白雪斌

摘? 要：隨著煤礦開采深度的不斷增加及開采技術(shù)水平的提高，許多新的解釋采場礦壓顯現(xiàn)的假說和觀點陸續(xù)出現(xiàn)。通過文獻整理，該文系統(tǒng)闡述了采場礦山壓力理論、采動覆巖空間結(jié)構(gòu)與應(yīng)力場的動態(tài)關(guān)系、放頂煤覆巖運動與采場礦壓顯現(xiàn)、大采高綜采覆巖運動與采場礦壓顯現(xiàn)的研究進展，為解決實際工程中采場礦壓顯現(xiàn)異常提供了有力的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：采場? ?礦山壓力? ?礦壓顯現(xiàn)? 覆巖結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TD31? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2021）06（c）-0028-03

Discussion on the Status Quo of Theoretical Research on Overburden Movement in Stope in China

BAI Xuebin

（Shanxi Institute of Technology， Yangquan， Shanxi Province， 045000? China）

Abstract： With the continuous increase of coal mining depth and the improvement of mining technology， many new hypotheses and viewpoints to explain the behavior of stope ground pressure appear one after another. Through literature sorting， this paper systematically expounds the research progress of stope mine pressure theory， the dynamic relationship between mining overburden spatial structure and stress field， top coal caving overburden movement and stope mine pressure behavior， large mining height fully mechanized mining overburden movement and stope mine pressure behavior， which provides a strong theoretical basis for solving the anomaly of stope mine pressure behavior in practical engineering.

Key Words： Stope; Mine pressure; Mine pressure behavior; Overburden structure

近年來，隨著采掘設(shè)備能力的提升，大采高綜采、綜放成為厚煤層主要的開采手段，這樣煤層一次采出空間急劇增加，伴隨著采場礦壓控制難題日益凸顯，而礦山壓力顯現(xiàn)是覆巖結(jié)構(gòu)運動的直觀反映。大采高深部開采中與動載損害相關(guān)的覆巖活動與應(yīng)力場范圍，在豎直方向上已經(jīng)超出了采場近距離基本頂?shù)姆秶鶾1]，隨之產(chǎn)生了新的理論來指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。該文系統(tǒng)論述了深部開采條件下采場礦山壓力理論、采動覆巖空間結(jié)構(gòu)與應(yīng)力場的動態(tài)關(guān)系、放頂煤覆巖運動與采場礦壓顯現(xiàn)、大采高綜采覆巖運動與采場礦壓顯現(xiàn)等方面的研究進展。

1? 采場覆巖結(jié)構(gòu)理論研究進展

1.1 早期認識階段

縱觀采場覆巖結(jié)構(gòu)理論發(fā)展歷史，早期比較有代表性的假說有壓力拱假說、懸臂梁假說、預(yù)成裂隙假說、鉸接巖塊假說等[2]，在此基礎(chǔ)上，采場上覆巖層結(jié)構(gòu)理論得到了進一步發(fā)展[2]。

1.2 近代發(fā)展階段

1.2.1 以“砌體梁”及“關(guān)鍵層”為主體的理論

錢鳴高院士等[3]根據(jù)現(xiàn)場觀測分析，提出了煤層開采后覆巖呈“砌體梁”式平衡的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，給出了采場上覆巖層力學(xué)模型特定的邊界條件。又進一步建立了不同支撐條件下有關(guān)板和梁的力學(xué)模型，進行基本頂來壓的預(yù)測預(yù)報。之后，通過對覆巖承受載荷及變形規(guī)律的分析又提出了“關(guān)鍵層理論”，即堅硬巖層對覆巖運移起主要作用，基于此理論，可以揭示采場上覆巖層裂隙分布規(guī)律和識別覆巖主關(guān)鍵層及離層區(qū)位置。

1.2.2 以“傳遞巖梁”為主體的理論

宋振駭院士等[4]根據(jù)大量的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，建立了“以巖層運動為中心”的礦山壓力理論，認為覆巖的“直接頂”及“老頂”是影響采場礦山壓力及其顯現(xiàn)的主要因素，通過改變采高、頂板處理方法等條件可使相關(guān)巖層的范圍發(fā)生改變，并提出了劃分頂板屬性的新思想。

