浅析我国采场覆岩运动理论研究现状

白雪斌

摘  要：随着煤矿开采深度的不断增加及开采技术水平的提高，许多新的解释采场矿压显现的假说和观点陆续出现。通过文献整理，该文系统阐述了采场矿山压力理论、采动覆岩空间结构与应力场的动态关系、放顶煤覆岩运动与采场矿压显现、大采高综采覆岩运动与采场矿压显现的研究进展，为解决实际工程中采场矿压显现异常提供了有力的理论基础。

关键词：采场   矿山压力   矿压显现  覆岩结构

中图分类号：TD31                          文献标识码：A文章编号：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，随着采掘设备能力的提升，大采高综采、综放成为厚煤层主要的开采手段，这样煤层一次采出空间急剧增加，伴随着采场矿压控制难题日益凸显，而矿山压力显现是覆岩结构运动的直观反映。大采高深部开采中与动载损害相关的覆岩活动与应力场范围，在竖直方向上已经超出了采场近距离基本顶的范围[1]，随之产生了新的理论来指导生产实践。该文系统论述了深部开采条件下采场矿山压力理论、采动覆岩空间结构与应力场的动态关系、放顶煤覆岩运动与采场矿压显现、大采高综采覆岩运动与采场矿压显现等方面的研究进展。

1  采场覆岩结构理论研究进展

1.1 早期认识阶段

纵观采场覆岩结构理论发展历史，早期比较有代表性的假说有压力拱假说、悬臂梁假说、预成裂隙假说、铰接岩块假说等[2]，在此基础上，采场上覆岩层结构理论得到了进一步发展[2]。

1.2 近代发展阶段

1.2.1 以“砌体梁”及“关键层”为主体的理论

钱鸣高院士等[3]根据现场观测分析，提出了煤层开采后覆岩呈“砌体梁”式平衡的结构力学模型，给出了采场上覆岩层力学模型特定的边界条件。又进一步建立了不同支撑条件下有关板和梁的力学模型，进行基本顶来压的预测预报。之后，通过对覆岩承受载荷及变形规律的分析又提出了“关键层理论”，即坚硬岩层对覆岩运移起主要作用，基于此理论，可以揭示采场上覆岩层裂隙分布规律和识别覆岩主关键层及离层区位置。

1.2.2 以“传递岩梁”为主体的理论

宋振骇院士等[4]根据大量的现场实测数据，建立了“以岩层运动为中心”的矿山压力理论，认为覆岩的“直接顶”及“老顶”是影响采场矿山压力及其显现的主要因素，通过改变采高、顶板处理方法等条件可使相关岩层的范围发生改变，并提出了划分顶板属性的新思想。

1.2.3 其他理论

姜福兴[1]依据工作面采动边界条件把工作面覆岩结构分为4种类型即“θ”型、“O”型、“S”型和“C”型;古全忠等[5]通过数值模拟放顶工作面的顶板运动规律，提出了采场覆岩运动的“拱–梁”结构模型;张顶立等[6]基于煤系地层的层状岩体结构特征，提出了采场上覆关键岩层运动分为连续梁、损伤弱化梁和块体结构梁3种模式。

近年来，对于不同赋存位置的关键层破断结构研究又有了新的观点：

于斌、朱卫兵等[7]提出了“大空间”“远近场”的理念，建立了近场关键层“竖O-X”破断与远场关键层“横O-X”破断的力学模型，认为远场关键层破断后会在工作面覆岩中形成不同于近场破断后的承载结构，其破断失稳会协同近场关键层的破断失稳对采场矿压造成强烈影响。

2  采动覆岩结构与应力场的动态关系研究进展

陈学华[8]以矿井构造应力型冲击显现为背景，采用现场测试和理论分析相结合的办法，建立了模拟冲击发生的加载条件的力学模型，研究了采场煤壁受采动的应力变化的规律，认为采动应力在向煤壁内转移时，应力场会变化，应力演变波动范围不断扩大但煤壁内应力峰值在逐步减小。

姜福兴等[9]利用微地震定位技术，揭示了工作面覆岩断裂与应力场的关系，表明了由采动引起的岩体破裂类型有4种，解释了高垂直压力、低侧压的致裂机理，阐述了工作面3种边界条件下覆岩破裂结构与采动应力场的关系。

蒋军军等[10]通过对冲击倾向性煤样进行动态试验，阐述了弹性能量指数和滞回环面积的表征意义，解释了动载荷诱发卸荷煤体冲击失稳的动态响应机制，且描述了动载作用下能量积聚与耗散特性。

