左建平孫運江劉海雁于美魯雷博宋洪強文金浩

1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083;2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,北京 100083

“十三五”期間,我國煤炭開采自主創(chuàng)新能力得到了大幅提升[1],礦山災(zāi)害大幅降低?！笆奈濉睍r期,我國煤礦安全生產(chǎn)形勢依然嚴(yán)峻,百萬噸死亡率遠(yuǎn)高于世界先進國家水平[2]。我國各大礦區(qū)煤層賦存條件存在較大差異,開采方法多樣,導(dǎo)致巖石破壞行為及力學(xué)機理復(fù)雜多變。煤層開采后圍巖應(yīng)力重新分布,采空區(qū)頂板巖層出現(xiàn)拉伸破壞、剪切破壞或混合破壞,采空區(qū)周圍產(chǎn)生采動支承壓力,煤巖體發(fā)生壓剪破壞。煤礦災(zāi)害事故頻發(fā)主要是由于對采動復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下圍巖的宏細(xì)觀破壞機理研究不足所致。

巖石的物理性質(zhì)與測量的尺度密切相關(guān)[3]。同樣地,煤礦開采根據(jù)研究對象的不同,巖石破壞力學(xué)行為的研究也存在多尺度特征,如圖1所示。巖石宏細(xì)觀破壞力學(xué)行為是巖層移動和巷道圍巖控制的基礎(chǔ)。巖層的破斷移動影響著巷道圍巖穩(wěn)定,巖層破斷運動產(chǎn)生支承壓力,其峰值約為地應(yīng)力的1.5～3.0 倍[4],是造成巷道破壞惡化和誘發(fā)災(zāi)害的主要驅(qū)動力。近年來,國內(nèi)外學(xué)者在煤礦開采巖石破壞及控制方面進行了大量研究。謝和平[5]系統(tǒng)分析了深部開采煤巖失穩(wěn)破壞多尺度多因素協(xié)同作用機理及演化規(guī)律。何滿潮等[6]指出,深部工程巖體力學(xué)是非線性力學(xué)系統(tǒng)。鞠楊等[7]提出3D 模型打印與應(yīng)力凍結(jié)技術(shù)相結(jié)合的方法,研究地下巖體內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)與三維應(yīng)力場分布的定量表征與可視化。許家林等[8]研究了關(guān)鍵層對覆巖大尺度破斷影響,并提出了預(yù)測導(dǎo)水裂隙帶高度的新方法。

圖1 采礦巖石多尺度破壞行為Fig.1 Multi-scale failure behavior of rock in mining engineering

在前人研究的基礎(chǔ)上,筆者對巖石宏細(xì)觀破壞力學(xué)機理、采動覆巖破斷運動規(guī)律、巷道圍巖控制進行了系統(tǒng)研究,基于宏細(xì)觀力學(xué)試驗揭示了圍巖漸進梯度破壞機理,提出了采動覆巖移動“類雙曲線”模型,建立了煤礦巷道圍巖等強支護理論,并提出了巷道全空間協(xié)同控制技術(shù)[9-13]。以期為我國煤礦開采災(zāi)害防治提供理論和技術(shù)支持。

1 采礦巖石宏細(xì)觀破壞力學(xué)

巖石作為天然地質(zhì)材料,其宏觀力學(xué)行為是人們最初研究的重點,而巖石材料的強度、變形和破壞特性不僅與外力作用條件相關(guān),而且極大地受到其內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響[13]。因其內(nèi)部同時存在大量微裂紋、微孔洞等細(xì)觀缺陷和非礦物雜質(zhì),使得巖石呈現(xiàn)顯著的不連續(xù)性、不均勻性和各向異性等特征。因此國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為,巖石損傷和破壞現(xiàn)象是從細(xì)觀到宏觀的多尺度耦合的過程[14-16]。目前,巖石的宏細(xì)觀破壞機理已成為巖石力學(xué)領(lǐng)域研究的熱點、難點問題,得到了各國相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的高度重視。謝和平等[17]對巖石斷口形貌進行了詳細(xì)分析,深刻揭示了巖石的破裂機理。崔振東等[18]利用SEM 掃描電鏡進行了頁巖的細(xì)觀拉伸原位試驗,獲得了微裂紋的起裂、擴展及止裂規(guī)律。朱其志等[19]建立了非線性力學(xué)行為的損傷-摩擦耦合細(xì)觀本構(gòu)模型。李術(shù)才等[20]利用電阻率和聲發(fā)射技術(shù)研究了單軸壓縮下砂巖的破壞過程和力學(xué)響應(yīng)。尹光志等[21]研究了粗砂巖宏觀力學(xué)特性與圍壓的關(guān)系。近年來,筆者對采礦巖石力學(xué)中巖石宏細(xì)觀多尺度破壞問題也進行了系統(tǒng)研究。

