矿山工程技术

矿山压力与岩层控制研究热点最新进展评述

彭赐灯

摘要：目的：矿山压力与岩层控制是井工开采煤矿的四大系统之一。广义上讲，岩层控制问题不仅涉及顶板控制，还包括巷帮和底板控制、煤柱设计、液压支架设计、上覆岩层垮落失稳规律、地表沉陷等。过去30年，岩层控制研究取得了极大进展，相应成果指导的工程实例更进一步表明了岩层控制在当今高产高效矿井举足轻重的地位。然而，现阶段几乎每一个岩层控制研究方向均存在着值得改进的地方。基于此，本文从不同研究热点的角度讨论制约岩层控制研究发展的一些基本问题。方法：本文从研究方法、岩石力学特性、地质、数值模拟、原岩应力、顶板锚杆支护、煤柱、矿压观测、煤岩失稳、地表沉陷、液压支架、冲击地压等12个方面较为系统地论述了西方国家在矿山压力与岩层控制研究方面取得的最新进展，并重点探讨当前研究的不足之处。结果：（1）研究方法：基于工程经验的解决方法只能作为岩层控制问题的快速解决方案而不是最终解决方案，推动岩层控制技术发展的唯一出路就是充分研究岩层控制的机理及技术原理。（2）岩石力学特征：岩石力学领域许多基本的问题依然没有解决，例如，我们依然无法确定实验室测得的岩样力学参数与岩体本身的力学参数之间的关系。（3）地质：大部分的岩层控制失效案例都是与地质相关的，当前急需推动地质探查技术的研究，并且层面等弱面在沉积岩中所扮演的角色需要进一步研究。（4）数值模拟：数值模拟在采矿工程领域的应用几乎囊括了每一个岩层控制研究方向，然而当前数值模拟在建模方法、输入参数的选择、模型结果验证等方面仍然存在问题。（5）原岩应力：近年来各主要煤田的矿井均做了大量的原岩应力测试工作。然而，测试结果表明水平应力大小和方向均差异很大，甚至在同一个矿井，结果也不尽相同，这严重制约了测试结果在分析矿压问题时的适用性。（6）锚杆支护：当前仍缺乏科学合理的锚杆设计准则及锚杆支护理论，此外，通过数值模拟进行锚杆支护设计研究时没有考虑锚杆构件差异及锚杆安装过程。（7）煤柱：多种因素影响煤柱强度，科学合理的煤柱设计方法需要综合考虑非均匀分布应力、围压、煤层顶底板、非均质煤岩、弱面、时间等影响因素。（8）矿压观测：矿压观测手段和观测数据对研究岩层控制的采矿工程师具有极强的说服力，当前在如何评价矿压数据的准确性与适用性，以及如何分析由相似观测手段得到的多组数据等方面需要进一步的研究。（9）煤岩失稳：由连续介质力学理论界定的煤岩结构失效并不一定适用于井工矿井，因为煤岩结构并未完全丧失承载能力，如何区分各种煤岩失稳可以达到自稳还是会最终破坏，即巷道冒顶或采空区覆岩冒落区域最终是否会形成稳定的结构需要进一步研究。（10）地表沉陷：地表沉陷最重要的问题是要研究地下采掘活动对上覆水体的影响，包括地表河流、泉水、水井和地下水等，目前相关的研究仍然不够深入。研究采掘活动对地下水的影响，开采前需开发或者使用现有的多孔介质渗流模型对其进行计算，并且需考虑导水裂隙带在开采后导水裂隙发育情况。（11）液压支架：目前在支架与围岩相互作用关系、覆岩垮落特征等方面研究的不足导致了不断增长的液压支架额定工作阻力。液压支架设计应综合考虑4个方面：确定支架顶板载荷、确保合理的支架构件强度、确定底板比压（尤其有水存在时）、支架整体及各构件的疲劳强度。（12）冲击矿压：研究表明冲击矿压是由岩层高应力集中区内存储的大量能量突然释放诱发的，而高应力集中区与巷帮的距离直接影响着存储的能量是否会动态释放。结论：过去30年，矿山压力与岩层控制取得了丰富的研究成果，但目前，几乎每一个研究方向均存在问题，因此，迫切需要深入的研究以解决高产高效矿井生产过程中遇到的一系列问题。本文详细讨论了现阶段的研究手段和方法、岩石力学特性、地质、数值模拟、原岩应力、顶板锚杆支护、煤柱、矿压观测、煤岩失稳、地表沉陷、液压支架、冲击地压等12个岩层控制相关研究方向或研究热点的缺陷，以促进岩层控制研究的进步。

来源出版物：中国矿业大学学报, 2015, 44(1): 1-8

入选年份：2015