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煤矿采场岩层运动与控制研究进展--纪念钱鸣高院士“砌体梁”理论40年

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煤炭科学技术 2023年第1期51卷 80-94页

作者：王家臣许家林杨胜利王兆会中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 放顶煤开采煤炭行业工程研究中心北京100083 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116

自1982年钱鸣高院士提出的“砌体梁”理论得到国际公认以来,煤矿采场矿山压力研究实现从定性假说到定量理论的跨越式发展。40年来,我国的采场岩层运动与控制研究已形成较系统的理论与技术体系,服务于煤炭安全、高效、绿色开采。以“砌... 详细信息

自1982年钱鸣高院士提出的“砌体梁”理论得到国际公认以来,煤矿采场矿山压力研究实现从定性假说到定量理论的跨越式发展。40年来,我国的采场岩层运动与控制研究已形成较系统的理论与技术体系,服务于煤炭安全、高效、绿色开采。以“砌体梁”理论学术思想为主线,综述了我国煤矿采场岩层运动与控制研究进展,并提出了今后需要发展的研究方向。“砌体梁”理论采用“梁”“薄板”模型分析基本顶破断规律,揭示了顶板断裂线位于采场煤壁前方;煤壁和矸石支撑下基本顶破断岩块回转挤压,咬合形成“砌体梁”结构;发现了“砌体梁”结构的滑落(S)失稳和回转变形(R)失稳模式,建立了S-R失稳的力学条件,提出了基于“砌体梁”结构平衡的顶板压力计算方法,首次实现了支架-围岩关系的定量分析。“砌体梁”结构采场矿山压力力学模型突破了传统定性假说,为保障煤矿的安全和高产高效作出了历史性贡献。“砌体梁”理论指导煤矿采场顶板控制取得系列进展,如支架-围岩三耦合关系、顶板动载荷模型、支架阻力确定的二元准则、中厚板模型、大空间采场远-近场模型等。在“砌体梁”理论的基础上,钱鸣高院士于20世纪90年代中期提出了关键层理论,建立了下至采场、上至地表全覆岩运动过程的力学联系,实现了采场矿压、岩层移动和地表沉陷研究的统一。“砌体梁”理论与关键层理论指导了我国煤矿采场矿山压力与岩层控制研究,在采场矿压控制、覆岩裂隙分布、采动应力分布、岩层移动与开采沉陷等方面取得重要成果,为煤炭绿色开采与科学采矿奠定了基础。岩层运动与控制理论的进一步发展需集中到岩层运动统一场理论,基于采动岩层控制的灾害防治与减损技术,复杂条件岩层运动规律,岩层运动可视化技术和智能岩层控制技术等方面。

关键词：岩层运动 “砌体梁”理论关键层理论岩层控制采场

势接触法中法向刚度系数取值研究及岩层运动过程模拟

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岩土力学 2022年第6期43卷 1694-1704页

作者：王学滨薛承宇岑子豪陈双印刘桐辛辽宁工程技术大学计算力学研究所辽宁阜新123000 辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000

采场上覆岩层的开裂和破断在力学上可归结为连续介质向非连续介质转化或非连续介质进一步演化。正确模拟岩层运动对于岩层稳定性控制和有关灾害预防具有极其重要的意义。在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法中,只有法向... 详细信息

采场上覆岩层的开裂和破断在力学上可归结为连续介质向非连续介质转化或非连续介质进一步演化。正确模拟岩层运动对于岩层稳定性控制和有关灾害预防具有极其重要的意义。在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法中,只有法向刚度系数正确取值,势接触力才更可靠。为了模拟时间较长的开采过程和解决煤层离散单元形成的聚集体仍能承受超过自身承载能力的问题,采用了准静力模式和应力跌落方法。为了有助于正确选择适于模拟岩层相互作用的法向刚度系数,首先对其进行了标定,以考察嵌入引起的误差的影响。然后设计了4组(上相对较软-下相对较硬、两相对较软、上相对较硬-下相对较软和两相对较硬)两岩块撞击-平衡过程的数值试验,并以其中一组为例进行了重点分析。通过考察两岩块的嵌入量和上岩块下表面的平均应力的演化以及上块从运动到平衡的时长,最终得到了具有普适性的结果,即法向刚度系数与弹性模量的比值为15 m^(-1)时较为适当。为了检验上述建议值是否适于模拟采场岩层运动,以某煤矿1141工作面为例进行了计算。研究发现,在法向刚度系数取为建议值时,计算结果较为合理,且计算效率较高。

关键词：连续-非连续方法势接触法向刚度系数准静力计算岩层运动

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煤炭开采与岩层运动

煤炭学报 2019年第4期44卷 973-984页

作者：钱鸣高许家林中国矿业大学(北京) 北京100083 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116