1.1 巖石細(xì)觀破壞行為

利用帶加載裝置的SEM 高溫試驗系統(tǒng)對巖石細(xì)觀裂紋的萌生、擴展和斷裂全過程及其斷裂機制進行了系統(tǒng)研究[22-26]。平頂山砂巖經(jīng)不同溫度熱處理后細(xì)觀斷裂試驗,如圖2所示。經(jīng)過50 ℃、100 ℃熱處理后的砂巖,裂紋均是沿著顆粒的邊界向前擴展,屬于繞行方式,斷裂屬于沿顆粒斷裂。而經(jīng)過125 ℃和150 ℃熱處理后的試件,裂紋不僅有沿顆粒邊界擴展,同時伴有穿礦物顆粒擴展的方式,斷裂屬于穿顆粒斷裂和沿顆粒斷裂的細(xì)觀機制共同作用。我們認(rèn)為,125 ℃是砂巖三點彎曲裂紋擴展方式發(fā)生變化的臨界溫度點。斷裂韌性與溫度的關(guān)系如圖3所示,25 ℃～200 ℃之間砂巖的斷裂韌性隨著溫度的變化規(guī)律不太明顯,125 ℃是平頂山砂巖斷裂韌性達到最大值的溫度,也是砂巖在該溫度附近產(chǎn)生不穩(wěn)定性的臨界溫度。

圖2 不同溫度熱處理后砂巖斷裂的裂紋擴展模式[26]Fig.2 Crack propagation mode of sandstone fracture after heat treatment at different temperatures[26]

圖3 溫度對砂巖斷裂韌度的影響[26]Fig.3 Influence of temperature on fracture toughness of sandstone[26]

由于砂巖是由多種礦物顆粒及黏土膠結(jié)物組成的,這些礦物顆粒的大小存在差異。經(jīng)過不同溫度熱處理后,礦物顆粒之間及其與黏土膠結(jié)物的結(jié)構(gòu)形式發(fā)生變化,部分吸附水和層間水的蒸發(fā)明顯改變黏土膠結(jié)物的黏結(jié)性能。而礦物顆粒及黏土膠結(jié)物由于其熱膨脹差異,在冷卻后導(dǎo)致礦物顆粒之間及其與膠結(jié)物之間都存在殘余應(yīng)力。這可能是導(dǎo)致不同溫度斷裂模式發(fā)生變化的根本原因。

1.2 煤巖體宏觀破壞行為

對尺寸為φ50 mm×100 mm 的煤(M)、巖(R)、煤-巖組合體(MR)、巖-煤組合體(RM)和巖-煤-巖組合體(RMR)進行了一系列宏觀破壞壓縮試驗[27-29]。不同組合類型試樣單軸壓縮下的破壞形態(tài)如圖4所示。可見,煤巖組合體破壞主要發(fā)生在煤體部分,煤體以劈裂破壞機制為主。圖5 為煤巖組合體與煤單體的單軸抗壓強度及彈性模量變化。煤巖組合體的承載強度增大,彈性模量也變大,其中RMR 煤巖組合強度及彈性模量最大,RM、MR依次稍小。不同圍壓下煤巖組合體的彈性模量如圖6所示,圍壓由0 增至15 MPa 時,組合體的割線模量大致為線性增大,當(dāng)繼續(xù)增大圍壓,割線模量基本保持不變。

圖4 煤巖組合體破壞特征[30]Fig.4 Failure characteristics of coal-rock combined body

圖5 煤巖組合體平均單軸抗壓強度和彈性模量[30]Fig.5 Uniaxial compressive strength and elastic modulus of coal-rock combined body

圖6 煤巖單體及組合體割線模量與圍壓的關(guān)系[31]Fig.6 Relationship between secant modulus and confining pressure of single coal rock and combined body

