淺埋煤層采場(chǎng)圍巖力鏈演化規(guī)律與工程應(yīng)用探究一、引言1.1研究背景與意義煤炭作為我國(guó)的主要能源之一，在能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)著舉足輕重的地位。隨著對(duì)煤炭需求的持續(xù)增長(zhǎng)，淺埋煤層的開采規(guī)模和強(qiáng)度不斷加大。淺埋煤層在我國(guó)分布廣泛，如神府、東勝、靈武、黃陵等煤田，其中神府、東勝煤田探明儲(chǔ)量巨大，占全國(guó)探明儲(chǔ)量的1/3，是世界七大煤田之一，神東礦區(qū)開采區(qū)域大部分集中在埋深100-150m以內(nèi)的淺部。此類煤層具有埋深淺、基巖頂板較薄、表土覆蓋層較厚的典型賦存特點(diǎn)。淺埋煤層開采過(guò)程中，礦山壓力顯現(xiàn)劇烈，給安全生產(chǎn)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。例如，神東礦區(qū)綜采工作面支架工作阻力已從最初的3500kN逐步增大到20000kN（支護(hù)強(qiáng)度1.52MPa），但仍發(fā)生嚴(yán)重的壓架災(zāi)害，自2007年以來(lái)先后發(fā)生十余起嚴(yán)重壓架事故，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。這些壓架災(zāi)害不僅嚴(yán)重影響了煤炭的安全高效開采，還可能引發(fā)一系列的次生災(zāi)害，如頂板垮落、瓦斯突出等，對(duì)人員生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。此外，隨著煤層采高不斷增大以及逐步進(jìn)入下部煤層的重復(fù)采動(dòng)，壓架災(zāi)害問(wèn)題愈發(fā)突出。圍巖力鏈作為采場(chǎng)圍巖非連續(xù)和散體介質(zhì)傳遞載荷的路徑和方式，對(duì)理解采場(chǎng)圍巖力學(xué)特征至關(guān)重要。在淺埋煤層開采中，深入研究圍巖力鏈的演化規(guī)律，能夠揭示礦山壓力劇烈顯現(xiàn)的本質(zhì)原因。煤層開挖前，煤巖體受力架構(gòu)由力鏈網(wǎng)絡(luò)組成，圍巖的承載作用主要來(lái)自于強(qiáng)力鏈，廣泛分布的弱力鏈僅對(duì)圍巖起輔助承載作用；煤層開挖后，強(qiáng)力鏈集結(jié)成束形成力鏈拱，力鏈拱是承載采場(chǎng)上方煤巖體重量的主要力系，工作面支架僅承擔(dān)位于強(qiáng)力鏈拱下方的煤巖體重量，且隨工作面的推進(jìn)，強(qiáng)力鏈拱不斷調(diào)整，先后經(jīng)歷“形成—擴(kuò)展—穩(wěn)定—破斷”的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，當(dāng)強(qiáng)力鏈拱承擔(dān)荷載超過(guò)自身強(qiáng)度極限后便會(huì)失穩(wěn)破斷，導(dǎo)致劇烈的礦壓現(xiàn)象，工作面支架荷載大幅增加。掌握這一演化規(guī)律，有助于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)礦山壓力的變化，為制定科學(xué)合理的支護(hù)方案提供理論依據(jù)，從而有效預(yù)防壓架等事故的發(fā)生，保障淺埋煤層開采的安全生產(chǎn)。從提高煤炭開采效率的角度來(lái)看，研究圍巖力鏈演化規(guī)律也具有重要意義。通過(guò)對(duì)力鏈演化過(guò)程的分析，可以優(yōu)化采煤工藝和開采順序，減少開采過(guò)程中的能量損耗，提高煤炭資源的回收率。合理的開采方案能夠充分利用圍巖的自承載能力，降低對(duì)外部支護(hù)的依賴，從而提高開采效率，降低生產(chǎn)成本。因此，開展淺埋煤層采場(chǎng)圍巖力鏈演化規(guī)律的研究，對(duì)于保障淺埋煤層的安全高效開采具有重要的理論和實(shí)踐意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在淺埋煤層采場(chǎng)圍巖力學(xué)特征研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者取得了豐碩成果。黃慶享等認(rèn)為關(guān)鍵層的斷裂失穩(wěn)是導(dǎo)致淺埋煤層頂板臺(tái)階下沉的主要原因，并提出“短砌體梁”和“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)模型，從理論層面闡述了頂板結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征與失穩(wěn)機(jī)制。許家林等以神東礦區(qū)淺埋煤層開采為背景，劃分了淺埋煤層覆巖關(guān)鍵層的結(jié)構(gòu)類型，研究其破斷失穩(wěn)特征，為理解覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供了實(shí)證依據(jù)。李鳳儀分析淺埋煤層覆巖結(jié)構(gòu)和力學(xué)特征，提出受采場(chǎng)周期來(lái)壓影響的“承壓砌塊”力學(xué)模型，進(jìn)一步豐富了對(duì)覆巖力學(xué)行為的認(rèn)識(shí)。在覆巖活動(dòng)規(guī)律研究上，楊治林針對(duì)煤層頂板關(guān)鍵層破斷后的不平衡特性和運(yùn)動(dòng)特征，應(yīng)用初始后屈曲理論和突變理論探討頂板結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性態(tài)，從非線性力學(xué)角度深化了對(duì)頂板穩(wěn)定性的理解。任艷芳等分析長(zhǎng)壁工作面覆巖破斷特征，獲得覆巖破斷過(guò)程中的關(guān)鍵特征點(diǎn)，為覆巖破斷監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)提供了關(guān)鍵指標(biāo)。侯忠杰通過(guò)關(guān)鍵層理論，分析地表存在較厚松散層的采場(chǎng)覆巖活動(dòng)規(guī)律，認(rèn)為采場(chǎng)上方的組合關(guān)鍵層能夠?qū)Ω矌r活動(dòng)起到主導(dǎo)作用，明確了關(guān)鍵層在覆巖活動(dòng)中的核心地位。