20年來采場圍岩控製理論與實踐的回顧

錢鳴高
(中國礦業大學采礦工程係，江蘇 徐州221008)

摘要:簡要地回顧了近20年來中國 礦業大學在采場圍岩控製理論與實踐方麵的進展，其中包括:“砌體梁”力學模型與“關鍵層”理論的提出，“砌體梁”結構的“S-R"穩定，采場整體力學模型及礦山壓力“支架一圍岩”穩定性監測.最後提出了今後的展望.
關鍵詞:砌體梁;關鍵層;整體力學模型;礦山壓力監測
中圖分類號:TD 31 文獻標識碼: A
自1980年至今的20 a是我國回采工作麵綜采大發展時期.以充州礦務局為例，1980年綜采工作麵每月平均單產為5- 6萬t，而到1999年達到20- 30萬t.全國出現了年產達500萬t的綜采隊.由此可見，我國回采工作麵綜采技術已達到國際水平.這其中當然也應包括采場圍岩控製理論與技術的研究成果.顯然，實踐的進展與需要不斷推動著理論研究及對客觀事物認識的不斷深化.就此對我們在這20 a來在采場圍岩控製的理論與實踐工作作一簡單的回顧與概括.
1“砌體梁”結構力學模型與“關鍵層理論”研究
眾所周知，煤層開采後上覆岩層將形成結構，此結構的形態及其穩定性將直接影響到采場支架的受力大小、參數和性能的選擇，同時也將影響到開采後上覆岩體內節理裂隙及離層區的分布和地表塌陷形態.因此，采場上覆岩層形成結的特點及其形態一直為采礦工作者所重視.
1.1關於上覆岩層結構形態的研究
主要的研究工作始於60年代初，一直到70年代末，借助於大屯孔莊礦開采後岩層內部移動觀測，上覆岩層開采後呈“砌體梁”式平衡的結構力學模型被正式提出來，結合該項研究所提出的典型 論文為“A Study of the Behaviour of Overlying Stra-ta in Longw all M in ing and Its Application to Strata Control”等[1-3].該項研究的意義主要是在於:開采以後上覆岩層結構形態的解決為采場給出了具體的上部邊界條件，此結構的形態與平衡條件為論證各項采場礦山壓力控製參數奠定了基礎.由於“砌體梁”結構的研究是限於采場中部沿走向的平麵問題，因而隨著采場礦山壓力研究的深入，尤其是老頂來壓預測預報的發展，必然討論到將老頂岩層視為四周各種支撐條件的“板”的破斷規律;老頂在煤體上方的斷裂位置以及斷裂前後在煤與岩體內所引起的力學變化，由此提出了岩層斷裂前後的彈性基礎梁力學模型及各種不同支撐條件下的W ink 1er彈性基礎上的K ich h off板力學模型.結合此項研究工作發表的典型文章有“老頂岩層斷裂形式及其對工作麵來壓的影響”、“老頂斷裂前後的礦山壓力變化”等[4-7].該項研究提出的主要成果為:
1)老頂斷裂前後在煤壁前方將引起擾動，即在梁被夾持的端部形成了“反彈”區，而再深入一定的距離則形成子‘壓縮”區;
2)老頂斷裂位置在煤體之內，因此由老頂斷裂到工作麵來壓存在時間差，利用此時間差即可對老頂來壓進行預報;
3)老頂岩層板破斷時主裂隙呈“O-X”型，即先是周邊破斷呈“O”型斷裂，而後是。型板內部呈“X”型破斷;
4)根據對“板”破斷時引起的擾動研究證明，可在采煤工作麵上下兩側的巷道內測得“反彈”與“壓縮”現象;
5)根據上覆岩層以硬岩層作為形成結構主體的觀念，提供了判斷經開采後上覆岩體變形破斷後形成的離層區及壓實區位置的可能性.
至此，開采後老頂的穩定性、破斷時引起的擾動及破斷後形成的結構形態形成了一個總體概貌.
1. 2關於“關鍵層”理論研究
隨著開采對上覆岩層內地下水、岩體內賦存氣體分布的改變以及地表塌陷規律的影響，必然導致“關鍵層”理論的研究.這方麵集中的研究成果歸結於“岩層控製中的關鍵層理論研究”、“采場覆岩中關鍵層的破斷規律研究”、“采場覆岩中關鍵層上的載荷變化規律”及“采場覆岩裂隙分布的‘O’形圈特征研究”等[8-11].關鍵層理論的研究實質是進一步研究硬岩層所受的載荷及其變形規律，進而了解影響工作麵及地表沉陷的主要岩層及其變形形態.關鍵層研究中的重要組成部分是:兩層堅硬岩層破斷時的組合關係、采動後岩體內的裂隙分布、離層區位置以及對地表破壞規律的識別.
2“砌體梁，，結構的“S-R”穩定
采動後岩體內形成的“砌體梁”力學模型是一個大結構，而此大結構中影響采場頂板控製的主要是岩層移動中形成離層區附近的幾個岩塊(即“砌體梁”中的A,B,C岩塊).顯然，關鍵塊的平衡與否直接影響到采場頂板的穩定性及支架受力的大小.因此在“砌體梁”結構研究的前提下重點 03manbetx 了其中關鍵塊的平衡關係，有關的典型研究 論文為“砌體梁結構的關鍵塊 03manbetx ”等[12- 14].在這項研究中主要提出了砌體梁關鍵塊的滑落與轉動變形失穩條件即“S-R”穩定條件.
1) 滑落穩定條件((S條件)