采矿是从地层内获取煤炭资源的过程,是一次对矿区地层的扰动,必然引起岩层运动和地层内应力场与裂隙场的改变,从而影响矿压显现、地下水流失和地表沉陷等安全与环境问题。因此,采动岩层运动及其对安全与环境的影响规律是煤炭开采的基础... 详细信息

采矿是从地层内获取煤炭资源的过程,是一次对矿区地层的扰动,必然引起岩层运动和地层内应力场与裂隙场的改变,从而影响矿压显现、地下水流失和地表沉陷等安全与环境问题。因此,采动岩层运动及其对安全与环境的影响规律是煤炭开采的基础科学问题,对这些规律的认识将提高煤炭开采的科学性。由于采动岩层运动的复杂性,至今仍然有很多问题没有解决。介绍了采动覆岩运动的块体结构形式、岩层运动对工作面空间维护的影响、岩层运动对覆岩裂隙演化与地下水和地表沉陷等环境问题的影响、岩层运动对采动应力场影响等方面的研究进展与存在的主要问题,明确了岩层运动研究的重点和方向。结果表明:采动岩层运动是一种坚硬岩层破断前的应力集中和破断后形成块体的力学行为,坚硬岩层的破断和块体运动具有突变和不连续性,破断块体互相咬合可能形成"大变形"结构,块体咬合结构的S-R稳定性将对矿压显现、采动裂隙和地表沉陷等产生重要影响。岩层运动是一个"黑箱",目前仅仅在控制原理上得到解释,达到"灰箱"程度。因此,岩层控制在很多场合只能是"宏观"控制。"砌体梁"结构力学模型的建立明确了支护原理和支架工作阻力估算原则。一般情况下,按照4～8倍采高岩柱自重估算支架工作阻力可以满足工程需要,在大采高或薄直接顶、浅部开采、特殊压架条件等情况下支架工作阻力估算应采用上限,个别条件下单纯提高支架阻力仍无法彻底解决压架问题,还需配套实施相关工程措施加以防范。根据覆岩关键层破断块体结构的稳定性,将我国不同表土层条件下的地表沉陷划分为3种类型,提出应根据地表沉陷的不同类型进行预测、控制与选择复垦方法。关键层的赋存与破断特性对采动应力分布影响显著。目前,由于应力集中引起的事故比瓦斯事故更难以预防,为此,深部和构造应力集中区域只能开设试验矿井。

关键词：岩层运动 “砌体梁”结构关键层块体运动科学采矿

基于进化算法的矿山岩层运动模型识别系统研究

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采矿与安全工程学报 2010年第4期27卷 585-589页

作者：赵同彬谭云亮张泽姚姜源山东科技大学资源与环境工程学院矿山灾害预防控制教育部重点实验室山东青岛266510 北京交通大学电子信息工程学院北京100044

为了更加准确的表达矿山岩层运动的复杂演化规律,用模拟生物繁衍的进化算法进行模型识别研究.采用树状层次结构设计方法,不需事先假定模型的具体函数形式,根据进化过程中的选择、交叉、变异等遗传算子操作,可得到自适应模型.在VC++6.0... 详细信息

为了更加准确的表达矿山岩层运动的复杂演化规律,用模拟生物繁衍的进化算法进行模型识别研究.采用树状层次结构设计方法,不需事先假定模型的具体函数形式,根据进化过程中的选择、交叉、变异等遗传算子操作,可得到自适应模型.在VC++6.0语言平台基础上,自主开发了基于进化算法的矿山岩层运动模型识别系统,该系统具有模型智能识别和预测功能.应用结果表明,进化模型对采空区顶板离层的非线性演化过程的规律表达比较准确,模型值与实测值的误差非常小,平均仅为3.99%;以树状结构表达的进化算法适合描述岩层运动的复杂特征,开发的软件系统运行稳定、可靠,模型识别精度较高.

关键词：岩层运动模型识别树状结构进化算法自适应模型

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倾斜煤层长壁开采岩层运动特征及顶板控制

湘潭矿业学院学报 2001年第1期16卷 9-13页

作者：陶连金常春北京工业大学建工学院北京100022 沈阳大学土木工程学院辽宁沈阳110088

采用了现场测试法 ,用相似材料模拟实验研究了倾斜方向岩层运动与围岩应力分布及用离散元法模拟围岩运动特征等方法 ,得到了以下结论 :( 1)煤层倾角导致岩层运动与破坏以及围岩应力分布差异很大 ;( 2 )采空区充填程度不同 ,沿工作面倾... 详细信息

采用了现场测试法 ,用相似材料模拟实验研究了倾斜方向岩层运动与围岩应力分布及用离散元法模拟围岩运动特征等方法 ,得到了以下结论 :( 1)煤层倾角导致岩层运动与破坏以及围岩应力分布差异很大 ;( 2 )采空区充填程度不同 ,沿工作面倾斜方向 ,下部充填较密实 ,而上部则处于空置状态 ,由于顶板支撑条件不同 ,从而导致顶板挠曲差异很大 ,经常出现上部断裂而下部完好的状态 ;( 3 )倾斜煤层开采导致的岩层运动比缓倾斜煤层强烈 .要求工作面支护既有足够的强度 ,更要确保其稳定性 .图 5 ,参 5 .