對煤巖組合體的循環(huán)加卸載特性進行了系統(tǒng)研究[32-33],彈性模量和能量特性隨不同循環(huán)加卸載次數(shù)的演變規(guī)律,如圖7 和圖8所示。煤巖組合體的能量演化具有明顯的非線性特征。根據(jù)應(yīng)力梯度理論,開展了砂巖加卸載試驗[34-36]。各個應(yīng)力梯度區(qū)下砂巖加載全過程內(nèi)部裂隙變化率與軸向應(yīng)力的關(guān)系如圖9所示。其中,巖石內(nèi)部裂隙變化率通過測試超聲波速變化反演獲得。離巷道越近,巖石峰值附近裂隙變化不穩(wěn)定性加劇,而破壞后裂隙迅速增多,砂巖結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜。

圖7 不同循環(huán)次數(shù)煤巖組合體的加卸載彈性模量[32]Fig.7 Load-unload elastic moduli of coal-rock combined body for different cycles

圖8 循環(huán)加卸載下煤巖組合體能量演化特征[33]Fig.8 Energy evolution characteristics of coal-cock combined body under cyclic loading-unloading

圖9 不同應(yīng)力梯度區(qū)下砂巖加載全過程裂隙變化[34]Fig.9 Crack variation of sandstone in the whole loading process under different stress gradient zones

1.3 煤巖體宏觀破壞本構(gòu)模型

煤巖體的本構(gòu)關(guān)系是分析其變形破壞的基礎(chǔ)。煤巖體內(nèi)分布有大量原始微裂紋,在荷載作用下這些微裂紋以及新生裂紋的演化規(guī)律與煤巖體的變形行為密切相關(guān)。如何準(zhǔn)確描述煤巖體內(nèi)裂紋的閉合、擴展規(guī)律,是建立煤巖體變形破壞非線性模型的前提。圖10 展示了單軸加載下巖-煤-巖(RMR)組合體的軸向裂紋演化規(guī)律?；谧匀粦?yīng)變和工程應(yīng)變的概念,通過推導(dǎo)得到了煤巖體軸向裂紋閉合模型(ACCM)和軸向裂紋擴展模型(ACPM)[37]:

圖10 軸向裂紋應(yīng)變隨軸向應(yīng)力演化曲線[37]Fig.10 The evolution laws of axial crack strain with axial stress

對于卸載條件,軸向裂紋是逐漸張開的,軸向應(yīng)力逐漸減小。因此,若以壓縮為正,則裂紋軸向張開應(yīng)變與卸載軸向應(yīng)力同為負(fù)值。為簡要說明,以MR-C-2 試樣第7 循環(huán)的卸載曲線為例,如圖11所示,其中分別為裂紋開始張開和卸載結(jié)束時的軸向裂紋應(yīng)變,σcri為軸向裂紋張開應(yīng)力。通過將坐標(biāo)原點平移,采用與加載條件下相同的推導(dǎo),可得到卸載條件下煤巖體軸向裂紋張開模型(ACRM)[38]:

圖11 卸載條件下軸向裂紋張開應(yīng)變與軸向應(yīng)力關(guān)系[38]Fig.11 Axial crack recovery strain versus axial stress under unloading condition

選用單軸加載下巖-煤(RM)組合體實驗數(shù)據(jù)對煤巖體軸向裂紋閉合、擴展模型進行驗證,實驗數(shù)據(jù)和理論曲線如圖12所示?？梢钥闯?利用軸向裂紋應(yīng)變模型計算的理論曲線與實驗數(shù)據(jù)吻合度較高,較好地描述了煤巖體峰前加卸載過程中裂紋閉合、擴展的非線性行為。進而可得到煤巖體單軸加載下峰前應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型,見式(4)[37]。圖13 展示了單軸加載下巖-煤(RM)組合體試驗數(shù)據(jù)與理論曲線的對應(yīng)關(guān)系,可以看出,該模型能很好地體現(xiàn)出煤巖體峰前應(yīng)力-應(yīng)變的3 個階段,即壓密階段、彈性階段、屈服階段。

圖12 峰前軸向裂紋應(yīng)變模型驗證[37]Fig.12 Verification of pre-peak axial crack strain models

