（矿业工程专业论文）深井综放面沿空掘巷窄煤柱破坏规律及其控制机理研究.pdf

论文题目：深井综放面沿空掘巷窄煤柱破坏规律及其控制机理研究 专业：矿业工程 博士生：温克珩 ( 签名) 遥建塑 指导教师：柴敬 ( 签名) ( 三圣虹 摘要 煤炭是我国主要能源，随着煤炭的连续开采，浅、表部煤炭资源越来越少，目前己 转向深部煤层的开采。为了提高综放开采煤炭的回收率，国内学者提出了采空区一侧回 采巷道采用留窄煤柱沿空掘巷的方法。综放面窄煤柱由于受到动压的影响，其破坏规律 异常复杂，这导致煤巷锚杆支护技术遇到极大的挑战。开展该项研究对降低煤炭开采损 失、减少巷道支护和维护成本、提高经济效益、保证矿井安全生产等具有重要意义。 本论文以甘肃靖远煤业集团公司魏家地煤矿为依托，采用现场试验、理论分析、数 值模拟的综合方法对高应力煤柱的物理力学特性、破坏模式、受动压影响的煤体损伤及 破坏规律、煤柱最优留设尺寸、支护方案优化设计进行系统的研究，目的是对综放面合 理留设煤柱尺寸及其支护设计提供理论依据。 通过对综放面沿空掘巷上覆岩体垮落运动规律的研究，基本项初次来压形成“o x 破断，基于综放沿空掘巷上覆岩体结构的关键块的观点，对该结构中的关键块的特征参 数进行了研究。建立合理的分析模型，分析了综放沿空掘巷上覆岩体结构在巷道掘进前、 掘进时、掘进后的稳定性，揭示了该类巷道围岩大变形受上覆岩体结构稳定性影响的规 律。 通过综合分析厚煤层综放沿空掘巷窄煤柱的力学状态和破坏机理，得出了综放面沿 空煤体边缘依次为卸载松散区、塑性强化区、弹性变形区、原始应力区，并得出了沿空 煤体边缘应力极限平衡区内任意一点的应力和屈服区宽度计算公式。窄煤柱处于边缘煤 体支承压力降低区和沿空煤体屈服区，在沿空掘巷采动影响下，窄煤柱将受到破坏后再 破坏，通过加强支护可以改善煤柱的破坏程度，保持煤柱稳定性，并探讨了窄煤柱宽度 合理确定方法。 通过对沿空掘巷围岩变形破坏规律及锚杆与围岩相互作用机理研究，认为：由于窄 煤柱受上区段采空区侧向支承压力的影响，强度低，承载能力小，在本工作面的采动影 响下窄煤柱发生变形破坏，将支承压力大部分转移到实体煤帮，使得实体煤帮的变形急 剧增大，围岩难以控制，因此提高窄煤柱的稳定是控制沿空巷道围岩的关键。提出了沿 空掘巷窄煤柱巷道围岩控制的基本原理。 采用f l a c 3 d 对魏家地煤矿x 1 1 0 7 综放工作面两道进行了数值模拟研究，掌握极 软、特厚孤岛综放工作面锚杆、锚索联合支护巷道的矿压显现规律和锚杆、锚索支护效 果，确定合理的煤柱宽度、支护形式和支护参数。 对魏家地煤矿x 1 1 0 7 工作面风巷和机巷围岩稳定状况、锚杆工况等进行了全面的 监测，工程实践表明窄煤柱是沿空掘巷稳定的关键，加强窄煤柱的支护，既提高了窄煤 柱承载能力，减少三角块回转下沉，控制顶煤的下沉量，又维护了窄煤柱自身稳定，减 少两帮相对移近量，保证巷道围岩整体稳定。x 1 1 0 7 工作面风巷、机巷顶板及两帮采 用高强度螺纹钢锚杆支护、并对顶板采用小孔径预应力锚索加强支护，有效地保持了围 岩稳定。 关键词：沿空掘巷：窄煤柱；围岩控制；现场监测；数值模拟；应用 研究类型：应用研究 s u b j e c t ： s t u d y o nd e f o r m a t i o no fn a r r o wp i l l a ro fr o a d w a y d r i v i n ga l o n gn e x tg o a fo ff u l lc a v i n gf a c ea n di t s c o n t r o li nd e e pc o a lm i n e s p e c i a l t y：m i n i n ge n g i n e e r i n g n a m e：w e nk e h e n g i n s t r u c t o r ：c h a ij i n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 唑丝圹 ( s i g n a t u r e ) 兰绉 c o a li st 1 1 er 1 1 a i ne n e 唱yr e s o u r c eo fo u r c o u n t r y w i mt h ec o n t i 姗o u sm i n i i 培o fc o a l ，t l l e c o a lr c s o u r c e so ft h es h a l l o wa r e ab e c o m el e s sa i l dl e s s ，a 1 1 dn o wt h ef o c u si st 啪s f e m 狙t o d e 印c o a ls e 锄m i n i n g i no r d e rt op r o m o t et h ec o a lr e c o v e 巧o fm l l ym e c h a n i z e dc a v i n g ， m a n yd o m e s t i cr e s e a r c h e r sp r o p o s e dan e wm e t l l o dw l ：l i c hi s 嘶v i n gr o a d w a ya l o n gn e x tg o a f 谢t hn a r r o wc o a lp i l l a lt h ed e f o m a t i o no fn a 仃o wc o a lp i l l a ri s c o m p l e xb e c a u s eo fm e i 1 1 n u e n c eo fd y n 锄i cp r e s s u r e ，w h i c hb r i n g sg r e a tc h a l l e n g ef o r t h eb o l ts u p p o r tt e c h n o l o g y o fc o a lr o a d w a y - t h er e s e a r c hc o n d u c t e di nt h i sp 印e rh a u sv e 巧i i n p o m m ts i 蛐f i c a i l c ef o r r e d u c i n gt h el o s so fc o a la i l dt h ec o s t so fs u p p o r t i n ga 1 1 dm a i n t a i n i n go fr o a d w a y ，p r o m o t i n g l ee c o n o m i cb e n e 6 ta l l de n s 埘i 培t h es a 先p r o d u c t i o n i i lt h i s p a p e r ，s u p p o n e db yw ；e i j i a d ic o a lm i n eo fj i n g ) r l 姗c o a li n d u s 姆c 的u po f g a n s up r o v i n c e ，谢t l ll a b o r a t o r ) rt e s t ，f i e l dt e s t ，t 1 1 e o r e t i c a la i l a l y s i s 趾dn l 】m e r i c a ls i m u l a t i o n ， t h em e c h a n i c a lc h 孤a c t e r i s t i c s ，d e f o n 】1 a t i o n ，d a m i f i c a t i o no fc o a lu 1 1 d e rd y n 锄i cp r e s s u r e ， o p t i m u mc o a lp i l l a rs i z e 锄dt h es u p p o r t i n gm e t h o da r es t u d i e ds y s t e m i c l y ，w h i c hi sa i m e da t p r o v i d i n gt h e o r e t i c a lb a s ef o ro p t i m u mc o a lp i l l a rs i z eo fc o a lp i l l a ra n di t ss u p p o n i n g d e s i g n i n g w i t ht h er e s e a r c ho fc a v i n gb e h a v i o ro ft h eo v e r b u r d e no nt h er o a d 、v a ya l o n gn e x tg o a f o fm l l ym e c h a l l i z e dc a v i n gm i l l i n gf i a c e ，t l l em a i nr o o fw i l lb r e a kl i a k e o x ”b a s e do nt h e t l l e o 巧o fk e yb l o c k ，t h ec h a r a c t e r i s t i c a lp a r 锄e t e r so ft 1 1 ek e yb l o c ka r es t u d i e d al o g i c a l a 1 1 a l y s i sm o d e l i sb u i l t ，t h es t a b i l i 够o ft h eo v e r b u r d e no n 廿l er o a d w a ym o n gn e x tg o a fo ff h j l y m e c h a l l i z e dc a v i n gm i i l i n gf a c eb e f o r e “l l i n g ，“l l i n ga i l d 础e rd r i l l i n gi sa n a l y z e d w i t ht h es y n t h e s i z e da i l a l y s eo ft h em e c h a l l i c a ls t a t e 锄dd e f o r m a t i o no ft h ec o a lp i l l a ro f t h er o a d w a ya l o n gn e x tg o a fo f 如l l ym e c h a n i z e dc a v i n gm i i l i n gf i a c e ，t h ee d g eo ft h ec o a l a l o n gn e x tg o a fa r ed i v i d e db yu n l o a d i n gr e l a xa r e a ，p l a s t i cs t r e n 舒h e n i n ga r e a ，e l a s t i c d e f o n n a t i o na r e aa n di n s i t us t r e s sa 1 e a ，a n dt h ef - 0 h 1 1 u l a t i o no ft h es n e s sa n dt h ew i d t ho f y i e l d i n gz o n eo f t h ec o a lp i l l a ri sd e d u c e d t h en a r r o wp i l l a ri sl o c a t e da tt h es u p p o r t i n gs t r e s s d e c r e a s e da r e ao ft h em a 西n a lc o a lm a s sa i l dt h ey i e l d i n ga r e ao ft h ec o a lm a s sa l o n gn e x t