20年来采场围岩控制理论与实践的回顾

钱鸣高
(中国矿业大学采矿工程系，江苏 徐州221008)

摘要:简要地回顾了近20年来中国矿业大学在采场围岩控制理论与实践方面的进展，其中包括:“砌体梁”力学模型与“关键层”理论的提出，“砌体梁”结构的“S-R"稳定，采场整体力学模型及矿山压力“支架一围岩”稳定性监测.最后提出了今后的展望.
关键词: 砌体梁;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.以充州矿务局为例，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t.全国出现了年产达500万t的综采队.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 the Behaviour of Overlying Stra-ta in Longw all M in ing and Its Application to 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 ink 1er弹性基础上的K ich h off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].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子‘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“O-X”型，即先是周边破断呈“O”型断裂，而后是。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.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.
2“砌体梁，，结构的“S-R”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.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“S-R”稳定条件.
1) 滑落稳定条件((S条件)

式中:h为承载层厚度;h1为承载层所负载岩层厚度;бc为承载层的抗压强度;为岩体的容重;Ө1为“砌体梁”中A岩块断裂后的回转角;tanψ为岩块间的摩擦系数.
2)回转变形稳定条件(R条件)

式中:i为岩块的厚长比，即i=h/l( l为岩块长度).
    “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－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“支架一围岩”关系的研究长期以来一直是矿山压力控制研究的主题.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].而影响支护参数选择的主要观点是“P-△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－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“采场支架与围岩祸合作用机理研究”[17, 18]等，提出了由于“砌体梁”的“S-R”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.直至论文“采场直接顶对支架与围岩关系的影响机制”及“采场支架一围岩关系的新研究[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－△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，P－△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)，“P－△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 Control Around Long-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“支架一围岩”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“Monitoring 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、“预测一监控”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.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祸合关系.
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Review of the Theory and Practice
of Strata Control Around Longw all Face in Recent 20 Years
Q IAN M mg一gao
(Department ofM ining Engineering, CUM T，Xuzhou, Jiangsu 221008, China)

Abstract The theory and practice, established and conducted by China University ofMining and Technology in recent 20 years, contain the mechanical model of stacked layer of blocks, theory of key stratum，the“S一R" stability of the mechanical model, the concept of viewing the mechanical situation around longwall face as a whole, and monitoring technique for the stability of“support-surrounding strata" system .Finally, some future research ideas were put forward.
Keywords: mechanical mode l of stacked layer of blocks; key stratum;mechanical model around long-wall face as a whole; m onitoring technique of“support-surrounding strata"