深部采场矿山压力理论研究现状及趋势.pdf

2 0 1 0年第 1 O期 煤炭工程 深部采场矿 山压 力理论研究现状及趋 势 马书 明 ， 吕文玉 ，孙 丙玉 1 ．中国矿业大学 北京 资源 与安 全工程学院 ，北京1 0 008 3 ； 2 ．山东省地质测绘院，山东 济南2 5 0 0 1 3 摘要随着煤矿开采深度的不断增加及开采条件的 日趋复杂，深部采场矿 山压力理论及其 应用研 究已成为众 多学者研究的热点和难点，通过文献整理与分析 ，系统 阐述 了矿山压 力理论、 采动应 力演化、支承压力计算、采动裂隙演化特征等方面的研究进展 ，展望了深部开采采场矿山 压力理论的研究方向和发展趋势。分析表明 ，深部采场矿山压力理论的基础研究应 以大范围三维 围岩为研究对象，注重采动应力与采动裂隙演化特征及二者的动态效应研 究和应力场、裂隙场与 渗流场的耦合理论研 究，这是深部 开采条件 下保证煤矿安全开采的客观要求，也是解决实际工程 中煤岩 动 力 灾害发 生的理 论 基础 。 关键词深部开采 ；三维矿压 ；支承压力；采动裂隙；动态效应 中图分类号 T D 3 1 文献标识码 A 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 0 1 O _ 0 8 7 - 3 随着现代化 建设 步伐 加快 ，全 国能 源消 费必 然迅 速增 长 ，对煤炭的需求也将持续增加，2 0 0 9年我国原煤产量 已 达 2 9 ． 6亿 t 。因此，深部煤炭资源是 2 1 世纪我国主体能源 的后备储量。但随着煤矿开采深度的不断增加，地应力与 瓦斯压力不断加 大 ，煤矿 开采 的地 质条件 和技 术条 件也 日 趋复杂 ，动力灾害发 生 的矿井 数量 和危 害程度 又呈 明显 上 升趋势。深井开采实践表明，深部 “ 三高一扰动”的复杂 环境 ，使得深部工程 灾害 成灾 机理及 预测 预报 成 为采矿 工 程领域面临的高难 度课题 ，而 矿山深 部工 程灾 害 的发 生 与 原岩应力环境和采动应力演化及岩体在高应力下的力学行 为有关 ，采后 围岩移 动、 围岩 应力重 新分 布 、采 动应 力 和 采动裂隙演化诱发 围岩结 构失稳 是一 系列 工程 灾害发 生 的 根本原因，给深部煤炭资源给的安全高效开采提出了严峻 的课题，同时也成为关系到国家财产和人民生命安全的重 大课题 ，是国内外岩体 力学 与地 下工 程领 域研究 的焦 点 问 题 一 。本文在系统 论述 深部开 采条 件下 采场 矿 山压力 理 论 、支承压力 计算 、采 动裂 隙演化 等方 面 的研 究 进展基 础 上 ，展望 了深 部开采矿山压力理论 的研究方 向和发展 趋势 。 1 采 场矿 山压 力理 论研 究进展 在压力拱假 说 、悬臂 梁假 说 、预成 裂 隙假说 、铰接 岩 块假说等传统矿山压力假说基础上，很多学者对采场覆岩 结构 和围岩应力分 布进 行了系统研究 。 钱鸣高院士等根据现场观测分析，研究了裂隙带岩层 形成结构的可能性和结构的平衡条件，提 出了上覆岩层开 采后呈砌体梁式平衡的结构力学模型及岩层控制的关键层 理论 ，揭示 了采动 岩体 的活 动规律 ，把采 场矿 压 、岩 层移 动、地表沉陷等方面的研究在力学机理上有机统一为一个 整体，为岩层控制理论的进一步研究奠定 了基础 ，是研 究采动岩体动力灾害发生机理的方向之一。 宋振骐院士等在大量现场观测的基础上建立并逐步完 善 了以岩层运 动 为 中心 ，预测 预报 、控 制设 计 和控制效 果 判断三位一体的实用矿压理论体系 ，即 “ 传递岩梁”理 论，揭示了岩层运动与采动支承压力的关系，提出了系统 的巷道合理位置确定、采场顶板控制设计及煤矿重大事故 预测和控制的理论和技术。 吴健教授等研究认为，放顶煤采场上覆岩层存在由众 多断裂岩块所组成 的梁 式 自稳结 构 ，梁式 结构 在水 平挤 压 力作 用下具有 承载能 力 和变形 特性 ，提 出综 放 开采支 架一 围岩关系 的新概念及 放顶 煤高位 岩层 形成宏 观 连续 的 “ 挤 压 拱”式 平衡结 构 ，建立 了大 采高 开采上 覆岩 层结 构 力学模 型一 压力壳一梁 结构 ，分析 得 出了压 力壳 的基本力 学特 征及 形态特征 。 