錢鳴高
(中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程系，江蘇 徐州221008)

摘要:簡要地回顧了近20年來中國礦業(yè)大學(xué)在采場圍巖控制理論與實踐方面的進展，其中包括:“砌體梁”力學(xué)模型與“關(guān)鍵層”理論的提出，“砌體梁”結(jié)構(gòu)的“S-R"穩(wěn)定，采場整體力學(xué)模型及礦山壓力“支架一圍巖”穩(wěn)定性監(jiān)測.最后提出了今后的展望.
關(guān)鍵詞: 砌體梁;關(guān)鍵層;整體力學(xué)模型;礦山壓力監(jiān)測
中圖分類號: TD 31 文獻標識碼: A
自1980年至今的20 a是我國回采工作面綜采大發(fā)展時期.以充州礦務(wù)局為例，1980年綜采工作面每月平均單產(chǎn)為5- 6萬t，而到1999年達到20- 30萬t.全國出現(xiàn)了年產(chǎn)達500萬t的綜采隊.由此可見，我國回采工作面綜采技術(shù)已達到國際水平.這其中當然也應(yīng)包括采場圍巖控制理論與技術(shù)的研究成果.顯然，實踐的進展與需要不斷推動著理論研究及對客觀事物認識的不斷深化.就此對我們在這20 a來在采場圍巖控制的理論與實踐工作作一簡單的回顧與概括.
1“砌體梁”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型與“關(guān)鍵層理論”研究
眾所周知，煤層開采后上覆巖層將形成結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)的形態(tài)及其穩(wěn)定性將直接影響到采場支架的受力大小、參數(shù)和性能的選擇，同時也將影響到開采后上覆巖體內(nèi)節(jié)理裂隙及離層區(qū)的分布和地表塌陷形態(tài).因此，采場上覆巖層形成結(jié)的特點及其形態(tài)一直為采礦工作者所重視.
1.1關(guān)于上覆巖層結(jié)構(gòu)形態(tài)的研究
主要的研究工作始于60年代初，一直到70年代末，借助于大屯孔莊礦開采后巖層內(nèi)部移動觀測，上覆巖層開采后呈“砌體梁”式平衡的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型被正式提出來，結(jié)合該項研究所提出的典型論文為“A Study of the Behaviour of Overlying Stra-ta in Longw all M in ing and Its Application to Strata Control”等[1-3].該項研究的意義主要是在于:開采以后上覆巖層結(jié)構(gòu)形態(tài)的解決為采場給出了具體的上部邊界條件，此結(jié)構(gòu)的形態(tài)與平衡條件為論證各項采場礦山壓力控制參數(shù)奠定了基礎(chǔ).由于“砌體梁”結(jié)構(gòu)的研究是限于采場中部沿走向的平面問題，因而隨著采場礦山壓力研究的深入，尤其是老頂來壓預(yù)測預(yù)報的發(fā)展，必然討論到將老頂巖層視為四周各種支撐條件的“板”的破斷規(guī)律;老頂在煤體上方的斷裂位置以及斷裂前后在煤與巖體內(nèi)所引起的力學(xué)變化，由此提出了巖層斷裂前后的彈性基礎(chǔ)梁力學(xué)模型及各種不同支撐條件下的W ink 1er彈性基礎(chǔ)上的K ich h off板力學(xué)模型.結(jié)合此項研究工作發(fā)表的典型文章有“老頂巖層斷裂形式及其對工作面來壓的影響”、“老頂斷裂前后的礦山壓力變化”等[4-7].該項研究提出的主要成果為:
1)老頂斷裂前后在煤壁前方將引起擾動，即在梁被夾持的端部形成了“反彈”區(qū)，而再深入一定的距離則形成子‘壓縮”區(qū);
2)老頂斷裂位置在煤體之內(nèi)，因此由老頂斷裂到工作面來壓存在時間差，利用此時間差即可對老頂來壓進行預(yù)報;
3)老頂巖層板破斷時主裂隙呈“O-X”型，即先是周邊破斷呈“O”型斷裂，而后是。型板內(nèi)部呈“X”型破斷;
4)根據(jù)對“板”破斷時引起的擾動研究證明，可在采煤工作面上下兩側(cè)的巷道內(nèi)測得“反彈”與“壓縮”現(xiàn)象;
5)根據(jù)上覆巖層以硬巖層作為形成結(jié)構(gòu)主體的觀念，提供了判斷經(jīng)開采后上覆巖體變形破斷后形成的離層區(qū)及壓實區(qū)位置的可能性.
至此，開采后老頂?shù)姆€(wěn)定性、破斷時引起的擾動及破斷后形成的結(jié)構(gòu)形態(tài)形成了一個總體概貌.
