《岩层控制的关键层理论》书评

随着对岩层控制科学研究的不断深入，在已有上覆岩层“砌体梁”结构理论的基础上，中国工程院院士钱鸣高教授进一步提出了岩层控制的关键层理论，其学术思想是：由于成岩时间及矿物成分不同，煤系地层形成了厚度不等、强度不同的多层岩层，其中煤层上方岩层中一层至数层厚硬岩层在覆岩活动中起主要的控制作用，称为关键层。为了弄清开采时由下往上传递的岩层移动过程，

煤矿绿色开采技术研究的理论新平台——评《岩层控制的关键层理论》

由钱鸣高、缪协兴、许家林、茅献彪等撰写的《岩层控制的关键层理论》一书已由中国矿业大学出版社于2003年出版.该书全面系统总结了岩层控制的关键层理论与实践成果.内容包括:关键层理论的提出、基本概念及判别方法;在理论上阐明了关键层上的载荷分布规律、关键层的破断规律及其复合效应;同时也分析了关键层破断后形成的结构力学模型及其"S-R"稳定判据,以及关键层运动对采场矿压显现、覆岩移动与地表沉陷及采动裂隙场分布的影响;总结了关键层理论在矿山压力与岩层控制、开采沉陷控制、卸压瓦斯抽放及底板突水防治等方面的工程应用.

岩层控制中的关键层理论研究

首次提出了采场上覆岩层活动中的关键层理论，建立了关键层的判别准则，深入研究了在关键层作用下岩层的变形、离层及断裂规律根据关键层的作用特性。

采动岩层整体移动“类双曲线”理论模型及验证——从二维“类双曲线”到三维“类双曲面”模型

煤炭开采会引起上覆岩层自下而上变形、破断及移动,并导致地表沉陷等问题,其本质是一个力学过程,故亟需发展基于岩层破断力学机理的移动理论模型。首先简要回顾了国内外岩层移动理论模型,然后重点介绍了本团队近年来在岩层整体移动理论模型方面的研究进展。基于不同层位岩层的破断形态的力学分析和相似模拟试验结果,提出了采动覆岩整体移动“类双曲线”模型,其顶点大约位于上覆岩层主关键层的层位。进而建立了岩层移动内外“类双曲线”整体模型,给出了采动覆岩内外整体移动表达式及物理意义参数体系。针对不同覆岩和煤层赋存条件,分析了岩层整体移动“类双曲线”模型的演化规律。在此基础上,进一步将二维“类双曲线”拓展到三维“类双曲面”模型,建立了采动覆岩全空间“类双曲面”立体移动模型,该模型包含“类单叶”和“类双叶”双曲面。该理论模型是在我国很多前辈及学者的研究基础上,从系统科学的角度考虑岩层的整体移动规律,初步形成了采动覆岩整体移动“类双曲线(面)”理论模型框架,希望能为我国煤炭科学开采提供理论指导。

煤矿采场岩层运动与控制研究进展--纪念钱鸣高院士“砌体梁”理论40年

自1982年钱鸣高院士提出的“砌体梁”理论得到国际公认以来,煤矿采场矿山压力研究实现从定性假说到定量理论的跨越式发展。40年来,我国的采场岩层运动与控制研究已形成较系统的理论与技术体系,服务于煤炭安全、高效、绿色开采。以“砌体梁”理论学术思想为主线,综述了我国煤矿采场岩层运动与控制研究进展,并提出了今后需要发展的研究方向。“砌体梁”理论采用“梁”“薄板”模型分析基本顶破断规律,揭示了顶板断裂线位于采场煤壁前方;煤壁和矸石支撑下基本顶破断岩块回转挤压,咬合形成“砌体梁”结构;发现了“砌体梁”结构的滑落(S)失稳和回转变形(R)失稳模式,建立了S-R失稳的力学条件,提出了基于“砌体梁”结构平衡的顶板压力计算方法,首次实现了支架-围岩关系的定量分析。“砌体梁”结构采场矿山压力力学模型突破了传统定性假说,为保障煤矿的安全和高产高效作出了历史性贡献。“砌体梁”理论指导煤矿采场顶板控制取得系列进展,如支架-围岩三耦合关系、顶板动载荷模型、支架阻力确定的二元准则、中厚板模型、大空间采场远-近场模型等。在“砌体梁”理论的基础上,钱鸣高院士于20世纪90年代中期提出了关键层理论,建立了下至采场、上至地表全覆岩运动过程的力学联系,实现了采场矿压、岩层移动和地表沉陷研究的统一。“砌体梁”理论与关键层理论指导了我国煤矿采场矿山压力与岩层控制研究,在采场矿压控制、覆岩裂隙分布、采动应力分布、岩层移动与开采沉陷等方面取得重要成果,为煤炭绿色开采与科学采矿奠定了基础。岩层运动与控制理论的进一步发展需集中到岩层运动统一场理论,基于采动岩层控制的灾害防治与减损技术,复杂条件岩层运动规律,岩层运动可视化技术和智能岩层控制技术等方面。

