創新點

（1）以覆巖承載“拱殼”結構為核心，對目前覆巖運動研究成果進行了系統梳理，納了源頭預設拱殼、過程調控拱殼、末端穩控拱殼的拱殼主動調控方法，并展望了“拱殼”模型后續研究方向。

（2）提出了基于能量守恒定律的采動損傷拱理論計算模型和數值模擬方法，構建了以煤層開采釋放的應變能和以煤層開采形成的覆巖勢能兩種模式在傳遞過程中逐漸耗散衰減的采動損傷拱模型。

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煤礦開采覆巖拱殼結構演化及其控制研究進展

作者：張村^1,2, 任趙鵬, 李全生, 郭俊廷

單位：1. 中國礦業大學(北京) 能源與礦業學院；2. 煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室

引用格式：

張村，任趙鵬，李全生，等. 煤礦開采覆巖拱殼結構演化及其控制研究進展[J]. 綠色礦山，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

煤層開采引起覆巖的移動、變形、破斷及應力變化是造成工作面來壓及地表生態損傷的主要原因。研究采動覆巖運動規律與損傷機理是解決井下安全生產、含水層保護、地表建(構)筑設施與生態保護的核心問題，是實現煤礦綠色安全開采的理論基礎。為充分認識開采損傷的傳導機制，以覆巖承載“拱殼”結構為核心，系統梳理了當前覆巖運動研究成果，針對覆巖組合與巖土體介質特性差異，將研究成果分為松散層拱和基巖拱。基巖拱又可以進一步分為斷裂拱和應力拱。在此基礎上，依據拱殼演化機制和研究手段論述了基巖拱殼研究進展與不足：理論模型能夠給出拱跡線方程進而判斷拱的承載特征；但存在邊界應力條件簡化、巖層均質性假設、拱跡線的假設和拱厚度的計算等問題；數值模擬可以很好的給出拱殼的位置、拱厚及其演化特征，但以有限元模擬的應力拱殼忽略了巖層破斷的影響，而以離散元模擬的應力或者裂斷拱殼則依賴于塊體的劃分；相似模擬目前只能定性觀測裂斷拱的發育特征，難以確定應力拱范圍。現有基于覆巖拱殼的應用聚焦于通過拱殼演化模型進行礦壓和地表沉陷的預測與防治，對主動調控覆巖拱殼的手段相對較少的問題，基于此，歸納了3種覆巖拱殼調控手段：源頭預設拱殼手段、過程調控拱殼手段、末端穩控拱殼手段。最后綜合現有成果，進一步提出了基于能量守恒定律的采動損傷拱殼理論計算模型及其模擬方法，為采場覆巖空間結構穩定性演化特征及地表沉陷治理提供了理論支撐與研究手段。

引言

采場上覆巖層破斷結構影響井下礦山壓力和覆巖與地表損傷表征等基本問題，包含動壓事故形成的原因及防治、支架工作阻力的確定、巷道支護設計，以及覆巖導水裂隙帶發育特征、地表下沉與二次沉降、地表裂隙發育特征等。目前，針對礦山壓力與巖層運移特征提出的覆巖結構理論及假說主要包括“梁”“板”“拱”三類，主要包括關鍵層理論、傳遞巖梁假說、砌體梁理論(鉸接巖塊假說)、預生裂隙梁假說、懸臂梁假說以及壓力拱假說等。這些理論和假說已被廣泛應用，并在實踐中不斷發展。由于地質條件的隱蔽性和采動覆巖結構的復雜性與特殊性，傳統“梁”“板”理論并不完全適用于不同地質特征，基于此，在以往研究的基礎上覆巖承載拱殼結構力學模型逐漸被廣泛應用，以揭示煤層開采影響下圍巖采動應力分布特征及應力拱動態形成過程中的礦壓顯現特征、壓力影響范圍及地表沉陷預測。