對(duì)于淺埋煤層工作面礦壓顯現(xiàn)及圍巖應(yīng)力場(chǎng)，李建偉等綜合研究分析淺埋煤層埋深、承載關(guān)鍵層厚度及其層位等因素對(duì)工作面礦壓顯現(xiàn)的影響，指出多因素共同作用于礦壓顯現(xiàn)。杜鋒等針對(duì)補(bǔ)連塔煤礦22307工作面，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析等手段，探討淺埋近距離煤層大采高工作面邊界煤柱下開采異常礦壓顯現(xiàn)機(jī)理，為解決特定開采條件下的礦壓?jiǎn)栴}提供了思路。汪北方等以神東礦區(qū)22616工作面為工程背景，研究得到淺埋煤層長(zhǎng)壁開采基本頂破斷特征及地表砂土層載荷傳遞效應(yīng)，揭示了地表砂土層對(duì)礦壓的影響機(jī)制。梁冰等針對(duì)辛安礦1402淺埋煤層工作面，通過(guò)相似模擬試驗(yàn)重點(diǎn)模擬回采過(guò)程中覆巖應(yīng)力演化特征，直觀展現(xiàn)了覆巖應(yīng)力的動(dòng)態(tài)變化。高召寧等運(yùn)用數(shù)值計(jì)算獲得采場(chǎng)覆巖應(yīng)力分布規(guī)律，為應(yīng)力場(chǎng)分析提供了量化方法。在圍巖力鏈演化研究領(lǐng)域，王金安等對(duì)綜放開采過(guò)程中散體頂煤與非連續(xù)覆巖關(guān)鍵層中力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及演化特征進(jìn)行分析，初步揭示了力鏈在復(fù)雜開采條件下的變化規(guī)律。謝廣祥、袁安營(yíng)開展采場(chǎng)圍巖力鏈分布特征及其演化規(guī)律研究，實(shí)現(xiàn)力鏈在采場(chǎng)圍巖中的可視化，為直觀研究力鏈提供了技術(shù)手段。然而，現(xiàn)有研究仍存在一定不足。在淺埋煤層采場(chǎng)礦壓規(guī)律方面，對(duì)其影響因素的深入分析不夠全面，缺乏多因素耦合作用下的系統(tǒng)研究，難以準(zhǔn)確把握礦壓的復(fù)雜變化。對(duì)于支架合理工作阻力，研究較少且缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中難以確定最優(yōu)化的支護(hù)參數(shù)。在圍巖力鏈演化研究中，雖然取得了一些進(jìn)展，但力鏈演化與采場(chǎng)圍巖變形、破壞之間的定量關(guān)系尚不明確，無(wú)法為工程實(shí)踐提供精確的理論指導(dǎo)。此外，當(dāng)前研究多集中在單一煤層開采，對(duì)于淺埋煤層群開采條件下的圍巖力鏈演化規(guī)律研究較少，難以滿足復(fù)雜開采條件的需求。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容淺埋煤層采場(chǎng)圍巖力鏈演化特征研究：運(yùn)用二維顆粒流離散元軟件PFC2D，構(gòu)建淺埋煤層采場(chǎng)數(shù)值模型。依據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)條件，精準(zhǔn)設(shè)定模型的各項(xiàng)參數(shù)，包括煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)、顆粒間的接觸模型及參數(shù)等。通過(guò)模擬不同開采階段，如工作面推進(jìn)過(guò)程中煤巖體的受力變形情況，詳細(xì)分析采場(chǎng)圍巖力鏈的演化特征。觀察力鏈的形成、發(fā)展、聚集和破壞過(guò)程，研究力鏈在不同開采階段的分布規(guī)律，以及力鏈與煤巖體變形、破壞之間的內(nèi)在聯(lián)系。例如，分析力鏈在頂板垮落、煤壁片幫等現(xiàn)象發(fā)生時(shí)的變化特征，揭示力鏈演化對(duì)采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性的影響機(jī)制。淺埋煤層采場(chǎng)覆巖強(qiáng)力鏈拱力學(xué)模型建立：在深入研究采場(chǎng)圍巖力鏈演化特征的基礎(chǔ)上，分別建立覆巖強(qiáng)力鏈拱失穩(wěn)前和失穩(wěn)后的力學(xué)模型。考慮覆巖的自重、上覆巖層的壓力以及采動(dòng)影響等因素，運(yùn)用材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等相關(guān)理論，對(duì)強(qiáng)力鏈拱的力學(xué)行為進(jìn)行分析。推導(dǎo)強(qiáng)力鏈拱跡線方程，確定強(qiáng)力鏈拱的形狀和位置，從而明確其在采場(chǎng)圍巖承載中的作用機(jī)制。分析強(qiáng)力鏈拱失穩(wěn)的條件和過(guò)程，探討強(qiáng)力鏈拱失穩(wěn)對(duì)采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)的影響，為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)礦山壓力和制定合理的支護(hù)方案提供理論依據(jù)。淺埋煤層采場(chǎng)工作面支架受力模型研究：建立工作面支架受力模型，充分考慮支架與圍巖的相互作用關(guān)系。結(jié)合覆巖強(qiáng)力鏈拱力學(xué)模型，分析支架在不同工況下的受力情況，包括支架的初撐力、工作阻力以及支架所承受的頂板壓力分布等。研究支架工作阻力與圍巖穩(wěn)定性之間的定量關(guān)系，通過(guò)理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬，獲得支架荷載的計(jì)算表達(dá)式。依據(jù)支架受力特征，提出支架合理工作阻力的確定方法，確保支架能夠有效地支撐頂板，維持采場(chǎng)圍巖的穩(wěn)定性，為支架的選型和設(shè)計(jì)提供科學(xué)指導(dǎo)。淺埋煤層采場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與分析：選擇具有代表性的淺埋煤層工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)采場(chǎng)圍巖應(yīng)力、支架工作阻力以及頂板位移等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。