深部开采围岩稳定性与岩层控制关键理论和技术

首先,介绍了地应力对采矿工程荷载作用方式的特殊性,阐述了地应力控制采矿开挖过程和岩层稳定性的力学机理。地应力是采矿开挖前就存在于地层中的天然应力,采矿开挖出现自由空间并引起地应力向自由空间释放,形成“等效释放荷载”,它作用在开挖自由空间的边界上,而不是采矿外边界上。“等效释放荷载”带动周围岩体变形、位移和应力集中,导致围岩和岩层失稳、破坏。这与传统力学理论“外边界加载模式”有本质区别。若将地应力直接加在采矿外边界上,将得出“采矿外边界位移最大、开挖周边位移最小”等一系列错误结果。为此,必须根据采矿设计的开挖形态,将地应力转换成“等效释放荷载”进行计算和分析,才能得到正确的结果。同时,必须认识到地下采矿是多步开挖过程,也就是多次“等效释放荷载”加载过程。岩体是非线性材料,荷载的力学效应具有加载途径性。优化开采布局、开采顺序等可以优化“等效释放荷载”加载途径和力学效应,实现更好的岩层控制效应。最后,提出了地下采矿围岩稳定性与岩层控制的基本原理和方法,指出:支护的根本目的是保护、改善和提高岩体的强度,必须改变把围岩当成一种被动的荷载加以支撑的传统认识;充分发挥围岩自身强度达到采矿工程稳定,是岩石力学最基本的原理。在深部高地应力条件下,为了控制岩层变形和移动,维持采矿工程的稳定,上述原理的指导尤其重要。

双低位亚关键层破断能量聚散及控制研究

为研究综放工作面巷道围岩变形和能量聚散的关系,以屯宝煤矿WII02040501综放工作面为工程背景,通过理论分析、现场监测和工程验证相结合的方法,开展了工作面顶板关键层分析,计算了不同层位关键层释放能量传递至工作面特征规律,研究了工作面回采期间微震分布规律,开展了顶板切顶工程实践和效果检验。研究表明:WII02040501综放工作面顶板存在6个亚关键层和1个主关键层,微震事件主要分布于煤层上覆100 m范围,104J能级及以上微震事件分布在上覆50 m范围,计算得到2个亚关键层破断传递至工作面的弹性能分别为7.80×107J和3.13×10^(5)J,综合判识距离工作面近的2个亚关键层为诱冲关键层,设计工作面切顶爆破方案并开展工程实践,微震事件分析及周期来压步距分析表明围岩应力降低、来压步距有效降低,巷道变形量得到有效控制,实现了工作面安全生产。

不同松散层第四含水层水压条件下关键层破断力学机理研究

针对松散层第四含水层突水灾害防治问题,以岩层控制的关键层理论和中厚板理论为基础,对松散层第四含水层水压与主关键层之间的破断运移规律进行研究。统计并分析了6个典型厚松散层矿区的18个矿井松散层第四含水层水压、松基比及松散层厚度之间的关系,发现松基比和松散层厚度与松散层第四含水层水压之间呈显著的正相关。通过中厚板理论分析了不同松散层第四含水层水压条件下关键层破断力学机理,得出随着松散层第四含水层水压的增大,关键层破断力学因素由拉破断转化为剪破断。数值模拟分析验证了,随着水压的增加,剪应力占比逐渐增大,且关键块之间的结构也由连续且稳定砌体梁结构转换为非连续易失稳的台阶岩梁结构。松散层第四含水层水压的增大可能促使采空区原本稳定的砌体梁结构转化为台阶岩梁结构,促进导水裂隙带的发育。同时,在关键层岩块结构中出现了砌体梁与台阶岩梁共存的现象。不同松基比岩移边界线具有明显的“类指数曲线”特征,随着松基比的增加,岩移边界线由“直线”转化为“类指数曲线”,且工作面推进过程中的覆岩运移具有明显的分区特征。

采动岩体的关键层理论研究新进展

在分析关键层理论的基本原理的基础上，详细介绍了有关关键层复合效应对采场矿压与岩层移动的影响，以及综述了关键层理论在采场矿压控制、岩层移动与地表沉陷控制和煤层瓦斯抽放等应用研究方面的最新进展．

理论和信息传播推动西部岩层控制实践──祝矿山压力情报中心站成立二十周年

信息传播 ,推动了西安矿业学院矿山压力研究的发展。本文论述了矿压中心站成立二十年来 ,通过对理论研究和实践经验传播的学习 ,西安矿业学院采矿工程学科围绕解决西部矿区开采中一些关键技术问题进行的岩层控制实践。对实验研究的信息传播 ,促进了实验室研究的发展。

粉煤灰充填对控制岩层移动的理论研究

本文结合某矿粉煤灰充填课题实例,简要地介绍了电厂粉煤灰作为充填材料的物理力学特性。从煤柱强度实验出发,比较了有和没有侧限与侧限大小不同时的煤柱强度差异,说明煤柱侧限对其强度的影响。利用解析法分析了充填前后煤柱侧限力和铅垂应力的变化和充填前后岩层移动的变化,并进行了应力和岩层移动的有限单元法和解析法的定量计算,进而说明了充填对控制岩层移动的作用。

软岩岩层厚度、刚度和水平应力对关键层应力的影响

为了进一步研究采场上覆岩层的移动规律,对影响关键层上载荷分布的因素进行分析.采用FLAC如软件模拟了不同的软岩岩层厚度、刚度和水平应力对关键层上载荷峰值的影响.通过模拟,发现关键层上覆软岩岩层的厚度、层刚度和水平应力对关键层的载荷峰值都有影响,且不同的水平应力在关键层破断前后会产生不同的影响.在初次来压前,水平应力加速了采空区的上方关键层的破断,但延缓了煤壁前方关键层的破断.初次来压后对关键层的破断影响很小.通过此次研究可以对关键层的破断以及采场的周期来压进行预测,对于采场覆岩的控制具有一定的指导意义.

