第1章 绪论
1.1 松散层拱结构研究意义
煤炭开采引起的采动损害与环境问题都与岩层移动有关[1-3]，对岩层移动规律缺乏科学认识常常会诱发煤矿灾害性事故，造成重大的人员伤亡和经济损失[4，5]。认清采场上覆岩层移动规律的关键在于揭示采动覆岩承载结构形式及其运动规律。采动覆岩承载结构是岩层移动过程中对岩层破断运动起控制作用的一种力学承载结构。工作面回采过程中，采动覆岩承载结构周期性失稳并逐渐向上部发展，控制了其上覆岩层下沉和变形，同时将上覆岩层载荷向采空区四周转移，减小了其下伏岩层受力和采场矿压。采动覆岩承载结构周期性变化会对采动覆岩位移场、裂隙场、应力场和采场矿压的演化规律产生影响。
采动覆岩承载结构研究过程中形成了大量的假说和理论，具有代表性的可以分为两类：一类是以拱或壳为承载结构的假说[6，7]，如压力拱；另一类是基于梁或者板力学结构提出的，如悬臂梁假说[8]、铰接岩块假说[8]、砌体梁理论[9]、传递岩梁理论[10]和关键层理论[11]等。已有的基于梁或者板力学结构提出的假说和理论研究的重点集中于具有较强承载能力的基岩中，只考虑基岩中的承载结构形式及破断对岩层运动的影响，研究时均将上覆松散层简化为均布载荷作用于基岩顶界面而忽略了其内部承载结构。
煤系地层中松散层为第四系与新近系，由土、砂、砾石、卵石组成，是由地表岩石经物理化学风化、剥蚀成岩屑、黏土矿物及化学溶解物，又经搬运和沉积等地质作用后，形成的尚未固结硬化成岩的疏散沉积物，这些疏散沉积物称为松散层。按照松散层的构成，可将其划分为砾石类、沙土类、黏土类、黄土类、淤泥土和膨胀土六组[12，13]。常用的“表土层”“风积沙”“沙土层”“黄土层”“冲积层”“洪积层”“残积层”等均为松散层。由于我国煤炭资源丰富、分布广泛，煤系地层中松散层和基岩的厚度分布不均，部分矿区分布着厚松散层，如东北地区的沈阳矿区、鹤岗矿区、双鸭山矿区松散层厚度昀大超过230m；华北地区的开滦矿区、邢台矿区松散层厚度昀大超过540m；华东地区的淮南矿区、淮北矿区、兖州济宁矿区、徐州矿区松散层厚度昀大超过750m；华中地区的平顶山矿区、永夏矿区、焦作矿区松散层厚度昀大超过 520m。以兖州济宁矿区为例，南屯煤矿、兴隆庄煤矿、鲍店煤矿等 53个煤矿松散层厚度昀大为 753m，昀小为 95m，平均为 297m，如图1-1所示。
图1-1 兖州济宁矿区煤矿松散层厚度
厚松散层条件下，研究采动覆岩承载结构时仅考虑基岩中承载结构破断对上覆岩层移动的影响显然并不全面，还应研究松散层中的承载结构及其对上覆岩层运动的影响，尤其是部分矿区松散层厚度显著大于基岩厚度的地质条件，如皖北祁东煤矿61煤层21个钻孔揭露的松散层与基岩厚度比值昀大值为11.8，平均值为4.5；71煤层32个钻孔揭露的松散层与基岩厚度比值昀大值为15.3，平均值为4.5，如图1-2所示。事实上，当松散层厚度满足一定条件时，松散层在移动变形过程中能够形成松散层拱结构，松散层拱结构是基于随机介质力学提出的一种松散层中的力学承载结构，既能在松散层不同区域颗粒间传递载荷，又能对采动覆岩发挥承载控制作用。
图1-2 皖北祁东煤矿松散层与基岩厚度比值
