20年来采场围岩控制理论与实践的回顾.pdf

第29卷 第1期 中国矿业大学学报 Vol . 29 No. 1 2000年1月 Journal of China U niversity ofM ining 关键层;整体力学模型;矿山压力监测 中图分类号 TD 31 文献标识码A 自1980年至今的20 a是我国回采工作面综 采大发展时期 1 以兖州矿务局为例, 1980年综采 工作面每月平均单产为5～6万 t, 而到1999年达 到20～30万t1 全国出现了年产达500万t的综 采队 1 由此可见,我国回采工作面综采技术已达到 国际水平.这其中当然也应包括采场围岩控制理论 与技术的研究成果.显然,实践的进展与需要不断 推动着理论研究及对客观事物认识的不断深化.就 此对我们在这20 a来在采场围岩控制的理论与实 践工作作一简单的回顾与概括. 1 “砌体梁” 结构力学模型与 “关键层理论” 研究 众所周知,煤层开采后上覆岩层将形成结构, 此结构的形态及其稳定性将直接影响到采场支架 的受力大小、 参数和性能的选择,同时也将影响到 开采后上覆岩体内节理裂隙及离层区的分布和地 表塌陷形态.因此,采场上覆岩层形成结构的特点 及其形态一直为采矿工作者所重视. 1. 1 关于上覆岩层结构形态的研究 主要的研究工作始于60年代初,一直到70年 代末,借助于大屯孔庄矿开采后岩层内部移动观 测,上覆岩层开采后呈 “砌体梁” 式平衡的结构力学 模型被正式提出来,结合该项研究所提出的典型论 文为 “A Study of theBehaviour of Overlying Stra2 ta in Longwall M ining andIts Applicationto Strata Control” 等 [1～3]. 该项研究的意义主要是在 于开采以后上覆岩层结构形态的解决为采场给出 了具体的上部边界条件,此结构的形态与平衡条件 为论证各项采场矿山压力控制参数奠定了基础.由 于 “砌体梁” 结构的研究是限于采场中部沿走向的 平面问题,因而随着采场矿山压力研究的深入,尤 其是老顶来压预测预报的发展,必然讨论到将老顶 岩层视为四周各种支撑条件的 “板” 的破断规律;老 顶在煤体上方的断裂位置以及断裂前后在煤与岩 体内所引起的力学变化,由此提出了岩层断裂前后 的弹性基础梁力学模型及各种不同支撑条件下的 W inkler弹性基础上的Kichhoff板力学模型.结合 此项研究工作发表的典型文章有 “老顶岩层断裂形 式及其对工作面来压的影响” 、 “老顶断裂前后的矿 山压力变化” 等[4 ～7]1 该项研究提出的主要成果为 1 老顶断裂前后在煤壁前方将引起扰动,即 在梁被夹持的端部形成了 “反弹” 区,而再深入一定 的距离则形成了 “压缩” 区; 2 老顶断裂位置在煤体之内,因此由老顶断 裂到工作面来压存在时间差,利用此时间差即可对 老顶来压进行预报; 3 老顶岩层板破断时主裂隙呈 “O2X” 型,即 先是周边破断呈 “O” 型断裂,而后是O型板内部呈 “X” 型破断; 4 根据对 “板” 破断时引起的扰动研究证明, 可在采煤工作面上下两侧的巷道内测得 “反弹” 与 “压缩” 现象; 5 根据上覆岩层以硬岩层作为形成结构主体 的观念,提供了判断经开采后上覆岩体变形破断后 收稿日期 19991118 作者简介钱鸣高19322 , 男,江苏省无锡市人,中国矿业大学教授,博士生导师,中国工程院院士,从事矿山压力及其控制研究. 形成的离层区及压实区位置的可能性. 至此,开采后老顶的稳定性、 破断时引起的扰 动及破断后形成的结构形态形成了一个总体概貌. 1. 2 关于 “关键层” 理论研究 随着开采对上覆岩层内地下水、 岩体内赋存气 体分布的改变以及地表塌陷规律的影响,必然导致 “关键层” 理论的研究 1 这方面集中的研究成果归 结于 “岩层控制中的关键层理论研究” 、 “采场覆岩 中关键层的破断规律研究” 、 “采场覆岩中关键层上 的载荷变化规律” 及 “采场覆岩裂隙分布的 ‘O’ 形 圈特征研究” 等[8 ～11]. 