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采动力学与岩层控制关键理论及工程应用
研究岩体采动力学响应和岩层控制技术对促进煤炭安全高效开采，保障能源稳定供给具有重要意义，是实现煤炭资源科学开采的理论基础。矿山岩体灾害（围岩变形、冲击地压等）频发，其形成-演化-发生全过程与采动力演化分布、岩层运动、开采扰动和能量演化密切相关。基于实用矿山压力控制理论，提出并阐述了采场岩层控制进展与控制准则，建立了定量分析的力学模型和设计方法，发展了针对性的岩体灾害控制技术，并创新研制了配套试验研究装备。采动力学与岩层控制理论将岩层控制分为采场岩层控制和巷道围岩控制；提出控制或利用采动岩层运动改变致灾条件，给出“给定变形”和“限定变形”准则；调控“3S”因素准则（围岩应力环境、围岩结构属性、围岩支护结构）改变围岩自稳能力。
以岩体灾害控制为目标，提出了以“应力主控”为核心的释能主控技术；建立了岩体灾害控制大小原理和弱面判据（安全系数K、冲击危险性系数U）；研发了采场矿压机械模拟试验系统、采动力试验系统和蠕变及动力扰动冲击加载试验系统，实现了实验室尺度还原采动力作用下岩体变形-破裂-运动过程，为研究采动力作用下岩体力学响应提供了试验装备；分别从采场岩层控制、地质软岩控制、工程软岩巷道控制及冲击地压控制四个方向进行了工程案例研究，相关研究成果在工程应用中得到了验证。
煤炭作为我国的主体能源，为国民经济平稳和快速发展提供了稳定的能源保障。自改革开放以来，原煤产量由1978年的6.2亿t增加至2022年的45.6亿t，增加了近7.4倍；煤矿百万吨死亡率则由1978年的9.713降低至2022年的0.024，降低了99.7%。我国已形成“华北、华南、西北”三大煤炭基地，煤炭工业逐步进入高质量发展轨道。
快速发展提供了有效支撑。其中，“实用矿山压力控制理论”作为我国独立提出的两大矿压学说之一，在基础理论、关键技术及工程实践方面做出了重要贡献。同时，我们也看到伴随地下煤炭资源大规模、高强度开采，危险程度不断增加，采场支护失稳、冲击地压等岩体灾害对矿山压力与岩层控制提出了富有挑战性新目标。基于此，论文在采场岩层控制方面建立了采场拱结构力学模型及采场岩层控制准则；在巷道围岩灾变方面提出了巷道岩体灾害控制大小原理，并建立了灾变判别指标和一种量化控制方法，研究成果在工程应用得到了验证。
随着资源开采与能源开发向深部转移，采场围岩力学环境日趋复杂，诱发巷道大变形、围岩冲击破坏等岩体灾害。现阶段岩体灾害控制思路主要分为三类：一是改变采动岩层孕灾条件，二是调控开采空间应力诱灾条件，三是调整开采空间围岩力学强度。
改变采动岩层孕灾条件方面，何满潮院士及其团队提出无煤柱自成巷技术，通过预裂切缝技术改变了巷道围岩结构和应力分布与传递；姜福兴等提出通过围岩卸压技术、源头动载控制技术、围岩弱化技术和协同支护技术改变岩层结构，实现灾害控制；窦林名等提出强度弱化减冲防治理论，通过减冲措施降低煤（岩）体能量能量释放；王家臣认为采动岩层控制是实现科学煤炭安全开采理论基础；康红普院士等提出调控巷道围岩应力分布，减小巷道围岩变形。调控开采空间应力诱灾方面；谢和平院士等基于不同开采条件下煤体采动力学行为试验，提出改变开采条件实现采动力调控；蔡美峰院士提出优化"等效释放荷载"加载途径和力学效应可以实现更好的岩层控制；齐庆新等提出应力控制理论防治冲击地压；李夕兵等提出高地应力硬岩矿山诱导致裂方法改善诱灾条件。调整开采空间围岩力学强度方面；袁亮院士等提出应力恢复、围岩增强、固结修复和转移扩大为核心的深部岩巷围岩控制理论；张农等通过锚固支护和注浆技术实现减缓或消除灾变；马念杰等围绕围岩蝶形塑性区提出支护体要有足够的长度和延伸性能，保证最大破坏深度位置的有效控制；王爱文等认为锚杆支护与钻孔卸压等方式改变巷道围岩介质属性，可以防止巷道冲击破坏。
4.1 采场结构模型
岩层控制技术是煤炭资源安全、高效开采的保证。国内外专家学者认为已采空间是在某种结构掩护之下，并相继提出了不同的掩护结构模型，形成了多种假说，大致可以归纳为“自然平衡拱”假说、“压力拱”假说、“悬臂梁”假说、“预生裂隙梁”假说、“铰接岩块”假说、砌体梁结构力学模型与关键层理论以及传递岩梁理论等。
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4.2 采场岩层控制准则及指标
围岩灾变显现伴随全开采过程，围岩控制目标是合理降低采掘空间变形，控制主要对象是顶板，其中采动岩层运移及裂断产生的动载荷是顶板控制重点，以期实现岩层控制安全上可靠、经济上合理、技术上可行。基于此，从工程实践角度将岩层控制划分为给定和限定两种类型。
