巖層移動(dòng)“三帶”評(píng)價(jià)，構(gòu)建了采動(dòng)程開采沉陷新的評(píng)價(jià)體系。

為解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案厚松散層條件下采動(dòng)巖土體平衡結(jié)構(gòu)分類方法，包括如下步驟：

(1)對(duì)開采地區(qū)進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，獲取開采地區(qū)巖土介質(zhì)特性、產(chǎn)狀尺度和地質(zhì)構(gòu)造的信息，得出開采地區(qū)的原巖初始結(jié)構(gòu)；巖土介質(zhì)特性包括巖層硬度和松散土層水理性質(zhì)，產(chǎn)狀尺度包括煤層傾斜度、巖層厚度和松散土層厚度；

(2)確定開采地區(qū)的開采因素，開采因素包括煤層采寬l、煤層采厚m、煤層采深h、采法、頂板管理、開采順序和開拓布局；

(3)根據(jù)步驟(1)所獲得的開采地區(qū)的原巖初始結(jié)構(gòu)和步驟(2)中所獲得的開采因素分析開采擾動(dòng)對(duì)開采地層的影響，確定上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)的主巖拱臨界拱高h(yuǎn)0和副巖拱臨界拱高h(yuǎn)'0；

(4)根據(jù)步驟(3)中確定的主巖拱臨界拱高h(yuǎn)0和副巖拱臨界拱高h(yuǎn)'0與基巖厚度、松散層厚度的比較及含水強(qiáng)弱情況，判斷巖土拱的形成或破斷狀況；

(5)根據(jù)步驟(4)中得出的巖土拱的形成或破斷狀況，確定上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)的類別及模型。

上述厚松散層條件下采動(dòng)巖土體平衡結(jié)構(gòu)分類方法，步驟(1)中，獲取開采地區(qū)巖土介質(zhì)特性時(shí)，根據(jù)巖土體硬度系數(shù)f將巖土體分為：

當(dāng)巖體f＞8時(shí)，為堅(jiān)硬覆巖；

當(dāng)巖體3≤f<8，為中硬覆巖；

當(dāng)巖體f＜3，為軟弱覆巖；

當(dāng)土體0.6≤f≤1.5，屬松散層；

松散層富水性分類，貧水：出水能力0.01～0.1升/秒；弱含水：出水能力0.1～1.0升/秒；強(qiáng)含水：出水能力大于1.0升/秒。

松散土層厚度大于200米或者松散土層與巖層厚度大于或等于1:1的松散土層為厚松散層。

上述厚松散層條件下采動(dòng)巖土體平衡結(jié)構(gòu)分類方法，步驟(3)中，當(dāng)上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)為巖土拱時(shí)，上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)模型的主巖拱臨界拱高h(yuǎn)0由上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)的半拱寬a和臨界拱形系數(shù)ke0通過下述公式確定：

ke0＝f/2(2)

式中，f為巖土體硬度系數(shù)，l為煤層采寬。

上述厚松散層條件下采動(dòng)巖土體平衡結(jié)構(gòu)分類方法，采供巖土體平衡拱形結(jié)構(gòu)模型的半拱寬a通過下述公式計(jì)算求得：

a＝0.5l+a'(3)

a'＝0.005mh(4)

其中，l為煤層采寬，a'為拱腳偏移量，m為煤層采厚，h為煤層采深。

上述厚松散層條件下采動(dòng)巖土體平衡結(jié)構(gòu)分類方法，步驟(3)中，副巖拱臨界拱h'0高通過下述公式確定：

h'0'＝h0(m)(5)

上式中，h0(m)由煤層采厚m和巖性通過下述公式確定：

堅(jiān)硬覆巖：

中硬覆巖：

軟弱覆巖：

式中，m為煤層采厚。

上述厚松散層條件下采動(dòng)巖土體平衡結(jié)構(gòu)分類方法，步驟(3)中，當(dāng)h0(l)與h0(m)不相等時(shí)，則主巖拱臨界拱高h(yuǎn)0取二者較大者。

