煤炭开采与岩层控制的空间尺度分析.pdf

第 2 卷第 2 期 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2 No. 2 2020 年 5 月 JOURNAL OF MINING AND STRATA CONTROL ENGINEERING May 2020 023538-1 康红普. 煤炭开采与岩层控制的空间尺度分析[J]. 采矿与岩层控制工程学报， 2020， 22 023538. KANG Hongpu. Spatial scale analysis on coal mining and strata control technologies[J]. Journal of Mining and Strata Control Engi- neering， 2020， 22 023538. 煤炭开采与岩层控制的空间尺度分析 康 红 普 1,2,3 1. 天地科技股份有限公司 开采设计事业部， 北京 100013； 2. 煤炭科学研究总院 开采研究分院， 北京 100013； 3. 煤炭资源高效开采与洁净利用国家 重点实验室， 北京 100013 摘 要 论述了煤炭开采与岩层控制研究中涉及到的不同空间尺度， 从全球尺度到煤体中的纳 米级微孔隙。包括全球煤炭资源、 煤田、 矿区与井田、 采掘钻空间、 岩石力学试验、 煤岩组分与 结构、 支护与加固材料组分及结构的尺度分布。介绍了不同尺度范围内煤炭开采与岩层控制 的主要研究内容及研究方法。指出煤炭开采与岩层控制研究的空间尺度集中分布在10 ～ 10 m之间， 跨17个数量级。不同尺度研究的重点内容不同， 研究方法也不同。岩层控制中的一 些岩层结构只能出现在一定尺度内。巷道与采场顶板中形成的梁、 拱、 层、 壳等结构的尺度一 般为10 ～10 m， 远离这些尺度， 岩层结构无法形成。岩层控制研究中， 有些问题， 如软岩遇水 软化和膨胀， 煤层的渗透性等必须从微观尺度开始研究； 有些问题， 如研究巷道和采场周围应 力场与位移场分布， 一般只需了解煤岩层的宏观物理力学性质即可； 而还有些问题， 如岩石的 破裂， 需从微观到宏观不同尺度进行研究。目前， 从宏观、 细观到微观的多尺度研究方法已在 煤炭开采与岩层控制研究中得到广泛应用， 不同尺度之间的相互联系非常重要。 关键词 煤炭开采； 岩层控制； 空间尺度； 宏观； 微观； 研究方法 中图分类号 TD82； TD32 文献标志码 A 文章编号 2096-7187202002-3538-26 Spatial scale analysis on coal mining and strata control technologies KANG Hongpu 1. Coal Mining and Designing Department， Tiandi Science and Technology Co.， Ltd.， Beijing 100013， China； 2. Coal Mining and Designing Branch， China Coal Research Institute， Beijing 100013， China； 3. State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization， Beijing 100013， China Abstract The various spatial scales involving in coal mining and strata control are discussed in this paper， which are from global scale to nanopore in coal. The scale distributions of global coal reserves， coal field， coal mining area and well field， coal working， driving and boring， rock mechanics tests， composition and structures of coal and rock， and composition and structures of support and reinforcement materials are analyzed. The main research contents and ologies about coal mining and strata control under various scales are introduced. It is also pointed out that the