第44卷第1期 中国矿业大学学报 V o l .44N o .12015年1月 J o u r n a l o fC h i n aU n i v e r s i t y o fM i n i n g &T e c h n o l o g yJ a n .2015收稿日期:20140510通信作者:S y dSP e n g (1939-),男,教授,美国国家工程院院士,博士,从事长壁开采与岩层控制方面的研究.E -m a i l :s y d .p e n g@m a i l .w v u .e d u 特别说明:本文是‘I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fM i n i n g S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y “(2015年第25卷第1期)上的论文‘T o pi c a l a r e a so f r e -s e a r c hn e e d s i n g r o u n d c o n t r o l :a s t a t e o f t h e a r t r e v i e wo nc o a lm i n e g r o u n d c o n t r o l “的中译本,已经作者同意.矿山压力与岩层控制研究热点最新进展评述彭赐灯(西弗吉尼亚大学,西弗吉尼亚州摩根敦,美国 26506)摘要:矿山压力与岩层控制(或岩层控制)是井工开采煤矿的4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㊁煤柱设计㊁液压支架设计㊁上覆岩层垮落失稳规律㊁地表沉陷等.过去30a ,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,岩层控制研究仍有很多不如尽人意的地方.为了拓展岩层控制理论,本文探讨了研究方法㊁岩石力学特性㊁地质㊁数值模拟㊁原岩应力㊁顶板锚杆支护㊁煤柱㊁矿压观测㊁煤岩失稳㊁地表沉陷㊁液压支架㊁冲击地压等12个相关研究热点在西方国家的最新进展和不足.关键词:矿山压力与岩层控制;地质;数值模拟;液压支架;煤柱中图分类号:T D32文献标志码:A文章编号:1000-1964(2015)01-0001-08T o pi c a l a r e a s o f r e s e a r c hn e e d s i n g r o u n d c o n t r o l :a s t a t e o f t h e a r t r e v i e wo n c o a lm i n e g r o u n d c o n t r o lS ydSP E N G (W e s tV i r g i n i aU n i v e r s i t y ,M o r ga n t o w n ,WV26506,U S A )Ab s t r ac t :G r o u n dc o n t r o l i so n eo f t h e f o u r s u b s y s t e m so f u nde r g r o u n dm i n i n g .I t c o v e r sn o t o n l y r o of c o n t r o l ,b u t a l s o r i b c o n t r o l ,f l o o r c o n t r o l ,p i l l a rd e s ig n ,shi e l dd e s i gn ,o v e r b u r d e n f a i l u r e s a n d s u b s i d e n c e ,e t c .I n t h e p a s t t h r e e d e c a d e s ,g r o u n d c o n t r o l h a