式中:h為承載層厚度;h1為承載層所負載岩層厚度;бc為承載層的抗壓強度;為岩體的容重;Ө1為“砌體梁”中A岩塊斷裂後的回轉角;tanψ為岩塊間的摩擦係數.
2)回轉變形穩定條件(R條件)

式中:i為岩塊的厚長比，即i=h/l( l為岩塊長度).
“砌體梁”關鍵塊的03manbetx 為采場直接頂的上部作用力與位移提供了邊界條件，從而為03manbetx 直接頂穩定性奠定了基礎.
3采場支架－圍岩關係研究及整體力學模型的建立
采場頂板控製的關鍵是直接頂的控製，因此“支架一圍岩”關係的研究長期以來一直是礦山壓力控製研究的主題.其內容包括:在單體支柱工作麵如何防止頂板02manbetx.com 的發生;液壓自移支架架型及合理支護阻力的確定;更重要的是如何防治液壓自移支架端麵頂板的冒落.其研究成果如:“兩柱支掩式支架的工作狀態及其對直接頂穩定性的影響”、“綜采工作麵直接頂的端麵冒落”等[15,16].而影響支護參數選擇的主要觀點是“P-△l"關係，即支架工作阻力P與頂板下沉量△l之間存在著類雙曲線關係這種觀點在中厚煤層開采的采高條件下，似乎已成為普遍規律.在這些研究中一直視直接頂為“似剛體”.待到放頂煤開采，直接頂中以破碎或幾近破碎的頂煤為主，此時視直接頂(含頂煤)為似剛體顯然是不合適的，而且由實踐中測定所得的支架載荷要比原來的估算值小得多.因此，必然引起“支架－圍岩”關係的再研究.此時，“砌體梁”的關鍵塊研究為直接頂上部邊界的受力狀態提供了有力的理論基礎，由此在文章“再論采場礦山壓力理論”、“采場圍岩整體結構與砌體梁力學模型”及“采場支架與圍岩禍合作用機理研究”[17, 18]等，提出了由於“砌體梁”的“S-R”穩定而引起的對直接頂的“鬆脫體壓力”與“回轉變形壓力”概念.直至論文“采場直接頂對支架與圍岩關係的影響機製”及“采場支架一圍岩關係的新研究[19,20]，進一步論證了由於直接頂的變形致使“砌體梁”對直接頂的回轉變形載荷有可能被破碎了的直接頂所吸收，從而導致了在該情況下的“P－△l”關係中類雙曲線關係不再存在.
此項研究的主要結論為:
1)根據采場四邊形直接頂的失穩特征按剛度可將其劃分為似剛性、似零剛度和中間型剛度3類.
2)當直接頂剛度為零剛度時，支架處於“給定載荷”或“限定載荷”工作狀態;當處於似剛性時，支架處於“給定變形”工作狀態;當處於中間型剛度時，P－△l呈典型雙曲線關係.
3)鑒於當直接頂為似零剛度時(如放頂煤條件)，“P－△l"已不再存在類雙曲線關係，此時，合理工作阻力的確定將主要決定於它對端麵穩定性的影響.
這些研究工作最終導致了采場整體力學模型的建立，其主要研究成果除上述有關論文外，還體現在“The System of Stata Control Around Long-wall Face in China'，及“采場礦山壓力理論研究的新進展”[21, 22]等論文中.
4工作麵礦山壓力與支護質量監測
任何一項工程質量的保證，決定於設計是否符合實際及而後的施工是否到位.礦山壓力控製也是一樣，如何保證施工符合設計的標準，則決定於對工程質量的監測.事實證明，在礦山壓力控製中實際支護阻力與設計的要求往往是兩回事.這常常是導致工作麵頂板02manbetx.com 的根本原因.尤其是回采工作麵是在不斷推移的過程中，而且頂板條件又在不斷地變化，因此及時地進行監測是保證工作麵進行安全生產的根本保證.我國自80年代開始比較大規模地進行回采工作麵頂板與支護質量監測，由此回采工作麵頂板02manbetx.com 大幅度減少，創造了良好的社會效益與經濟效益，其中的關鍵是運用礦山壓力理論以確定監測指標，從而形成了“支架一圍岩”穩定性診斷技術，使02manbetx.com 消滅於形成之初.有關研究成果的代表性論文有“Monitoring Indices for the Support
and Surrounding Strata on a Longwall Face”等[23- 26]，該成果主要體現在創造了一整套的監測儀器及開發了一套支護質量監測的軟件.
5展望
回顧20年來的研究工作，顯然對今後的研究工作有益.今後的工作將從以下方麵進行:
1)進一步完善采場整體力學模型，在研究直接頂穩定性的基礎上建立各項參數的關係，由此為監控技術提供端麵頂板穩定性的監控指標，進一步簡化監測儀表、“預測一監控”體係.為回采工作麵安
全與高產高效服務.
2)深入研究岩層控製中的關鍵層理論，以便對上覆岩層內的離層區分布作出定量描述，為發展離層區充填技術及地麵或井下抽放瓦斯技術奠定基礎.在關鍵層理論中將重點研究堅硬岩層破斷的組合效應以及關鍵層破斷形態與表土層變形的禍合關係.
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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"