spatial scales on coal mining and strata control are in the limits of 10 -10 m， stepping across 17 orders of magnitude. The different research contents and ologies depend on the different spatial scales. Some rock structures in strata control can only exist on fixed scales. The spatial scales of rock structures ed in roadways and working faces， such as beam， arch， layer and shell， are generally in the limits of 10 -10 m. Its closely related to the ation of rock structures. Different scales are used to study the corresponding problems of rock ation 收稿日期 2019-12-16 修回日期 2019-12-20 责任编辑 许书阁 作者简介 康红普1965， 男， 山西五台人， 中国工程院院士。 康红普 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 2 2020 023538 023538-2 control. for example， water softening and swelling of soft rocks， permeability of coal must be studied from micro scales； macro physical and mechanical properties are sufficient for studies on stress and displacement distributions around a roadway or working face. However， there are still some problems， such as rock fracturing， which should be studied from both macro and micro scales. At present， the multi-scale ology from macro， meso to micro scales is widely applied in coal mining and strata control. It is important to connect various scales with each other. Key words coal mining； strata control； spatial scale； macroscopy； microscopy； ology 尺度一般表示物体的尺寸， 是很多学科的基本 概念。尺度涉及3方面的含义 客体 被观察对象 、 主体 观察者， 通常指人 及时空。本文主要分析空 间尺度。 物理学是研究物质结构、 物体相互作用和物体 运动最一般规律的科学， 尺度效应至关重要 。尺 度不同， 往往导致相互作用力不同， 物质性能及运 动规律发生本质变化。物理学研究对象的空间尺 度如图1 所示， 大致分为宇观、 宏观、 介观及微观。 宏观物理学以人类自身的大小为尺度， 研究人眼能 够直接观察到的宏观物体， 尺度主要分布在10 ～ 10 m 有的学者认为， 宏观尺度的上限为太阳系的 尺度， 即310 m 。微观物理学研究分子、 原子及 更深层次各种粒子 原子核、 质子、 中子、 电子、 中微 子、 夸克等 ， 尺度一般为10 m 纳米 以下。包括 原子和小分子尺度10 ～10 m； 原子核尺度10 ～ 10 m； 夸克和电子尺度10 m， 直到普朗克长度 10 m。介观物理学研究介于宏观和微观尺度之间 的客体， 尺度大致为10 ～10 m 有的学者将10 ～ 10 m定义为显微观 。宇观是指包括星团、 星系、 星 系团、 超星系团、 总星系及遍布宇宙空间的射线和 引力场所构成的物质系统。目前， 可观测的宇宙边 缘距离达到10 m量级。上述从微观到宇观， 物理学 研究的空间尺度共跨62个量级。 