sm a d e a t r e m e n d o u s a d v a n c e m e n t a n dm a n y c a s es t u d i e sh a v ed e m o n s t r a t e d i t s i m p o r t a n t r o l e i nt h ed a i l y m i n i n go p e r a t i o n s .H o w e v e r ,t h e r e a r e p l e n t y r o o m s f o r i m p r o v e m e n t s .T h i s p a pe rd i s c u s s e s t h e r e -s e a r c hn e e d s i n 12s u b j e c t a r e a s i n c l u d i n g r e s e a r c h a p p r o a c h ,r o c k p r o p e r t y ,g e o l o g y ,c o m pu t e r m o d e l i n g ,i n -s i t us t r e s s e s ,r o o fb o l t i n g,c o a l p i l l a r s ,f i e l d i n s t r u m e n t a t i o n ,f a i l u r e s ,s u r f a c e s u b s i d e n c e ,s h i e l d s u p p o r t s a n d c o a l b u m ps .K e y w o r d s :G r o u n dC o n t r o l ;g e o l o g y ;n u m e r i c a lm o d e l i n g ;s h i e l d ;p i l l a r 20世纪50年代,一名学者首次提出了采矿工程 矿山压力与岩层控制(G r o u n dC o n t r o l ) 这一术语,当时主要指的是矿山顶板控制.由于种种原因,这一术语并未被广泛接受,专家学者更倾向于采用 顶板控制 描述井工开采煤矿4大系统之一的矿山压力与岩层控制相关问题(其余的3大系统为采煤㊁运输和通风).当时,由于顶板支护失效导致冒顶事故频发,并造成大量人员伤亡,成为威胁煤矿开采的最主要因素,因此专家学者普遍采用顶板控制 代指岩层控制相关问题.随着煤矿开采的发展进步和煤层赋存情况逐渐恶化,其他问题不断涌现,到20世纪70年代,美国矿务局(现更名为国家安全健康署矿山安全研究处)发起了 矿山压力与岩层控制 的相关研究.广义上讲,矿山压力与岩层控制(下文统一简称为岩层控制)不仅包括顶板控制,还涉及巷帮和底鼓控制㊁煤柱设计㊁冲击矿网络出版时间：2015-01-07 17:22网络出版地址：/kcms/detail/32.1152.TD.20150107.1722.003.html中国矿业大学学报第44卷压㊁地表沉陷等诸多问题,该术语的提出拓展了研究学者的思维,有助于提出更全面合理的技术措施和控制手段以解决复杂的岩层控制问题.岩层控制研究与岩石力学一样,都是基于连续介质力学理论发展起来的学科.不同的是,岩层控制的研究对象是矿山采掘活动带来的问题,而岩石力学主要是解决土木工程㊁石油和天然气工程领域的岩石力学参数㊁岩石工程响应㊁岩土力学等相关问题.由于采矿工程中的岩层控制研究是处理和应用岩石在其自然状态下的力学特性的一门学科,所以岩石力学在20世纪60年代刚兴起就被采矿工程专业所采用.然而,当时岩石力学的研究重心为岩石力学参数测定和岩石力学工程响应,并不能完全满足采矿尤其是煤矿开采的需要.鉴于此,本文作者在1981年发起了矿山压力与岩层控制年度会议(1987年更名为矿山压力与岩层控制国际会议),会议的宗旨是给政府研究机构㊁法律法规制定和执行者㊁高校学者㊁设备厂商㊁咨询顾问以及相关的职业服务团队提供一个互相学习交流的平台,以推动岩石力学及连续介质力学理论在矿山开采方面的发展应用.2014年7月举办了第33届矿山压力与岩层控制国际会议.