遗留群柱留设的初衷是为了承担覆岩载荷,保障地下采场的长期稳定性。然而,在覆岩应力、扰动载荷、自然风化和积水浸蚀等耦合影响下,局部位置(区域)遗留煤柱会发生由表及里的破裂,进而使得承载能力逐渐减弱,可能引发群柱体系的链式破坏或“多米诺骨牌”失稳,导致覆岩垮落、地表塌陷、动载矿压、瓦斯外逸或水体下泄等灾害。遗留群柱失稳后就会改变其“发挥承载作用”的初衷,并转变为潜在的危害与隐患。因此,非常有必要系统研究遗留群柱链式失稳的核心机理,进而为遗留群柱链式失稳的科学防控提供理论支撑。
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视频讲解
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创新点
（1）从链式失稳的源头出发，提出了遗留煤柱群的最弱失稳致灾模式，界定了遗留煤柱群体系中关键柱的基本概念。
（2）分析了关键柱的主要特征，研发了关键柱判别的技术方法与流程，确定了关键柱判别时需遵循的四大原则。
（3）构建了“遗留煤柱群-覆岩”耦合承载体系的多跨连续梁力学模型，研究了关键柱局部失稳引发的载荷响应特征，揭示了关键柱局部失稳诱发遗留煤柱群链式失稳的机理，初步形成了遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论，并对其潜在的应用范围与领域进行了展望。
研究方向
难采煤炭资源安全绿色开采与灾害防控
主要成果
发现了遗煤开采的面接触块体梁、扰动块体梁、上控制层-下承载层等岩体结构，揭示了失稳临界条件与机理，提出了基于岩体结构的遗煤开采可行性的定量判定方法，构建了遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论；提出了固废资源化结构充填岩层控制的思路与方法，研发了结构充填开采技术，构建了结构充填开采“材料开发-性能优化-效果监测”基础理论与技术体系；研究了残采区瓦斯储集空间的分布形态与演化机制，构建了相应的空间模型，揭示了瓦斯储集空间的发育特性，分析了破碎煤岩体中瓦斯的渗流特性，探究了瓦斯的富集规律，构建了遗煤开采瓦斯地面协同高效抽采的技术体系。
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摘 要
遗留煤柱群链式失稳会引发覆岩垮落、地表塌陷、动载矿压、瓦斯外逸或水体下泄等灾害。揭示遗留煤柱群链式失稳的核心机理是精准防控的基本前提。从链式失稳的源头出发,提出了遗留煤柱群的最弱失稳致灾模式,界定了关键柱的基本概念,分析了关键柱的主要特征,研发了关键柱判别的技术方法,揭示了关键柱局部失稳的诱灾机理,形成了遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论,并对其潜在的应用范围与领域进行了展望。研究结果表明:
（1）遗留煤柱内在物理力学性质和外在环境因素等的差异性,导致采场遗留煤柱群呈现出最弱失稳致灾模式———遗留煤柱群体系中任一失稳致灾模式发生时,最弱失稳致灾模式必然已经发生,即遗留煤柱群体系发生链式失稳时,稳定性最弱的遗留煤柱必然发生了失稳。
（2）关键柱是指采空区中最先可能发生局部失稳的遗留煤柱;“ 关键柱” 之所以“ 关键” ,是因为唯有采空区“ 关键柱” 发生局部失稳,邻近区域稳定性稍强的遗留煤柱的失稳破坏才可能被活化,采场遗留煤柱群的链式失稳也才可能发生。
（3）安全系数最小的遗留煤柱可以判别为煤柱群体系中的“ 关键柱” ,在进行关键柱判别的时候需要遵循区域性、相对性、动态性和复合性等四大原则。
（4）关键柱局部失稳的诱灾机理体现在:关键柱载荷的逐渐减小使得最邻近遗留煤柱承担的载荷线性增大,即关键柱的局部失稳会引发覆岩载荷向最邻近的遗留煤柱中转移与扩散,导致进一步的失稳破坏,并最终可能引发遗留煤柱群体系的“ 多米诺” 链式失稳与破坏。
（5）关键柱理论不仅可以应用于柱采区邻近煤层开采、强矿压控制、煤柱留设、充填开采、瓦斯抽采和水害防治等技术领域,还能推广应用于非煤矿山资源开采矿柱群的失稳防控等领域。遗留煤柱群链式失稳关键柱理论的提出有望促进我国煤炭资源绿色开采理论与技术的发展。
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部分图片
遗留煤柱群失稳引发的地表塌陷
复合采空区遗留群柱-覆岩结构体系示意
上位“遗留群柱-覆岩”承载体系的超静定力学模型
上位“遗留群柱-覆岩”承载体系的静定力学模型
下位“遗留群柱-覆岩”承载体系的超静定力学模型
下位“遗留群柱-覆岩”承载体系的静定力学模型
上位“遗留群柱-覆岩”承载体系的简化力学模型
上位结构模型的弯矩
下位“遗留群柱-覆岩”承载体系的简化力学模型
下位结构模型的弯矩
冯国瑞教授相关成果
1.冯国瑞,白锦文,史旭东,等. 遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论及其应用展望[J]. 煤炭学 ,2021,46(1):164-179.
2.冯国瑞,张玉江,戚庭野,等.中国遗煤开采现状及研究进展[J].煤炭学 ,2020,45(1):151-159.
3.冯国瑞,白锦文,杨文博,等.复合采动损伤对层间隔水控制层稳定性的影响[J].煤炭学 ,2019,44(3):777-785.
4.冯国瑞,杜献杰,郭育霞,等.结构充填开采基础理论与地下空间利用构想[J].煤炭学 ,2019,44(1):74-84.
冯国瑞,白锦文,史旭东,等. 遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论及其应用展望[J]. 煤炭学 ,2021,46(1):164-179.
FENG Guorui,BAI Jinwen,SHI Xudong,et al. Key pillar theory in the chain failure of residual coal pillars and its application prospect[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(1):164-179.
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