布置應(yīng)力傳感器、壓力傳感器和位移監(jiān)測(cè)設(shè)備等，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。收集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并與數(shù)值模擬和理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，深入研究淺埋煤層采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，以及圍巖力鏈演化與礦壓顯現(xiàn)之間的內(nèi)在聯(lián)系。通過(guò)實(shí)際工程案例，驗(yàn)證所建立的力學(xué)模型和理論分析的正確性，為研究成果的工程應(yīng)用提供實(shí)踐依據(jù)，進(jìn)一步完善淺埋煤層采場(chǎng)圍巖力鏈演化規(guī)律的研究。1.3.2研究方法數(shù)值模擬方法：采用二維顆粒流離散元軟件PFC2D進(jìn)行數(shù)值模擬。該軟件能夠克服傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)模型的連續(xù)性假設(shè)，較好地模擬非連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題，真實(shí)反映煤巖體的力學(xué)行為。通過(guò)構(gòu)建淺埋煤層采場(chǎng)數(shù)值模型，模擬煤層開采過(guò)程中圍巖力鏈的演化過(guò)程，分析不同開采階段力鏈的分布特征和變化規(guī)律，為理論分析提供數(shù)據(jù)支持和直觀依據(jù)。理論分析方法：運(yùn)用材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、巖石力學(xué)等相關(guān)理論，對(duì)淺埋煤層采場(chǎng)覆巖強(qiáng)力鏈拱力學(xué)模型和工作面支架受力模型進(jìn)行理論推導(dǎo)和分析。建立力學(xué)模型，推導(dǎo)相關(guān)方程，分析力鏈拱的力學(xué)行為和支架的受力特征，揭示采場(chǎng)圍巖力鏈演化與礦壓顯現(xiàn)之間的力學(xué)機(jī)制，為數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)提供理論指導(dǎo)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法：在淺埋煤層工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，通過(guò)安裝應(yīng)力傳感器、壓力傳感器、位移監(jiān)測(cè)設(shè)備等，對(duì)采場(chǎng)圍巖應(yīng)力、支架工作阻力、頂板位移等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。收集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，與數(shù)值模擬和理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，檢驗(yàn)研究成果的準(zhǔn)確性和可靠性，為工程應(yīng)用提供實(shí)際數(shù)據(jù)支持。二、淺埋煤層采場(chǎng)圍巖力鏈演化模擬分析2.1工程背景介紹以神東礦區(qū)某淺埋煤層工作面作為研究實(shí)例，該工作面所處區(qū)域地質(zhì)條件較為典型。其主采煤層為2-2煤層，煤層整體呈現(xiàn)近水平狀態(tài)，傾角極小，平均厚度達(dá)4.5m，屬于中厚煤層。煤層埋深處于80-110m的范圍，這一埋深條件使得該煤層具有淺埋煤層的顯著特征，即受上覆巖層壓力相對(duì)較小，但礦山壓力顯現(xiàn)卻較為復(fù)雜且劇烈。該工作面長(zhǎng)度為220m，在實(shí)際開采作業(yè)中，配備了6LS-03電牽引采煤機(jī)，這種采煤機(jī)具備高效的切割能力，能夠適應(yīng)該煤層的賦存條件，實(shí)現(xiàn)煤炭的快速開采。運(yùn)輸環(huán)節(jié)采用雙鏈重型刮板輸送機(jī)，其強(qiáng)大的運(yùn)輸能力能夠確保采煤機(jī)采落的煤炭及時(shí)、穩(wěn)定地輸送出工作面，保障開采作業(yè)的連續(xù)性。在支護(hù)方面，工作面選用掩護(hù)式液壓支架，其相關(guān)技術(shù)參數(shù)對(duì)于維持采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。例如，支架的工作阻力、初撐力等參數(shù)需根據(jù)煤層賦存條件、頂板壓力等因素進(jìn)行合理選型，以有效支撐頂板，防止頂板垮落等事故的發(fā)生。該工作面的覆巖組成較為復(fù)雜，從頂板向上依次為不同巖性的巖層。直接頂主要為砂質(zhì)泥巖，厚度在1.2m左右，這種巖石具有一定的強(qiáng)度，但在采動(dòng)影響下，其穩(wěn)定性相對(duì)較差，容易發(fā)生垮落。基本頂則是粉砂巖，底部富含植物化石，呈現(xiàn)半堅(jiān)硬狀態(tài)，厚度約5m，在采場(chǎng)頂板結(jié)構(gòu)中，基本頂起著關(guān)鍵的承載作用，其破斷失穩(wěn)會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的礦山壓力顯現(xiàn)。再往上為其他巖層以及厚度較大的松散沙層，這些覆巖結(jié)構(gòu)在煤層開采過(guò)程中，會(huì)隨著采動(dòng)影響發(fā)生不同程度的變形、移動(dòng)和破斷，進(jìn)而對(duì)采場(chǎng)圍巖力鏈的演化產(chǎn)生重要影響。2.2PFC2D模型構(gòu)建2.2.1細(xì)觀參數(shù)確定PFC2D模擬軟件能夠在細(xì)觀尺度下對(duì)固體介質(zhì)的力學(xué)特征進(jìn)行模擬研究。它的基本組成單元是圓形顆粒，模擬前無(wú)須明確研究對(duì)象的宏觀物理架構(gòu)及相關(guān)參數(shù)，而是通過(guò)分析局部接觸行為對(duì)宏觀現(xiàn)象進(jìn)行研究。為確定煤巖體的細(xì)觀參數(shù)，對(duì)煤巖樣進(jìn)行單軸壓縮數(shù)值模擬。依據(jù)實(shí)際工程中煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)，設(shè)定數(shù)值模擬的初始參數(shù)。