現階段，對于覆巖承載“拱”(三維“殼”)模型主要分為松散層拱和基巖拱，基巖拱主要包括裂斷拱(結構拱或冒落拱)、應力拱(壓力拱)。“松散層拱”是基于隨機介質力學模型提出的一種承載結構；“裂斷拱”一般認為是基巖發生破斷的頂界，通常沒有厚度，且在非充分采動階段和充分采動階段表現為兩種形態：非充分采動階段，“裂斷拱”呈拱形擴展，當達到充分采動階段，隨工作面繼續推進，“裂斷拱”形態逐漸發育成“平頂拱”或者“馬鞍形”拱；而“應力拱”是指采場上覆主應力偏轉而形成的拱形應力分區，存在一定的厚度，一般位于“裂斷拱”上位，是整個基巖的承載結構；采場覆巖的“雙拱”模型是巖體自身承載特性及壓應力成拱效應的力學表現。

根據已有研究，筆者針對覆巖承載拱殼結構，根據載體介質進行了分類，并論述了相關研究手段與應用情況，同時在以往總結的基礎上，針對基巖應力拱殼主動調控手段的不足，提出了源頭預設拱殼、過程注漿調控拱殼以及末端穩控拱殼手段；且基于能量守恒定律提出了覆巖采動損傷拱模型，為采場覆巖空間結構穩定性及地表沉陷治理研究提供了理論支撐和治理手段。

部分圖片

圖 1 采動覆巖松散層拱承載結構示意

圖 2 基巖拱結構示意

圖 3 典型覆巖拱模型邊界條件

圖 4 主應力偏轉成拱機制

圖 5 應力成拱分區及 FLAC^3D模擬結果

圖 6 相似模擬與數值模擬的相互驗證

圖 7 覆巖損傷場發育過程

圖 8 垮落帶注漿護關鍵層+離層裂隙帶注漿協同成拱技術

圖 9 基于空間和能量守恒的采動損傷傳動模型

圖 10 能量損傷拱殼模型演化特征

作者簡介

張村，本碩博畢業于中國礦業大學，現為中國礦業大學（北京）能源與礦業學院副教授、博導。中國巖石力學與工程學會優秀博士學位論文獎獲得者，入選國際先進材料學會會士（IAAM Fellow），中國科協青年人才托舉工程，2022-2024年全球前2%頂尖科學家榜單（斯坦福大學）；兼任SCI期刊 Journal of Geophysics and Engineering 副主編，Sustainability 編委，多個卓越期刊青年編委。

研究方向

礦山壓力與巖層控制、礦井水資源化利用、煤與瓦斯共采、廢棄礦井再利用等

主要成果

主持國家及省部級基金近10項。曾獲國家優秀科普活動，省部級教學成果一等獎1項，科技進步一等獎4項，二等獎10項。以第一作者（通訊作者）發表高水平論文100余篇，ESI高被引論文10篇，出版專著4部，第一發明人授權發明專利10余項。

策劃丨郭曉煒

責編丨黃小雨

編輯丨李莎

審核丨常明然

期刊簡介

為深入貫徹習近平生態文明思想，踐行“綠水青山就是金山銀山”理念，搭建綠色礦山建設領域高端學術交流平臺，2023年5月，經國家新聞出版署批準，由中國煤炭科工集團主管、煤炭科學研究總院有限公司主辦的中文科技期刊——《綠色礦山》（Journal of Green Mine）應運而生。《綠色礦山》為季刊，國內統一連續出版物號為：CN10-1912/TD，ISSN號：2097-3357，由《綠色礦山》編輯部負責策劃、出版、發行。

刊登范圍

綠色勘查、綠色開采、礦山地下空間利用、綠色選冶、礦山環境保護、低碳技術及節能減排、數字礦業、綠色低碳經濟政策與評價等。

聯系：常明然

電話： 010-87986451

郵箱：changmingran0216@163.com

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