g o a w i t ht h ei n n u e n c eo ft h e “v i n go ft h er o a d w a ya l o n gn e x tg o a t h en a 仃o wp i l l a rw i n d e f o ma g a i n t h ed e f o r m a t i o no ft h ec o a lp i l l a rc a nb ed e c r e a s e db ys t r e n 酉h e n i n gs u p p o r t ， a n dt h es t a b i l i t yo ft h ec o a lp i l l a rc a nb em a i n t a i n e d w i t ht h es t u d yo ft h ed e f o r m a t i o no ft h es u h o u n d i n gr o c ko ft h er o a d w a yd r i v i n ga l o n g n e x tg o a fa n dt h ep r i n c i p l eo ft h ei n t e r a c t i o no fb o l ta n ds u r r o u n d i n gr o c k ，i ti sd i s c o v e r e d m a t ，t h en a r r o wc o a lp i l l a rh a sl o ws t r e n g t ha n ds m a l lb e a r i n gc a p a c i t yb e c a u s eo ft h e i n n u e n c eo ft h es i d ea b u t m e mp r e s s u r eo ft h eu p p e rc u r t a t e w i t ht l l em i n i n gi n f l u e n c eo f c u r r e n tm i i l i n gf a c e ，t h en a r r o wp i l l a rw i l ld e f o r m e da n dt h es u p p o n i n gp r e s s u r ew i l lb e t r a n s f e r r e dt om ec o a lm a s ss i d e a n dt h ed e f o r n l a t i o no ft h ec o a lm a s ss i d ei n c r e a s e sa n di ti s v e r yh a r dt oc o n t r 0 1 s o ，i ti sv e r yi m p o r t ：a n tt oi m p r o v et h es t a b i l i t yo fm en a r r o wc o a lp i l l 孤 t h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h ec o n t r o lo fn a 肿wc o a lp i l l a ri sp r o p o s e d f l a c 3 di su s e di nt h i sc h a p t e rt od ot h en 啪e r i c a ls t u d yo ft h er o a d w a yo fx l - 1 0 7 m i n i n gf a c e a tw e i j i a d ic o a lm i n e 7 n l eg r o u n dp r e s s u r ea n dm eb o l ts u p p o r te a e c to ft h e r o a d w a yo f 吐l em i l l i n gf a c ea r eo 饥a i n e d ，a i l dt h e 丽d t ho fc o a lp i l l 矾t h es u p p o r tk i n da n d s u p p o np a r a m e t e ra r ed e t e m l i n e d t h em o n i t o m go ft h es t a b i l i t ) ra 1 1 dt h eb o l tc o n d i t i o no fa i rr o a d w a ya 1 1 dc o n v e y o r r o a d w a yo fx 1 10 7m i n i n gf a c ea tw 刨i a d ic o a lm i n ei sc o n d u c t e d t h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e s h o w st h a tr l a r r o wc o a lp i l l a ri st h ek e yt ot h es t a b i l i t yo fr o a d 、硼眵a l o n en e x tg o a t h e s t r e n 咖e n i n go f t h en a r r o wc o a lp i l l a rs u p p o r tc a ni m p r o v et h eb e a r i n gc 印a b i l 埘o fc a lp i l l 鸩 d e c r e a s et h er o t a r ys e t t l e m e mo ft h et r i a n g u l a rb l o c k ，c o n ：t r o lt l l es e t t l 锄e n to ft h er o o fc o a l ， m a i n t a i nt h es t a b i l i t