如今,该会议已经成为国际上介绍采矿工程的岩层控制方面的新方法和新技术,促进单位或个人交流合作,深入探讨矿压相关问题的主流会议,参会论文也基本都是工程实践类而非基础理论为研究导向.同时,参会报告的新方法㊁新技术以及解决复杂岩层控制问题的思路极大地促进了矿山安全高效生产,会议由此也得到了广泛认可.回顾过去32a矿山压力与岩层控制国际会议论文集以及其他的相关文献可知,岩层控制(G r o u n dC o n t r o l)俨然已为业界普遍采用的标准术语.如今,岩层控制也已成为煤矿设计和安全高效生产必不可少的组成部分.据文献记载,岩层控制研究解决了大量煤矿设计技术问题及安全生产相关问题,如果没有岩层控制研究的贡献,这些问题很可能会造成安全生产事故而导致项目的失败,因此,岩层控制研究在过去30a取得了长足进步,已经成为安全高产高效矿井设计的重要组成部分.但由于矿井采掘活动面向的是基于原位状态的煤岩,无法改变其初始赋存状态,并且缺少准确获知其赋存特点和工程响应特征的技术手段,因此现阶段仍有大量问题需要进一步的探索和改进.另一方面,不能一味选择良好的生产地质条件进行采掘活动,也就是说矿山采掘活动必须在不可能全面准确获悉煤层赋存情况的条件下进行,由此带来的诸多不确定因素综合存在,但又必须保证井下硐室结构稳定,避免安全事故.相对而言,这与其他工程学科有本质上的区别,其他工程学科可以选择均质的㊁各向同性的人工合成材料,这大大降低了研究难度,故而矿山压力与岩层控制科学与其他工程学科不可同日而语.事实上,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,本文着重讨论了制约岩层控制研究发展的一些基本问题[1-3].1研究方法目前,美国常采用工程经验解决井工开采煤矿岩层控制相关问题.即利用现场观测的数据㊁书面调查或走访煤矿技术人员等手段来设计岩层控制方案㊁解决岩层控制问题.然而,由于工程背景和技术人员的认知各不相同,煤炭企业在判断岩层控制设计成功与否时的技术和安全标准也不尽相同;所以,除非充分考虑以上因素,否则无法用统一的标准去衡量现场调查的结果.因此,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.通常, 研究 指的是拓展新知识㊁见解和理论;而在岩层控制领域, 研究 则是将这些知识㊁见解和理论应用到具体的技术㊁措施和最终设备的发展上,以满足工业界的需求.从这个角度来看,大多数岩层控制研究人员往往将注意力集中在目前流行的说法和理论,而忽略了前人的研究工作.因此,我们需要的是在前人工作的基础上继续深入研究而不是不断重复他们的工作 很不幸,这就是现在很多研究人员所犯的错误.2岩石力学特性回到20世纪60年代,当我还在攻读硕士和博士学位时,岩石力学研究主要是在实验室进行完整岩样的力学性质测试,包括破坏和峰后阶段的岩石力学特性.70年代,研究扩展到了岩体强度测试,但由于难度大且代价高昂,研究并没有进一步深入.因此,我们对于岩体力学特性的认识,还基本上停留在30多a前的水平.目前,岩石力学领域许多基本的问题依然没有解决,特别是以下几点: 1)我们依然不清楚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.目前在数值2第1期彭赐灯:矿山压力与岩层控制研究热点最新进展评述模拟中普遍的方法是采用4~6倍的强度折减系数进行换算.然而,需要指出的是,这种方法是本文作者在20世纪70年代末利用二维有限元数值计算软件模拟综采液压支架性能时提出的.目前,尽管大多数使用这种方法的研究人员在论文中声称已将他们的结果与现场数据进行了校验(如反算法),但是总体上来说使用强度折减系数进行换算仍然具有任意性且缺乏依据.