上述厚松散層條件下采動(dòng)巖土體平衡結(jié)構(gòu)分類方法，在步驟(4)和步驟(5)中，上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)模型分類情況為：

i)當(dāng)h0≤hj時(shí)，即主巖拱臨界拱高h(yuǎn)0小于等于基巖厚度hj，臨界拱頂不突破基巖面，則上覆巖層中形成一個(gè)跨越裂縫帶的主巖拱，拱上巖層以彎曲形式移動(dòng)，上方土層以跟隨方式移動(dòng)，在主巖拱形成的前提下，厚松散層起載荷作用，它對(duì)巖層移動(dòng)的影響較小，松散層自身的移動(dòng)量也較小，主巖拱上無土拱，此種情況下的上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)模型為：主巖拱+彎壓體+堆壓體。

ii)當(dāng)h0＞hj時(shí)，即主巖拱臨界拱高h(yuǎn)0大于基巖厚度hj，臨界拱頂突破基巖面，主巖拱發(fā)生破斷，此時(shí)分兩種情況：

①當(dāng)0＜h0-hj≤hj/3時(shí)，主巖拱拱頂破斷，斷口寬度較?。?/p>

(i)在弱含水松散層中，可形成土主拱，與下伏破斷主巖拱形成主巖土疊拱，此種情況下的上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)為：主巖土疊拱+堆壓體；

(ii)在強(qiáng)含水松散層中，則無土主拱，也無疊拱：

(ii-1)有副巖拱形成，此種情況下的上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)為：副巖拱-巖彎壓體/土堆壓體-副巖拱；

(ii-2)無副巖拱形成，此種情況下的上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)為：錯(cuò)端疊梁-堆壓體-錯(cuò)端疊梁；

②當(dāng)h0-hj＞hj/3時(shí)，主巖拱破斷，且斷口寬度較大，分兩種情況討論：

(i)當(dāng)h'0≤hj時(shí)，即副巖拱臨界拱高h(yuǎn)'0小于等于基巖厚度hj，采空區(qū)兩側(cè)巖體中分別形成跨煤柱和采空區(qū)的副巖拱，采空區(qū)中央自下而上為巖塊堆壓、巖層彎壓、土體堆壓，此種情況下的上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)為：副巖拱-巖彎壓體/土堆壓體-副巖拱；

(ii)當(dāng)h'0＞hj時(shí)，即副巖拱臨界拱高h(yuǎn)'0大于基巖厚度hj，副巖拱破斷：

(ii-1)對(duì)于弱含水厚松散層，副巖拱上方形成副土拱，構(gòu)成巖土疊拱結(jié)構(gòu)，此種情況下的上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)為：副巖土疊拱-堆壓體-副巖土疊拱；

(ii-2)對(duì)于強(qiáng)含水厚松散層，無副巖拱，也無副土拱，煤柱側(cè)巖層呈單端懸露的疊層巖梁，從下到上梁端逐層外錯(cuò)，采空區(qū)上方巖土體逐段破斷堆壓，此種情況下的上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)為：錯(cuò)端疊梁-堆壓體-錯(cuò)端疊梁。

本發(fā)明的有益效果是：

1.以巖土介質(zhì)特性為基礎(chǔ)，提出了一種采動(dòng)巖土體的綜合、系統(tǒng)的平衡結(jié)構(gòu)分類模型，融合了從橫向采動(dòng)程度(采寬采深比)、豎向采動(dòng)程度(采厚采深比)綜合影響關(guān)系(非充分采動(dòng)時(shí)采寬的決定作用，基本充分采動(dòng)時(shí)采厚的決定作用)的巖層移動(dòng)評(píng)價(jià)體系，避免了以充分性為主線的單一角度描述巖層和地表移動(dòng)的不完整性。

2.通過“拱成拱破”和“有拱無拱”的判斷過程，全面解釋了地表和巖層移動(dòng)的類別特征，揭示了巖層連續(xù)移動(dòng)變形和非連續(xù)裂縫形成的機(jī)理，為描述地表裂縫特征提供了宏觀背景。

3.為進(jìn)一步從力學(xué)機(jī)理描述巖層移動(dòng)提供了分類依據(jù)和分析框架，為開采沉陷控制提供了新的思路。

附圖說明

圖1為傾斜煤層開采傾向主斷面上覆巖變形破壞形態(tài)素描圖；

圖2為水平煤層開采覆巖變形破壞形態(tài)照片；

圖3為巖層狀態(tài)-擾動(dòng)-響應(yīng)過程的關(guān)系圖；

圖4為巖體平衡狀態(tài)的介質(zhì)基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；

圖5為煤礦開采因素圖；

圖6為開采引起的巖體(層)結(jié)構(gòu)變化圖；

圖7為厚松散層條件上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)的形成與分類判定圖；

圖8a為厚松散層的采動(dòng)巖土體的i類平衡結(jié)構(gòu)；

圖8b為厚松散層的采動(dòng)巖土體的ii類平衡結(jié)構(gòu)；

圖8c為厚松散層的采動(dòng)巖土體的iii類平衡結(jié)構(gòu)；

圖8d為厚松散層的采動(dòng)巖土體的iv類平衡結(jié)構(gòu)；

圖8e為厚松散層的采動(dòng)巖土體的v類平衡結(jié)構(gòu)

