本书依据回采工作面实测调压试验曲线,系统地分析了支架初撑力、额定工作阻力与组成整个采场上覆岩层的直接顶、基本顶(老顶)、整体弯沉带岩层在运动过程中所产生的下沉量与下沉速度的作用机理及其相关课题。

采场上方直接顶岩层因自重产生的运动必须得到支架初撑力、额定工作阻力的控制,这是共识。因此,从控制的角度出发,将该岩层定义为运动必须被支架工作阻力控制的岩层,简称“必控岩层”。基本顶岩层即老顶岩层,它采取周期性的裂断运动方式,其断块因自重产生来压运动的迟早,即来压在工作面顶板上所形成的下沉量,取决于支架额定工作阻力对它的控制程度。这就是说,基本顶(老顶)断块运动程度取决支架控制程度,或者说支架控制程度决定着基本顶断块运动程度。因此,该岩层运动与支架额定工作阻力关系为“运动程度控制”与“运动程度被控制”关系。从控制的角度出发,将该岩层定义为“运动程度控制岩层”,简称“程控岩层”。在直接顶底板岩层稳定且能将支架具备的控制基本顶断块运动合理额定工作阻力顺利地传递给该断块条件下,其运动将被支架额定工作阻力控制在允许且合理的运动范围之内,因此,它运动只需要支架基本初撑力的控制。当直接顶底板松软破碎时,它就不能顺利地将支架所具备合理额定工作阻力传递给基本顶断块,造成支架钻顶扎底或顶板冒漏而使支架额定阻力发挥失常。在这种情况下,该直接顶岩层运动恰恰需要支架初撑力控制,但在初撑支护不及时条件下,松软破碎直接顶,对支架初撑力也如同额定工作阻力一样,同样不适应。此时,就是支架具有足够的初撑力,也同样因支架钻顶扎底、冒漏而起不到控制基本顶断块运动作用。

而整体弯沉带岩层它运动量级大,运动范围广,而在采场中所形成的下沉量又小,所以它的运动不可以、不可能也不需要支架额定工作阻力及初撑力控制,从控制角度出发定义该岩层为不可以控制、也可以不需要控制的岩层,简称“不可控岩层”或“不需控岩层”,因此,它运动与支架额定工作阻力、初撑力关系为“运动适应与运动被适应”关系。

相对不可控岩层而言,直接顶、基本顶岩层的运动是可以控制的、能够控制的,也是需要控制的。因此,我们将直接顶及基本顶岩层定义为“可控岩层”或“需控岩层”。

必控岩层、程控岩层、不可控岩层、可控岩层、需控岩层、不需控岩层,这些全新概念的首次提出,它科学地、准确地、形象地表明了组成覆岩各岩层控制特性及支架阻力、围岩运动的定性关系,为“支架-围岩”关系定量论证奠定了基础。这是本书第一大创新亮点。

本书第二大创新亮点,就是首次定量地证明了支架额定工作阻力与基本顶断块即老顶岩层断块因自重运动呈“双曲线”关系作用机理,并建立了它们之间关系的数学模型。“双曲线”数学模型的首次建立,不仅彻底揭示了“支架-围岩”关系本质属性,而且还清晰地明确了影响支架额定工作阻力确定的全部因素,为支架控制基本顶断块运动所应具备合理额定工作阻力的确定奠定了理论基础,同时也为使用作图法绘制“双曲线”成为可能,结束了用既耗费大量人力、物力、财力且又繁琐的调压试验来获得“双曲线”的方法。

本书第三大创新亮点就是首次解决了支架控制覆岩运动所应具备的合理额定工作阻力,特别是控制基本顶断块即老顶断块运动所应具备的合理额定工作阻力。

本书第四大创新亮点就是定量分析了支架初撑力与覆岩运动关系。明确指出了支架初撑力能起到缩短支架增阻过程,达到控制并减少顶板增阻下沉量的作用。与此同时,达到额定初撑力的支架,它与支架额定工作阻力作用一样,还具有控制顶板恒阻下沉量的作用,因此,支架额定工作阻力、初撑力与基本顶断块运动定量关系完全相同,也是“双曲线”关系,由于支架初撑力具有立即控制顶板岩层运动作用,所以支架初撑力与基本顶断块运动关系是“运动程度立即控制”与“运动程度被立即控制”关系。这种关系只是在理论上成立,并不存在实际、实践意义,因此,在实践中不用它去控制基本顶断块的恒阻运动,有支架额定工作阻力控制就足够了,因此支架初撑力与基本顶断块运动的关系是“不需要控制”与“不需要被控制”的关系。

对于直接顶来说,在有支架额定工作阻力控制条件下,为了防止该顶板因自重迫使支架增阻产生与基本顶岩层的离层运动,需要支架初撑力的立即主动控制。对于松软破碎直接顶它不仅需要上述初撑力控制,而且还需要增加一定数量将其挤紧压实增加其刚度的提效初撑力来控制它的运动,并给出了提效初撑力计算方法。从而彻底解决了支架初撑力与松软破碎直接顶岩层运动定性定量关系。

本书第五大创新亮点就是首次证明了支架额定工作阻力与顶板下沉速度作用机理也是呈“双曲线”的定量关系,并建立了它们之间关系的数学模型。既奠定了以工作面允许下沉速度确定支架合理额定工作阻力的基础,又为支架安全阀合理参数确定提供了依据。