除此之外,虽然不少研究人员也提出了很多种利用实验室测得岩样力学参数和其他各种地质参数反推岩体力学参数的方法,但是这些方法的缺点是只能适用于特定工程背景,或者过多使用难以确定或过度依靠个人经验的控制参数.2)实验室测得的煤岩力学参数(尤其是强度)通常跨度较大.传统的处理手段是取平均值,但取平均值是否是最好的方法?是否应该考虑测得的岩石强度等结果的离散性而用统计学的理论去处理?数据的离散性对岩层控制设计又有什么影响?3)时间因素尽管时间效应是影响岩石力学特性的最重要的因素之一,但是它在岩层控制设计中基本上被完全忽略了.所有类型的岩石变形破坏特征都表现出时间效应,尤其是与煤矿开采密切相关的沉积岩,其时间效应更为明显.然而很少有研究人员考虑这一因素,过去40a在这一领域基本没有取得任何有价值的研究成果.事实上,有些岩层控制问题与时间因素密切相关,例如:在综采工作面周末停采期间,液压支架立柱压力逐渐增大表明上覆岩层在随着时间的推移而下沉;许多发生在软弱页岩岩层的切顶型冒顶或其它类型的冒顶事故表明顶板在支护后仍然是在活动的;另外,美国一个非常有趣的煤矿设计传统是:服务年限长的大巷煤柱宽度远大于服务年限最短只有几周的区段煤柱.尽管这种设计也考虑到了其他因素,不过还是能清晰的表明几个世纪的采煤经验中时间对煤柱强度有影响,即煤柱强度随着时间的推移而降低.但是为什么会降低?又是如何降低的?3地质1)如前所述,采矿面向的是原位状态的煤岩,我们无法像其他工程学科一样了解我们的研究对象.在采掘活动中,我们无法提前预知岩石的力学特性,并且因为地质条件和岩石力学特性是随着采掘活动不断变化的,更加剧了预测的难度.在岩层控制研究中,人们往往假设(或许只是希望)某一钻孔揭示的岩层柱状与他们研究的整个区域的地层层序是相同的.这个钻孔或许就位于整个研究区域内,也或许离所研究的区域很远,因为那可能是唯一可用的钻孔.基于这种情况的采矿设计,我们又能有多少信心呢?2)层面等弱面在沉积岩中所扮演的角色需要进一步研究.一般来说,层面是沉积岩岩层中强度最低的部分,但是我们往往忽略了这种影响,部分原因是我们根本就没有意识到它们的存在.例如,经常发生的顶板表层冒落就是由于层面的存在而引起的.图1是一起发生在泥页岩顶板中的冒顶事故,泥页岩发育有很多薄片层状的节理,冒顶的发生与泥页岩中的层理面和不合理的锚杆支护设计有关;而顶板钻孔的堵塞现象也是由于岩层沿着层面的侧向滑移造成的.在众多类型的层面中,既有岩岩接触弱面,也有很多位于同一岩层(尤其是页岩)中的层面.但是哪些层面是应该考虑的?哪些是可以忽略的呢?大多数研究人员,如果有考虑层面的因素的话,选择软岩(如泥岩㊁页岩)与硬岩(如砂岩)之间的层面作为分层特征或岩层发生侧向滑移时的位移面,但是同一岩层中赋存的层面呢?应该怎样选择?图1发生在泥页岩顶板中的冒顶事故F i g.1 Ar o o f f a l l i n t h i n l y-l a m i n a t e d c l a y e y s h a l e3)煤矿井下地质条件变化莫测,有时甚至随着采掘推进地质条件瞬息万变,这种变化普遍存在于地层的竖直和水平方向.当研究对象为一个或多个综采工作面等比较大的开采区域时,最合理的做法是布置一系列的勘探钻孔并合理分析勘探线上钻孔和钻孔之间的岩层层位变化.目前,普遍采用线性插值法推测相邻钻孔间岩层层位的变化,这种方法的有效性取决于钻孔间距及相应岩层的成岩情况;可以说,大部分的岩层控制失效案例都是与地质相关的,换句话说,设计支护系统时,往往整个采区甚至整个矿井都是基于某个或某些钻孔揭露的地质条件而不是支护区域的真实地质条件,而失效就是由于设计的支护系统与相应的地质条件无法匹配造成的.从这个角度来看,为准确把握地质3中国矿业大学学报第44卷异常,急需开发新的地质探查技术,现在一些地球物理勘探技术已经被用来探查那些比较大的地质构造和煤岩层厚度变化情况,但是目前为止效果仍不理想.美国所有的煤矿巷道顶板都采用锚杆支护技术,锚杆钻孔的间排距基本都是1.2mˑ1.2m.