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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

《绿色矿山》| 张村副教授:煤矿开采覆岩拱壳结构演化及其控制研究进展

2025-03-16

创新点


(1)以覆岩承载“拱壳”结构为核心,对目前覆岩运动研究成果进行了系统梳理,纳了源头预设拱壳、过程调控拱壳、末端稳控拱壳的拱壳主动调控方法,并展望了“拱壳”模型后续研究方向。

(2)提出了基于能量守恒定律的采动损伤拱理论计算模型和数值模拟方法,构建了以煤层开采释放的应变能和以煤层开采形成的覆岩势能两种模式在传递过程中逐渐耗散衰减的采动损伤拱模型。

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煤矿开采覆岩拱壳结构演化及其控制研究进展

作者:张村1,2, 任赵鹏1, 李全生2, 郭俊廷2
单位:1. 中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院;2. 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室

引用格式:

张村,任赵鹏,李全生,等. 煤矿开采覆岩拱壳结构演化及其控制研究进展[J]. 绿色矿山,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



煤层开采引起覆岩的移动、变形、破断及应力变化是造成工作面来压及地表生态损伤的主要原因。研究采动覆岩运动规律与损伤机理是解决井下安全生产、含水层保护、地表建(构)筑设施与生态保护的核心问题,是实现煤矿绿色安全开采的理论基础。为充分认识开采损伤的传导机制,以覆岩承载“拱壳”结构为核心,系统梳理了当前覆岩运动研究成果,针对覆岩组合与岩土体介质特性差异,将研究成果分为松散层拱和基岩拱。基岩拱又可以进一步分为断裂拱和应力拱。在此基础上,依据拱壳演化机制和研究手段论述了基岩拱壳研究进展与不足:理论模型能够给出拱迹线方程进而判断拱的承载特征;但存在边界应力条件简化、岩层均质性假设、拱迹线的假设和拱厚度的计算等问题;数值模拟可以很好的给出拱壳的位置、拱厚及其演化特征,但以有限元模拟的应力拱壳忽略了岩层破断的影响,而以离散元模拟的应力或者裂断拱壳则依赖于块体的划分;相似模拟目前只能定性观测裂断拱的发育特征,难以确定应力拱范围。现有基于覆岩拱壳的应用聚焦于通过拱壳演化模型进行矿压和地表沉陷的预测与防治,对主动调控覆岩拱壳的手段相对较少的问题,基于此,归纳了3种覆岩拱壳调控手段:源头预设拱壳手段、过程调控拱壳手段、末端稳控拱壳手段。最后综合现有成果,进一步提出了基于能量守恒定律的采动损伤拱壳理论计算模型及其模拟方法,为采场覆岩空间结构稳定性演化特征及地表沉陷治理提供了理论支撑与研究手段。


引言



采场上覆岩层破断结构影响井下矿山压力和覆岩与地表损伤表征等基本问题,包含动压事故形成的原因及防治、支架工作阻力的确定、巷道支护设计,以及覆岩导水裂隙带发育特征、地表下沉与二次沉降、地表裂隙发育特征等。目前,针对矿山压力与岩层运移特征提出的覆岩结构理论及假说主要包括“梁”“板”“拱”三类,主要包括关键层理论、传递岩梁假说、砌体梁理论(铰接岩块假说)、预生裂隙梁假说、悬臂梁假说以及压力拱假说等。这些理论和假说已被广泛应用,并在实践中不断发展。由于地质条件的隐蔽性和采动覆岩结构的复杂性与特殊性,传统“梁”“板”理论并不完全适用于不同地质特征,基于此,在以往研究的基础上覆岩承载拱壳结构力学模型逐渐被广泛应用,以揭示煤层开采影响下围岩采动应力分布特征及应力拱动态形成过程中的矿压显现特征、压力影响范围及地表沉陷预测。

现阶段,对于覆岩承载“拱”(三维“壳”)模型主要分为松散层拱和基岩拱,基岩拱主要包括裂断拱(结构拱或冒落拱)、应力拱(压力拱)。“松散层拱”是基于随机介质力学模型提出的一种承载结构;“裂断拱”一般认为是基岩发生破断的顶界,通常没有厚度,且在非充分采动阶段和充分采动阶段表现为两种形态:非充分采动阶段,“裂断拱”呈拱形扩展,当达到充分采动阶段,随工作面继续推进,“裂断拱”形态逐渐发育成“平顶拱”或者“马鞍形”拱;而“应力拱”是指采场上覆主应力偏转而形成的拱形应力分区,存在一定的厚度,一般位于“裂断拱”上位,是整个基岩的承载结构;采场覆岩的“双拱”模型是岩体自身承载特性及压应力成拱效应的力学表现。

根据已有研究,笔者针对覆岩承载拱壳结构,根据载体介质进行了分类,并论述了相关研究手段与应用情况,同时在以往总结的基础上,针对基岩应力拱壳主动调控手段的不足,提出了源头预设拱壳、过程注浆调控拱壳以及末端稳控拱壳手段;且基于能量守恒定律提出了覆岩采动损伤拱模型,为采场覆岩空间结构稳定性及地表沉陷治理研究提供了理论支撑和治理手段。

部分图片


图 1    采动覆岩松散层拱承载结构示意

图 2    基岩拱结构示意

图 3    典型覆岩拱模型边界条件

图 4    主应力偏转成拱机制

图 5    应力成拱分区及 FLAC3D模拟结果

图 6    相似模拟与数值模拟的相互验证

图 7    覆岩损伤场发育过程

图 8    垮落带注浆护关键层+离层裂隙带注浆协同成拱技术

图 9    基于空间和能量守恒的采动损伤传动模型

图 10    能量损伤拱壳模型演化特征


作者简介

张村,本硕博毕业于中国矿业大学,现为中国矿业大学(北京)能源与矿业学院副教授、博导。中国岩石力学与工程学会优秀博士学位论文奖获得者,入选国际先进材料学会会士(IAAM Fellow),中国科协青年人才托举工程,2022-2024年全球前2%顶尖科学家榜单(斯坦福大学);兼任SCI期刊 Journal of Geophysics and Engineering 副主编,Sustainability 编委,多个卓越期刊青年编委。

研究方向

矿山压力与岩层控制、矿井水资源化利用、煤与瓦斯共采、废弃矿井再利用等

主要成果

主持国家及省部级基金近10项。曾获国家优秀科普活动,省部级教学成果一等奖1项,科技进步一等奖4项,二等奖10项。以第一作者(通讯作者)发表高水平论文100余篇,ESI高被引论文10篇,出版专著4部,第一发明人授权发明专利10余项。


策划丨郭晓炜

责编丨黄小雨

编辑丨李莎

审核丨常明然
















期刊简介

为深入贯彻习近平生态文明思想,践行“绿水青山就是金山银山”理念,搭建绿色矿山建设领域高端学术交流平台,2023年5月,经国家新闻出版署批准,由中国煤炭科工集团主管、煤炭科学研究总院有限公司主办的中文科技期刊——《绿色矿山》(Journal of Green Mine)应运而生。《绿色矿山》为季刊,国内统一连续出版物号为:CN10-1912/TD,ISSN号:2097-3357,由《绿色矿山》编辑部负责策划、出版、发行。



刊登范围

绿色勘查、绿色开采、矿山地下空间利用、绿色选冶、矿山环境保护、低碳技术及节能减排、数字矿业、绿色低碳经济政策与评价等。








联系:常明然

电话: 010-87986451

邮箱:changmingran0216@163.com

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