圖9為非充分采動(dòng)主巖拱結(jié)構(gòu)圖；

圖10為臨界充分采動(dòng)主巖拱結(jié)構(gòu)圖；

圖11a為基巖采動(dòng)充分性與巖土平衡拱結(jié)構(gòu)中主巖拱+彎壓/堆壓體(基巖非充分采動(dòng))的結(jié)構(gòu)圖

圖11b為基巖采動(dòng)充分性與巖土平衡拱結(jié)構(gòu)中主巖土疊拱+堆壓體(基巖充分采動(dòng))的結(jié)構(gòu)圖

圖11c為基巖采動(dòng)充分性與巖土平衡拱結(jié)構(gòu)中副巖土疊拱-堆壓體-副巖土疊拱(基巖超充分采動(dòng)，松散層弱含水)的結(jié)構(gòu)圖

圖12a為強(qiáng)含水松散層巖土平衡拱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)含水松散層模型實(shí)驗(yàn)圖；

圖12b為強(qiáng)含水松散層巖土平衡拱結(jié)構(gòu)中“副巖拱-堆壓體-副巖拱”(基巖超充分采動(dòng))的結(jié)構(gòu)圖；

圖13a巖層移動(dòng)“三帶”圖；

圖13b巖體ⅱ類平衡結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

為清楚說明本發(fā)明中的方案，下面給出優(yōu)選的實(shí)施例并結(jié)合附圖詳細(xì)說明。

鑒于煤礦開采過程中，開挖擾動(dòng)造成局部巖體應(yīng)力失衡，引起巖體的破壞、損傷、形變，同時(shí)伴有巖體內(nèi)應(yīng)力的變化和重新分布，并傳遞、擴(kuò)展、影響至更大的巖體范圍，直至應(yīng)力達(dá)到新的平衡，由此形成巖層應(yīng)力變化和形變的開挖擾動(dòng)區(qū)，而從圖1和圖2中可以看出，巖層移動(dòng)“三帶”界限不清晰，薄基巖的條件下甚至出現(xiàn)無彎曲帶的情況。開采沉陷存在巖體結(jié)構(gòu)效應(yīng)的問題，巖層移動(dòng)“三帶”(垮落帶、裂縫帶、彎曲帶)不能涵蓋各類地質(zhì)開采條件的巖層移動(dòng)特點(diǎn)，也未全面反映巖層移動(dòng)過程的機(jī)理和移動(dòng)穩(wěn)定后的結(jié)構(gòu)狀況，因此可以用拱形結(jié)構(gòu)來補(bǔ)償描述。從以上圖中可以反映出，采場(chǎng)中巖體垮落裂縫區(qū)外圍拱結(jié)構(gòu)的存在，隨著開采推進(jìn)拱結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化。

而為了能夠用拱形結(jié)構(gòu)對(duì)巖層移動(dòng)過程的機(jī)理和移動(dòng)穩(wěn)定后的結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行補(bǔ)償性描述，本發(fā)明厚松散層條件下采動(dòng)巖土體平衡結(jié)構(gòu)分類方法對(duì)不同地質(zhì)開采條件下的上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分類，其具體步驟如下：

(1)對(duì)開采地區(qū)進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，獲取開采地區(qū)巖土介質(zhì)特性、產(chǎn)狀尺度和地質(zhì)構(gòu)造的信息，得出開采地區(qū)的原巖初始結(jié)構(gòu)。

巖層移動(dòng)，是開采擾動(dòng)下，巖體從初始平衡狀態(tài)經(jīng)過動(dòng)態(tài)平衡達(dá)到再平衡狀態(tài)的過程，如圖3所示。巖體平衡是指其內(nèi)力的平衡，也是指其沉陷穩(wěn)定。