煤炭开采与岩层控制是研究采煤技术、 工艺、 装备及岩层移动、 破坏和控制的学科， 其基础学科 为地质学、 岩石力学及采矿学等， 研究对象从全球 煤炭资源分布、 区域地质构造与地应力分布、 大型 煤田与矿区规划、 矿井开拓部署、 采煤工艺与装备、 采场岩层控制、 巷道支护、 钻孔钻进， 到煤岩体矿物 成分与组织结构、 微孔隙裂隙等， 空间尺度从10 ～ 10 m， 共跨17个量级， 见表1。 本文以空间尺度为主线， 介绍煤炭开采与岩层 控制在不同尺度范围内的主要研究内容、 研究方法 和典型实例， 分析不同尺度之间的关系。 1 全球与煤田尺度 煤炭是在地球上开采， 因此， 可以认为煤炭开 采与岩层控制研究的最大尺度是地球的尺度 10 m 。煤炭是地球上储量最丰富的化石燃料， 但 地球上煤炭资源分布很不平衡。通过在全球尺度 上分析煤炭资源分布情况， 如图2 所示， 发现70 的煤炭资源集中在北半球北纬30～70之间。其 中， 亚洲煤炭资源最丰富， 占全球地质储量的1/2 以上； 其次是北美洲， 占1/3左右； 欧洲煤炭资源较 少。 煤炭是由植物经过漫长、 复杂的生物化学、 物 理化学作用而形成的 。成煤条件包括植物、 气候、 古地理和地壳运动等。在全球尺度上研究地壳运 动、 板块构造与煤层赋存条件的关系具有战略意义。 无穷小 无穷大 10  人 10  山 10  月球直径 10  太阳直径 10 普朗克长度 10 夸克 10 质子 10 玻尔半径 10  葡萄糖分子直径 10  细颗粒物PM2.5 10  硬币厚度 10  海王星至太阳距离 10  至奥尔特云的距离 10  10  银河系宽度 10  宇宙边缘的距离 地球直径 10  10  1.2810  m 煤 炭 开 采 与 岩 层 控 制 研 究 尺 度 范 围 图1 物理学与采矿工程研究的空间尺度分布 Fig. 1 Spatial scale distribution of physics and mining engineering 康红普 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 2 2020 023538 023538-3 表1 煤炭开采与岩层控制空间尺度 Table 1 Spatial scales of coal mining and strata control 尺度/m 典型实例描述 10  地球直径， 全球尺度， 板块构造， 全球地应力分布规律 10  区域大型地质构造， 郯庐断裂带， 在中国境内延伸超过2 400 km 10  大型煤田， 鄂尔多斯煤田南北长约600 km， 东西宽约400 km 10  矿区， 潞安矿区南北长约74.6 km， 东西宽约63.1 km 10  矿井， 晋城寺河煤矿东区井田东西、南北尺寸为79 km 10  采煤工作面， 工作面长度一般为150～400 m 10  采场上覆岩层垮落带、 裂隙带高度 10  巷道， 巷道宽度一般为3～6 m， 高度大多为2～5 m； 液压支架高度、 宽度； 锚杆、 锚索长度等 10  大直径钻孔， 大直径瓦斯抽采钻孔直径120～220 mm； 实验室煤岩样高度100 mm 10  中小直径钻孔， 直径多为28～92 mm； 锚杆、 锚索直径为16～25 mm； 实验室煤岩样直径50 mm 10  锚杆螺纹尺寸， 锚杆托板、 钢带厚度等； 极粗砂颗粒直径 10  肉眼可见的煤岩体裂纹宽度 10  超细水泥最大粒径， 一般20 μm 10  黏土颗粒尺寸， 一般5 μm； 煤岩中的微米级孔隙 10  煤孔隙过渡孔尺寸， 一般为100 nm～1 μm 10 黏土吸水膨胀的最大层间距离 10 nm 10 “ 纳米级孔隙尺寸 10  极微孔隙尺寸 图2 全球煤炭资源分布 Fig. 2 Global distribution of coal resources 张泓等 分析比较了世界11个主要产煤国家的 煤田地质条件得出以下结论 1 位于大型稳定地台 地盾、 克拉通地块 的煤 田构造简单， 而褶皱带或过渡带上的煤田构造复 杂； 2 我国大陆由众多小型陆块组成， 煤盆地容易 受挤压发生变形， 且遭受后期多次、 多方向的构造 运动改造， 导致我国煤田地质条件， 除鄂尔多斯煤 盆地外， 比美国、 澳大利亚、 德国、 南非及印度等国 家的煤田复杂得多； 3 对于我国煤田， 华南、 滇藏地区的煤田构造 条件最复杂， 其次是华北地区煤田， 之后是东北和 西北地区煤田。 煤炭开采、 岩层控制与地应力密切相关。地应 力是地壳在地质历史过程中， 受物理化学、 热力学、 地质力学等作用不断积累形成的 。地应力的成因 非常复杂， 主要与地球的各种动力运动过程有关， 包括地心引力、 板块边界挤压、 地幔热对流、 地球旋 转、 岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。在全球尺度上 研究地应力形成机制、 地应力与地壳运动和板块构 造的关系、 地应力分布特征， 对地球资源开发与地 下空间利用具有不可替代的重要作用。 