圖13 峰前應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型驗證[37]Fig.13 Verification of pre-peak axial stress-strain models

煤巖體在單軸加載下的脆性特征通常比較明顯,而隨著圍壓增大,其峰后破壞延性逐漸增強,并出現(xiàn)一定的殘余強度。通過引用斷裂力學(xué)中有序多裂紋體的概念,將峰后階段的煤巖體概念化為裂紋體和基體兩部分(圖14)。

圖14 三軸壓縮下煤巖體峰后階段變形分析模型[39]Fig.14 Model of post-peak deformation analysis for coal rock body under tri-axial compression

裂紋體部分由于內(nèi)部含有大量裂紋,在峰后荷載作用下會發(fā)生較大的非彈性變形,并假設(shè)大量裂紋的等效變形代表裂紋體的變形?；w部分由基質(zhì)顆粒構(gòu)成,假設(shè)其峰后階段的變形仍為彈性變形。由于裂紋體發(fā)生的變形較大,故其應(yīng)變需用自然應(yīng)變來表示,而基質(zhì)的變形仍采用工程應(yīng)變表示。

圖15 展示了圍壓5 MPa 時的煤-巖(MR)組合體峰后軸向裂紋應(yīng)變演化規(guī)律。根據(jù)圖15 中峰后軸向裂紋應(yīng)變演化規(guī)律,通過推導(dǎo)得到了煤巖體峰后應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型[39]:

圖15 峰后軸向裂紋應(yīng)變演化規(guī)律[39]Fig.15 The evolution laws of post-peak axial crack strain

式中,εcc01 為裂紋峰前擴展階段結(jié)束時的極值應(yīng)變;為峰值點處的軸向裂紋應(yīng)變;Scc為裂紋體的等效非彈性柔度。

選取常規(guī)單、三軸加載下煤-巖組合體實驗結(jié)果對該模型的可行性加以驗證,如圖16所示?？煽闯?利用煤巖體峰后軸向裂紋應(yīng)變模型擬合的峰后應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線與試驗曲線的趨勢大體相同,能較好地反映煤巖體峰后階段的軟化過程和殘余強度。該模型雖然對峰后延性較強試樣的擬合效果較好,但對峰后脆性跌落明顯的試樣擬合效果較差。故該模型更適用于三軸壓縮的情況。

圖16 峰后應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型驗證[39]Fig.16 Verification of post-peak axial stress-strain models

1.4 巖層大尺度破斷行為模擬試驗

通過采空區(qū)頂板破斷模擬實驗裝置研究了不同厚度頂板的大尺度破斷模式[40](圖17)。將實驗結(jié)果歸結(jié)為4 種破斷模式[41]:①沿長邊的橫向“O-X”破斷形態(tài);②沿短邊的縱向“O-X”破斷形態(tài);③沿長邊的橫向“O-”破斷形態(tài);④沿短邊的縱向“O-”破斷形態(tài)。基于中厚板理論建立四邊簡支厚頂板斷裂力學(xué)模型,工作面長度和推進步距取定值,探討巖層厚度對頂板斷裂力學(xué)因素的影響。研究發(fā)現(xiàn),隨著巖層厚度增加,橫向剪應(yīng)力的作用不斷增強,巖層更易發(fā)生剪切破斷。工作面長度和推進步距一定時,可以得到厚硬巖層破斷模式分區(qū)[42],如圖18所示。隨著巖層厚度的增加,巖層破斷時經(jīng)歷了拉破壞→拉剪破壞→剪破壞,這反映了誘發(fā)巖層破斷的力學(xué)因素隨巖層厚度增加的演化過程。

圖17 相似材料模擬不同厚度頂板破斷及裂紋發(fā)育情況Fig.17 Development and failure of cracks of roof strata by similar material simulation

圖18 厚硬巖層破斷模式分區(qū)Fig.18 The thick hard rock strata breaking mode partition

2 巷道等強支護理論及全空間控制技術(shù)