1. 2關(guān)于“關(guān)鍵層”理論研究
隨著開采對上覆巖層內(nèi)地下水、巖體內(nèi)賦存氣體分布的改變以及地表塌陷規(guī)律的影響，必然導(dǎo)致“關(guān)鍵層”理論的研究.這方面集中的研究成果歸結(jié)于“巖層控制中的關(guān)鍵層理論研究”、“采場覆巖中關(guān)鍵層的破斷規(guī)律研究”、“采場覆巖中關(guān)鍵層上的載荷變化規(guī)律”及“采場覆巖裂隙分布的‘O’形圈特征研究”等[8-11].關(guān)鍵層理論的研究實質(zhì)是進一步研究硬巖層所受的載荷及其變形規(guī)律，進而了解影響工作面及地表沉陷的主要巖層及其變形形態(tài).關(guān)鍵層研究中的重要組成部分是:兩層堅硬巖層破斷時的組合關(guān)系、采動后巖體內(nèi)的裂隙分布、離層區(qū)位置以及對地表破壞規(guī)律的識別.
2“砌體梁，，結(jié)構(gòu)的“S-R”穩(wěn)定
采動后巖體內(nèi)形成的“砌體梁”力學(xué)模型是一個大結(jié)構(gòu)，而此大結(jié)構(gòu)中影響采場頂板控制的主要是巖層移動中形成離層區(qū)附近的幾個巖塊(即“砌體梁”中的A,B,C巖塊).顯然，關(guān)鍵塊的平衡與否直接影響到采場頂板的穩(wěn)定性及支架受力的大小.因此在“砌體梁”結(jié)構(gòu)研究的前提下重點分析了其中關(guān)鍵塊的平衡關(guān)系，有關(guān)的典型研究論文為“砌體梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵塊分析”等[12- 14].在這項研究中主要提出了砌體梁關(guān)鍵塊的滑落與轉(zhuǎn)動變形失穩(wěn)條件即“S-R”穩(wěn)定條件.
1) 滑落穩(wěn)定條件((S條件)

式中:h為承載層厚度;h1為承載層所負載巖層厚度;бc為承載層的抗壓強度;為巖體的容重;Ө1為“砌體梁”中A巖塊斷裂后的回轉(zhuǎn)角;tanψ為巖塊間的摩擦系數(shù).
2)回轉(zhuǎn)變形穩(wěn)定條件(R條件)

式中:i為巖塊的厚長比，即i=h/l( l為巖塊長度).
“砌體梁”關(guān)鍵塊的分析為采場直接頂?shù)纳喜孔饔昧εc位移提供了邊界條件，從而為分析直接頂穩(wěn)定性奠定了基礎(chǔ).
3采場支架－圍巖關(guān)系研究及整體力學(xué)模型的建立
采場頂板控制的關(guān)鍵是直接頂?shù)目刂疲虼恕爸Ъ芤粐鷰r”關(guān)系的研究長期以來一直是礦山壓力控制研究的主題.其內(nèi)容包括:在單體支柱工作面如何防止頂板事故的發(fā)生;液壓自移支架架型及合理支護阻力的確定;更重要的是如何防治液壓自移支架端面頂板的冒落.其研究成果如:“兩柱支掩式支架的工作狀態(tài)及其對直接頂穩(wěn)定性的影響”、“綜采工作面直接頂?shù)亩嗣婷奥洹钡萚15,16].而影響支護參數(shù)選擇的主要觀點是“P-△l"關(guān)系，即支架工作阻力P與頂板下沉量△l之間存在著類雙曲線關(guān)系這種觀點在中厚煤層開采的采高條件下，似乎已成為普遍規(guī)律.在這些研究中一直視直接頂為“似剛體”.待到放頂煤開采，直接頂中以破碎或幾近破碎的頂煤為主，此時視直接頂(含頂煤)為似剛體顯然是不合適的，而且由實踐中測定所得的支架載荷要比原來的估算值小得多.因此，必然引起“支架－圍巖”關(guān)系的再研究.此時，“砌體梁”的關(guān)鍵塊研究為直接頂上部邊界的受力狀態(tài)提供了有力的理論基礎(chǔ)，由此在文章“再論采場礦山壓力理論”、“采場圍巖整體結(jié)構(gòu)與砌體梁力學(xué)模型”及“采場支架與圍巖禍合作用機理研究”[17, 18]等，提出了由于“砌體梁”的“S-R”穩(wěn)定而引起的對直接頂?shù)摹八擅擉w壓力”與“回轉(zhuǎn)變形壓力”概念.直至論文“采場直接頂對支架與圍巖關(guān)系的影響機制”及“采場支架一圍巖關(guān)系的新研究[19,20]，進一步論證了由于直接頂?shù)淖冃沃率埂捌鲶w梁”對直接頂?shù)幕剞D(zhuǎn)變形載荷有可能被破碎了的直接頂所吸收，從而導(dǎo)致了在該情況下的“P－△l”關(guān)系中類雙曲線關(guān)系不再存在.