为研究全球现今构造应力分布规律， 20世纪90 年代启动了“世界应力地图项目” The World Stress Map project ， 来自18个国家的30多位科学家 参与其中。2008年发布的“世界应力地图数据 库” The World Stress Map database 及“世界应力 地图”， 包含了21 750个数据 。根据该数据库绘 制了世界地应力图， 如图3所示， 并分析了全球地壳 应力分布特征 。 我国在地壳应力研究方面也做了大量工作， 建 立了“中国大陆地壳应力环境基础数据库” 。 以地应力数据为依据， 以中国大陆地质构造格局及 康红普 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 2 2020 023538 023538-4 1802102402703003300 0 30 30 -30 60 60 -60 90120150180 图3 全球地应力图 根据2008年发布的WSM数据库绘制 Fig. 3 Global crustal stress map after the World Stress Map database release 2008 构造演化为背景， 绘制了“中国现代构造应力场 图” ， 并进行了中国大陆地壳应力环境与构造应力 分区及分布特征研究 。这些地应力成果对研究 煤田和矿区有重要参考价值。 在煤炭行业， 煤炭科学研究总院开采研究分院 基于我国煤矿地应力实测数据， 建立了“中国煤矿 井下地应力数据库” ， 绘制了分区煤矿地应力图和 中国煤矿矿区地应力图， 研究了我国煤矿井下地应 力分布规律和主要影响因素 。图4为山西省煤 矿区井下地应力分布。分析图4可得出 山西煤矿 矿区从北到南， 最大水平主应力方向出现较大变 化。北部矿区最大水平主应力方向为NNE～NEE； 靠东部与西部偏向NW； 在中部、 东南部出现了多变 的方向。通过分析地应力测试资料， 在山西省全省 尺度上 东西宽约290 km， 南北长约550 km， 总面积 1.56710 km ， 对煤矿区井下地应力分布特征有 了比较清楚的了解， 对山西煤矿开拓部署、 巷道布 置等工作有重要指导作用。 大型煤田的尺度一般在10 ～10 m， 表2所列为 我国的一些典型煤田。在这个尺度上可进行以下 研究工作 1 勘探煤田中煤炭资源分布情况， 煤田煤炭资 源储量， 煤层赋存形态与地质条件， 水文地质条件 等； 2 勘探分析煤田中大型地质构造分布情况， 测 大同塔山矿 大同市 朔州市 忻州市 阳泉市 太原市 晋中市 吕梁市 临汾市长治市 运城市 平朔矿区 潞宁矿区 华晋沙曲矿 汾 西 离 柳 矿 区 阳泉新景矿 汾 西 矿 区 潞安矿区 晋城矿区 图4 山西煤矿矿区井下地应力分布 Fig. 4 Underground in-situ stress distribution map for Shanxi coal mining fields 试分析煤田地应力总体分布规律； 3 依据煤田地质条件， 结合地面条件与设施及 国家需求， 从空间与时间2个方面规划煤田的开发； 康红普 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 2 2020 023538 023538-5 表2 我国典型煤田空间尺度 Table 2 Spatial scales of typical coal fields in China 序号 煤田名称 尺寸 1 鄂尔多斯煤田 地跨陕、 甘、 宁、 内蒙古、 晋5省区， 东西宽约400 km， 南北长约600 km 2 沁水煤田 山西省中南部， 南北长约300 km， 东西宽约100 km， 面积约310  km 3 河东煤田 山西省西部离柳、 乡宁等地区， 面积约1.510  km 4 准东煤田 新疆准噶尔盆地东部， 东西长约220 km， 南北宽约60 km， 面积约1.410  km 5 兖州煤田 山东省， 跨济宁、 邹县、 兖州、 曲阜、 巨野、 枣庄等12个县市， 面积约3 400 km  6 淮南煤田 安徽省， 跨淮南、 滁县、 阜阳等地， 长度约100 km， 宽度20～30 km， 面积约2 500 km  7 大同煤田 山西省北部， 跨大同、 怀仁、 山阴、 左云、 右玉等5市县， 呈椭圆形， 面积约1 828 km  8 开滦煤田 河北省， 跨唐山、 滦县、 滦南、 丰润、 丰南等5市县， 呈北东向长条状， 面积约670 km  4 划分矿区， 优化布局， 实现煤田的合理、 高 效开发。 大型地质构造， 如褶曲、 断层等的尺度很多在 10 ～10 m， 对区域地应力和煤层地质条件产生显著 影响。