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7.1 煤矿采场岩层控制
西部某煤矿8102工作面煤层厚度15 m，直接顶主要以砂质泥岩和泥岩为主，基本顶主要以细砂岩、中砂岩等沙砾岩为主。工作面基本顶初次来压步距40 m，周期来压步距为20 m；直接顶初次来压步距为15 m，周期来压步距为9 m。初步设计采用5 m单柱伸缩液压支架，额定工作阻力为8000 kN，最大缩量为1 m。工作面推进32 m时发生初次来压，工作面支架发生大范围压架现象，导致停产。
7.2 上海庙地质软岩控制
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（1）矿山岩体灾害与应力场和围岩运动密切相关，提出改变采动岩层孕灾条件、调控开采空间应力诱灾条件、调整开采空间围岩力学强度的岩体灾害控制思路；定义采动力学，从动态角度解释采动力演化和岩体灾害的关联，采动力是岩体变形-破裂-运动之源。
（2）提出了采场岩层控制准则和采场巷道灾变控制因素。工程实践中确定“支架-岩层”关系时，应首先明确其属于“限定变形”或“给定变形”，“限定变形”定阻力，“给定变形”定缩量；通过明确采场巷道“3S”因素（围岩应力环境、围岩结构属性、围岩支护结构）实现巷道灾变靶向控制。
（3）建立了一种采场巷道围岩弱面超前识别方法，并推导了巷道变形灾变判据（安全系数K）和巷道冲击灾变判据（冲击危险性系数U）；提出了以应力和能量为指标的岩体灾害控制大小原理和基于统一强度理论确定巷道围岩锚固预紧力设计方法，为煤岩采动力学行为科学量化分析提供理论基础。
（4）研发了采场矿压机械模拟试验系统、采动力试验系统和蠕变及动力扰动冲击加载试验系统，可开展开采扰动应力路径的动静组合加卸载试验，实现大尺度试件非均布加载、“准静态”加载、“工程扰动+准静态”加载仿真真实开挖扰动力学环境。
图1 采动力学与岩层控制内涵框架
图2 支承压力计算与监测
图3 采动力演化与岩石损伤关系
图4 采场三维空间力学结构模型
图5 “给定变形”采场结构
图6 直接顶“限定变形”采场结构
图7 基本顶“限定变形”采场结构
图8 巷道全寿命周期围岩释能主控技术体系
图9 围岩应力调控与效果评价
图10 锚固效果
图11 围岩改性
图12 应力补偿效应
图13 吸能防冲系列装备
图14 地下工程岩体灾害控制
图15 岩石损伤阶段划分
图16 巷道变形灾变弱面识别流程图
图17 岩石峰前及峰后阶段的能量演化特征示意图
宋振骐，男，1935年出生，中国科学院院士，教授、博士生导师，矿山压力及岩层控制学家，我国“实用矿山压力理论”的开拓者和奠基人。获国家科学技术进步二等奖、国家教学成果二等奖、省部级科技进步一等奖等10多项奖励；出版《实用矿山压力控制》等专著6部，发表重要论文100多篇；先后获全国煤炭工业劳动模范、全国五一劳动奖章、国家中青年突出贡献专家、享受政府特殊津贴获得者、全国高教先进科技工作者等荣誉称号。
研究方向
矿山压力与岩层控制
主要成果
创造性地建立了“以岩层运动为中心”的“实用矿山压力理论”，在建立采场重大事故预测和决策控制结构力学模型、推进采矿方法和工艺技术创新、推进煤矿安全高效生产决策和实施管理的智能化方面做出了创造性的突出贡献，先后为煤矿高效安全，特别是重大事故灾害控制方面做了大量卓有成效的工作。
文志杰，男，山东青岛人，教授，博士生导师，教育部“长江学者奖励计划”青年学者，泰山学者青年专家。获省部级科技进步奖6项（一等奖2项，二等奖4项）；发明专利18项，标准11项，出版专著5部、教材2部，发表学术论文90余篇；获山东省青年科技奖、中国高校矿业石油与安全工程领域优秀青年科技人才、中国煤炭青年科技奖、中国岩石力学与工程学会青年科技奖等奖项；研究团队获山东省青创人才引育计划立项建设。
研究方向
采动力学与围岩控制
主要成果
在矿山采动岩层破坏理论与破坏预测方法、矿山采动岩体灾害预控装备与主动控制等方面取得了多项创新性成果，发展了采动岩层变形破坏分析理论和破坏预测方法，研发了基于灾变情景推演岩体灾害源精准监测的深部采动应力试验系统、三轴蠕变扰动冲击试验系统等系列装备，提出了矿山开采全生命周期安全的采动岩体灾害预警与控制技术。
来源：
宋振骐，文志杰，蒋宇静，蒋金泉，石永奎．采动力学与岩层控制关键理论及工程应用[J/OL]．煤炭学报. https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.2023.1536