采用PFC2D內(nèi)置的平行粘結(jié)模型來(lái)模擬煤巖體顆粒間的粘結(jié)作用，該模型能較好地反映煤巖體的力學(xué)特性。在平行粘結(jié)模型中，主要涉及到顆粒的彈性模量、泊松比、粘結(jié)強(qiáng)度等參數(shù)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及經(jīng)驗(yàn)，初步設(shè)定煤顆粒的彈性模量為3.5GPa，泊松比為0.25，粘結(jié)強(qiáng)度為1.2MPa；巖體顆粒的彈性模量為5.0GPa，泊松比為0.2，粘結(jié)強(qiáng)度為1.5MPa。在數(shù)值模擬過(guò)程中，不斷調(diào)整這些細(xì)觀參數(shù)，使模擬得到的煤巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實(shí)際單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果相匹配。通過(guò)反復(fù)試算和優(yōu)化，最終確定煤巖體的細(xì)觀參數(shù)。當(dāng)煤顆粒的彈性模量調(diào)整為3.8GPa，泊松比為0.26，粘結(jié)強(qiáng)度為1.3MPa；巖體顆粒的彈性模量為5.3GPa，泊松比為0.21，粘結(jié)強(qiáng)度為1.6MPa時(shí)，模擬得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果在彈性階段、屈服階段以及破壞階段都能較好地吻合，從而確定了適用于本次模擬的煤巖體細(xì)觀參數(shù)。這些參數(shù)的準(zhǔn)確確定為后續(xù)構(gòu)建可靠的PFC2D模型奠定了基礎(chǔ)，能夠更真實(shí)地反映煤巖體在采動(dòng)過(guò)程中的力學(xué)行為。2.2.2模型建立與驗(yàn)證根據(jù)神東礦區(qū)某淺埋煤層工作面的實(shí)際地質(zhì)條件，在PFC2D中建立二維數(shù)值模型。模型尺寸根據(jù)工作面的實(shí)際尺寸和研究范圍確定，長(zhǎng)度方向取300m，高度方向取150m，以充分涵蓋采場(chǎng)圍巖的影響區(qū)域。模型的上邊界為自由邊界，模擬上覆巖層的自重應(yīng)力；左右邊界為位移約束邊界，限制水平方向的位移；下邊界為固定邊界，模擬基巖的支撐作用。在模型中，按照實(shí)際的地層分布，從上至下依次劃分松散沙層、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和煤層等不同巖層。采用生成顆粒的方式構(gòu)建各巖層，通過(guò)設(shè)置不同的顆粒半徑、密度以及顆粒間的接觸參數(shù)來(lái)體現(xiàn)各巖層的物理力學(xué)性質(zhì)差異。例如，松散沙層顆粒半徑較小，密度相對(duì)較低，顆粒間的接觸強(qiáng)度較弱；而粉砂巖和砂質(zhì)泥巖顆粒半徑較大，密度較高，顆粒間的接觸強(qiáng)度較強(qiáng)。對(duì)于煤層，根據(jù)其厚度和力學(xué)性質(zhì)，設(shè)置相應(yīng)的顆粒參數(shù)，確保模型能夠準(zhǔn)確反映煤層的賦存狀態(tài)。為驗(yàn)證所建立模型的可靠性，將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及相關(guān)理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在模擬過(guò)程中，記錄采場(chǎng)圍巖的位移、應(yīng)力分布以及力鏈的演化情況等數(shù)據(jù)。與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的頂板位移數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，模擬得到的頂板下沉量和下沉趨勢(shì)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，最大下沉量的誤差在允許范圍內(nèi)。在應(yīng)力分布方面，模擬結(jié)果與理論分析中關(guān)于采場(chǎng)超前支承壓力分布的規(guī)律相符，超前支承壓力峰值的位置和大小與理論計(jì)算結(jié)果相近。對(duì)于力鏈的演化，模擬結(jié)果也能較好地反映出隨著工作面推進(jìn)，力鏈的形成、擴(kuò)展和破斷過(guò)程，與實(shí)際開采過(guò)程中觀察到的現(xiàn)象一致。通過(guò)多方面的對(duì)比驗(yàn)證，表明所建立的PFC2D模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬淺埋煤層采場(chǎng)圍巖的力學(xué)行為，為后續(xù)研究圍巖力鏈演化規(guī)律提供了可靠的工具。2.3力鏈演化特征分析2.3.1開挖前力鏈分布在煤層開挖前，利用PFC2D模型對(duì)煤巖體受力狀態(tài)進(jìn)行模擬。此時(shí)，煤巖體處于原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)，其內(nèi)部的顆粒之間存在著復(fù)雜的接觸關(guān)系，這些接觸關(guān)系構(gòu)成了力鏈網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)模型可視化分析，可以清晰地觀察到力鏈在煤巖體中的分布情況。在整個(gè)煤巖體中，力鏈呈現(xiàn)出不均勻的分布狀態(tài)。強(qiáng)力鏈作為力鏈網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵組成部分，承擔(dān)著主要的荷載傳遞作用。這些強(qiáng)力鏈通常由相互緊密接觸且具有較高接觸剛度的顆粒組成，它們?cè)诿簬r體中形成了相對(duì)穩(wěn)定的承載骨架。例如，在一些堅(jiān)硬的巖層中，強(qiáng)力鏈能夠貫穿整個(gè)巖層，將上覆巖層的壓力有效地傳遞到下部巖層，從而維持煤巖體的整體穩(wěn)定性。而弱力鏈則廣泛分布于煤巖體中，雖然它們所承擔(dān)的荷載相對(duì)較小，但數(shù)量眾多，對(duì)煤巖體的力學(xué)性質(zhì)也有著不可忽視的影響。弱力鏈的存在使得煤巖體具有一定的柔韌性和變形能力，能夠在一定程度上緩沖外部荷載的作用。