地應(yīng)力和采動應(yīng)力是巷道圍巖變形的根本驅(qū)動力,圍巖力學(xué)特性是影響巷道變形的重要因素[43]。為了控制巷道變形,國內(nèi)外學(xué)者提出一系列的支護理論和圍巖控制技術(shù)。侯朝炯等[44]揭示了巷道錨桿支護圍巖強度強化機理?？导t普等[45-46]提出了巷道圍巖關(guān)鍵圈理論和“支護-改性-卸壓”協(xié)同控制技術(shù)。何滿潮等[47]發(fā)明了恒阻大變形錨桿/索支護技術(shù)。于學(xué)馥等[48]提出了軸變論和圍巖穩(wěn)定軸比三規(guī)律。高延法等[49]提出了軟巖巷道鋼管混凝土支護技術(shù)。

在前人的基礎(chǔ)上,筆者團隊揭示了巷道圍巖應(yīng)力梯度破壞機理,建立了巷道等強支護理論,提出了全空間協(xié)同控制技術(shù)[50],實現(xiàn)了巷道圍巖均勻可控變形。

2.1 煤礦圍巖應(yīng)力梯度破壞機理

本團隊基于現(xiàn)場、室內(nèi)宏細(xì)觀破壞實驗及數(shù)值分析,認(rèn)為應(yīng)力梯度是導(dǎo)致巷道圍巖破壞的一個重要影響因素,建立了相應(yīng)的巷道圍巖應(yīng)力梯度破壞理論模型[12],如圖19所示。深部巷道圍巖破壞和所處的應(yīng)力梯度場有很大關(guān)系:靠近巷道的區(qū)域相對應(yīng)力梯度越大則應(yīng)力貢獻度越小,該處巖體容易發(fā)生破壞;離巷道較遠(yuǎn)時,相對應(yīng)力梯度接近零,而應(yīng)力貢獻度上升,則趨于穩(wěn)定。這是對圍巖松動圈理論的進一步發(fā)展。

圖19 圍巖梯度破壞模型Fig.19 Model of rock damage spot

根據(jù)井巷圍巖應(yīng)力彈性和彈塑性狀態(tài)的理論解,在不同深度的環(huán)境進行巖體開挖時,巷道埋深對巷道周圍應(yīng)力分布的影響[12]如圖20所示。由圖20 知,巷道開挖導(dǎo)致圍巖切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力均發(fā)生了顯著變化,越靠近巷道壁的圍巖受到的切向應(yīng)力越大、徑向應(yīng)力越小;隨著距離的增加,切向應(yīng)力逐漸下降、徑向應(yīng)力上升,二者都接近一個定值并且大小趨于平穩(wěn),即巷道的開挖對遠(yuǎn)處的巖體幾乎無影響。

圖20 巷道開挖后圍巖應(yīng)力分布Fig.20 Stress distribution of tunnel surrounding rock after excavation

2.2 煤礦巷道等強支護理論力學(xué)分析

基于“等強度梁”概念,我們提出了深部巷道等強支護控制理論模型[51]。根據(jù)巷道圍巖受力特征,通過開槽卸壓、注漿加固、錨桿(索)主動支護、鋼管混凝土被動支護等綜合手段,有效調(diào)整巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài),以期實現(xiàn)不同位置圍巖能夠達到安全且與地應(yīng)力比相匹配的等效應(yīng)力強度狀態(tài),獲得應(yīng)力分布形態(tài)趨于均勻、圍巖塑性區(qū)范圍相似的理想狀態(tài),如圖21所示。提出巷道圍巖全空間協(xié)同控制技術(shù),闡釋煤礦巷道全空間協(xié)同控制力學(xué)原理與控制技術(shù),有效解決了深部巷道的大變形問題。

圖21 巷道加固方式示意圖Fig.21 Schematic diagram of roadway reinforcement methods

依據(jù)巷道破壞模式,當(dāng)出現(xiàn)圍巖應(yīng)力集中、圍巖破碎、拉應(yīng)力區(qū)等情況時,應(yīng)合理采用應(yīng)力控制、注漿加固、噴射混凝土、錨桿(索)、鋼管混凝土支架及全空間協(xié)同支護等措施,調(diào)整并控制圍巖受力。在理想情況下,通過選取合理的控制措施讓巷道周邊圍巖趨于均勻受壓,以期實現(xiàn)不同位置圍巖能達到安全且與地應(yīng)力比相匹配的等強狀態(tài),如圖22所示,此時圍巖能夠均勻協(xié)調(diào)變形,從而實現(xiàn)對巷道圍巖的有效控制。