靳钟铭教授等根据现场观测和相似模拟研究认为 由 于综放面顶煤、直接顶、老顶的差异，从顶煤至老顶可形 成砌体梁半拱式、搭桥式传递岩梁、悬臂岩梁和压力拱式 四种结构 ，并 分析 了拱 的成拱机 理和拱的形态特征 l l 。 。 。 姜福兴教授等依据 “ 岩层质量的量变引起老顶结构形 式质变 ” 的观点 ，提 出了老顶 存在 类拱 、拱梁 和梁式 三种 基本结构u ，对采场覆岩 “ O”型空间结构的形成、演化 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 3 1 作者简介马书明 1 9 7 3一 ，女 ，黑龙江大庆人，工程师、高级人力资源管理师，现从事安全管理、安全文化、安全 行为研究 。 8 7 煤炭工程 2 0 1 0年第 1 O期 规律 、与支承压力分布 的关系及主要影 响因素进行 了研 究 ， 提出 了 “ 板 一壳”大 空间结 构和不 同的老顶结 构形式 下不 同的支架 围岩关系及采 动覆岩 空 间结构 与应力 场的动 态关 系。 翟英达博士借助块体理论，通过力学分析的方法，系 统研究 了面接触块体结 构的力学 特性 ，获得 了面接触 块 体结构中力的传递规律，并给出了该种结构的稳定条件， 同时研究了块体几何参数以及结构偏转角对结构稳定性的 影响 ，建立 了基本顶岩层 的面接触块体结构理论框架 。 谢广祥博士在大量现场实测分析基础上，综合研究提 出了综放采场上位岩层三维空间中存在高应力束组成的宏 观应力壳 ，获 得 了其 主要 力 学特 征 ，并 系 统研 究 了采 厚 、 护巷煤柱宽度及工作面推进速率的变化对围岩宏观应力壳 的影 响 ，揭示 了采 场围岩力学特征 的层厚效应 、柱宽机 制 、 推进速率响应及减缓动力灾害机理 “ ] ，理论应用于工程 实践取得了良好的效果，推动了综放及大采高安全高效开 采理论及技术 的发展 。 2 采场围岩支承压力计算研究进展 基于对采场围岩支承压力的形成、发展及其演化的影 响因素、分布规律及计算的研究，获得 了支承压力形成过 程、分布特征及分区特性。随着损伤断裂力学、现代数学 及计算机技术发展 ，采场支承压力 的计算取得 了很 大进展 ， 为采场围岩 的有效控制及安全开采奠定 了基础 。 前苏联学者 A ． A ．鲍 里索 夫 和俄 罗斯学 者 M ． M．佩 图 霍夫等根据采掘过程中岩体内发生的物理一力学过程的实 质及其规律，得出了采场矿山压力计算方法和计算公式 [ 1 5 ， 1 6 ] O 波兰学者 H e n k G i l 利用 位错 模 型研究 了层 状岩 体 的 位移及应力分布，提出了求解采动应力及位移的方法n 。 宋振骐院士等从支承压力形成机理人手 ，通过对支承 压力形成的五个阶段分析 ，创新地提出综合移动角起于支 承压力边缘 的见 解 ，建 立 了相 关 的结构力 学模 型和求 解方 程 。 郝海金博士针对大采高覆岩结构及支承压力演化特点， 应用球壳理论建立 了压力壳一梁结构模型，得出了压力壳 的基本力学 特征及相关 平衡方 程。 贾喜荣教授等在坚硬顶板分析基础上，根据工作面顶 板岩层 断裂前后 的力学特 征 ，建立 了 “ 弹性 板与 铰接板 结 构”力学模型，推导出了矿山压力计算的解析表达式。 史元伟研究员视上覆岩层为不同弹性地基上的弹性板 梁 ，按文克尔假设计算挠曲岩板 梁 基础反力，提出了 回采工作面超前和侧向支承压力解析估算法。 姜福兴教授 、马其 华博 士采 用力学 方法研 究 了非充 分 采动阶段工作面推进覆岩破坏过程 与支 承压力动态关 系。 靳钟铭教授 、陈 忠辉教 授和 王卫军 教授等 应用 弹塑性 和损伤理论，根据采场矿压特点和损伤力学本构关系，分 8 8 析影响围岩应力重新分布的影响因素及其相互间的关系， 推导 出了支承压力计算公式 。 杨科博士基于采场应力壳的力学特征的系列研究基础 上，构建了长壁采场矿山压力分布及计算的分析模型，系 统研究了影响应力壳演化的因素及相互间的作用关系，得 出了应力壳的空间形态及其演化方程 。 