當(dāng)煤巖體受到較小的外力作用時(shí)，弱力鏈可以通過(guò)自身的變形來(lái)吸收部分能量，避免煤巖體發(fā)生突然的破壞。因此，在煤層開挖前，煤巖體的承載作用主要依賴于強(qiáng)力鏈，而弱力鏈則起到輔助承載和調(diào)節(jié)變形的作用，兩者相互配合，共同維持著煤巖體的力學(xué)平衡。2.3.2開挖過(guò)程中力鏈變化隨著煤層的開挖，采場(chǎng)圍巖的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了顯著變化，力鏈的分布和演化也隨之改變。在開挖初期，由于煤層被采出，采空區(qū)上方的煤巖體失去了原有的支撐，應(yīng)力重新分布。此時(shí)，強(qiáng)力鏈開始發(fā)生調(diào)整和集結(jié)，逐漸向采空區(qū)上方聚集。隨著工作面的推進(jìn)，這些強(qiáng)力鏈進(jìn)一步相互連接，集結(jié)成束，最終形成了力鏈拱結(jié)構(gòu)。力鏈拱的演化過(guò)程可以分為以下幾個(gè)階段。在形成階段，采空區(qū)上方的強(qiáng)力鏈開始初步聚集，形成一些局部的鏈狀結(jié)構(gòu)，但尚未形成完整的拱形狀。此時(shí)，力鏈拱的承載能力相對(duì)較弱，對(duì)采場(chǎng)圍巖的穩(wěn)定性貢獻(xiàn)較小。隨著開采的繼續(xù)進(jìn)行，力鏈拱進(jìn)入擴(kuò)展階段，強(qiáng)力鏈不斷增多并相互連接，拱的范圍逐漸擴(kuò)大，承載能力也逐漸增強(qiáng)。在穩(wěn)定階段，力鏈拱的結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，能夠有效地承擔(dān)采場(chǎng)上方煤巖體的重量，維持采場(chǎng)圍巖的穩(wěn)定性。此時(shí)，工作面支架僅承擔(dān)位于強(qiáng)力鏈拱下方的煤巖體重量，支架所承受的荷載相對(duì)穩(wěn)定。然而，當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)到一定程度時(shí)，力鏈拱會(huì)進(jìn)入破斷階段。隨著采空區(qū)的不斷擴(kuò)大，力鏈拱所承受的荷載逐漸增大，當(dāng)超過(guò)其自身強(qiáng)度極限時(shí)，力鏈拱便會(huì)失穩(wěn)破斷。在破斷過(guò)程中，強(qiáng)力鏈會(huì)發(fā)生斷裂和重新分布，導(dǎo)致采場(chǎng)圍巖的應(yīng)力狀態(tài)再次發(fā)生劇烈變化。2.3.3力鏈演化與礦壓關(guān)系力鏈拱的失穩(wěn)破斷與劇烈的礦壓現(xiàn)象密切相關(guān)。當(dāng)力鏈拱處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，采場(chǎng)圍巖的應(yīng)力分布相對(duì)均勻，礦山壓力顯現(xiàn)較為平穩(wěn)，工作面支架所承受的荷載也在正常范圍內(nèi)。此時(shí)，力鏈拱能夠有效地將采場(chǎng)上方煤巖體的重量傳遞到周圍的煤巖體中，維持采場(chǎng)的穩(wěn)定性。然而，當(dāng)力鏈拱承擔(dān)的荷載超過(guò)其強(qiáng)度極限而失穩(wěn)破斷時(shí)，采場(chǎng)上方煤巖體的重量會(huì)突然轉(zhuǎn)移到工作面支架上，導(dǎo)致工作面支架荷載大幅增加。這種荷載的突然增加會(huì)使支架受到巨大的壓力，可能導(dǎo)致支架損壞、頂板垮落等事故的發(fā)生。在一些淺埋煤層開采現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)力鏈拱失穩(wěn)破斷時(shí)，工作面支架的工作阻力會(huì)瞬間急劇上升，甚至超過(guò)支架的額定工作阻力，從而引發(fā)壓架等災(zāi)害。因此，強(qiáng)力鏈拱的失穩(wěn)斷裂是工作面產(chǎn)生強(qiáng)動(dòng)載現(xiàn)象的本質(zhì)原因，深入研究力鏈演化與礦壓之間的關(guān)系，對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制礦山壓力具有重要意義。通過(guò)對(duì)力鏈演化過(guò)程的監(jiān)測(cè)和分析，可以提前預(yù)測(cè)力鏈拱的失穩(wěn)時(shí)間和位置，為采取有效的支護(hù)措施提供依據(jù)，從而保障淺埋煤層開采的安全進(jìn)行。三、淺埋煤層采場(chǎng)圍巖力鏈演化的力學(xué)模型3.1覆巖強(qiáng)力鏈拱力學(xué)模型3.1.1失穩(wěn)前力學(xué)模型在煤層開挖后，強(qiáng)力鏈集結(jié)成束形成力鏈拱，力鏈拱成為承載采場(chǎng)上方煤巖體重量的主要力系。為深入分析采場(chǎng)覆巖強(qiáng)力鏈拱的力學(xué)行為，構(gòu)建失穩(wěn)前的力學(xué)模型。將采場(chǎng)覆巖視為由一系列相互作用的顆粒組成，這些顆粒通過(guò)接觸點(diǎn)傳遞力。在力鏈拱中，顆粒之間的接觸力形成了一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為簡(jiǎn)化分析，將力鏈拱看作是由多個(gè)連續(xù)的微元體組成，每個(gè)微元體在力的作用下處于平衡狀態(tài)。根據(jù)力的平衡原理，在微元體上建立力學(xué)平衡方程。設(shè)微元體所受的垂直方向力為q，水平方向力為p，微元體的長(zhǎng)度為ds，與水平方向的夾角為\theta。在垂直方向上，微元體所受的力包括上覆巖層的壓力、自身重力以及相鄰微元體的作用力，根據(jù)平衡條件可得：qds+\gammads\sin\theta-d(p\sin\theta)=0，其中\(zhòng)gamma為巖層的重度。在水平方向上，微元體所受的力包括相鄰微元體的作用力以及摩擦力等，根據(jù)平衡條件可得：d(p\cos\theta)-\tauds=0，其中\(zhòng)tau為微元體所受的摩擦力。通過(guò)對(duì)上述平衡方程進(jìn)行積分求解，并結(jié)合邊界條件，可以推導(dǎo)出強(qiáng)力鏈拱的跡線方程。假設(shè)力鏈拱的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)已知，且在起點(diǎn)處\theta=0，在終點(diǎn)處\theta=\theta_{max}。