圖22 巷道等強支護控制理論模型Fig.22 Schematic diagram of conceptual model of uniform strength support control theory

2.3 巷道全空間協(xié)同控制技術(shù)

全空間協(xié)同控制技術(shù)的基本核心為“全空間支護、剛?cè)釁f(xié)同、讓壓釋能、動態(tài)監(jiān)測、局部加強”[53]。該技術(shù)是指對巷道圍巖空間不同破壞程度區(qū)域采取差異化強度支護,巷道完成支護后進行圍巖變形動態(tài)監(jiān)測,對潛在風(fēng)險區(qū)域進行局部加強支護。

采用FLAC3D模擬分析單體錨索、傳統(tǒng)桁架和全空間桁架支護的預(yù)應(yīng)力場情況。當(dāng)預(yù)緊力為150 kN 時,單體錨索、傳統(tǒng)桁架和全空間桁架的預(yù)應(yīng)力場如圖23所示。從圖23 可知,全空間桁架的最大預(yù)應(yīng)力明顯高于傳統(tǒng)桁架和單體錨索,比傳統(tǒng)桁架的最大預(yù)應(yīng)力提升了11%,比單體錨索提升了38%。

圖23 不同支護方式預(yù)應(yīng)力場(預(yù)緊力150 kN)[53]Fig.23 Numerical prestress field of different support methods when the preload is 150 kN

現(xiàn)場應(yīng)用中,以山西省新元礦為例,巷道圍巖破碎程度極高,巖石強度較低,圍巖自承載及穩(wěn)定性差。原有的支撐方案強度和剛度較弱,圍巖變形大,如圖24(a)所示。采用高強鋼管混凝土支架+錨網(wǎng)索噴主被動全空間協(xié)同支護技術(shù)后,軟巖巷道大變形得到有效控制,如圖24(b)所示。

圖24 鋼管混凝土支護效果[54]Fig.24 The support effect of concrete-filled steel tube

3 采動覆巖整體移動“類雙曲線”模型

我國各大礦區(qū)煤層賦存的覆巖條件多樣化(部分礦區(qū)出現(xiàn)巨厚礫巖、堅硬厚頂板和厚松散層等特殊覆巖條件),采動覆巖破斷運動復(fù)雜,難以統(tǒng)一理論描述。目前深部開采覆巖內(nèi)部的破斷運動規(guī)律仍然是一個“黑箱”[55],嚴(yán)重制約了國家發(fā)展改革委和國家能源局倡導(dǎo)的“科學(xué)采礦”。采動覆巖破斷運動描述是涉及采礦、力學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科的交叉性課題。在采動覆巖的破斷運動方面,國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究。Litwiniszyn 引入隨機介質(zhì)理論預(yù)測地表沉陷,后由劉寶琛等發(fā)展為概率積分法,已廣泛應(yīng)用于礦山工程的地表移動和變形預(yù)計[56]。同時,劉寶琛等[57]指出概率積分法對巖層移動的力學(xué)機理解釋存在不足,對巖層內(nèi)部的移動規(guī)律解釋不細(xì)微,因此“需要把力學(xué)方法與幾何學(xué)方法結(jié)合起來,全面描述開采沉陷的形態(tài)和過程”。錢鳴高等[58]提出了關(guān)鍵層理論,為巖層移動研究提供了統(tǒng)一的思想和方法。

基于上述研究,筆者團隊先后建立了巖層移動“類雙曲線”模型及內(nèi)外“類雙曲線”模型,分析了“類雙曲線”模型隨關(guān)鍵層層位和煤層傾角變化的演變規(guī)律,初步形成了采動覆巖移動“類雙曲線”理論框架[59-66],為豐富科學(xué)采礦的巖層移動及地表沉陷控制提供了理論基礎(chǔ)。該理論模型能夠為巖層移動與控制、煤與瓦斯共采、地下水保護、充填開采等提供指導(dǎo),得到國內(nèi)外礦業(yè)領(lǐng)域知名學(xué)者的積極評價。