为适应地层赋存特征，针对松散层非连续介质力学性质，提出岩层控制的松散层拱结构，重点研究松散层拱结构形成机理、形成条件、承载特性，明确松散层拱结构形态特征与时空演化规律，建立松散层拱结构承载力学模型，揭示松散层拱结构对采动覆岩移动变形和破断失稳的影响机理，对完善松散层拱结构具有十分重要的意义。岩层控制的松散层拱结构是对砌体梁理论和关键层理论的发展，同时对完善采动覆岩承载结构模型，丰富矿山压力和岩层控制理论具有显著的理论价值和工程实践意义，尤其是给厚松散层下矿山压力与岩层控制研究提供理论基础。
1.2 松散层下采煤岩层控制研究综述
1.2.1 松散层下采煤岩层控制理论研究
地下煤炭资源开采时常常会引起工作面上覆岩层产生变形直至发生破断，引起岩层运动导致矿山压力显现。为了解释采矿过程中的矿山压力显现现象，国内外学者提出了众多采动覆岩承载结构模型、假说和理论 [6-11]，如悬臂梁假说、压力拱假说、铰接岩块假说、预成裂隙假说、砌体梁理论、传递岩梁理论和关键层理论等，如图 1-3所示。悬臂梁假说、压力拱假说、铰接岩块假说、预成裂隙假说分别从不同角度解释了矿山压力显现现象，但均没有建立完整的力学模型，而铰接岩块假说和预成裂隙假说的提出，为我国采动覆岩承载结构理论的建立奠定了基础。
图1-3 采动覆岩承载结构模型发展
1981年，钱鸣高院士[9]在大量生产实践和对岩层内部移动规律现场观测的基础上，提出了砌体梁理论，建立了采场整体力学模型。1988年，宋振骐院士[10]提出了传递岩梁理论。随着对岩层控制科学研究的不断深入，钱鸣高院士等[11]于1996年提出了岩层控制的关键层理论，关键层理论的提出实现了采场矿压、岩层移动和开采沉陷、水和瓦斯运移、采动应力演化等方面研究的统一。
针对松散层中的承载结构，1879年Ritter[14]在观察浅埋隧道围岩受力状态时发现当隧道埋深大于一定值后，上覆松散层对隧道的影响减小甚至不再产生影响，认为松散层中存在对上覆岩层起到承载作用的力学结构。随后Engesser[15]、Fayol[16]、Terzaghi[17]分别提出了在几乎没有黏聚力的土体中存在拱效应。Handy[18]*次描绘出拱形近似于悬链线的主应力流线。Protodyakonov[19]推导出散体中拱轴线方程符合抛物线规律，得出拱的跨度和高度。贾海莉等[20]指出土拱的形成是土体在力的作用下产生不均匀位移，调动自身抗剪强度以抵抗外力的结果，土体中沿昀大主应力方向的迹线就是土拱轴线。黄庆享[21]在研究神东矿区浅埋厚砂土层采动破坏特征的基础上，提出了初次来压的“非对称三铰拱”结构模型。此外，国内外众多专家对松散层颗粒介质应力传递规律[22-43]进行了理论研究，为松散层中承载结构的提出奠定了基础。
针对松散层中的承载结构，作者及研究团队[44-49]在散体力学和结构力学的基础上，提出了松散层拱结构，并对松散层拱结构开展了系统深入研究，明确了松散层拱结构定义、形态特征、形成条件、承载性能、失稳判据和时空演化规律，为进一步完善采动覆岩承载结构模型、丰富和发展矿山压力与岩层控制理论提供了理论基础。
1.2.2 松散层下采煤覆岩破断失稳特征研究