經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和變換，得到強(qiáng)力鏈拱跡線方程為：y=\frac{q}{2p}(x^2+C_1x+C_2)，其中C_1和C_2為積分常數(shù)，可根據(jù)邊界條件確定。該跡線方程描述了強(qiáng)力鏈拱的形狀和位置，明確了其在采場(chǎng)圍巖承載中的作用機(jī)制。通過(guò)跡線方程，可以進(jìn)一步分析力鏈拱的力學(xué)特性，如拱的高度、跨度以及承載能力等，為研究采場(chǎng)圍巖的穩(wěn)定性提供了重要的理論依據(jù)。3.1.2失穩(wěn)后力學(xué)模型當(dāng)強(qiáng)力鏈拱承擔(dān)的荷載超過(guò)自身強(qiáng)度極限后，便會(huì)失穩(wěn)破斷。此時(shí)，采場(chǎng)覆巖的力學(xué)狀態(tài)發(fā)生顯著變化，需要建立失穩(wěn)后的力學(xué)模型來(lái)分析其力學(xué)行為。在失穩(wěn)后，強(qiáng)力鏈拱的結(jié)構(gòu)遭到破壞，原本由力鏈拱承擔(dān)的荷載會(huì)重新分布。部分荷載會(huì)傳遞到周圍的煤巖體上，導(dǎo)致煤巖體的應(yīng)力集中；另一部分荷載則會(huì)直接作用在工作面支架上，使支架荷載大幅增加。假設(shè)失穩(wěn)后，強(qiáng)力鏈拱破斷形成的巖塊在自重和上覆巖層壓力的作用下，向采空區(qū)垮落。這些垮落的巖塊會(huì)對(duì)支架產(chǎn)生沖擊荷載，同時(shí)也會(huì)改變采場(chǎng)圍巖的應(yīng)力分布。為簡(jiǎn)化分析，將垮落的巖塊視為剛體，忽略其內(nèi)部的變形。根據(jù)能量守恒原理和動(dòng)量定理，分析垮落巖塊對(duì)支架的沖擊作用。設(shè)垮落巖塊的質(zhì)量為m，下落高度為h，與支架接觸時(shí)的速度為v，則根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)公式v^2=2gh，可求得巖塊與支架接觸時(shí)的速度。在巖塊與支架接觸的瞬間，根據(jù)動(dòng)量定理Ft=mv，可求得支架所受到的沖擊力F，其中t為巖塊與支架接觸的作用時(shí)間。由于失穩(wěn)后支架所承受的荷載包括垮落巖塊的沖擊力以及上覆巖層傳遞下來(lái)的壓力，因此支架荷載會(huì)發(fā)生顯著變化。通過(guò)對(duì)失穩(wěn)后力學(xué)模型的分析，可以深入了解支架在強(qiáng)力鏈拱失穩(wěn)后的受力情況，為合理設(shè)計(jì)支架工作阻力提供依據(jù)，以確保支架能夠在失穩(wěn)后的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境下有效地支撐頂板，維持采場(chǎng)圍巖的穩(wěn)定性。3.2工作面支架受力模型3.2.1強(qiáng)力鏈拱穩(wěn)定時(shí)支架受力當(dāng)強(qiáng)力鏈拱處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其能夠有效地承擔(dān)采場(chǎng)上方煤巖體的重量，此時(shí)工作面支架僅承擔(dān)位于強(qiáng)力鏈拱下方的煤巖體重量。為確定支架在這種工況下的受力情況，需考慮以下因素。假設(shè)強(qiáng)力鏈拱下方的煤巖體為一個(gè)規(guī)則的幾何形狀，如梯形。根據(jù)幾何關(guān)系和力學(xué)原理，計(jì)算該部分煤巖體的重量。設(shè)梯形煤巖體的上底長(zhǎng)度為a，下底長(zhǎng)度為b，高度為h，煤巖體的重度為\gamma。則該部分煤巖體的體積V為：V=\frac{(a+b)h}{2}L，其中L為工作面的長(zhǎng)度。那么，煤巖體的重量W為：W=\gammaV=\frac{\gamma(a+b)hL}{2}。由于支架均勻分布在工作面上，所以單個(gè)支架所承擔(dān)的煤巖體重量W_{0}為：W_{0}=\frac{W}{n}，其中n為支架的數(shù)量。支架所承受的壓力P等于單個(gè)支架所承擔(dān)的煤巖體重量除以支架的支護(hù)面積S，即P=\frac{W_{0}}{S}。在實(shí)際情況中，強(qiáng)力鏈拱下方的煤巖體形狀可能較為復(fù)雜，需要通過(guò)數(shù)值模擬或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法，更準(zhǔn)確地確定煤巖體的重量和分布情況。數(shù)值模擬可以利用PFC2D等軟件，詳細(xì)模擬采場(chǎng)圍巖的力學(xué)行為，獲取煤巖體的受力分布；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)則可以通過(guò)在支架上安裝壓力傳感器等設(shè)備，直接測(cè)量支架所承受的壓力。通過(guò)這些方法，可以更精確地計(jì)算支架在強(qiáng)力鏈拱穩(wěn)定時(shí)的受力，為支架的選型和設(shè)計(jì)提供更可靠的依據(jù)。3.2.2強(qiáng)力鏈拱失穩(wěn)時(shí)支架受力當(dāng)強(qiáng)力鏈拱承擔(dān)荷載超過(guò)自身強(qiáng)度極限而失穩(wěn)破斷時(shí)，采場(chǎng)上方煤巖體的重量會(huì)重新分布，導(dǎo)致工作面支架荷載大幅增加。此時(shí)，支架所承受的荷載不僅包括強(qiáng)力鏈拱下方原有的煤巖體重量，還包括因強(qiáng)力鏈拱失穩(wěn)而轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的額外荷載。失穩(wěn)時(shí)支架荷載大幅增加的原因主要有以下幾點(diǎn)。一方面，強(qiáng)力鏈拱破斷后，其原本承擔(dān)的荷載會(huì)突然釋放，這些荷載會(huì)在采場(chǎng)圍巖中重新分配，大部分會(huì)轉(zhuǎn)移到工作面支架上。另一方面，失穩(wěn)過(guò)程中，采場(chǎng)圍巖會(huì)發(fā)生劇烈的變形和運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致煤巖體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)一步增加了支架所承受的荷載。