上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)與巖土介質(zhì)特性、產(chǎn)狀尺度和地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，介質(zhì)特性主要包括巖層硬度(堅(jiān)硬、中硬、軟巖、松散土)，產(chǎn)狀尺度(主要指急傾斜、中傾斜、緩傾斜，厚巖層、薄巖層、厚土層、薄土層)，如圖4所示。在一定的地質(zhì)構(gòu)造條件下，巖土介質(zhì)特性和產(chǎn)狀尺度構(gòu)成原巖初始結(jié)構(gòu)，形成初始應(yīng)力場(chǎng)和初始平衡狀態(tài)。

在獲取開采地區(qū)巖土介質(zhì)特性時(shí)，根據(jù)巖土體硬度系數(shù)f將巖土體分為：

當(dāng)巖體f＞8時(shí)，為堅(jiān)硬覆巖；

當(dāng)巖體3≤f<8，為中硬覆巖；

當(dāng)巖體f＜3，為軟弱覆巖；

當(dāng)土體0.6≤f≤1.5，屬松散層；

松散層富水性分類，貧水：出水能力0.01～0.1升/秒；弱含水：出水能力0.1～1.0升/秒；強(qiáng)含水：出水能力大于1.0升/秒。

本發(fā)明中，松散土層厚度大于200米或者松散土層與巖層厚度大于或等于1:1的松散土層為厚松散層。

(2)確定開采地區(qū)的開采因素。

在開采擾動(dòng)是打破巖體初始平衡狀態(tài)的動(dòng)力，開采因素主要包括：煤層采寬l、煤層采厚m、煤層采深h、采法(長壁、短壁、柱式)、頂板管理(垮落法、充填法)、開采順序(順采、跳采、錯(cuò)距同采)、開拓布局(階段、水平、采區(qū)、工作面)，如圖5所示。這些開采因素的變化和不同組合，構(gòu)成了對(duì)巖體的不同程度、不同方式的擾動(dòng)。

(3)根據(jù)步驟(1)所獲得的開采地區(qū)的原巖初始結(jié)構(gòu)和步驟(2)中所獲得的開采因素分析開采擾動(dòng)對(duì)開采地層的影響，確定上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)的主巖拱臨界拱高h(yuǎn)0和副巖拱臨界拱高h(yuǎn)'0。

巖體結(jié)構(gòu)按尺度規(guī)模分為體結(jié)構(gòu)、層結(jié)構(gòu)和裂隙結(jié)構(gòu)。原巖結(jié)構(gòu)在開采擾動(dòng)下，在一定的影響范圍內(nèi)發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，裂隙結(jié)構(gòu)巖層可能變成斷裂碎塊；層結(jié)構(gòu)巖層，在頂板處變成斷連結(jié)構(gòu)，在更上位置變成斷塊結(jié)構(gòu)；多巖層組成的巖體結(jié)構(gòu)，變成以橢圓拱結(jié)構(gòu)為基本特征、以拱成拱斷為變化形式的平衡結(jié)構(gòu)。三個(gè)尺度的結(jié)構(gòu)變化相互影響，相輔相成，由此構(gòu)成采動(dòng)巖體結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

采動(dòng)巖拱的形成條件是：巖拱的臨界拱高不大于基巖厚度，即巖拱拱頂不超過基巖面。

采動(dòng)土拱的形成條件是：1)巖拱拱頂破斷且斷口較小；2)土體弱含水；3)臨界拱高不大于土體頂面。

為了對(duì)上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)形成的必要條件進(jìn)行分析，以便于對(duì)上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，本實(shí)施例中，需對(duì)上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)的主巖拱臨界拱高h(yuǎn)0和副巖拱臨界拱高h(yuǎn)'0進(jìn)行確定。

其中，由于上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)為巖土拱，因而上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)的主巖拱臨界拱高h(yuǎn)0由上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)的半拱寬a和臨界拱形系數(shù)ke0通過下述公式確定：

ke0＝f/2(2)

式中，f為巖土體硬度系數(shù)，l為煤層采寬。

而采供巖土體平衡拱形結(jié)構(gòu)的半拱寬a通過下述公式計(jì)算求得：

a＝0.5l+a'(3)

a'＝0.005mh(4)

其中，l為煤層采寬，a'為拱腳偏移量，m為煤層采厚，h為煤層采深。

副巖拱臨界拱h'0高則可以通過下述公式確定：

h'0'＝h0(m)(5)