3.1 巖層移動“類雙曲線”模型

采動覆巖整體移動“類雙曲線”模型,如圖25所示。主關(guān)鍵層上部軟弱巖層發(fā)生近似“漏斗形”移動,下部堅硬基巖發(fā)生近似“倒漏斗形”破斷移動,主關(guān)鍵層成為覆巖中破壞最窄的巖層,“類雙曲線”頂點大約位于主關(guān)鍵層位置?！邦愲p曲線”模型將地表“漏斗形”沉陷和頂板“倒漏斗形”破斷統(tǒng)一成一個整體?！邦愲p曲線”模型是關(guān)鍵層理論的進一步發(fā)展和應(yīng)用。

圖25 充分采動覆巖整體移動“類雙曲線”模型[68]Fig.25 Analogous hyperbola model of overburden movement caused by full mining

在巖層移動“類雙曲線”模型的基礎(chǔ)上,我們進一步發(fā)展了內(nèi)外“類雙曲線”模型,如圖26所示。地表沉降與巖層移動在縱方向的變化輪廓,通過巖層移動邊界與地表沉降邊界構(gòu)成的“類雙曲線”模型描述。外“類雙曲線”模型指的是巖層移動邊界“類雙曲線”模型,在工作面的中垂線附近似“左右”對稱關(guān)系。內(nèi)雙曲線和外雙曲線統(tǒng)稱為厚松散層、水平煤層、開采巖層移動與地表沉降的內(nèi)、外“類雙曲線”整體模型。內(nèi)“類雙曲線”模型指的是充分采動過程中覆巖倒漏斗拱式垮落帶、拱式裂隙帶與地表漏斗式沉降移動拱曲線的整體描述。

圖26 巖層移動內(nèi)外“類雙曲線”整體模型[59]Fig.26 Conjugate analogous hyperbola model of strata movement and surface subsidence

3.2 巖層移動“類雙曲線”模型演化

采動覆巖的破斷運動形態(tài)與開采條件、覆巖特性等密切相關(guān)。筆者研究了不同覆巖條件下巖層移動“類雙曲線”模型演化規(guī)律[61-63]。根據(jù)上覆巖層力學(xué)特性和關(guān)鍵層的位置,將巖層移動“類雙曲線”模型分為三大類,給出了不同開采條件下“類雙曲線”演化模型的判定方法和流程,傳統(tǒng)“類漏斗”模型為“類雙曲線”模型在特定覆巖條件下的一種拓?fù)溲莼螒B(tài)。建立了含有主關(guān)鍵層位置和覆巖力學(xué)特性等參數(shù)的物理表征方程,實現(xiàn)了運用力學(xué)與數(shù)學(xué)方法綜合描述巖層移動的整體形態(tài)。

4 結(jié)論

(1)采礦工程中,巖石的破壞與巖石的微觀結(jié)構(gòu)、礦物顆粒及其膠結(jié)程度密切相關(guān)?？梢哉J(rèn)為,采礦巖石力學(xué)問題就是巖石的多尺度破壞問題。該問題的研究,可將巖石的整體性質(zhì)與其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)、礦物顆粒性質(zhì)等的特點聯(lián)系起來。

(2)在巖石力學(xué)室內(nèi)實驗尺度,利用帶加載裝置的SEM 高溫試驗系統(tǒng)研究了巖石細(xì)觀裂紋的萌生、擴展和斷裂全過程及其斷裂機制;對不同開采(加卸載)條件下煤巖體及煤巖組合體宏觀破壞力學(xué)特性進行了系統(tǒng)試驗研究;采用相似材料模擬研究了不同厚度頂板的破斷模式,得到頂板4 種破斷模式和破斷模式分區(qū)。

(3)在巷道圍巖尺度,建立了煤礦巷道圍巖應(yīng)力梯度破壞模型和等強支護理論;提出了巷道圍巖全空間協(xié)同控制技術(shù),闡釋了巷道全空間協(xié)同控制力學(xué)原理,數(shù)值模擬對比分析了單體錨索、傳統(tǒng)桁架和全空間桁架預(yù)應(yīng)力場的差異;現(xiàn)場應(yīng)用有效控制了巷道圍巖大變形。

(4)在采場巖層破斷尺度,基于巖層移動關(guān)鍵層理論,建立了巖層移動“類雙曲線”模型及內(nèi)外“類雙曲線”模型;分析了“類雙曲線”模型隨關(guān)鍵層層位和煤層傾角變化的演變規(guī)律,初步形成了采動覆巖移動“類雙曲線”理論框架,豐富了科學(xué)采礦理論體系。