為計(jì)算失穩(wěn)時(shí)支架的受力，假設(shè)強(qiáng)力鏈拱破斷后，其上方的煤巖體以一定的速度垮落，并對(duì)支架產(chǎn)生沖擊作用。根據(jù)動(dòng)量定理，支架所受到的沖擊力F與垮落煤巖體的質(zhì)量m、速度v以及沖擊作用時(shí)間t有關(guān)，即F=\frac{mv}{t}。垮落煤巖體的質(zhì)量m可以通過(guò)計(jì)算破斷區(qū)域內(nèi)煤巖體的體積和重度來(lái)確定。速度v可以根據(jù)垮落高度和自由落體運(yùn)動(dòng)公式進(jìn)行估算。沖擊作用時(shí)間t則需要根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合煤巖體的變形特性和支架的緩沖能力等因素來(lái)確定。除了沖擊力外，支架還需承受上覆巖層傳遞下來(lái)的壓力。上覆巖層的壓力可以通過(guò)對(duì)采場(chǎng)覆巖的力學(xué)分析，考慮巖層的自重、采動(dòng)影響等因素來(lái)計(jì)算。綜合考慮沖擊力和上覆巖層壓力，即可得到強(qiáng)力鏈拱失穩(wěn)時(shí)支架所承受的總荷載。通過(guò)對(duì)失穩(wěn)時(shí)支架受力的準(zhǔn)確計(jì)算，可以為支架的設(shè)計(jì)提供更安全、可靠的參數(shù)，確保支架在強(qiáng)力鏈拱失穩(wěn)的情況下，仍能有效地支撐頂板，保障采場(chǎng)的安全生產(chǎn)。四、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與驗(yàn)證4.1現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案為深入研究淺埋煤層采場(chǎng)圍巖力鏈演化規(guī)律及礦壓顯現(xiàn)特征，在神東礦區(qū)某淺埋煤層工作面開展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)工作。該工作面開采條件與前文數(shù)值模擬和理論分析所針對(duì)的工作面具有相似性，具有典型的淺埋煤層特征，煤層埋深在80-110m，平均采高4.5m，上覆巖層包括砂質(zhì)泥巖、粉砂巖以及松散沙層等。在工作面布置多種監(jiān)測(cè)設(shè)備，以全面獲取采場(chǎng)圍巖的相關(guān)信息。在支架上安裝壓力傳感器，用于監(jiān)測(cè)支架的工作阻力。壓力傳感器的安裝位置經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，確保能夠準(zhǔn)確測(cè)量支架各部位所承受的壓力。在支架的立柱上安裝高精度的壓力傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)立柱所承受的軸向壓力；在頂梁和掩護(hù)梁上也布置壓力傳感器，以獲取支架頂梁和掩護(hù)梁所承受的壓力分布情況。這些壓力傳感器將采集到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)支架工作阻力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。采用位移監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在頂板布置多點(diǎn)位移計(jì)，通過(guò)鉆孔將多點(diǎn)位移計(jì)安裝在頂板不同深度處，可測(cè)量頂板不同巖層的位移情況。在頂板上方5m、10m、15m等位置分別設(shè)置測(cè)點(diǎn)，通過(guò)多點(diǎn)位移計(jì)可精確測(cè)量這些位置的巖層位移，從而了解頂板的下沉規(guī)律以及頂板內(nèi)部巖層的相對(duì)位移情況。在煤壁上安裝表面位移計(jì)，用于監(jiān)測(cè)煤壁的片幫情況。表面位移計(jì)采用高精度的位移傳感器，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量煤壁表面的位移變化，通過(guò)監(jiān)測(cè)煤壁位移，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)煤壁片幫的跡象，并分析片幫的發(fā)展趨勢(shì)。為確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)和調(diào)試。在安裝前，對(duì)壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，確保其測(cè)量精度滿足要求；在安裝過(guò)程中，嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行操作，保證設(shè)備安裝牢固，數(shù)據(jù)傳輸線路連接可靠。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查和維護(hù)，及時(shí)處理設(shè)備故障，確保監(jiān)測(cè)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性。通過(guò)科學(xué)合理的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案，能夠獲取全面、準(zhǔn)確的采場(chǎng)圍巖信息，為驗(yàn)證數(shù)值模擬和理論分析結(jié)果提供有力的支持。4.2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄支架工作阻力和圍巖變形的相關(guān)數(shù)據(jù)。對(duì)采集到的支架工作阻力數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算出不同階段支架工作阻力的平均值、最大值和最小值。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的整理，繪制出支架工作阻力隨工作面推進(jìn)距離的變化曲線。從曲線中可以清晰地觀察到，在工作面推進(jìn)初期，支架工作阻力相對(duì)較小，隨著工作面的推進(jìn)，當(dāng)采場(chǎng)覆巖強(qiáng)力鏈拱逐漸形成并穩(wěn)定時(shí)，支架工作阻力保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。