此項研究的主要結(jié)論為:
1)根據(jù)采場四邊形直接頂?shù)氖Х€(wěn)特征按剛度可將其劃分為似剛性、似零剛度和中間型剛度3類.
2)當直接頂剛度為零剛度時，支架處于“給定載荷”或“限定載荷”工作狀態(tài);當處于似剛性時，支架處于“給定變形”工作狀態(tài);當處于中間型剛度時，P－△l呈典型雙曲線關(guān)系.
3)鑒于當直接頂為似零剛度時(如放頂煤條件)，“P－△l"已不再存在類雙曲線關(guān)系，此時，合理工作阻力的確定將主要決定于它對端面穩(wěn)定性的影響.
這些研究工作最終導(dǎo)致了采場整體力學(xué)模型的建立，其主要研究成果除上述有關(guān)論文外，還體現(xiàn)在“The System of Stata Control Around Long-wall Face in China'，及“采場礦山壓力理論研究的新進展”[21, 22]等論文中.
4工作面礦山壓力與支護質(zhì)量監(jiān)測
任何一項工程質(zhì)量的保證，決定于設(shè)計是否符合實際及而后的施工是否到位.礦山壓力控制也是一樣，如何保證施工符合設(shè)計的標準，則決定于對工程質(zhì)量的監(jiān)測.事實證明，在礦山壓力控制中實際支護阻力與設(shè)計的要求往往是兩回事.這常常是導(dǎo)致工作面頂板事故的根本原因.尤其是回采工作面是在不斷推移的過程中，而且頂板條件又在不斷地變化，因此及時地進行監(jiān)測是保證工作面進行安全生產(chǎn)的根本保證.我國自80年代開始比較大規(guī)模地進行回采工作面頂板與支護質(zhì)量監(jiān)測，由此回采工作面頂板事故大幅度減少，創(chuàng)造了良好的社會效益與經(jīng)濟效益，其中的關(guān)鍵是運用礦山壓力理論以確定監(jiān)測指標，從而形成了“支架一圍巖”穩(wěn)定性診斷技術(shù)，使事故消滅于形成之初.有關(guān)研究成果的代表性論文有“Monitoring Indices for the Support
and Surrounding Strata on a Longwall Face”等[23- 26]，該成果主要體現(xiàn)在創(chuàng)造了一整套的監(jiān)測儀器及開發(fā)了一套支護質(zhì)量監(jiān)測的軟件.
5展望
回顧20年來的研究工作，顯然對今后的研究工作有益.今后的工作將從以下方面進行:
1)進一步完善采場整體力學(xué)模型，在研究直接頂穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上建立各項參數(shù)的關(guān)系，由此為監(jiān)控技術(shù)提供端面頂板穩(wěn)定性的監(jiān)控指標，進一步簡化監(jiān)測儀表、“預(yù)測一監(jiān)控”體系.為回采工作面安
全與高產(chǎn)高效服務(wù).
2)深入研究巖層控制中的關(guān)鍵層理論，以便對上覆巖層內(nèi)的離層區(qū)分布作出定量描述，為發(fā)展離層區(qū)充填技術(shù)及地面或井下抽放瓦斯技術(shù)奠定基礎(chǔ).在關(guān)鍵層理論中將重點研究堅硬巖層破斷的組合效應(yīng)以及關(guān)鍵層破斷形態(tài)與表土層變形的禍合關(guān)系.
參考文獻:
[1]Ch ien(Q ian) M inggao. A study of the behaviour of overlying strata in longwall m ining and its application to strata control[M].Strata Mechanics, Elsevier Scientific Publishing Company, 1982.13一17.
[2]錢鳴高，李鴻昌.采場上覆巖層活動規(guī)律及其對礦山壓力的影響[J].煤炭學(xué)報，1982(2): 1-12.
[3]錢鳴高，繆協(xié)興.采場上覆巖層結(jié)構(gòu)的形態(tài)與受力分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1995, 14(2): 97-106.
[4]錢鳴高，朱德仁，王作棠.老頂巖層斷裂形式及其對工作面來壓的影響[J].中國礦業(yè)學(xué)院學(xué)報，1986, 15 (2):9-18.
