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      煤炭開采與巖層控制是研究采煤技術(shù)、工藝、裝備及巖層移動(dòng)、破壞和控制的學(xué)科，其基礎(chǔ)學(xué)科為地質(zhì)學(xué)、巖石力學(xué)及采礦學(xué)等，研究對(duì)象從全球煤炭資源分布、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造與地應(yīng)力分布、大型煤田與礦區(qū)規(guī)劃、礦井開拓部署、采煤工藝與裝備、采場(chǎng)巖層控制、巷道支護(hù)、鉆孔鉆進(jìn)，到煤巖體礦物成分與組織結(jié)構(gòu)、微孔隙裂隙等，空間尺度從10-10～ 107m，從全球尺度到煤體中的極微孔，共跨17個(gè)量級(jí)。

　　不同尺度研究的內(nèi)容、研究的方法不同，康紅普院士以空間尺度為主線，介紹了煤炭開采與巖層控制在不同尺度范圍內(nèi)的主要研究內(nèi)容、研究方法和典型實(shí)例，分析了不同尺度之間的關(guān)系。

　　不同尺度研究的內(nèi)容不同。在全球尺度上可研究地殼運(yùn)動(dòng)、板塊構(gòu)造、地應(yīng)力分布等與煤層賦存條件的關(guān)系；在礦區(qū)尺度上，可根據(jù)礦區(qū)煤炭資源分布、地質(zhì)構(gòu)造及地面條件等，合理劃分井田尺寸與邊界，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)的高效開發(fā)；在微納米尺度上，可分析煤巖體顆粒、孔隙與裂隙分布對(duì)煤巖體物理力學(xué)特性的影響。

　　不同尺度研究方法不同。在煤田尺度上，可采用地質(zhì)勘探方法研究煤田中煤炭資源分布、儲(chǔ)量及大中型地質(zhì)構(gòu)造等，從空間與時(shí)間上規(guī)劃煤田的開發(fā)；在工作面與巷道尺度方面，可采用力學(xué)理論、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值模擬及井下實(shí)測(cè)等方法開展研究；對(duì)于肉眼看不到的研究對(duì)象，需要借助各種顯微鏡、CT掃描法、核磁共振法及一些間接法開展研究。

　　巖層結(jié)構(gòu)只能出現(xiàn)在一定尺度內(nèi)。如巷道頂板中形成的梁、拱、層等結(jié)構(gòu)的尺度一般為10-1 ～100 m；長壁工作面采空區(qū)巖石形成的梁、拱、殼等結(jié)構(gòu)尺度大多在100 ～102 m范圍內(nèi)。遠(yuǎn)離這些尺度，巖層結(jié)構(gòu)無法形成。相似材料模型試驗(yàn)可縮小原型的尺度，便于在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究，但應(yīng)保證模型與原型的各個(gè)參數(shù)盡量相似。

　　巖層控制研究中一些問題必須從微觀開始研究。如軟巖遇水軟化與膨脹的機(jī)理，應(yīng)了解軟巖的礦物成分和微結(jié)構(gòu)，礦物顆粒與水、陽離子的相互作用；對(duì)于煤層的滲透性，就需要測(cè)試與分析煤體中的微納米孔隙、裂隙的分布。而對(duì)于巖層控制研究中的另一些問題，一般只需了解煤巖層的宏觀物理力學(xué)性質(zhì)即可。如在研究巷道或采場(chǎng)圍巖的應(yīng)力場(chǎng)與位移場(chǎng)分布時(shí)，只需建立力學(xué)模型，將所需煤巖體的宏觀參數(shù)輸入后分析計(jì)算即可，沒必要了解煤巖體中的微結(jié)構(gòu)尺度與分布。

　　研究最后，康紅普院士指出：巖層控制中從宏觀、細(xì)觀到微觀的多尺度研究方法已得到廣泛應(yīng)用，不同尺度之間的相互聯(lián)系顯得非常重要。例如，如何將實(shí)驗(yàn)室小尺度煤巖樣的試驗(yàn)參數(shù)與井下原位大尺度的煤巖體參數(shù)相聯(lián)系？如何將煤體中的微納米孔隙、裂隙分布與煤層的滲透性、強(qiáng)度、剛度及完整性等宏觀參數(shù)相聯(lián)系？這些問題還有待于做更深入細(xì)致的研究。

　　這項(xiàng)研究以《煤炭開采與巖層控制的空間尺度分析 》（點(diǎn)擊查看）為題發(fā)表于《采礦與巖層控制工程學(xué)報(bào)》2020年第2期。

物理學(xué)與采礦工程研究的空間尺度分布

我國典型煤田空間尺度