20年來(lái)采場(chǎng)圍巖控制理論與實(shí)踐的回顧
錢(qián)鳴高
(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采礦工程系，江蘇 徐州221008)
關(guān)鍵詞: 砌體梁;關(guān)鍵層;整體力學(xué)模型;礦山壓力監(jiān)測(cè)
中圖分類(lèi)號(hào): TD 31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
自1980年至今的20 a是我國(guó)回采工作面綜采大發(fā)展時(shí)期.以充州礦務(wù)局為例，1980年綜采工作面每月平均單產(chǎn)為5- 6萬(wàn)t，而到1999年達(dá)到20- 30萬(wàn)t.全國(guó)出現(xiàn)了年產(chǎn)達(dá)500萬(wàn)t的綜采隊(duì).由此可見(jiàn)，我國(guó)回采工作面綜采技術(shù)已達(dá)到國(guó)際水平.這其中當(dāng)然也應(yīng)包括采場(chǎng)圍巖控制理論與技術(shù)的研究成果.顯然，實(shí)踐的進(jìn)展與需要不斷推動(dòng)著理論研究及對(duì)客觀事物認(rèn)識(shí)的不斷深化.就此對(duì)我們?cè)谶@20 a來(lái)在采場(chǎng)圍巖控制的理論與實(shí)踐工作作一簡(jiǎn)單的回顧與概括.
1“砌體梁”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型與“關(guān)鍵層理論”研究
眾所周知，煤層開(kāi)采后上覆巖層將形成結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)的形態(tài)及其穩(wěn)定性將直接影響到采場(chǎng)支架的受力大小、參數(shù)和性能的選擇，同時(shí)也將影響到開(kāi)采后上覆巖體內(nèi)節(jié)理裂隙及離層區(qū)的分布和地表塌陷形態(tài).因此，采場(chǎng)上覆巖層形成結(jié)的特點(diǎn)及其形態(tài)一直為采礦工作者所重視.
1.1關(guān)于上覆巖層結(jié)構(gòu)形態(tài)的研究
主要的研究工作始于60年代初，一直到70年代末，借助于大屯孔莊礦開(kāi)采后巖層內(nèi)部移動(dòng)觀測(cè)，上覆巖層開(kāi)采后呈“砌體梁”式平衡的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型被正式提出來(lái)，結(jié)合該項(xiàng)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(xiàng)研究的意義主要是在于:開(kāi)采以后上覆巖層結(jié)構(gòu)形態(tài)的解決為采場(chǎng)給出了具體的上部邊界條件，此結(jié)構(gòu)的形態(tài)與平衡條件為論證各項(xiàng)采場(chǎng)礦山壓力控制參數(shù)奠定了基礎(chǔ).由于“砌體梁”結(jié)構(gòu)的研究是限于采場(chǎng)中部沿走向的平面問(wèn)題，因而隨著采場(chǎng)礦山壓力研究的深入，尤其是老頂來(lái)壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的發(fā)展，必然討論到將老頂巖層視為四周各種支撐條件的“板”的破斷規(guī)律;老頂在煤體上方的斷裂位置以及斷裂前后在煤與巖體內(nèi)所引起的力學(xué)變化，由此提出了巖層斷裂前后的彈性基礎(chǔ)梁力學(xué)模型及各種不同支撐條件下的W ink 1er彈性基礎(chǔ)上的K ich h off板力學(xué)模型.結(jié)合此項(xiàng)研究工作發(fā)表的典型文章有“老頂巖層斷裂形式及其對(duì)工作面來(lái)壓的影響”、“老頂斷裂前后的礦山壓力變化”等[4-7].該項(xiàng)研究提出的主要成果為:
1)老頂斷裂前后在煤壁前方將引起擾動(dòng)，即在梁被夾持的端部形成了“反彈”區(qū)，而再深入一定的距離則形成子‘壓縮”區(qū);
2)老頂斷裂位置在煤體之內(nèi)，因此由老頂斷裂到工作面來(lái)壓存在時(shí)間差，利用此時(shí)間差即可對(duì)老頂來(lái)壓進(jìn)行預(yù)報(bào);
3)老頂巖層板破斷時(shí)主裂隙呈“O-X”型，即先是周邊破斷呈“O”型斷裂，而后是。型板內(nèi)部呈“X”型破斷;
4)根據(jù)對(duì)“板”破斷時(shí)引起的擾動(dòng)研究證明，可在采煤工作面上下兩側(cè)的巷道內(nèi)測(cè)得“反彈”與“壓縮”現(xiàn)象;
5)根據(jù)上覆巖層以硬巖層作為形成結(jié)構(gòu)主體的觀念，提供了判斷經(jīng)開(kāi)采后上覆巖體變形破斷后形成的離層區(qū)及壓實(shí)區(qū)位置的可能性.