关键词：倾斜煤层岩层运动岩层控制顶板开采围岩应力分布支护稳定性

基于微地震监测的近水平厚煤层上覆岩层运动规律研究

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矿业安全与环保 2021年第6期48卷 6-11,18页

作者：梁运培王海滨李全贵胡良平姜志忠宋明洋煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学资源与安全学院重庆400044

为了研究煤矿井下工作面采动对上覆岩层运动规律的影响,以察哈素煤矿近水平厚煤层31313工作面为工程背景,分别从微震事件整体分布范围、岩层中的不同高度分布、微震频次与周期来压关系等方面对岩层移动规律,以及采动影响下煤体破裂范围... 详细信息

为了研究煤矿井下工作面采动对上覆岩层运动规律的影响,以察哈素煤矿近水平厚煤层31313工作面为工程背景,分别从微震事件整体分布范围、岩层中的不同高度分布、微震频次与周期来压关系等方面对岩层移动规律,以及采动影响下煤体破裂范围进行研究,并运用数值模拟软件3DEC进行验证。研究结果表明:发生在不同高度层位的破裂事件具有不同的周期性,一般高位岩层的周期包含若干个中位岩层的周期;采场上方岩层18 m内为直接顶,18~60 m内为基本顶;由微震事件分析得到的周期来压步距是实际来压步距的2倍;采用微地震监测技术可真实有效反演采场上覆岩层的运动规律。研究结果能为微地震技术判识岩层运动规律提供参考。

关键词：微地震监测岩层运动分布规律周期来压煤岩破裂

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关于综放开采的岩层运动和矿山压力控制问题

岩石力学与工程学报 1997年第2期16卷 132-139页

作者：赵经彻陶廷云刘先贵孙晓明兖州矿业集团山东矿业学院

应用内外应力场理论，根据鲍店煤矿的生产实践，结合实验室相似材料模拟研究，对分层开采，网下综放，全厚综放三种不同开采条件下的冒落岩层厚度、导水裂隙带高度、地表沉陷特征以及支承压力大小及分布特点进行了分析和探讨，并建立了... 详细信息

应用内外应力场理论，根据鲍店煤矿的生产实践，结合实验室相似材料模拟研究，对分层开采，网下综放，全厚综放三种不同开采条件下的冒落岩层厚度、导水裂隙带高度、地表沉陷特征以及支承压力大小及分布特点进行了分析和探讨，并建立了相应的计算模型，为现场综放回采工作面。

关键词：综采放顶煤岩层运动矿山压力控制综合开拓

“C”型覆岩空间结构采场岩层运动规律及动压致灾机理

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煤炭学报 2012年第A02期37卷 269-274页

作者：侯玮霍海鹰河北工程大学资源学院河北邯郸056038 河北工程大学建筑学院河北邯郸056038

针对"C"型覆岩空间结构采场采动阶段岩层运动与矿压关系,研究三面采空孤岛采场岩层运动规律,揭示了工作面开采初期和开采期间岩层运动诱发动力灾害规律,通过采动应力环境下静压分析和动压分析以及地质条件多因素耦合的方法总结出三面采... 详细信息

针对"C"型覆岩空间结构采场采动阶段岩层运动与矿压关系,研究三面采空孤岛采场岩层运动规律,揭示了工作面开采初期和开采期间岩层运动诱发动力灾害规律,通过采动应力环境下静压分析和动压分析以及地质条件多因素耦合的方法总结出三面采空孤岛采场动压致灾机理。结合工程实践,基于微地震定位监测结果揭示"C"型覆岩空间结构应力分布和变化特征,验证了"C"型覆岩空间结构采场采动阶段诱发动力灾害规律。

关键词：覆岩空间结构岩层运动矿山压力微地震冲击地压

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矿山岩层运动非线性动力学反演预测方法

岩土工程学报 1998年第4期20卷 16-19页

作者：谭云亮王泳嘉朱浮声山东矿业学院矿压所东北大学计算中心

根据非线性动力学观点，提出了岩层运动预测的反演建模方法。研究表明，由于岩层运动的内在非线性机制，进行长期预测将会有较大误差，而对岩层运动进行短期动态新息预测是实现可靠预测的可行途径。文中的方法对煤爆、岩爆等动力现象的... 详细信息

根据非线性动力学观点，提出了岩层运动预测的反演建模方法。研究表明，由于岩层运动的内在非线性机制，进行长期预测将会有较大误差，而对岩层运动进行短期动态新息预测是实现可靠预测的可行途径。文中的方法对煤爆、岩爆等动力现象的预测研究具有一定的参考价值。

关键词：非线性动力学预测反演岩层运动