如郯庐断裂带是东亚大陆上的一系列北东 向巨型断裂系中的一条主干断裂带。它南起湖北 广济， 向北穿苏、 鲁、 皖、 渤海湾、 东三省入俄罗斯境 内， 全长达3 600 km， 在我国的延伸达2 400 km 。 它切穿我国东部不同大地构造单元， 规模宏伟， 结 构复杂， 影响和控制了沿带的主要沉积特征和构造 演化。对沿带分布的煤田盆地形态与演化、 煤层赋 存状态及地质构造产生了显著影响。 又如规模比较小的晋获断裂带， 位于山西与河 北境内。北起河北省获鹿县， 向南经左权、 长治至 晋城西南 。总体走向北北东， 延伸长度350 km， 宽1～8 km， 最大断距达1 000 m。晋获断裂带的构 造活动， 对沁水煤田东部构造格局形成和演化、 煤 系赋存状况具有重要的控制作用。晋获断裂带横 穿晋城矿区的中部， 将矿区分为东西2个不连续含 煤区。地应力测量表明， 晋获断裂带引起了矿区最 大水平主应力方向发生扭转， 造成该区域最大水平 主应力的显著变化 。可见， 大型地质构造对矿区 地应力分布有重大影响。 2 矿区与井田尺度 矿区的范围常根据煤炭资源的规模而定， 尺度 大多在10 ～10 m。矿区是统一规划和开发的煤田 或其中的一部分， 包括若干煤矿， 有完整的煤炭生 产、 运输、 通讯及生活服务等设施。 我国煤炭开采划分了很多矿区， 通常小型煤田 由一个矿区开发， 大型煤田由数个矿区开采， 如在 沁水煤田上就分布有阳泉、 潞安、 晋城等矿区。随 着煤矿开采强度增加及老矿区煤炭资源的枯竭， 矿 区的开采范围越来越大。很多煤业集团公司跨区 域、 跨省建设煤矿， 使得煤炭开采条件更加复杂化、 多样化。 在矿区尺度上可以进行以下研究工作 1 勘探分析矿区煤层赋存形态和空间分布， 研 究煤系地层构成及物理力学性质， 矿区水文地质条 件及地形、 地物等情况； 2 探测分析矿区大型地质构造分布情况， 煤岩 层结构特征， 测试分析矿区地应力大小与方向， 研 究地应力场分布规律； 3 基于矿区煤层地质条件， 结合水、 电、 交通 运输、 材料设备供应及矿区地面条件， 进行合理的 矿区开发规划与部署； 4 根据矿区煤炭资源分布、 大型地质构造、 开 采技术条件、 地面行政区划等情况， 合理划分矿井 井田， 保证井田有合理的尺寸与边界， 实现矿区的 高效开发。 图5为山西潞安矿区井下地应力分布 。该矿 区位于沁水煤田中段， 矿区南北长约74.6 km， 东西 宽近63.1 km。地应力测试结果表明 潞安矿区地应 力总体上水平应力占优势。由于埋深不同及地质 构造原因， 矿区内各矿地应力场差别较大。受文王 山、 二岗山、 余吾等大断层的影响， 矿区最大水平主 应力方向从南到北变化较大， 构造应力场呈现多变 的形态。通过地应力测量， 弄清了潞安矿区地应力 分布特征与主要影响因素， 为矿区的开发布局提供 了依据。 划分给一个矿井开采的煤田称为井田， 其尺度 多为10 ～10 m。一般小型矿井井田走向长度不小 康红普 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 2 2020 023538 023538-6 N 李村井田 下霍井田 李村 后备区 司马矿 辛庄井田 高 河 井 田 王庄矿 古城井田 屯留矿 郭 庄 矿 常村矿 漳村矿 石 圪 节 矿 五阳矿 善福矿 夏店矿 后备式 夏店矿 襄 垣 矿 文王山南断层 文王山北断层 二岗山南断层 二岗山北断层 图5 潞安矿区地应力分布 Fig. 5 In-situ stress distribution map in the Luan coal mine area 于1 500 m， 中型矿井不小于4 000 m， 大型矿井不小 于7 000 m 。在井田尺度上可以开展以下研究工 作 1 根据井田的尺寸、 煤层赋存条件、 开采技 术、 地面条件等因素确定矿井生产能力、 井型及服 务年限； 2 井田地质构造探测与分析， 煤岩层物理力学 性质与结构特征研究， 地应力测量与井田地应力场 分布规律分析； 3 进行矿井开拓部署与开采设计， 包括井田开 拓方式， 开拓巷道布置， 开拓延伸与技术改造等； 开 展准备方式研究及采区设计， 包括采区范围确定， 准备巷道布置及参数， 煤层群开采顺序等； 进行采 煤工作面巷道布置， 确定工作面参数； 4 选择合理的采煤方法， 确定采煤工艺与装 备， 实现工作面快速推进， 保证工作面和矿井的安 全、 高效开采。 在进行井田开拓与巷道布置时， 应充分考虑地 应力对井巷工程稳定性的影响。根据井田地应力 大小与方向， 将长度大、 工程量大的巷道布置在受 力有利的方向具有事半功倍的作用。 晋城寺河矿东区井田东西、南北尺寸为7 9 km。图6为寺河煤矿井田的地应力分布 。寺河 矿主采煤层为3号煤层， 平均厚度为6.34 m， 倾角大 多小于5， 属近水平煤层。