关键层理论的研究实质是进 一步研究硬岩层所受的载荷及其变形规律,进而了 解影响工作面及地表沉陷的主要岩层及其变形形 态.关键层研究中的重要组成部分是两层坚硬岩 层破断时的组合关系、 采动后岩体内的裂隙分布、 离层区位置以及对地表破坏规律的识别 1 2 “砌体梁” 结构的 “S2R” 稳定 采动后岩体内形成的 “砌体梁” 力学模型是一 个大结构,而此大结构中影响采场顶板控制的主要 是岩层移动中形成离层区附近的几个岩块即 “砌 体梁” 中的A,B,C岩块 . 显然,关键块的平衡与否 直接影响到采场顶板的稳定性及支架受力的大 小 1因此在 “砌体梁” 结构研究的前提下重点分析 了其中关键块的平衡关系,有关的典型研究论文为 “砌体梁结构的关键块分析” 等[12 ～14]. 在这项研究 中主要提出了砌体梁关键块的滑落与转动变形失 稳条件即 “S2R” 稳定条件. 1 滑落稳定条件S条件 hh1≤ Ρc 30Θg tan Ω 3 4 sinΗ1 2, 式中h为承载层厚度;h1为承载层所负载岩层厚 度;Ρc为承载层的抗压强度;Θg为岩体的容重;Η1为 “砌体梁” 中A岩块断裂后的回转角; tanΩ为岩块 间的摩擦系数. 2 回转变形稳定条件R条件 hh1≤ 0. 15Ρc Θg i2- 3 2 isinΗ1 1 2 sin2Η1 , 式中i为岩块的厚长比,即ihll为岩块长 度1 “砌体梁” 关键块的分析为采场直接顶的上部 作用力与位移提供了边界条件,从而为分析直接顶 稳定性奠定了基础. 3 采场支架2围岩关系研究及整体力学模 型的建立 采场顶板控制的关键是直接顶的控制,因此 “支架2围岩” 关系的研究长期以来一直是矿山压力 控制研究的主题1其内容包括在单体支柱工作面 如何防止顶板事故的发生;液压自移支架架型及合 理支护阻力的确定;更重要的是如何防治液压自移 支架端面顶板的冒落.其研究成果如“两柱支掩式 支架的工作状态及其对直接顶稳定性的影响” 、 “综 采工作面直接顶的端面冒落” 等[15, 16]1而影响支护 参数选择的主要观点是 “P2∃l” 关系,即支架工作 阻力P与顶板下沉量∃l之间存在着类双曲线关系 这种观点在中厚煤层开采的采高条件下,似乎已成 为普遍规律.在这些研究中一直视直接顶为 “似刚 体”.待到放顶煤开采,直接顶中以破碎或几近破碎 的顶煤为主,此时视直接顶含顶煤为似刚体显然 是不合适的,而且由实践中测定所得的支架载荷要 比原来的估算值小得多.因此,必然引起 “支架2围 岩” 关系的再研究.此时,“砌体梁” 的关键块研究为 直接顶上部边界的受力状态提供了有力的理论基 础,由此在文章 “再论采场矿山压力理论” 、 “采场围 岩整体结构与砌体梁力学模型” 及 “采场支架与围 岩耦合作用机理研究” [17, 18]等, 提出了由于 “砌体 梁” 的 “S2R” 稳定而引起的对直接顶的 “松脱体压 力” 与 “回转变形压力” 概念1直至论文 “采场直接顶 对支架与围岩关系的影响机制” 及 “采场支架2围岩 关系的新研究[19, 20],进一步论证了由于直接顶的 变形致使 “砌体梁” 对直接顶的回转变形载荷有可 能被破碎了的直接顶所吸收,从而导致了在该情况 下的 “P 2∃ l” 关系中类双曲线关系不再存在. 此项研究的主要结论为 1 根据采场四边形直接顶的失稳特征按刚度 可将其划分为似刚性、 似零刚度和中间型刚度3类. 2 当直接顶刚度为零刚度时,支架处于 “给定 载荷” 或 “限定载荷” 工作状态;当处于似刚性时,支 架处于 “给定变形” 工作状态;当处于中间型刚度 时,P2∃l呈典型双曲线关系. 3 鉴于当直接顶为似零刚度时如放顶煤条 件 , “P2∃l” 已不再存在类双曲线关系,此时,合 理工作阻力的确定将主要决定于它对端面稳定性 的影响. 