上式中，h0(m)由煤層采厚m和巖性通過下述公式確定：

堅(jiān)硬覆巖：

中硬覆巖：

軟弱覆巖：

式中，m為煤層采厚。

本發(fā)明中的煤層為單一煤層，即為煤層采厚是同一個(gè)煤層采厚的煤層。

而當(dāng)h0(l)與h0(m)不相等時(shí)，則主巖拱臨界拱高h(yuǎn)0取二者較大者。

(4)根據(jù)步驟(3)中確定的主巖拱臨界拱高h(yuǎn)0和副巖拱臨界拱高h(yuǎn)'0與基巖厚度、松散層厚度的比較及含水強(qiáng)弱情況，判斷巖土拱的形成或破斷狀況，然后根據(jù)得出的巖土拱的形成或破斷狀況，確定上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)的類別及模型。

對(duì)于上覆層為厚松散層與基巖構(gòu)成的上覆層而言，拱的形成與基巖厚度、松散層厚度、松散層的含水性有關(guān)。對(duì)于一定的巖土介質(zhì)，在采礦擾動(dòng)下可能存在一定拱形系數(shù)的臨界橢圓拱，而采寬和拱腳偏移距決定拱寬，拱寬、采厚、巖土特性決定臨界拱高。先根據(jù)步驟(3)中確定的主巖拱臨界拱高h(yuǎn)0和副巖拱臨界拱高h(yuǎn)'0與基巖厚度、松散層厚度的比較及含水強(qiáng)弱情況，判斷巖土拱的形成或破斷狀況，然后根據(jù)得出的巖土拱的形成或破斷狀況，確定上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)的類別及模型，如圖7所示。對(duì)于水平煤層厚松散層條件，上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)分類情況為：

i)當(dāng)h0≤hj時(shí)，即主巖拱臨界拱高h(yuǎn)0小于等于基巖厚度hj，臨界拱頂不突破基巖面，則上覆巖層中形成一個(gè)跨越裂縫帶的主巖拱，拱上巖層以彎曲形式移動(dòng)，上方土層以跟隨方式移動(dòng)，在主巖拱形成的前提下，厚松散層起載荷作用，它對(duì)巖層移動(dòng)的影響較小，松散層自身的移動(dòng)量也較小，主巖拱上無土拱，此種情況下的上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)模型為：主巖拱+彎壓體+堆壓體，此種上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)為厚松散層條件的i類平衡結(jié)構(gòu)，如圖8a所示。

ii)當(dāng)h0＞hj時(shí)，即主巖拱臨界拱高h(yuǎn)0大于基巖厚度hj，臨界拱頂突破基巖面，主巖拱發(fā)生破斷，此時(shí)分兩種情況：

①當(dāng)0＜h0-hj≤hj/3時(shí)，主巖拱拱頂破斷，斷口寬度較?。?/p>

(i)在弱含水松散層中，可形成土主拱，與下伏破斷主巖拱形成主巖土疊拱，此種情況下的上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)模型為：主巖土疊拱+堆壓體，此種上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)為厚松散層條件的ii類平衡結(jié)構(gòu)，如圖8b所示；

(ii)在強(qiáng)含水松散層中，則無土主拱，也無疊拱：

(ii-1)有副巖拱形成，此種情況下的上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)模型為：副巖拱-巖彎壓體/土堆壓體-副巖拱，此種上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)為厚松散層條件的iii類平衡結(jié)構(gòu)，如圖8c所示；

(ii-2)無副巖拱形成，此種情況下的上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)模型為：錯(cuò)端疊梁-堆壓體-錯(cuò)端疊梁，此種上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)為厚松散層條件的v類平衡結(jié)構(gòu)，如圖8e所示；

②當(dāng)h0-hj＞hj/3時(shí)，主巖拱破斷，且斷口寬度較大，分兩種情況討論：

(i)當(dāng)h'0≤hj時(shí)，即副巖拱臨界拱高h(yuǎn)'0小于等于基巖厚度hj，采空區(qū)兩側(cè)巖體中分別形成跨煤柱和采空區(qū)的副巖拱，采空區(qū)中央自下而上為巖塊堆壓、巖層彎壓、土體堆壓，此種情況下的上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)模型為：副巖拱-巖彎壓體/土堆壓體-副巖拱；