1.2.3 其他理論

姜福興[1]依據(jù)工作面采動邊界條件把工作面覆巖結(jié)構(gòu)分為4種類型即“θ”型、“O”型、“S”型和“C”型;古全忠等[5]通過數(shù)值模擬放頂工作面的頂板運動規(guī)律，提出了采場覆巖運動的“拱–梁”結(jié)構(gòu)模型;張頂立等[6]基于煤系地層的層狀巖體結(jié)構(gòu)特征，提出了采場上覆關(guān)鍵巖層運動分為連續(xù)梁、損傷弱化梁和塊體結(jié)構(gòu)梁3種模式。

近年來，對于不同賦存位置的關(guān)鍵層破斷結(jié)構(gòu)研究又有了新的觀點：

于斌、朱衛(wèi)兵等[7]提出了“大空間”“遠近場”的理念，建立了近場關(guān)鍵層“豎O-X”破斷與遠場關(guān)鍵層“橫O-X”破斷的力學(xué)模型，認為遠場關(guān)鍵層破斷后會在工作面覆巖中形成不同于近場破斷后的承載結(jié)構(gòu)，其破斷失穩(wěn)會協(xié)同近場關(guān)鍵層的破斷失穩(wěn)對采場礦壓造成強烈影響。

2? 采動覆巖結(jié)構(gòu)與應(yīng)力場的動態(tài)關(guān)系研究進展

陳學(xué)華[8]以礦井構(gòu)造應(yīng)力型沖擊顯現(xiàn)為背景，采用現(xiàn)場測試和理論分析相結(jié)合的辦法，建立了模擬沖擊發(fā)生的加載條件的力學(xué)模型，研究了采場煤壁受采動的應(yīng)力變化的規(guī)律，認為采動應(yīng)力在向煤壁內(nèi)轉(zhuǎn)移時，應(yīng)力場會變化，應(yīng)力演變波動范圍不斷擴大但煤壁內(nèi)應(yīng)力峰值在逐步減小。

姜福興等[9]利用微地震定位技術(shù)，揭示了工作面覆巖斷裂與應(yīng)力場的關(guān)系，表明了由采動引起的巖體破裂類型有4種，解釋了高垂直壓力、低側(cè)壓的致裂機理，闡述了工作面3種邊界條件下覆巖破裂結(jié)構(gòu)與采動應(yīng)力場的關(guān)系。

蔣軍軍等[10]通過對沖擊傾向性煤樣進行動態(tài)試驗，闡述了彈性能量指數(shù)和滯回環(huán)面積的表征意義，解釋了動載荷誘發(fā)卸荷煤體沖擊失穩(wěn)的動態(tài)響應(yīng)機制，且描述了動載作用下能量積聚與耗散特性。

張廣輝等[11]通過開展煤樣的多級循環(huán)加載試驗，認為基于能量耗散分析建立的沖擊傾向性煤損傷演化方程能夠較好地反映煤樣的損傷演化過程。

朱志潔等[12]基于關(guān)鍵層理論，認為圍巖應(yīng)力下降突變由于板-殼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，上升突變由于結(jié)構(gòu)下部巖層的周期破斷引起的。

龐義輝等[13]采用模擬分析、現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法，揭示了深部采場三向采動應(yīng)力與覆巖斷裂失穩(wěn)過程之間的關(guān)系，建立了基于液壓支架壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)驅(qū)動的支架載荷預(yù)測模型，為礦井災(zāi)害預(yù)測提供了基礎(chǔ)。

3? 放頂煤覆巖運動與采場礦壓顯現(xiàn)研究進展

鄧廣哲[14]通過放頂煤現(xiàn)場工程實踐，得出了放頂煤采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，從宏觀上分析了放頂煤采場上覆巖層形成的拱結(jié)構(gòu)。

賈喜榮[15]通過建立“彈性板與鉸接板結(jié)構(gòu)”力學(xué)模型，提出了覆巖結(jié)構(gòu)3種基本判據(jù)，證實了“彈性板與鉸接板結(jié)構(gòu)”力學(xué)模型在放頂煤工作面頂板來壓計算中仍然適用。