这些研究工作最终导致了采场整体力学模型 的建立,其主要研究成果除上述有关论文外,还体 现在 “The System of Stata ControlA round Long2 2 中国矿业大学学报 第29卷 wall Face in China” 及 “采场矿山压力理论研究的 新进展” [21, 22]等论文中 . 4 工作面矿山压力与支护质量监测 任何一项工程质量的保证,决定于设计是否符 合实际及而后的施工是否到位.矿山压力控制也是 一样,如何保证施工符合设计的标准,则决定于对 工程质量的监测.事实证明,在矿山压力控制中实 际支护阻力与设计的要求往往是两回事.这常常是 导致工作面顶板事故的根本原因.尤其是回采工作 面是在不断推移的过程中,而且顶板条件又在不断 地变化,因此及时地进行监测是保证工作面进行安 全生产的根本保证.我国自80年代开始比较大规模 地进行回采工作面顶板与支护质量监测,由此回采 工作面顶板事故大幅度减少,创造了良好的社会效 益与经济效益,其中的关键是运用矿山压力理论以 确定监测指标,从而形成了 “支架2围岩” 稳定性诊 断技术,使事故消灭于形成之初.有关研究成果的 代表性论文有 “M onitoring Indices for the Support and Surrounding Strata on a Longwall Face” 等[23 ～26], 该成果主要体现在创造了一整套的监测 仪器及开发了一套支护质量监测的软件. 5 展 望 回顾20年来的研究工作,显然对今后的研究工 作有益.今后的工作将从以下方面进行 1 进一步完善采场整体力学模型,在研究直 接顶稳定性的基础上建立各项参数的关系,由此为 监控技术提供端面顶板稳定性的监控指标,进一步 简化监测仪表、 “预测2监控” 体系.为回采工作面安 全与高产高效服务. 2 深入研究岩层控制中的关键层理论,以便 对上覆岩层内的离层区分布作出定量描述,为发展 离层区充填技术及地面或井下抽放瓦斯技术奠定 基础1在关键层理论中将重点研究坚硬岩层破断的 组合效应以及关键层破断形态与表土层变形的耦 合关系. 参考文献 [1] ChienQ ianM inggao1A study of the behaviour of overlying strata in longwall m ining and its applica2 tion to strata control[M ]. Strata M echanics, Elsevi2 er Scientific Publishing Company, 1982. 13217. [2] 钱鸣高,李鸿昌1采场上覆岩层活动规律及其对矿山 压力的影响[J ]1煤炭学报, 19822 1212. [3] 钱鸣高,缪协兴1采场上覆岩层结构的形态与受力分 析[J ]1岩石力学与工程学报, 1995, 142 972106. [4] 钱鸣高,朱德仁,王作棠1老顶岩层断裂形式及其对工 作面来压的影响[J ]1中国矿业学院学报, 1986, 15 2 9218. [5] 钱鸣高,赵国景1老顶断裂前后的矿山压力变化[J ]1 中国矿业学院学报, 1986, 154 11219. [6] 朱德仁,钱鸣高1长壁工作面老顶破断的计算机模拟 [J ]1中国矿业大学学报, 1987, 163 129. [7] Q ian M G, He F L. The behaviour of the main roof in longwall m ining W eighting span,fracture and disturbance[J ]. J of M ine,M etals key stratum; mechanical model around long2 wall face as a whole; monitoring technique of“support2surrounding strata” 4 中国矿业大学学报 第29卷