至此，開(kāi)采后老頂?shù)姆€(wěn)定性、破斷時(shí)引起的擾動(dòng)及破斷后形成的結(jié)構(gòu)形態(tài)形成了一個(gè)總體概貌.
1. 2關(guān)于“關(guān)鍵層”理論研究
隨著開(kāi)采對(duì)上覆巖層內(nèi)地下水、巖體內(nèi)賦存氣體分布的改變以及地表塌陷規(guī)律的影響，必然導(dǎo)致“關(guān)鍵層”理論的研究.這方面集中的研究成果歸結(jié)于“巖層控制中的關(guān)鍵層理論研究”、“采場(chǎng)覆巖中關(guān)鍵層的破斷規(guī)律研究”、“采場(chǎng)覆巖中關(guān)鍵層上的載荷變化規(guī)律”及“采場(chǎng)覆巖裂隙分布的‘O’形圈特征研究”等[8-11].關(guān)鍵層理論的研究實(shí)質(zhì)是進(jìn)一步研究硬巖層所受的載荷及其變形規(guī)律，進(jìn)而了解影響工作面及地表沉陷的主要巖層及其變形形態(tài).關(guān)鍵層研究中的重要組成部分是:兩層堅(jiān)硬巖層破斷時(shí)的組合關(guān)系、采動(dòng)后巖體內(nèi)的裂隙分布、離層區(qū)位置以及對(duì)地表破壞規(guī)律的識(shí)別.
2“砌體梁，，結(jié)構(gòu)的“S-R”穩(wěn)定
采動(dòng)后巖體內(nèi)形成的“砌體梁”力學(xué)模型是一個(gè)大結(jié)構(gòu)，而此大結(jié)構(gòu)中影響采場(chǎng)頂板控制的主要是巖層移動(dòng)中形成離層區(qū)附近的幾個(gè)巖塊(即“砌體梁”中的A,B,C巖塊).顯然，關(guān)鍵塊的平衡與否直接影響到采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性及支架受力的大小.因此在“砌體梁”結(jié)構(gòu)研究的前提下重點(diǎn)分析了其中關(guān)鍵塊的平衡關(guān)系，有關(guān)的典型研究論文為“砌體梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵塊分析”等[12- 14].在這項(xiàng)研究中主要提出了砌體梁關(guān)鍵塊的滑落與轉(zhuǎn)動(dòng)變形失穩(wěn)條件即“S-R”穩(wěn)定條件.
1) 滑落穩(wěn)定條件((S條件)
式中:h為承載層厚度;h1為承載層所負(fù)載巖層厚度;бc為承載層的抗壓強(qiáng)度;
為巖體的容重;Ө1為“砌體梁”中A巖塊斷裂后的回轉(zhuǎn)角;tanψ為巖塊間的摩擦系數(shù).
2)回轉(zhuǎn)變形穩(wěn)定條件(R條件)
式中:i為巖塊的厚長(zhǎng)比，即i=h/l( l為巖塊長(zhǎng)度).
“砌體梁”關(guān)鍵塊的分析為采場(chǎng)直接頂?shù)纳喜孔饔昧εc位移提供了邊界條件，從而為分析直接頂穩(wěn)定性奠定了基礎(chǔ).
3采場(chǎng)支架－圍巖關(guān)系研究及整體力學(xué)模型的建立
采場(chǎng)頂板控制的關(guān)鍵是直接頂?shù)目刂?，因此“支架一圍巖”關(guān)系的研究長(zhǎng)期以來(lái)一直是礦山壓力控制研究的主題.其內(nèi)容包括:在單體支柱工作面如何防止頂板事故的發(fā)生;液壓自移支架架型及合理支護(hù)阻力的確定;更重要的是如何防治液壓自移支架端面頂板的冒落.其研究成果如:“兩柱支掩式支架的工作狀態(tài)及其對(duì)直接頂穩(wěn)定性的影響”、“綜采工作面直接頂?shù)亩嗣婷奥洹钡萚15,16].而影響支護(hù)參數(shù)選擇的主要觀點(diǎn)是“P-△l"關(guān)系，即支架工作阻力P與頂板下沉量△l之間存在著類(lèi)雙曲線關(guān)系這種觀點(diǎn)在中厚煤層開(kāi)采的采高條件下，似乎已成為普遍規(guī)律.在這些研究中一直視直接頂為“似剛體”.待到放頂煤開(kāi)采，直接頂中以破碎或幾近破碎的頂煤為主，此時(shí)視直接頂(含頂煤)為似剛體顯然是不合適的，而且由實(shí)踐中測(cè)定所得的支架載荷要比原來(lái)的估算值小得多.因此，必然引起“支架－圍巖”關(guān)系的再研究.此時(shí)，“砌體梁”的關(guān)鍵塊研究為直接頂上部邊界的受力狀態(tài)提供了有力的理論基礎(chǔ)，由此在文章“再論采場(chǎng)礦山壓力理論”、“采場(chǎng)圍巖整體結(jié)構(gòu)與砌體梁力學(xué)模型”及“采場(chǎng)支架與圍巖禍合作用機(jī)理研究”[17, 18]等，提出了由于“砌體梁”的“S-R”穩(wěn)定而引起的對(duì)直接頂?shù)摹八擅擉w壓力”與“回轉(zhuǎn)變形壓力”概念.直至論文“采場(chǎng)直接頂對(duì)支架與圍巖關(guān)系的影響機(jī)制”及“采場(chǎng)支架一圍巖關(guān)系的新研究[19,20]，進(jìn)一步論證了由于直接頂?shù)淖冃沃率埂捌鲶w梁”對(duì)直接頂?shù)幕剞D(zhuǎn)變形載荷有可能被破碎了的直接頂所吸收，從而導(dǎo)致了在該情況下的“P－△l”關(guān)系中類(lèi)雙曲線關(guān)系不再存在.