(ii)當(dāng)h'0＞hj時(shí)，即副巖拱臨界拱高h(yuǎn)'0大于基巖厚度hj，副巖拱破斷：

(ii-1)對(duì)于弱含水厚松散層，副巖拱上方形成副土拱，構(gòu)成巖土疊拱結(jié)構(gòu)，此種情況下的上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)模型為：副巖土疊拱-堆壓體-副巖土疊拱，此種上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)為厚松散層條件的iv類平衡結(jié)構(gòu)，如圖8d；

(ii-2)對(duì)于強(qiáng)含水厚松散層，無副巖拱，也無副土拱，煤柱側(cè)巖層呈單端懸露的疊層巖梁，從下到上梁端逐層外錯(cuò)，采空區(qū)上方巖土體逐段破斷堆壓，此種情況下的上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)模型為：錯(cuò)端疊梁-堆壓體-錯(cuò)端疊梁。

由上述上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)分類情況可知，對(duì)于一定采厚的情況，僅從拱的形成特征來看，這一過程可概括為：

1)一定的采寬時(shí)，基巖厚度滿足成拱條件，則主巖拱形成。

2)采寬增加，基巖厚度變得不滿足成拱條件，主巖拱破斷，若松散層弱含水，則主土拱及主巖土疊拱形成；若松散層強(qiáng)含水，則無主土拱和主巖土疊拱。

3)采寬再增加，副巖拱形成。特別地，淺埋厚煤層開采，可能發(fā)生階段性切冒，副巖拱不能形成。

4)采寬繼續(xù)增加，副巖拱破斷，若厚松散層弱含水時(shí)，則副土拱及副巖土疊拱形成；若厚松散層強(qiáng)含水，則無副土拱和副巖土疊拱。

而基于對(duì)上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)的分類，采動(dòng)巖土體的五種平衡結(jié)構(gòu)模型總結(jié)如下：

1)巖土ⅰ類平衡結(jié)構(gòu)“主巖拱+彎壓體+堆壓體”：一定的采寬時(shí)，基巖厚度滿足成拱條件，基巖處于非充分和臨界充分采動(dòng)，采動(dòng)主巖拱形成。

2)巖土ⅱ類平衡結(jié)構(gòu)“主巖土疊拱+堆壓體”：基巖超充分采動(dòng)，主巖拱破斷但斷口較窄，副巖拱形成。

3)巖土ⅲ類平衡結(jié)構(gòu)“副巖拱-彎壓/堆壓體-副巖拱”：基巖超充分采動(dòng)，主巖拱破斷，副巖拱形成。

4)巖土ⅳ類平衡結(jié)構(gòu)“副巖土疊拱-堆壓體-副巖土疊拱”：基巖超充分采動(dòng)，厚松散層弱含水，主巖拱破斷但斷口較寬，副巖拱破斷但斷口較窄，上方副土拱形成。

5)巖土ⅴ類平衡結(jié)構(gòu)“錯(cuò)端疊梁-堆壓體-錯(cuò)端疊梁”：基巖超充分采動(dòng)，主厚松散層強(qiáng)含水；或者基巖非充分采動(dòng)，基巖采厚比值很小，此時(shí)無巖拱，也無土拱。

其中，ⅰ～ⅳ類為有拱結(jié)構(gòu)，ⅳ類為無拱結(jié)構(gòu)。

以上平衡結(jié)構(gòu)是從巖層的橫向采動(dòng)充分性和豎向采動(dòng)程度、按巖土拱結(jié)構(gòu)能否形成進(jìn)行判斷并分類的，僅僅橫向采動(dòng)充分性問題還涉及煤層傾角級(jí)別、單向充分還是雙向充分(走向和傾向)、相鄰的采空區(qū)的影響情況。

并且對(duì)于工作面推進(jìn)過程中的平衡結(jié)構(gòu)問題也可歸結(jié)為階段性變化拱結(jié)構(gòu)模型。

為了進(jìn)一步闡明上覆巖土層采動(dòng)平衡拱形結(jié)構(gòu)分類在采動(dòng)充分性即巖層移動(dòng)“三帶”分析中的應(yīng)用，本實(shí)施例進(jìn)行了如下分析：

(一)平衡結(jié)構(gòu)與采動(dòng)程度的關(guān)系分析

采動(dòng)充分性是以采寬、采深、巖性為主要影響因素的橫向采動(dòng)程度評(píng)價(jià)模式。以下對(duì)地表不同采動(dòng)充分性條件下拱結(jié)構(gòu)及平衡結(jié)構(gòu)分類模型的形成進(jìn)行分析。