3 采动裂隙演化规律研究进展 近些年来 ，国内外学 者 主要采用 力学 分析 预计 、数 值 模拟 、相似材料 模拟 、地球物 理探测 技术 、钻 探 等方法 对 采动裂隙的形成扩展过程、形态特征及煤岩体裂隙场分布 进行 了大量 的试验及理论分析 ，取得 了一些成果 。 刘天泉院士等对我国煤矿开采覆岩破坏与导水裂隙分 布作了大量的实测和理论研究 ，获得了采场上覆岩层移动 破断与采动裂隙分布规律，提出了 “ 横三区” 、 “ 竖三带” 的总体认识 ，归纳得 出了计算导水裂 隙带高度 的经验公式 ， 很好地指导 了工程实践 。 钱鸣高院士等应用模型实验、图像分析、离散元模拟 等方法，在关键层理论的基础上，对上覆岩层采动裂隙分 布特征进行了研究，揭示 了长壁工作面覆岩采动裂隙的两 阶段发展规律与 “ 0”形圈分布特征 ，建立 了卸压瓦斯抽 放 的 “ 0 ”形 圈理论 ，并将其用 于实践取得 了显著效果 。 谢和平院士等采用分形理论 ，借助计算机模拟技术和 试验研究得 出采 动岩体裂 隙 的分布规 律及 裂隙 网络 的分形 特征 。 王悦汉教授等在相似模拟试验研究基础上，构建了采 动岩体动态力学 的模 型 ，研究 得 出了采动 岩体 的破裂规 律 及裂隙 的演化特征 。 李树刚博士将采动裂隙场分为工作面上方裂隙场和采 空区上方裂隙场，并获得了覆岩采动裂隙椭抛带动态分布 特征 。 涂敏博士等研究认为在覆岩运动的动态过程中，在采 空 区上方存在着 多个离 层裂 隙和纵 向断裂 裂 隙，覆 岩 中的 离层和纵 向断 裂存在 着 张开和 闭合 ，从产 生 、发育 到最终 闭合是一个动态变化过程，提 出了环形裂隙圈形成机理， 获得了采动裂隙发育高度、放顶煤开采裂隙带高度预测方 法及裂隙非稳态演化规律 。 杨伦教授等根据开采沉陷控制并结合板断裂的力学模 型分析获得 了采 动离 层变 形机理 、离层位 置 的计 算式 、离 层分布的时空规律及其影响因素等，并进行了离层注浆减 沉方面的工程实践，从实践角度进一步完善了离层分布规 律与地表沉陷控制的理论技术体系 。 李宏艳博士通过对国内外相关文献的整理与分析，从 采动围岩应力场、裂隙场演化规律、瓦斯渗流理论等方面 进行了论述，提出将应力场与瓦斯渗流场耦合研究既是高 强度开采条件下保证煤矿安全开采的客观要求，也是解决 实际工程 中瓦斯安全问题重要理论基础 。 2 0 1 0年 第 1 O期 煤炭工程 4深部采场矿山压力理论发展趋势 综上所述，同内外众多科研工作者和工程技术人员围 绕地下开采围岩应力分布、支承压力计算、采动裂隙演化 特征等矿山压力理 论方 面开展 了许 多研 究 ，取得 了一系 列 成果，对推动煤矿安全高效开采起到积极重要作用。但地 下开采是围岩应力场、破坏场、变形场和裂隙场不断演化 的过程 ，采场矿 山压力 客观 上是 一个三 维 问题 ，开采 引起 的围岩压力 重新 分布 、围岩 变形 移动破 坏及 煤岩 动力 灾害 等根本上是采场 围岩三维矿山压力演化所决定的，故深部 煤炭资源的安全高效开采急需矿山压力理论方面的基础理 论和相关研究支持，以便更好地指导高强度开采技术的推 广 与应用 ，更大 限度 地提 高资 源采 出率 ，实 现安 全高 效生 产 。因此 ，在掌 握地 质条件 、开采 技术 条件 的基 础 上 ，以 大范 围围岩 为研 究对 象 ，注 重三维 矿 山压力 基础 理论 研究 的同时 ，更应注重 深部 开采 围岩支 承压 力演 化及 其对 采动 裂隙的动态效应和应力场、裂隙场与渗流场的耦合理论研 究 。 1 开展深部开采 三维 矿山压力基础理论 和现场试验 研 究 。传 统的采场矿压理论所研究 的范围多为 6～8倍采 高以 内的基本顶范 围，开 采沉 陷研究 多研 究地 表 的下沉 变形 参 数与形态 ，对于地表 以下 6～ 8倍 采高 以上的基本 顶上覆 岩 层 ，开展的研究不 多 ，而这 部分 岩层 对深 部采场 来说 厚 度 很 大 ，无论 对采 场 矿压 还 是对 覆 岩 与地 表沉 陷 控 制研 究 ， 都是不应逾越的研究主体。因此，以采场大范围三维 围岩 为研究对象 ，进 行煤 岩体 应力 场 、裂 隙场 和渗流 场 的测试 方法和技术研究 ，系统开展深部采场矿山压力基础理论研 究 。 2 开展深 部开采采动应力演化特征 和岩 体结构失 稳机 制研究。