此項(xiàng)研究的主要結(jié)論為:
1)根據(jù)采場(chǎng)四邊形直接頂?shù)氖Х€(wěn)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(lèi).
2)當(dāng)直接頂剛度為零剛度時(shí)，支架處于“給定載荷”或“限定載荷”工作狀態(tài);當(dāng)處于似剛性時(shí)，支架處于“給定變形”工作狀態(tài);當(dāng)處于中間型剛度時(shí)，P－△l呈典型雙曲線關(guān)系.
3)鑒于當(dāng)直接頂為似零剛度時(shí)(如放頂煤條件)，“P－△l"已不再存在類(lèi)雙曲線關(guān)系，此時(shí)，合理工作阻力的確定將主要決定于它對(duì)端面穩(wěn)定性的影響.
這些研究工作最終導(dǎo)致了采場(chǎng)整體力學(xué)模型的建立，其主要研究成果除上述有關(guān)論文外，還體現(xiàn)在“The System of Stata Control Around Long-wall Face in China'，及“采場(chǎng)礦山壓力理論研究的新進(jìn)展”[21, 22]等論文中.
4工作面礦山壓力與支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)
任何一項(xiàng)工程質(zhì)量的保證，決定于設(shè)計(jì)是否符合實(shí)際及而后的施工是否到位.礦山壓力控制也是一樣，如何保證施工符合設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，則決定于對(duì)工程質(zhì)量的監(jiān)測(cè).事實(shí)證明，在礦山壓力控制中實(shí)際支護(hù)阻力與設(shè)計(jì)的要求往往是兩回事.這常常是導(dǎo)致工作面頂板事故的根本原因.尤其是回采工作面是在不斷推移的過(guò)程中，而且頂板條件又在不斷地變化，因此及時(shí)地進(jìn)行監(jiān)測(cè)是保證工作面進(jìn)行安全生產(chǎn)的根本保證.我國(guó)自80年代開(kāi)始比較大規(guī)模地進(jìn)行回采工作面頂板與支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)，由此回采工作面頂板事故大幅度減少，創(chuàng)造了良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益，其中的關(guān)鍵是運(yùn)用礦山壓力理論以確定監(jiān)測(cè)指標(biāo)，從而形成了“支架一圍巖”穩(wěn)定性診斷技術(shù)，使事故消滅于形成之初.有關(guān)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(xiàn)在創(chuàng)造了一整套的監(jiān)測(cè)儀器及開(kāi)發(fā)了一套支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)的軟件.
5展望
回顧20年來(lái)的研究工作，顯然對(duì)今后的研究工作有益.今后的工作將從以下方面進(jìn)行:
1)進(jìn)一步完善采場(chǎng)整體力學(xué)模型，在研究直接頂穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上建立各項(xiàng)參數(shù)的關(guān)系，由此為監(jiān)控技術(shù)提供端面頂板穩(wěn)定性的監(jiān)控指標(biāo)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化監(jiān)測(cè)儀表、“預(yù)測(cè)一監(jiān)控”體系.為回采工作面安
全與高產(chǎn)高效服務(wù).
2)深入研究巖層控制中的關(guān)鍵層理論，以便對(duì)上覆巖層內(nèi)的離層區(qū)分布作出定量描述，為發(fā)展離層區(qū)充填技術(shù)及地面或井下抽放瓦斯技術(shù)奠定基礎(chǔ).在關(guān)鍵層理論中將重點(diǎn)研究堅(jiān)硬巖層破斷的組合效應(yīng)以及關(guān)鍵層破斷形態(tài)與表土層變形的禍合關(guān)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)
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"