实测的地应力以水平应 力占优势。在这种条件下， 将巷道轴线沿最大水平 主应力方向布置最为有利。对照图6， 提出有利的 回采巷道布置方向为 在井田东区南部与西部、 西 区南部， 最大水平主应力方向近似EW向， 巷道布置 方向应为EW向； 在东区东北部， 最大水平主应力方 向近似SN向， 将巷道布置为SN向比较有利。 寺河矿西区 寺河矿东区 寺 河 二 号 井 成庄矿 图6 晋城寺河煤矿地应力分布 Fig. 6 In-situ stress distribution map in the Sihe Coal Mine in the Jincheng coal mining area 寺河矿初期开采井田的东区南部， 当时无地应 力实测数据， 沿SN向布置工作面巷道， 近似与最大 水平主应力方向垂直， 导致部分巷道破坏剧烈、 变 形量大。之后进行了地应力测量， 根据图6将工作 面巷道改为沿EW向布置， 明显改善了巷道应力状 态， 使得巷道变形、 破坏范围大幅减少， 起到了加强 支护无法达到的效果。该实例充分证明了地应力 对巷道布置与支护的重要性。 3 采掘钻空间尺度 井工煤矿开采需要在井下形成大大小小的空 康红普 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 2 2020 023538 023538-7 间， 以满足生产、 运输、 通风、 行人等要求。按照空 间大小， 可分为采煤工作面、 巷道和硐室及各种钻 孔。 3.1 采煤工作面 采煤工作面的空间尺度包括3方面 一是采煤 工作面至地表的距离， 即埋藏深度， 我国井工煤矿 开采最浅的埋藏深度仅为几十米， 最深为1 501 m， 大多在200～1 200 m之间， 处于10 ～10 m的量级； 二是采煤工作面横向尺度， 包括工作面长度、 推进 长度及煤柱宽度等。工作面长度一般为150～ 400 m， 推进长度从几百米到几千米不等， 处于10 ～ 10 m的量级； 煤柱宽度多为3～50 m， 处于10～ 10 m的量级； 三是采煤工作面纵向尺度， 主要是采 高。根据煤层厚度的不同， 可分为薄煤层 1.3 m 、 中厚煤层 1.3～3.5 m 、 厚煤层 3.5～8 m 及特厚煤层 8 m以上 。薄及中厚煤层、 较薄厚煤层采用采煤机 一次采全高开采方法； 厚及特厚煤层大多采用放顶 煤开采方法。目前， 薄煤层的最小采高为0.6 m， 特 厚煤层综放开采的采高达20 m。但大多工作面采 高在1.5～10 m之间， 处于10 ～10 m的量级。在工 作面尺度上， 主要研究以下内容 1 采煤工作面巷道布置与参数优化， 煤柱设计 与优化； 2 采煤工艺选择， 采煤装备 液压支架、 采煤机 及输送机 的选型、 结构及参数设计； 3 采场岩层运动、 破断规律及岩层结构特征， 采煤工作面周围应力分布规律及影响范围； 4 液压支架与围岩相互作用关系， 确定支架合 理的支护强度。 采用的研究方法主要有 1 理论分析。根据采煤工作面围岩条件， 进行 必要的简化， 建立力学模型， 提出假说， 推导力学公 式， 采用相关力学理论研究岩层运动、 破坏与结构 特征， 围岩应力分布， 支架与围岩相互作用原理， 以 指导岩层控制工程实践。 2 模拟研究。包括数值模拟和物理模拟。数 学模拟计算灵活方便， 随着计算机技术的快速发展 及数值计算软件的多样化， 应用越来越广泛和富有 成效； 物理模拟， 可按一定比例模拟原型， 能直观反 映岩层运动与破坏过程。２种方法配合原型研究， 是解决岩层控制问题的有效途径。 3 现场监测。在井下布置测点， 监测岩层运 动、 破坏及应力分布情况， 支护体受力， 通过实测数 据分析矿压规律， 检验理论与模拟研究结果的可靠 性。 已有的研究成果表明， 从纵向分析， 长壁工作 面上覆岩层运动和破坏状况， 如图7 所示。煤层 开采后， 从直接顶到地面的所有上覆岩层均会受到 不同程度的采动影响。至下而上形成3个区域 冒 落带、 裂隙带及弯曲下沉带。同时， 工作面开采引 起的岩层移动会波及到地面， 在地面形成沉陷盆 地。冒落带厚度一般为采高的2～8倍， 裂隙带厚度 一般为采高的30～50倍。以采高4 m计算， 冒落带、 裂隙带的厚度分别为8～32， 120～200 m， 处于10 ～ 10 m的量级。 表土层 连续 变形带 煤层H 冒落带 28H 裂隙带 3050H 图7 长壁工作面开采上覆岩层运动和破坏示意 Fig. 7 Movement and broken diagram for rock layers overlying a longwall coal working face 在采煤工作面附近， 岩层在运动、 破坏过程中， 会形成各种结构， 如压力拱、 悬臂梁、 铰接岩梁、 砌 体梁 及传递岩梁 等结构， 且随着工作面的推进 不断移动、 变化。