如果能把每个顶板锚杆钻孔都当做地质勘探孔,那么就能够实时地探查到地质条件的变化并能及时调整支护方案.这种技术一旦实现,那么所有重要的地质条件变化都可以被准确及时的探查到.我的研究团队在21世纪初曾进行过这方面的研究,并且取得了很多有价值的成果.4数值模拟20世纪60年代,随着有限元的出现,计算机数值模拟应运而生.由于数值模拟简单易学㊁功能强大,可处理各种复杂工程问题,加之电脑科技也在持续进步,计算速度越来越快,容量越来越大.现在,大量的研究学者和工程技术人员都在采用数值模拟研究岩层控制问题[4-6].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.在分析影响因素及提出最优建议方面,数值模拟有其得天独厚的优势.由于模型输出结果完全取决于建模方法㊁输入参数㊁模型结果验证等诸多方面,因此错误的模型必然导致错误的结论.现阶段数值模拟相关的问题主要包括:1)采煤工作面是大范围的三维模型,而多数人常采用二维模型去研究三维问题.例如:在研究巷道交叉点围岩稳定性㊁采用不同锚杆类型的非均匀锚杆支护强度问题及冒顶事故频发的工作面上下端头隅角围岩稳定等相关问题时,常采用二维数值计算模型,而这种方法并不可靠.2)理论上讲,一个可靠的数值计算模型,需要综合考虑地质及生产因素的影响,包括地表沉陷㊁覆岩活动规律㊁工作面布置方式㊁巷道支护㊁各种煤岩结构弱面等,尤其是对于覆岩垮落直至地表的浅埋煤层.然而,现在的数值模拟软件只能涵盖部分上述因素,建模时并不能将上述因素完全导入到模型中,导致模拟结果太片面,而不能反映真实情况.数值模拟输入参数的选择同样存在很多问题.常规实验手段测得的煤岩样力学参数并不能直接反应煤岩体的力学参数,即实验测得的力学参数通常需要在模型中进行校验修正,反复调试煤岩体输入参数使模型输出结果与现场实测结果相匹配.这种方法看似合理,但依然存在很多问题:a.应该校验应力还是位移?而模型输出与现场实测结果通常不会完全匹配,合理的校验又需要二者匹配到何种程度?例如:当采用巷道顶板位移(或地表沉陷)校验模型输入参数时,人们关心的往往是最大位移量,而不是一个巷道断面的顶板位移曲线(或地表沉陷曲线);b.如前所述,采煤工作面是大范围的三维模型,仅校验特定地点的某个数据(应力㊁位移等)显然不够.例如:对于一个三巷系统的长壁开采模型,我们普遍采用中间巷道中线处的顶底板移近量校验模型,并未考虑第1条和第3条巷道的围岩变形情况;同样当采用应力校验模型时,我们仅采用中间巷道帮角处某一点的应力校验模型,并不考虑整个顶板的应力分布情况,甚至完全不考虑第1条和第3条巷道的围岩应力分布情况;此外,从定量的角度来说,究竟模型输出结果与实测结果相似度达到多少才满足要求?当模型输出结果与现场实测结果基本规律一致时,就可以认为模型合理吗?c.只通过一个工程背景校验模型显然是片面的,因为应力或位移变化规律因地㊁因时而异.基于此,一个理想的模型,需要在多种生产地质条件下进行严格校验.3)巷道或硐室围岩应力分布并不均匀,导致部分围岩处于弹性阶段,而有些围岩则已经塑性破坏,复杂情况下,有些围岩正处于弹性到塑性屈服的过渡阶段.因此,采用数值模拟分析围岩稳定性时,必须考虑围岩的全应力应变曲线.4)大量的模拟经验表明,目前我们并不能很好的在模型中解决下列常见的问题:冒落岩块的堆积(即采空区)㊁三维树脂锚杆模型的锚杆/围岩接触问题㊁导致冒顶事故的裂隙诱发与扩展.当前,我们普遍采用 塑性屈服 描述破坏的煤岩体,而岩石塑性屈服的物理意义是什么?在模型中,结构块体的塑性屈服如何诱发临近块体的裂隙?裂隙又是如何传播的?同时发生压㊁拉㊁剪塑性屈服的结构块体意味着什么?已经塑性屈服的结构块体可以恢复到弹性阶段吗?5)目前的岩石力学和岩层控制理论均是借鉴于连续介质力学而发展起来的,虽然岩石力学和岩层控制理论在采矿方面成功指导了一些工程实践,但并不能完全满足矿压研究的需要,因此,矿压研究学者现在需要探索并提出适合于岩层控制的理论,如开发一个综合考虑非线性大应变㊁时间㊁不规则形状块体随机分布的应力-应变本构方程.