岩层控制理论在煤矿瓦斯灾害治理中的应用

岩层控制理论是瓦斯灾害防治的基础之一。介绍了上覆岩层运动后的应力分布、关键层理论和关键层运动。结果表明上覆岩层运动后的应力分布对煤与瓦斯突出有重要影响,关键层运动对邻近层瓦斯涌出和采空区瓦斯涌出有重要影响。因此,可以利用岩层控制理论指导瓦斯抽采和预防煤与瓦斯突出的发生。

关键层控制下的覆岩及地表移动变形分析

根据常村煤矿煤层上覆岩层结构特性,结合岩移观测成果,分析影响覆岩破坏及地表移动与变形大小的主要因素,在覆岩下半部发育有岩性相对软弱的砂岩与泥岩互层及上半部发育的硬度高、厚度大、整体性好的巨厚砾岩层,和在巨厚砾岩主关键层控制下的地表移动变形规律。

考虑层间剪应力作用的煤矿岩层控制理论思考

目前,专业人士已经通过运用与煤矿开采关键层相关的理论来发现煤矿岩层内部的内容,并取得了更好的效果。该理论更合理地解释了煤矿开采矿压整体的现象。煤矿在开采的过程中会出现岩层断裂,当所有岩层在失去稳定之后就会使得内部的结构发生变化,但是却直接忽略了层与层之间的剪应力对覆岩破断内部运行的规律。正因为岩层之间都会存在着这样一个假设。因此,相关人员需要通过建立组合梁力学模型来获得梁剪应力的理论解释。专业的人员更需要通过层间剪应力内部关键层的判断步骤来更好地解释关键层内部的计算公式。本文结合工程案例来考虑层间剪应力作用下煤矿岩层的控制理论。

刘家梁煤矿采动覆岩垮落运移规律和离层注浆控制研究

刘家梁煤矿面临建筑物下采煤难题,提出采动覆岩离层区注入粉煤灰浆液充填工艺,实现无损开采和固废减排目标。以22101工作面为对象,采用理论分析、物理模拟和现场实测方法,研究厚煤层采动覆岩垮落运移规律、离层注浆控制机理和关键参数。结论如下:采动覆岩破坏持续向上传递,运动不同步使得在关键层和软弱层之间形成离层空间;及时在离层空间充填,关键层保持稳定不破断下沉,其上岩层直至地表就能保持小变形甚至微变形;提出覆岩离层注浆控制技术和参数,现场成功应用,取得了显著经济和社会效益。

采场覆岩中复合关键层的形成条件与判别方法

在采场覆岩运动中起主要控制作用的岩层为关键层,而有时关键层是由2层或2层以上岩层形成的复合岩层所组成,我们称其为复合关键层.本文在深入揭示复合岩层形成机理的基础上,给出了形成复合岩层的力学条件与数学表达式,进而建立了采场覆岩中复合关键层的判别方法,并编写了复合关键层的判别程序.实例分析表明,复合关键层在岩层运动中是客观存在的,比同组岩层分开后的单一岩层的控制作用的线性叠加要大得多.本项研究是岩层控制的关键层理论研究的深入和发展,将有力促进岩层控制理论和技术的发展.

岩层移动理论与力学模型及其展望

随着社会对开采沉陷与生态环境问题日益重视,"科学采矿"势在必行。面对新形势,需要在学习前人研究成果的基础上,进行更系统、深入的研究。首先系统总结了国内外垮落法和充填法处理采空区2种情况下的岩层移动理论、优缺点及其适应条件等,重点阐述了关键层理论在岩层移动方面发挥的重要作用。基于采动岩体力学,系统分析了基本顶断裂位置和断裂步距"正态分布"变化的原因。基于采动岩层破断移动的全过程分析和前人的研究成果,提出了充分采动覆岩整体移动的"类双曲线"模型,认为岩层"类双曲线"的焦点位于主关键层位置,该模型通过关键层把砌体梁理论及地表沉陷理论有机联系起来,描述了煤层上覆岩层整体移动规律,是关键层理论的继承和发展。

采动覆岩中关键层的复合效应分析

研究关键层的复合效应对深入揭示关键层在采动覆岩中的控制机理具有重要推动作用。本文进一步明确了关键层复合效应的概念 ,系统分析了关键层复合效应对关键层破断、采场来压、岩层移动、采动裂隙分布以及地表沉陷的影响。