1、非充分采動(dòng)、臨界充分采動(dòng)的跨裂縫帶主拱結(jié)構(gòu)

以水平煤層、采厚不大為例。在非充分開采條件下，覆巖中形成了橫向跨巖層裂縫區(qū)、豎向跨多個(gè)巖層的一個(gè)橢圓拱結(jié)構(gòu)，即跨裂縫帶主拱，有拱則采空區(qū)及巖層垮落裂縫區(qū)上方形成封閉擠壓的、無采動(dòng)巖體裂縫的承載圈，由拱結(jié)構(gòu)承擔(dān)上部載荷，抵抗外部擾動(dòng)，避免外部水體流入拱芯。如圖9即是巖層的非充分開采情況，水平煤層情況的主拱是直立的橢圓拱。

在達(dá)到充分開采之前必然經(jīng)歷非充分開采的過程。隨著采寬的增加，采動(dòng)程度增加，拱寬和拱高不斷增大。在達(dá)到臨界充分采動(dòng)時(shí)主巖拱拱頂接近地面，巖拱瀕臨破斷，采動(dòng)拱如圖10。

2、超充分采動(dòng)的跨主裂縫副拱與“副巖拱-堆壓體-副巖拱”結(jié)構(gòu)

在進(jìn)入超充分開采的狀態(tài)時(shí)，此前非充分開采時(shí)覆巖中業(yè)已形成的橢圓拱拱頂發(fā)生斷裂，跨裂縫帶主拱破斷，變?yōu)閮蓚?cè)分別成拱，各側(cè)拱在煤壁與近側(cè)裂縫帶之間形成，跨采動(dòng)巖層主裂縫，稱為采動(dòng)巖體的跨主裂縫副拱。兩拱之間為垮落巖石、裂縫巖層形成的堆壓體，整個(gè)采動(dòng)巖體就形成“副巖拱-堆壓體-副巖拱”的結(jié)構(gòu)體，如圖11所示。副拱的兩個(gè)拱腳分別座落于煤柱和垮落巖石上，基礎(chǔ)介質(zhì)的完整性不同，因此橢圓拱并非直立，而是傾向采空區(qū)一側(cè)。

采動(dòng)巖體成拱與否，成主拱還是副拱，這對(duì)于巖層移動(dòng)狀態(tài)和性質(zhì)的判斷至關(guān)重要。采動(dòng)過程的動(dòng)態(tài)拱結(jié)構(gòu)與不同采寬/采厚的靜態(tài)拱結(jié)構(gòu)及形成判斷方法相類似，在非充分及臨界充分開采階段，在進(jìn)入超充分采動(dòng)階段，切眼側(cè)副拱趨于穩(wěn)定，推進(jìn)側(cè)副拱隨著頂部周期性垮落而不斷前移，形成階段性動(dòng)態(tài)拱。

(二)厚松散層條件的平衡結(jié)構(gòu)分析

1、地表的采動(dòng)充分性主要取決于基巖的采動(dòng)充分性。

圖11a-11c為基巖采動(dòng)充分性與巖土平衡拱結(jié)構(gòu)的關(guān)系圖，以淮南典型地質(zhì)條件)(采厚10m，基巖厚300m，松散層厚300m)為例進(jìn)行分析。

圖11a為基巖非充分采動(dòng)情形(采寬200m)，形成上下分布的“主巖拱+彎壓/堆壓體”平衡結(jié)構(gòu)，主巖拱上方是巖層彎壓體，再往上是堆壓土體。此時(shí)松散層的采動(dòng)程度較小，含水也不會(huì)流失，松散層對(duì)地表移動(dòng)量、移動(dòng)形態(tài)影響較小。

圖11b為基巖充分采動(dòng)情形(采寬400m)，形成上下分布的“主巖土疊拱+堆壓體”平衡結(jié)構(gòu)，巖層窄幅度全厚破斷，主巖土疊拱上方無巖層彎壓體，而是堆壓土體。此時(shí)松散層的采動(dòng)程度仍然不大，土體含水可能少量流失，松散層對(duì)地表移動(dòng)量、移動(dòng)形態(tài)影響仍然不大。

圖11c為基巖超充分采動(dòng)情形(采寬900m)，形成橫向分布的“副巖土疊拱-堆壓體-副巖土疊拱”平衡結(jié)構(gòu)，巖層寬幅度全厚破斷，采空區(qū)兩側(cè)為副巖土疊拱，中間為巖土堆壓體。此時(shí)松散層的采動(dòng)程度大，無隔水層條件下土體含水可能大量流失，松散層對(duì)地表移動(dòng)量、移動(dòng)形態(tài)影響大。