本书第六大创新亮点就是首次提出了“工作面顶板允许下沉量”“允许下沉速度”的概念。所谓顶板允许下沉量、允许下沉速度,就是保证采场上方直接顶板不因采动而发生明显破碎,保持其原有完整稳定的下沉量与下沉速度范围中的那个最大值。这个值,它既能保证直接顶板完整稳定,不危及采场安全,又能使支架具有最小的合理额定工作阻力。将两个允许值分别代入支架额定工作阻力基本顶断块下沉量及下沉速度呈“双曲线”关系数学模型中,就可求出支架控制基本断块因自重运动所应具备的合理额定工作阻力。顶板的允许下沉速度还是支架安全阀参数设计的基础数据。

本书第七大创新亮点,提出了工作面顶板允许增阻下沉量概念。所谓允许增阻下沉量,就是支架在达到它所具备合理额定工作阻力增阻工作过程中,所产生等于允许下沉量的顶板增阻下沉量。它的提出不仅为支架控制松软破碎直接顶岩层运动具备合理初撑力确定创造了条件,而且还为直接顶岩层分类指标确定,分类方案划分提供了依据。

本书第八大创新亮点是“煤层上覆岩运动原始应力固定端”“弹性极限固定端”这两个全新概念首次提出,不仅为基本顶(老顶)岩层裂断位置及其判据确定奠定了理论基础,也为支承压力成因机制及定量研究奠定了理论基础。

本书第九大创新亮点,首次定量地证明了工作面前方煤层上峰值支承压力,就是该煤层所处的围压条件下的三向极限抗压强度。它为冲击地压、煤及瓦斯突出、矿井底板突水、底鼓等灾害的研究、管控和防治指明了方向。

本书第十大创新亮点,依据直接顶底板岩层的稳定性,分析了支架工作状态,提出了直接顶底板岩层的分类方案,并首次给出了分类方案的定量指标。这些指标充分反映了直接顶底板岩层控制的难易程度、支架工作状态、支架额定工作阻力利用率及对覆岩运动控制效果及质量,为直接顶底板岩层管控措施制定提供了依据。

纵观全书,概括起来说,本书首次论证并解决了矿山压力及其控制的四个重大理论课题及七个重大实践课题。其中四个重大理论课题是:(www.daowen.com)

一、首次论证并证明了支架额定工作阻力与组成整个釆场上覆岩层直接顶、基本顶(老顶)、整体弯沉带岩层运动在工作面上形成的顶板下沉量的定性定量关系这一重大理论课题。特别是首次证明了支架额定工作阻力与采场上方基本顶岩层断块即老顶岩层断块运动呈“双曲线”关系作用机理,并导出了它们之间关系的数学模型。

二、首次证明了支架初撑力与组成整个采场上覆岩层直接顶、基本顶(老顶)、整体弯沉带岩层运动在工作面上形成的下沉量的定性定量关系。特别明确地指出了,基本顶断块运动不需要支架初撑力的控制,也没有必要被支架初撑力控制,它只需要支架额定工作阻力控制定性定量关系;明确了采场上方直接顶岩层运动既需要支架初撑力控制,又需要支架额定工作阻力控制,阐明了对松软破碎直接顶提高初撑控制程度理论依据及确定方法。从而使得支架初撑力与松软破碎直接顶岩层运动关系得到了彻底解决。

三、首次论证了支架额定工作阻力与组成覆岩直接顶、基本顶(老顶)、整体弯沉带岩层下沉速度之间定性定量关系;特别是首次证明了支架额定工作阻力与基本顶断块来压下沉速度也呈“双曲线”关系作用机理,并导出了它们之间关系的数学模型。

四、阐明了支承压力成因机制,论证了某开采深度煤层上峰值支承压力就是它所处的围压条件下的三向极限抗压强度的重大课题。

以上重大理论课题的论证和解决,为在整个采场上覆岩层组成中,确定哪些岩层运动需要且应该得到支架工作阻力控制,哪些岩层运动需要支架工作阻力控制而又不能够实现对其控制且又可以不需要控制;对于它们运动为什么需要控制,为什么不能够控制,又为什么不需要控制,怎么控制,控制到什么程度以及矿压现象阐明等一系列重大问题做了精准而明确回答。

解决的七大实践课题是:

一、支架控制覆岩运动所应具备的合理额定工作阻力;

二、支架额定工作阻力顶板下沉“双曲线”作图绘制法;

三、支架控制覆岩运动所应具备的合理初撑力;

四、支架安全阀参数的确定;

五、煤层上峰值支承压力的定量确定;

六、直接顶底板岩层分类指标及分类方案的确定;

七、基本顶(老顶)裂断位置及判断依据。

“支架-围岩”关系是矿山压力岩层控制最基础、最核心的理论课题,它们之间关系的证明及解决是矿山压力在理论上的原始创新与重大突破,对矿山压力理论及实践的研究与发展具有重要的战略意义及引领作用。

以上就是我们对矿山压力基本理论问题的看法与认识。在总结完这些认识之后,我们的心情并不平静,也不踏实,更不轻松。限于我们的水平,书中很可能存在一些问题,为充实、完善这一理论体系,我们再次恳请相关专家学者、读者朋友提出宝贵建议,以期使其更加完善。