针对神东矿区厚松散层条件，侯忠杰[50]分析了厚松散层下浅埋煤层覆岩关键层的组合效应及松散层厚度与覆岩稳定性间的关系，指出厚松散层下浅埋煤层开采组合关键层不会发生回转失稳而只存在滑落失稳并导致采动覆岩全厚度切落。黄庆享[51]建立了神东矿区厚松散层“卸荷拱”结构模型，得到了厚松散层载荷传递因子的计算公式，为浅埋煤层工作面顶板控制提供了基础。李福胜等[52]将松散层视为载荷层，建立了基本顶初次破断后三角拱力学模型，研究了基载比（基岩和松散层厚度比值）对厚松散层薄基岩工作面覆岩稳定性及采场矿压的影响规律，为支架选型提供了依据。薛东杰等[53]提出采动裂隙柱式结构并揭示了柱式结构形成机理，指出拉裂式崩塌失稳、滑移失稳和倾覆失稳三种柱式结构失稳模式。
针对两淮矿区厚松散层条件，杜锋等[54]建立了厚松散层薄基岩综放开采条件下松散层拱力学模型，分析了基本顶结构的稳定性，揭示了覆岩破断机理及工作面矿压显现规律。张通等[55]研究了厚松散层矿区深部煤炭开采采场裂隙带空间分布特征，揭示了工作面矿压显现规律与工作面覆岩裂隙带分布特征的相关性。杨科等[56]研究了厚松散层下工作面覆岩运移与“支架—围岩”的关系，指出当基载比小于0.1时，支架工作阻力和顶板下沉量的关系*线呈双*线特征；当基载比大于0.1时，关系*线接近线性特征。侯俊岭等[57]研究了厚松散层采场围岩三维力学特征，指出厚松散层工作面矿压显现与基采比（基岩厚度与采高的比值）相关，随着基采比增大，采场矿压趋于缓和。
针对鲁西矿区厚松散层条件，马立强等[58]通过数值模拟研究揭示了厚松散层薄基岩条件下工作面覆岩台阶下沉机理，确定了工作面支架工作阻力，指导了龙固煤矿厚松散层大采高综放工作面顶板控制。针对焦作矿区厚松散层条件，李江华等[59]指出厚松散层薄基岩条件下受松散层载荷传递影响工作面顶板易发生关键层复合破断，得到了厚松散层下覆岩载荷传递效应和覆岩破坏特征。
针对晋东南矿区厚松散层条件，李宏斌等[60]分析了厚松散层大采高综采工作面矿压显现规律，指出工作面周期来压明显，来压步距具有不同步性，且工作面中部来压步距比上、下部小，在此基础上进行了支架适应性评价。方新秋等[61]通过数值模拟研究了松散层厚度、基岩结构稳定性和采场矿压之间的联系，指出松散层厚度越大，成拱性越好，基岩结构越稳定，矿压显现越不明显。
作者及研究团队[44，48，49]在松散层拱结构力学模型的基础上，建立了松散层拱结构下关键块稳定性力学模型，揭示了松散层拱对采动覆岩稳定性的影响规律，得到了松散层拱下关键块回转变形失稳和滑落失稳力学判据，在此基础上建立了支架—围岩力学模型，得到了工作面支架工作阻力的确定方法，成功指导了淮南和鲁西矿区工作面矿压控制。
1.2.3 松散层下采煤覆岩与地表移动规律研究
在厚松散层矿区覆岩运动和地表沉陷特征方面，左建平等[62-66]提出了厚松散层覆岩移动的“类双*线”模型。李德海等[67-69]指出厚松散层矿区地表下沉值变化快，地表下沉速度快，下沉剧烈且地表下沉范围增加明显，地表下沉衰退期下沉量小但持续时间长。刘义新等[70，71]指出厚松散层下煤炭开采地表沉陷具有自我调节特性，地表下沉*线关于采空区中央对称，走向和倾向均呈双向对称性，地表移动盆地边界收敛缓慢，出现长距离的缓慢下沉带。陈俊杰等[72，73]指出厚松散层下采煤地表移动变形剧烈，地表易出现剧烈的非连续变形，充分采动时地表下沉系数昀大可达1.0。
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