随着开采深度 的增大，基岩厚度和原岩应力尤其 是水平应力均增 大 ，导致 采动 应力 在覆 岩和底 板 岩层 中演 化的非线性特征更 加 明显 ，其 演化 特征 和演化 形态 将影 响 到开采后岩层运动的形式及地表坍陷形态的描述。因此 ， 研究深部条件 下采 动 应力 演 化特 征 和岩 体 结构 失稳 机 制 ， 建立 深部 开采条件下 采动 应力 演化 分析模 型 ，揭示采 动应 力 演化与岩体 结构失稳之间的关系 。 3 开展深部 开采 采 动应 力 与采 动 裂 隙的 动态 效 应研 究 。采动裂 隙的演化 是一 贯穿 开采始 末 的动态 过程 ，是 应 力重新分布 的主导 因素。采 动裂 隙的演 化势 必影 响到 采动 应力 的形成 、发展 、演 化和失 稳过 程 ，而 采动 应力 演化 又 影响采动裂 隙的演化 过程 ，二 者在 演化 过程 中 的相 互作 用 机理仍不清楚。因此 ，开展深部开采条件下 ，煤岩层的垮 落与破坏机制及煤岩体裂隙时空演化与分布规律 ，建立煤 岩层垮落、裂隙、变形与相关参数的关系，阐明裂隙发育 与分布特征，揭示采动应力与采动裂隙演化的关系研究。 4 开展深部开采应力场、裂隙场与渗流场的耦合理论 研究 。根 据深部煤 岩体结 构特 征 、原 岩应力 特征 和采 动应 力与采动裂隙演化特征，建立裂隙岩体弹塑性损伤断裂演 化模型，建立围岩应力场 、裂隙场与渗流场耦合数学模型， 揭示应力场、裂隙场与瓦斯流动场相互作用机理。 5结论 本文综述了深部开采条件下 围岩应力分布、支承压力 计算、采动裂隙演化特征等采场矿山压力理论的研究现状 ， 提出以大范围围岩为研究对象，开展采动应力演化及其对 采动裂隙的动态效应和应力场、裂隙场与渗流场的耦合理 论研究 是深部采场 矿 山压力 理论 基础研 究 的需要 ，也是 当 前实际工程的要求。 参考文献 [ 1 ] z ． B ie n a w s k i ． S t r a t a C o n t r o l i n Mi n e r a l E n g i n e e r i n g[ M] ． Ne w Yo r k W i l e y， 1 98 7 ． [ 2 ] M． L ． J e r e mi c ． S t r a t a Me c h a n i c s i n C o a l Mi n i n g [ M ] ． Bo s t o n A． A． Ba l k e mi a， 1 9 8 5． [ 3 ] S y d S ．P e n g ．C o a l mi n e g r o u n d c o n t r o l[ M] ．T h i r d E d i t i o n ， Pu b l i s h e d b y S y d S ． P e n g ， 2 0 0 8 ． [ 4 ] 谢 和平 ，彭苏 萍，何 满潮 ．深部开采 基础理 论与工 程实践 [ M] ．北京 科学 出版神 ，2 0 0 6 ． [ 5 ] 钱 鸣高，缪协 兴 ，许 家林 ．岩层 控制 的关键 层理论 [ M] ． 徐州 中国矿业 大学 出版社 ，2 0 0 3 ．6 ． [ 6 ] 宋振骐 ．煤矿 重大事故预 测和控制 的岩层动 力信息基 础的 研究 [ M] ．北京 煤炭工业 出版社 ，2 0 0 3 ． [ 7 ] 何满潮 ，钱七 虎．深部岩体力学研究进展 [ c ] ．北京 科 学 出版社 ，2 0 0 6 ． [ 8 ] 吴健 ，张勇．综放采场 支架一 围岩关系 的新 概念 [ J ] ．煤 炭学报 ，2 0 0 1 ，2 6 4 3 5 1 3 5 5 ． [ 9] 郝海金 ．长壁 大采 高上 覆 岩层 结构 及采 场 支护 参数 研究 [ D] ．北京 中国矿业大学 北 京 ，2 0 0 4 ． [ 1 0 ] 靳钟铭 ．放 顶煤开采理论 与技术 [ M] ．北京 煤炭工业 出 版社 ，2 0 01 ． [ 1 1 ] 姜福兴，马其华．深部长壁工作面动态支承压力极值点的 求解[ J ] ．煤炭学报 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