以上分析可知，1)松散層對(duì)地表移動(dòng)的影響，不僅與松散層厚度和介質(zhì)特性有關(guān)，還與采寬、基巖厚度、巖性等多種地質(zhì)采礦因素有關(guān)，呈現(xiàn)不同的影響程度和多種影響方式。2)采動(dòng)巖體拱的類別決定巖層移動(dòng)的類型，決定松散層對(duì)地表移動(dòng)的影響程度。

2、基巖超充分采動(dòng)時(shí)，松散層對(duì)地表移動(dòng)的影響才表現(xiàn)得充分；非充分采動(dòng)時(shí)則影響較小。

基巖土體含水率是土的物理性質(zhì)指標(biāo)之一。土體含水率高低與粘性土的強(qiáng)度和壓縮性等物理性質(zhì)指標(biāo)、物理狀態(tài)指標(biāo)具有密切的關(guān)系。

因此，1)薄基巖條件下松散層對(duì)地表移動(dòng)影響較大，厚基巖條件下松散層對(duì)地表移動(dòng)影響較小。2)松散層的采動(dòng)影響，在一定程度上是通過松散層的含水性和失水量變化來表現(xiàn)的。3)強(qiáng)含水松散層對(duì)地表移動(dòng)影響較大，弱含水松散層對(duì)地表移動(dòng)影響較小。

(三)平衡結(jié)構(gòu)與巖層移動(dòng)“三帶”的關(guān)系分析

按照傳統(tǒng)的描述方法，巖層移動(dòng)有三種模式，即巖層移動(dòng)“三帶”：垮落帶2、裂縫帶3、彎曲帶，如圖13a所示。如圖13a和13b為巖層移動(dòng)“三帶”與平衡結(jié)構(gòu)示意圖。

巖層移動(dòng)“三帶”主要描述的是巖層豎向的采動(dòng)狀況，如圖13a所示，巖層移動(dòng)三帶圖只能貼切地描述采動(dòng)覆巖三種平衡結(jié)構(gòu)中之一種，如圖13b所示，不能全面描述巖層移動(dòng)的特征，如，采厚采深比值較大，巖層主裂縫(發(fā)源于開采邊界的頂板，跨巖層的裂縫跡線)延伸到地表；又如，采寬采深比值較小，裂縫帶和彎曲帶不明顯，這些情形下三帶模式就難于描述。

平衡結(jié)構(gòu)分類與判定方法從橫向采動(dòng)程度(采寬采深比)、豎向采動(dòng)程度(采厚采深比)以及它們的相互影響關(guān)系，全面解釋了巖層移動(dòng)與地質(zhì)采礦條件的關(guān)系。由此可見，巖層“三帶”理論與平衡結(jié)構(gòu)分類模型相互關(guān)聯(lián)。

(四)平衡拱結(jié)構(gòu)分類模型的意義和作用

平衡拱結(jié)構(gòu)分類模型的意義和作用在于：

1)以巖土介質(zhì)特性為基礎(chǔ)，提出了一種采動(dòng)巖土體的綜合、系統(tǒng)的平衡結(jié)構(gòu)分類模型，融合了從橫向采動(dòng)程度(采寬采深比)、豎向采動(dòng)程度(采厚采深比)以及它們的相互影響關(guān)系(非充分采動(dòng)時(shí)采寬的決定作用，基本充分采動(dòng)時(shí)采厚的決定作用)的巖層移動(dòng)評(píng)價(jià)體系，避免了以充分性為主線的單線描述的不完整性。

2)通過“拱成拱破”和“有拱無拱”的，全面解釋了地表和巖層移動(dòng)的類別特征，揭示了巖層連續(xù)移動(dòng)變形和非連續(xù)裂縫形成的機(jī)理，為描述地表裂縫特征提供了宏觀背景。

3)為進(jìn)一步從力學(xué)機(jī)理描述巖層移動(dòng)提供了分類依據(jù)和分析框架，為開采沉陷控制提供了新的思路。

上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明創(chuàng)造所作的舉例，而并非對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造具體實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所引伸出的任何顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明創(chuàng)造權(quán)利要求的保護(hù)范圍之中。