張村副教授：煤礦開采覆巖拱殼結(jié)構(gòu)演化及其控制研究進(jìn)展

創(chuàng)新點(diǎn)

（1）以覆巖承載“拱殼”結(jié)構(gòu)為核心，對(duì)目前覆巖運(yùn)動(dòng)研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，納了源頭預(yù)設(shè)拱殼、過程調(diào)控拱殼、末端穩(wěn)控拱殼的拱殼主動(dòng)調(diào)控方法，并展望了“拱殼”模型后續(xù)研究方向。

（2）提出了基于能量守恒定律的采動(dòng)損傷拱理論計(jì)算模型和數(shù)值模擬方法，構(gòu)建了以煤層開采釋放的應(yīng)變能和以煤層開采形成的覆巖勢(shì)能兩種模式在傳遞過程中逐漸耗散衰減的采動(dòng)損傷拱模型。

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煤礦開采覆巖拱殼結(jié)構(gòu)演化及其控制研究進(jìn)展

作者：張村^1,2, 任趙鵬, 李全生, 郭俊廷

單位：1. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院；2. 煤炭開采水資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

引用格式：

張村，任趙鵬，李全生，等. 煤礦開采覆巖拱殼結(jié)構(gòu)演化及其控制研究進(jìn)展[J]. 綠色礦山，2024，2(4)：357?367. ZHANG Cun，REN Zhaopeng，LI Quansheng，et al. Research progress on the evolution and control of overlying rock arch structure in coal mining[J]. Journal of Green Mine，2024，2(4)：357?367.

摘要

煤層開采引起覆巖的移動(dòng)、變形、破斷及應(yīng)力變化是造成工作面來壓及地表生態(tài)損傷的主要原因。研究采動(dòng)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律與損傷機(jī)理是解決井下安全生產(chǎn)、含水層保護(hù)、地表建(構(gòu))筑設(shè)施與生態(tài)保護(hù)的核心問題，是實(shí)現(xiàn)煤礦綠色安全開采的理論基礎(chǔ)。為充分認(rèn)識(shí)開采損傷的傳導(dǎo)機(jī)制，以覆巖承載“拱殼”結(jié)構(gòu)為核心，系統(tǒng)梳理了當(dāng)前覆巖運(yùn)動(dòng)研究成果，針對(duì)覆巖組合與巖土體介質(zhì)特性差異，將研究成果分為松散層拱和基巖拱?；鶐r拱又可以進(jìn)一步分為斷裂拱和應(yīng)力拱。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)拱殼演化機(jī)制和研究手段論述了基巖拱殼研究進(jìn)展與不足：理論模型能夠給出拱跡線方程進(jìn)而判斷拱的承載特征；但存在邊界應(yīng)力條件簡(jiǎn)化、巖層均質(zhì)性假設(shè)、拱跡線的假設(shè)和拱厚度的計(jì)算等問題；數(shù)值模擬可以很好的給出拱殼的位置、拱厚及其演化特征，但以有限元模擬的應(yīng)力拱殼忽略了巖層破斷的影響，而以離散元模擬的應(yīng)力或者裂斷拱殼則依賴于塊體的劃分；相似模擬目前只能定性觀測(cè)裂斷拱的發(fā)育特征，難以確定應(yīng)力拱范圍?，F(xiàn)有基于覆巖拱殼的應(yīng)用聚焦于通過拱殼演化模型進(jìn)行礦壓和地表沉陷的預(yù)測(cè)與防治，對(duì)主動(dòng)調(diào)控覆巖拱殼的手段相對(duì)較少的問題，基于此，歸納了3種覆巖拱殼調(diào)控手段：源頭預(yù)設(shè)拱殼手段、過程調(diào)控拱殼手段、末端穩(wěn)控拱殼手段。最后綜合現(xiàn)有成果，進(jìn)一步提出了基于能量守恒定律的采動(dòng)損傷拱殼理論計(jì)算模型及其模擬方法，為采場(chǎng)覆巖空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性演化特征及地表沉陷治理提供了理論支撐與研究手段。

引言

采場(chǎng)上覆巖層破斷結(jié)構(gòu)影響井下礦山壓力和覆巖與地表損傷表征等基本問題，包含動(dòng)壓事故形成的原因及防治、支架工作阻力的確定、巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，以及覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征、地表下沉與二次沉降、地表裂隙發(fā)育特征等。目前，針對(duì)礦山壓力與巖層運(yùn)移特征提出的覆巖結(jié)構(gòu)理論及假說主要包括“梁”“板”“拱”三類，主要包括關(guān)鍵層理論、傳遞巖梁假說、砌體梁理論(鉸接巖塊假說)、預(yù)生裂隙梁假說、懸臂梁假說以及壓力拱假說等。這些理論和假說已被廣泛應(yīng)用，并在實(shí)踐中不斷發(fā)展。由于地質(zhì)條件的隱蔽性和采動(dòng)覆巖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與特殊性，傳統(tǒng)“梁”“板”理論并不完全適用于不同地質(zhì)特征，基于此，在以往研究的基礎(chǔ)上覆巖承載拱殼結(jié)構(gòu)力學(xué)模型逐漸被廣泛應(yīng)用，以揭示煤層開采影響下圍巖采動(dòng)應(yīng)力分布特征及應(yīng)力拱動(dòng)態(tài)形成過程中的礦壓顯現(xiàn)特征、壓力影響范圍及地表沉陷預(yù)測(cè)。