这些结构的跨度一般从十几米到 数十米不等， 处于10 m的量级。 从横向分析， 采煤工作面的影响范围较大， 其 周围应力分布如图8 所示。对于正常尺寸的工作 面， 超前支承压力影响范围可从数米到上百米； 侧 向支承压力影响范围也可达数米到数十米。对于 长度300 m、 推进长度3 000 m的工作面， 采动影响范 围可达500 m3 200 m， 处于10 ～10m的量级。当 相邻多个工作面开采后， 采动影响范围会成倍增 加。 工作面采煤设备包括采煤机、 输送机和液压支 架 图9 。液压支架是工作面岩层控制的核心设 备。通过研究液压支架与围岩在强度、 刚度、 稳定 性等方面的相互作用关系， 可确定合理的架型与参 数 。 康红普 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 2 2020 023538 023538-8 6 4 2 0 应力集中系数 工作面 长度300 m 侧向压力 影响范围80 m 超前影响范围100 m 图8 采煤工作面周围应力分布 Fig. 8 Stress distribution around a longwall coal working face 采煤机 运 输 机 液 压 支 架 图9 工作面采煤设备布置 Fig. 9 Coal mining equipment in a working face 表3是7 m超大采高液压支架及构件的几何参 数 。可见， 液压支架的主要几何参数在10 m的量 级。 表3 ZY18800/32/72D型液压支架几何参数 Table 3 Shield parameters of type ZY18800/32/72D 参数 数值 支架高度/mm 3 200～7 200 支架宽度/mm 1 960～2 210 支架中心距/mm 2 050 顶梁长度/mm 4 894 掩护梁长度/mm 4 418 护帮板长度/mm 3 200 质量/t 69.79 物理模拟是研究采煤工作面岩层控制问题比 较直观的方法。图10为模拟晋城寺河煤矿大采高 工作面顶板岩层垮落的模拟结果 ， 其中， 物理模 拟模型尺寸长高宽 为5.0 m1.85 m0.4 m， 几何 相似比为40， 模拟真实岩层范围为200 m74 m 16 m。由图10看出， 在物理模型尺度上， 可直观展 示顶板岩层垮落形态。 压缩带 压实区 裂缝张开带 6055 图10 采煤工作面顶板岩层垮落状态的物理模拟 Fig. 10 Collapse pattern of roof strata overlying a working face in a physical model 3.2 掘进工作面与巷道及硐室 井工煤矿开采需要在井下开掘大量巷道， 巷道 的类型多种多样。按用途可分为大巷、 准备巷道及 回采巷道。巷道轴线方向的尺寸远大于断面尺寸， 可当作平面应变问题研究。硐室是空间3个方向尺 寸相差不大的巷道， 包括变电所、 水泵房、 火药库、 输送机头硐室等。 巷道断面有矩形、 梯形、 拱形、 圆形等形状， 尺 度大多在10 m的量级。巷道宽度一般为3～6 m 开 切眼宽度较大， 一般为6～10 m ， 高度2～5 m。在巷 道断面尺度上， 主要有以下研究内容 1 巷道断面形状与尺寸优化； 2 巷道围岩应力分布特征， 围岩变形与破坏机 理； 3 巷道围岩与支护相互作用关系， 提出合理的 支护理论； 4 巷道支护形式与参数选择； 5 巷道施工工艺与装备； 6 巷道矿压监测与分析反馈。 采用的研究方法与采煤工作面类似， 包括理论 分析、 物理模拟试验、 数值模拟及井下实测等。 图11为经典的在连续、 均质、 各向同性介质中 开挖圆形巷道后， 围岩应力分布与分区状况。从应 力分布划分， 可分为应力降低区、 应力升高区、 原岩 应力区； 从变形破坏划分， 可分为破碎区、 塑性区、 弹性区及未扰动区。 巷道开挖引起的应力扰动区， 从弹性力学分 析， 可达到5倍巷道半径。当巷道围岩出现破碎区、 塑性区时， 扰动范围更大， 甚至超过10倍巷道半 径。若巷道半径为2 m， 应力扰动范围可达10～ 20 m， 处于10 m的量级。破碎区、 塑性区半径因巷 道条件不同， 差别很大。董方庭等 根据松动圈对 康红普 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 2 2020 023538 023538-9 非扰动区 弹性区 塑性区 破碎区 R r ro σo σoσo σo σo σ σr σθ 图11 圆形巷道围岩应力分布及弹塑性分区 Fig. 11 Stress distribution and elastoplastic zoning around a circula