張广辉等[11]通过开展煤样的多级循环加载试验，认为基于能量耗散分析建立的冲击倾向性煤损伤演化方程能够较好地反映煤样的损伤演化过程。

朱志洁等[12]基于关键层理论，认为围岩应力下降突变由于板-壳结构失稳，上升突变由于结构下部岩层的周期破断引起的。

庞义辉等[13]采用模拟分析、现场实测相结合的方法，揭示了深部采场三向采动应力与覆岩断裂失稳过程之间的关系，建立了基于液压支架压力监测数据驱动的支架载荷预测模型，为矿井灾害预测提供了基础。

3  放顶煤覆岩运动与采场矿压显现研究进展

邓广哲[14]通过放顶煤现场工程实践，得出了放顶煤采场矿压显现规律，从宏观上分析了放顶煤采场上覆岩层形成的拱结构。

贾喜荣[15]通过建立“弹性板与铰接板结构”力学模型，提出了覆岩结构3种基本判据，证实了“弹性板与铰接板结构”力学模型在放顶煤工作面顶板来压计算中仍然适用。

李化敏等[16]采用现场实测和理论分析等相结合的方法，对大采高综放采场矿压及顶板运移破断特征进行分析，建立了工作面周期来压时基本顶岩层破断的力学模型，给出了采场液压支架工作阻力的计算方法。

张宏伟等[17]通过研究同忻煤矿特厚煤层综放开采覆岩破坏高度，得出了工作面上覆岩层的破坏发育由各亚关键层控制，而主关键层是抑制着覆岩破坏的发育。

王国法等[18]基于理论分析与数值模拟计算方法，分析了不同开采高度对顶煤冒放规律、支架工作阻力、煤壁稳定性的影响。

杨登峰等[19]研究认为，特厚煤层工作面顶板破断形成悬臂梁-砌体梁结构模型，当回采工作面来压时期其支架工作阻力不足时，造成砌体梁下沉使悬臂梁回转变形最后破断，从而引起上覆砌体梁结构滑落失稳造成工作面强矿压显现。

朱卫兵等[20]提出了大空间采场覆岩远场关键层“横O-X”破断的“三角板”模型，分析了“三角板”结构的动态失稳过程，认为“三角板”结构失稳是引发采场出现大周期强矿压显现的主要原因。

4  大采高综采覆岩运动与采场矿压显现研究进展

弓培林等[21]采用现场实测及相似模拟技术相结合的手段，研究了大采高综采采场顶板结构特征，建立了采场顶板控制力学模型，依据直接顶岩层结构不同，划分直接顶为I、II、III型3种类型，并给出了相应的顶板控制力学模型。

吴锋锋等[22]基于大采高综采采空区冒落矸石的支撑作用对覆岩顶板失稳控制的显著性增强以及顶板自身挠曲变形的特点，引入了采空区矸石支撑系数表征采空区冒落矸石对覆岩顶板的支撑能力，分析了大采高综采采场覆岩破断失稳范围和结构区域大小，建立了支架与覆岩相互作用力学模型。

文志杰、汤建泉等[23]基于“传递岩梁”理论，对大采高综采采场覆岩破断形成的承载平衡结构及破断类型进行了分析，得出了采高增大，直接顶厚度可能大幅度增加，随之直接顶中出现悬顶坚硬岩层的几率增大，从而采场基本顶范围相对减少，覆岩中岩梁距采场的高度就会增大。

鞠金峰等[24]、许家林等[25]基于补连塔煤矿22303工作面矿压实测结果，对比分析了不同采高综采面矿压显现规律的差异。得出了随着采高的增加，支架支护强度相应增加，且采高越大、亚关键层1越靠近煤层，其越易形成“悬臂梁”结构，从而来压持续距离越长。

杨俊哲[26]利用理论分析，相似模拟相结合的方法，得出了浅埋深8.8 m超大采出空间下覆岩垮落的结构模型，揭示了工作面远场顶板断裂与垮落时空演化规律，为大采高综采工作面矿压机理研究提供了理论基础。

5  结语

该文系统综述了深部开采条件下采场矿山压力理论、采动覆岩空间结构与应力场的动态关系、放顶煤覆岩运动与采场矿压显现、大采高综采覆岩运动与采场矿压显现等方面的研究进展，阐明了我国采场矿山压力的重要理论。

参考文献

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