現(xiàn)階段，對(duì)于覆巖承載“拱”(三維“殼”)模型主要分為松散層拱和基巖拱，基巖拱主要包括裂斷拱(結(jié)構(gòu)拱或冒落拱)、應(yīng)力拱(壓力拱)?！八缮庸啊笔腔陔S機(jī)介質(zhì)力學(xué)模型提出的一種承載結(jié)構(gòu)；“裂斷拱”一般認(rèn)為是基巖發(fā)生破斷的頂界，通常沒有厚度，且在非充分采動(dòng)階段和充分采動(dòng)階段表現(xiàn)為兩種形態(tài)：非充分采動(dòng)階段，“裂斷拱”呈拱形擴(kuò)展，當(dāng)達(dá)到充分采動(dòng)階段，隨工作面繼續(xù)推進(jìn)，“裂斷拱”形態(tài)逐漸發(fā)育成“平頂拱”或者“馬鞍形”拱；而“應(yīng)力拱”是指采場(chǎng)上覆主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)而形成的拱形應(yīng)力分區(qū)，存在一定的厚度，一般位于“裂斷拱”上位，是整個(gè)基巖的承載結(jié)構(gòu)；采場(chǎng)覆巖的“雙拱”模型是巖體自身承載特性及壓應(yīng)力成拱效應(yīng)的力學(xué)表現(xiàn)。

根據(jù)已有研究，筆者針對(duì)覆巖承載拱殼結(jié)構(gòu)，根據(jù)載體介質(zhì)進(jìn)行了分類，并論述了相關(guān)研究手段與應(yīng)用情況，同時(shí)在以往總結(jié)的基礎(chǔ)上，針對(duì)基巖應(yīng)力拱殼主動(dòng)調(diào)控手段的不足，提出了源頭預(yù)設(shè)拱殼、過程注漿調(diào)控拱殼以及末端穩(wěn)控拱殼手段；且基于能量守恒定律提出了覆巖采動(dòng)損傷拱模型，為采場(chǎng)覆巖空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及地表沉陷治理研究提供了理論支撐和治理手段。

部分圖片

圖 1 采動(dòng)覆巖松散層拱承載結(jié)構(gòu)示意

圖 2 基巖拱結(jié)構(gòu)示意

圖 3 典型覆巖拱模型邊界條件

圖 4 主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)成拱機(jī)制

圖 5 應(yīng)力成拱分區(qū)及 FLAC^3D模擬結(jié)果

圖 6 相似模擬與數(shù)值模擬的相互驗(yàn)證

圖 7 覆巖損傷場(chǎng)發(fā)育過程

圖 8 垮落帶注漿護(hù)關(guān)鍵層+離層裂隙帶注漿協(xié)同成拱技術(shù)

圖 9 基于空間和能量守恒的采動(dòng)損傷傳動(dòng)模型

圖 10 能量損傷拱殼模型演化特征

作者簡(jiǎn)介

張村，本碩博畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，現(xiàn)為中國礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院副教授、博導(dǎo)。中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎(jiǎng)獲得者，入選國際先進(jìn)材料學(xué)會(huì)會(huì)士（IAAM Fellow），中國科協(xié)青年人才托舉工程，2022-2024年全球前2%頂尖科學(xué)家榜單（斯坦福大學(xué)）；兼任SCI期刊 Journal of Geophysics and Engineering 副主編，Sustainability 編委，多個(gè)卓越期刊青年編委。

研究方向

礦山壓力與巖層控制、礦井水資源化利用、煤與瓦斯共采、廢棄礦井再利用等

主要成果

主持國家及省部級(jí)基金近10項(xiàng)。曾獲國家優(yōu)秀科普活動(dòng)，省部級(jí)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)4項(xiàng)，二等獎(jiǎng)10項(xiàng)。以第一作者（通訊作者）發(fā)表高水平論文100余篇，ESI高被引論文10篇，出版專著4部，第一發(fā)明人授權(quán)發(fā)明專利10余項(xiàng)。

策劃丨郭曉煒

責(zé)編丨黃小雨

編輯丨李莎

審核丨常明然

期刊簡(jiǎn)介

為深入貫徹習(xí)近平生態(tài)文明思想，踐行“綠水青山就是金山銀山”理念，搭建綠色礦山建設(shè)領(lǐng)域高端學(xué)術(shù)交流平臺(tái)，2023年5月，經(jīng)國家新聞出版署批準(zhǔn)，由中國煤炭科工集團(tuán)主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的中文科技期刊——《綠色礦山》（Journal of Green Mine）應(yīng)運(yùn)而生。《綠色礦山》為季刊，國內(nèi)統(tǒng)一連續(xù)出版物號(hào)為：CN10-1912/TD，ISSN號(hào)：2097-3357，由《綠色礦山》編輯部負(fù)責(zé)策劃、出版、發(fā)行。

刊登范圍

綠色勘查、綠色開采、礦山地下空間利用、綠色選冶、礦山環(huán)境保護(hù)、低碳技術(shù)及節(jié)能減排、數(shù)字礦業(yè)、綠色低碳經(jīng)濟(jì)政策與評(píng)價(jià)等。

聯(lián)系：常明然

電話： 010-87986451

郵箱：changmingran0216@163.com

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