在模拟分析巷道和硐室围岩稳定性时,绝大多数学者都假设围岩是均质的各向同性材料,虽然也有一些人4第1期彭赐灯:矿山压力与岩层控制研究热点最新进展评述考虑了煤岩接触弱面,事实上,煤系岩层都是正交各向异性的,而正交各向异性究竟对上述模型结果有什么影响?5原岩应力近年来,人们普遍认为高水平应力显著影响着巷道围岩稳定,一些顶板失稳事故也被归因于高水平应力作用[7-14].当原岩应力测试揭示的水平应力大于煤岩体由于泊松效应产生的水平应力时,即可称之为高水平应力.事实上,高水平应力普遍存在于井工开采的煤矿.对于某些位于山脊上采用平硐开拓的煤层,水平应力可能小于垂直应力.美国各大煤田的矿井均做了大量的原岩应力测试工作(主要采用钻孔应变计测量).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,严重制约了测试结果在分析矿压问题时的适用性.由于绝大多数文献并没有详细讨论测试细节,如钻孔㊁测试煤岩层层位㊁测点位置(在顶底板或煤层的具体位置)和深度等,因此也无法分析各因子对测试结果的具体影响.每一个测试是否严格按照测试标准操作?测点是否完全布置在巷道开挖的扰动区域外?测点处究竟是什么岩性?同一个钻孔中布置的测点是否穿过了多种岩性而文献记载的只是这些测点的平均观测结果?如果工程试验地点并没有做原岩应力测试,可以采用原岩应力的总体研究结论作为指导依据.然而,若要深入分析一个工程实例,原岩应力测试将是一个必不可少的环节.6顶板锚杆支护从上世纪70年代开始,锚杆支护逐渐成为美国井工开采煤矿顶板支护的首选.据统计,现在美国井工煤矿每年都将消耗7千万到1亿根锚杆.然而,我们现在仍缺乏科学合理的锚杆设计准则,而文献记载的锚杆设计方法均存在一定的应用缺陷.对于常见的5.5~6.0m宽的巷道,锚杆支护间排距通常为1.2mˑ1.2m,偶尔采用1.2mˑ1.5 m,采用这种支护参数时鲜有冒顶事故发生(偶尔会在巷道交叉点发生冒顶事故,但总体上对矿井安全高效生产几乎没有影响),因此这种支护参数逐渐成为行业标准,然而,我们并没有基于此提出合理的锚杆支护理论.同时,由于实践验证该技术切实可行,工程技术人员也普遍打消了对此进行改进的观念.基于此,现阶段的锚杆支护设计仅涉及到锚杆长度和锚杆类型的选择.相比之下,中国和澳大利亚的矿井通常采用更大的支护强度和支护密度.在矩形巷道中,悬吊梁理论和组合梁理论是最常用的2种锚杆支护理论,而在生产实践中,悬吊梁理论被大家更为广泛接受与应用.近年来,研究学者普遍采用数值模拟设计锚杆支护,而数值模拟软件采用数学方法模拟锚杆结构单元,模型中并未考虑锚杆安装过程,也没有考虑锚固力来源于锚固剂和孔壁之间的摩擦作用,研究效果并不可靠.图2为冒顶暴露出的部分注浆锚杆.由图2知中间部分锚杆和围岩的孔壁之间无约束力.同时,不同厂商生产的锚杆杆体和构件的力学响应并不完全相同,而数学模型锚杆结构单元并不能真实反映这种差异,因此无法模拟由此带来的锚固体力学行为的差异,更无法评价不同锚杆类型在支护效果上的异同.图2冒顶暴露出的部分注浆锚杆F i g.2 P a r t o f t h e f u l l yg r o u t e db o l te x p o s e dd u e t o r o of f a l l7煤柱单轴压缩试验是最基本的岩石力学试验手段,井工煤矿煤柱(煤体或岩体)的受载情况与单轴压缩试验情况极为类似,因此煤柱通常是岩石力学和岩层控制的研究热点.20世纪70年代末80年代初,美国的长壁开采正处于发展阶段,由于缺少煤柱设计标准,双巷㊁三巷和四巷掘进系统普遍存在巷道稳定问题,对于经历2次采动影响的区段回风巷,巷道稳定问题更为严重.此后,美国矿务局和其他研究机构做了大量的区段煤柱合理宽度的研究,现在区段煤柱宽度和回采巷道稳定性问题基本得到了解决.然而,现5。