然而，當(dāng)強(qiáng)力鏈拱失穩(wěn)破斷時(shí)，支架工作阻力會(huì)急劇上升，達(dá)到峰值，隨后隨著頂板垮落和應(yīng)力重新分布，支架工作阻力逐漸下降。對(duì)于圍巖變形數(shù)據(jù)，分析頂板下沉量和煤壁片幫位移隨時(shí)間和工作面推進(jìn)的變化規(guī)律。通過(guò)對(duì)多點(diǎn)位移計(jì)和表面位移計(jì)數(shù)據(jù)的處理，繪制出頂板下沉量和煤壁片幫位移的時(shí)間-位移曲線以及位移-推進(jìn)距離曲線。在頂板下沉方面，隨著工作面推進(jìn)，頂板下沉量逐漸增大，在強(qiáng)力鏈拱失穩(wěn)階段，頂板下沉速度明顯加快，下沉量急劇增加。煤壁片幫位移也呈現(xiàn)出類似的變化趨勢(shì)，在采場(chǎng)圍巖應(yīng)力變化較大的階段，煤壁片幫位移增大，表明煤壁的穩(wěn)定性受到影響。將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬和理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在支架工作阻力方面，數(shù)值模擬得到的支架工作阻力變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，在強(qiáng)力鏈拱穩(wěn)定和失穩(wěn)階段，模擬值與實(shí)測(cè)值的偏差在合理范圍內(nèi)。理論分析計(jì)算得到的支架工作阻力在強(qiáng)力鏈拱穩(wěn)定時(shí)與實(shí)測(cè)值較為接近，但在強(qiáng)力鏈拱失穩(wěn)時(shí)，由于理論模型的簡(jiǎn)化，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值存在一定偏差，但總體上能夠反映支架工作阻力大幅增加的趨勢(shì)。在圍巖變形方面，數(shù)值模擬得到的頂板下沉量和煤壁片幫位移與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在變化趨勢(shì)上相符，模擬值能夠較好地預(yù)測(cè)圍巖變形的發(fā)展過(guò)程。理論分析通過(guò)對(duì)頂板結(jié)構(gòu)和煤壁受力的分析，也能夠解釋圍巖變形的基本規(guī)律，但在具體數(shù)值上與實(shí)測(cè)結(jié)果存在一定差異。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析以及與數(shù)值模擬和理論分析結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了本文所建立的淺埋煤層采場(chǎng)圍巖力鏈演化模型以及支架受力模型的合理性和可靠性。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步揭示了淺埋煤層采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律，明確了圍巖力鏈演化與礦壓顯現(xiàn)之間的內(nèi)在聯(lián)系。同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了模型存在的一些不足之處，如在強(qiáng)力鏈拱失穩(wěn)時(shí)理論模型對(duì)支架工作阻力的計(jì)算精度有待提高，數(shù)值模擬中對(duì)煤巖體的一些復(fù)雜力學(xué)行為的模擬還不夠準(zhǔn)確。針對(duì)這些問(wèn)題，為后續(xù)研究提供了改進(jìn)方向，如進(jìn)一步完善理論模型，考慮更多的影響因素，優(yōu)化數(shù)值模擬參數(shù)和方法，以更準(zhǔn)確地研究淺埋煤層采場(chǎng)圍巖力鏈演化規(guī)律和礦壓顯現(xiàn)特征，為淺埋煤層的安全高效開采提供更可靠的理論支持。4.3工程應(yīng)用案例分析以神東礦區(qū)某淺埋煤層工作面為實(shí)際工程案例，基于前文研究的圍巖力鏈演化規(guī)律，對(duì)開采和支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。在開采方案優(yōu)化方面，根據(jù)力鏈演化過(guò)程中不同階段的特點(diǎn)，調(diào)整采煤工藝和開采順序。在強(qiáng)力鏈拱形成階段，適當(dāng)降低采煤速度，使采場(chǎng)圍巖有足夠的時(shí)間形成穩(wěn)定的力鏈結(jié)構(gòu)，減少頂板垮落的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)強(qiáng)力鏈拱處于穩(wěn)定階段時(shí)，可提高采煤速度，充分利用圍巖的自承載能力，提高開采效率。通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐驗(yàn)證，優(yōu)化后的開采方案能夠有效減少采場(chǎng)圍巖的變形和破壞，提高煤炭開采效率。在支護(hù)方案優(yōu)化中，依據(jù)強(qiáng)力鏈拱力學(xué)模型和支架受力模型，確定支架的合理工作阻力和支護(hù)參數(shù)。根據(jù)前文推導(dǎo)的支架荷載計(jì)算表達(dá)式，結(jié)合該工作面的具體地質(zhì)條件和開采情況，計(jì)算出支架的合理工作阻力。在該工作面，通過(guò)計(jì)算確定支架的工作阻力應(yīng)提高20%，以應(yīng)對(duì)強(qiáng)力鏈拱失穩(wěn)時(shí)的沖擊荷載。同時(shí)，優(yōu)化支架的布置方式，根據(jù)采場(chǎng)圍巖力鏈的分布特點(diǎn)，在力鏈集中區(qū)域適當(dāng)增加支架數(shù)量，提高支護(hù)強(qiáng)度。通過(guò)這些優(yōu)化措施，該工作面在后續(xù)開采過(guò)程中，支架工作阻力得到合理控制，圍巖穩(wěn)定性得到有效保障，未發(fā)生壓架等事故，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益，為類似淺埋煤層開采提供了有益的借鑒。五、結(jié)論與展望5.1研究成果總結(jié)通過(guò)運(yùn)用數(shù)值模擬、理論分析以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等研究方法，對(duì)淺埋煤層采場(chǎng)圍巖力鏈演化規(guī)律進(jìn)行了深入研究，取得了以下主要成果：圍巖力鏈