[5]錢鳴高，趙國景.老頂斷裂前后的礦山壓力變化[J].中國礦業(yè)學(xué)院學(xué)報，1986, 15(4): 11-19.
[6]朱德仁，錢鳴高.長壁工作面老頂破斷的計算機模擬[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，1987, 16(3): 1-9.
[7]Q ian M G, He F L. The behaviour of the main roof in longw all m ining: Weighting span, fracture and disturbance[J].J of m ine, Metals&Fuels, June一Ju1y, 1989. 240-246.
[8]茅獻彪，繆協(xié)興，錢鳴高.采動覆巖中關(guān)鍵層的破斷規(guī)律研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，1998, 27(1) : 39-42.
[9]錢鳴高，茅獻彪，繆協(xié)興.采場覆巖中關(guān)鍵層上載荷的變化規(guī)律[J].煤炭學(xué)報，1998, 23(2): 135-230.
[10]錢鳴高，許家林.覆巖采動裂隙分布的“O”形圈特征研究[J].煤炭學(xué)報，1998, 23(5): 466-469.
[11]錢鳴高，繆協(xié)興.巖層控制中關(guān)鍵層的理論研究[J].煤炭學(xué)報，1996, 21(3) : 225-230.
[12]錢鳴高，繆協(xié)興，何富連.采場“砌體梁”結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵塊分析[J].煤炭學(xué)報，1994, 19(6): 557-563.
[13]錢鳴高.砌體梁的“S-R"穩(wěn)定及其應(yīng)用[J].礦山壓力與頂板管理，1994( 3) : 6-10.
[14]錢鳴高，何富連，王作棠，等.再論采場礦山壓力理論 [J]，中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，1994, 23(3): 1-12.
[15]錢鳴高，劉雙躍.兩柱支掩式支架的工作狀態(tài)及其對直接頂穩(wěn)定性的影響「J].煤炭學(xué)報，1985(4): 1-11.
[16]錢鳴高，殷建生，劉雙躍.綜采工作面直接頂?shù)亩嗣婷奥鋄J].煤炭科學(xué)技術(shù)，1992( 1) : 41-44.
[17]錢鳴高，繆協(xié)興，何富連，等.采場支架與圍巖禍合作用機理研究[J].煤炭學(xué)報，1996, 21 (1) : 40-44.
[18]繆協(xié)興，錢鳴高.采場圍巖整體結(jié)構(gòu)與砌體梁力學(xué)模型[J].礦山壓力與頂板管理，1995(3, 4): 3-12.
[19]曹勝根，錢鳴高，劉長友.采場支架一圍巖關(guān)系的新研究[J].煤炭學(xué)報，1998, 23(6): 575-579.
[20]劉長友，錢鳴高，曹勝根，等.采場直接頂對支架與圍巖關(guān)系的影響機制[J].煤炭學(xué)報，1997, 22(5): 471-476.
[21]Q ian M G, He F L, M iao X X. The system of strata control around longwall face in China[ J].In: Guo Yuguang, Tad S Golosinski, eds. M inging Science and Technology. Rotterdam:A A Balkem a, 1996.15一18.
[22]錢鳴高，繆協(xié)興.采場礦山壓力理論研究的新進展 [J].礦Li壓力與頂板管理，1996(2) : 17-20.
[23]錢鳴高，何富連，李全生，等.綜采工作面端面頂板控制[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，1992( 2) : 41一45.
[24]Q ian M G, He F L, Zhu D R. Monitoring indices for the support and surrounding strata on a long-wall face[ C].The 11th International Conference on Ground Control in M ining, The University of W o1-longong, 1992.25一262.
[25]錢鳴高，何富連，繆協(xié)興.采場圍巖控制的回顧與發(fā)展[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，1996, 4(1 ): 1-3.
[26]錢鳴高，何富連，李全生.綜采工作面礦壓顯現(xiàn)與支護質(zhì)量監(jiān)控[J].中國煤炭，1995(7): 48-51.

Review of the Theory and Practice
of Strata Control Around Longw all Face in Recent 20 Years
Q IAN M mg一gao
(Department ofM ining Engineering, CUM T，Xuzhou, Jiangsu 221008, China)

Abstract The theory and practice, established and conducted by China University ofMining and Technology in recent 20 years, contain the mechanical model of stacked layer of blocks, theory of key stratum，the“S一R" stability of the mechanical model, the concept of viewing the mechanical situation around longwall face as a whole, and monitoring technique for the stability of“support-surrounding strata" system .Finally, some future research ideas were put forward.
Keywords: mechanical mode l of stacked layer of blocks; key stratum;mechanical model around long-wall face as a whole; m onitoring technique of“support-surrounding strata"