李化敏等[16]采用現(xiàn)場實測和理論分析等相結(jié)合的方法，對大采高綜放采場礦壓及頂板運移破斷特征進行分析，建立了工作面周期來壓時基本頂巖層破斷的力學(xué)模型，給出了采場液壓支架工作阻力的計算方法。

張宏偉等[17]通過研究同忻煤礦特厚煤層綜放開采覆巖破壞高度，得出了工作面上覆巖層的破壞發(fā)育由各亞關(guān)鍵層控制，而主關(guān)鍵層是抑制著覆巖破壞的發(fā)育。

王國法等[18]基于理論分析與數(shù)值模擬計算方法，分析了不同開采高度對頂煤冒放規(guī)律、支架工作阻力、煤壁穩(wěn)定性的影響。

楊登峰等[19]研究認為，特厚煤層工作面頂板破斷形成懸臂梁-砌體梁結(jié)構(gòu)模型，當(dāng)回采工作面來壓時期其支架工作阻力不足時，造成砌體梁下沉使懸臂梁回轉(zhuǎn)變形最后破斷，從而引起上覆砌體梁結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)造成工作面強礦壓顯現(xiàn)。

朱衛(wèi)兵等[20]提出了大空間采場覆巖遠場關(guān)鍵層“橫O-X”破斷的“三角板”模型，分析了“三角板”結(jié)構(gòu)的動態(tài)失穩(wěn)過程，認為“三角板”結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是引發(fā)采場出現(xiàn)大周期強礦壓顯現(xiàn)的主要原因。

4? 大采高綜采覆巖運動與采場礦壓顯現(xiàn)研究進展

弓培林等[21]采用現(xiàn)場實測及相似模擬技術(shù)相結(jié)合的手段，研究了大采高綜采采場頂板結(jié)構(gòu)特征，建立了采場頂板控制力學(xué)模型，依據(jù)直接頂巖層結(jié)構(gòu)不同，劃分直接頂為I、II、III型3種類型，并給出了相應(yīng)的頂板控制力學(xué)模型。

吳鋒鋒等[22]基于大采高綜采采空區(qū)冒落矸石的支撐作用對覆巖頂板失穩(wěn)控制的顯著性增強以及頂板自身撓曲變形的特點，引入了采空區(qū)矸石支撐系數(shù)表征采空區(qū)冒落矸石對覆巖頂板的支撐能力，分析了大采高綜采采場覆巖破斷失穩(wěn)范圍和結(jié)構(gòu)區(qū)域大小，建立了支架與覆巖相互作用力學(xué)模型。

文志杰、湯建泉等[23]基于“傳遞巖梁”理論，對大采高綜采采場覆巖破斷形成的承載平衡結(jié)構(gòu)及破斷類型進行了分析，得出了采高增大，直接頂厚度可能大幅度增加，隨之直接頂中出現(xiàn)懸頂堅硬巖層的幾率增大，從而采場基本頂范圍相對減少，覆巖中巖梁距采場的高度就會增大。

鞠金峰等[24]、許家林等[25]基于補連塔煤礦22303工作面礦壓實測結(jié)果，對比分析了不同采高綜采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的差異。得出了隨著采高的增加，支架支護強度相應(yīng)增加，且采高越大、亞關(guān)鍵層1越靠近煤層，其越易形成“懸臂梁”結(jié)構(gòu)，從而來壓持續(xù)距離越長。

楊俊哲[26]利用理論分析，相似模擬相結(jié)合的方法，得出了淺埋深8.8 m超大采出空間下覆巖垮落的結(jié)構(gòu)模型，揭示了工作面遠場頂板斷裂與垮落時空演化規(guī)律，為大采高綜采工作面礦壓機理研究提供了理論基礎(chǔ)。

5? 結(jié)語

該文系統(tǒng)綜述了深部開采條件下采場礦山壓力理論、采動覆巖空間結(jié)構(gòu)與應(yīng)力場的動態(tài)關(guān)系、放頂煤覆巖運動與采場礦壓顯現(xiàn)、大采高綜采覆巖運動與采場礦壓顯現(xiàn)等方面的研究進展，闡明了我國采場礦山壓力的重要理論。

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