yo fc o a lp i l l a ri t s e l ed e c r e a s et h er e l a t i v ec o n v e 唱e n c eo ft h es i d e so f r o a d w a ya n de n s u r et h e 、v ：h o l es 乜溉l i t yo ft h es 咖u n d i n gr o c ko ft h er o a d w a y t h ea i r r o a d w a ya n dc o n v e y o r r o a d w a yo fx l - 10 7m i n i n gf a c ea r es u p p o i r t e db yh i g hs t r e n g t l lt h r e a d s t e e lb o l ta n de n h a l l c e dw i t hs m a l ld i 锄e t e rp r e s t r e s s e da 1 1 c h o rc a b l eo nt h er o o f ，w h i c hh a s m a i m a i nt h es t a b i l i t yo ft h es u r r o u n d i n gr o c ke f f e c t i v e l y k e yw or d s ：r o a d w a yd r i v i n ga l o n gn e x tg o a f n a i _ r o wc o a lp i l l a r r o c kc o n t r o lf i e l dm o n i t o r i n g n u m e r i c a lm o d e l i n g t h e s i s ：a p p l i e dr e s e a r c h s u 】期u n d i n g a p p l y 西妻料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：游毵绚日期：唧、易、 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题冉撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：旋邕确j 指导教师签名：g 物7c ；j 矽年易月2 日 1 绪论 1 1 选题背景及研究意义 1 1 1 选题背景 1 绪论 煤炭是我国主要能源，近3 0 年来，煤炭占我国能源的7 0 以上。2 0 0 8 年，我国的 原煤产量2 6 2 亿吨，位于世界首位。随着煤炭的连续开采，浅、表部煤炭资源越来越少， 目前己转向深部煤层的开采。在9 0 年代全国平均立井的深度已达到6 0 0 m ，目前正以 8 1 0 州年的平均速度向深部发展，千米以上的立井在我国各个煤田可见，随着煤炭开采 越来越向深部发展，深井巷道稳定性问题便越来越突出。 我国厚煤层储量十分丰富，可采储量占生产矿井总储量的4 5 。全国拥有厚煤层的 生产矿井占生产矿井总数的4 0 6 ，分布遍及全国。厚煤层开采中，以前部分局矿沿用 高落式开采，产量低、效率差、安全状况不好，资源损失严重。在历次采煤方法改革过 程中，大多数矿井的厚煤层实现了分层开采，由分层炮采到分层机采以至分层综采开采。 在生产条件好、管理水平高的局矿，分层综采工作面多次创出了年产百万吨以上的好成 绩。但是分层综采普遍存在巷道布置复杂【l 】，掘进率高，巷道维修量大，材料消耗大， 生产成本高等问题。当顶板较破碎或有稍厚伪顶时，第一分层的顶板管理困难，冒顶片 帮事故多，制约着安全生产，影响工作面单产的提高，安全状况不佳。在易燃煤层中， 分层综采的中下分层工作面，极易发生煤的自然发火，威胁安全生产。合理开采、有效 利用煤炭资源，提高回采率，实现矿业的可持续发展，是国内外煤炭行业急需解决的问 题。为了解决这些问题，人们研究并提出了综放开采方法【2 】。 综放开采是一种先进的采煤方法。自2 0 世纪5 0 年代末问世以来，经过数十年的试 验和使用，在世界近十个产煤国家得到较快发展。2 0 世纪7 0 年代末至8 0 年代初，综放 丌采成为法国、匈牙利和前南斯拉夫等国厚煤层开采的主要方法之一。以后受各种因素 的影响，综放开采在国外未能得到进一步发展。 综放开采技术以其低成本、低投入、高产出、高效率、高效益、安全可靠和系统简 单等特点和储量技术优势逐渐取代了分层长壁开采方法，成为我国厚煤层开采实现高产 高效的主要技术途径。它利用煤岩体受采动影响的矿压显现性和顶煤、顶板自重实现了 厚煤层全高一次开采，充分发挥了厚煤层的储量优势和综放开采技术高产高效的技术经 济优势。在中国今后2 0 至5 0 年内仍以煤炭为主要能源、是世界重要的煤炭生产大国和 煤炭消耗大国的背景下，综放开采技术以其高产、高效和安全的综合优势，必将得到更 快速的发展和推广应用，在今后相当长的时间内，在多种厚煤层开采技术中必定会处于 西安科技大学博士学位论文 主导和优先的地位【”】，成为我国厚煤层开采的主要技术。 综放开采时，一般沿煤层底板丌掘工作面回采巷道，巷道顶板和两帮全部为煤体， 为全煤巷道。留设煤柱一直是煤矿中传统的护巷方法，传统的留煤柱方法是在上区段运 输平巷和下区段回风平巷之间留设一定宽度的煤柱，使下区段平巷避丌固定支承压力峰 值区。区段平巷双巷掘进和使用，技术管理简单，对通风、运输、排水、安全都有利。 但是，煤柱损失高达l o 3 0 ；且回风巷受二次采动影响，巷道维护困难，支护费用高。 煤柱支承压力向底板传播，不仅影响邻近煤层的开采和底板巷道的稳定，还成为引发冲 击地压的隐患。煤柱宽一般为1 0 3 0 m 。 为了提高综放开采煤炭的回收率，国内学者提出了采空区一侧回采巷道采用留窄煤 柱沿空掘巷的方法，煤柱宽度一般为4 7 m 。由于采深的逐年增加，使得综放开采沿空 巷道维护越来越困难，这制约了综放面的推进速度，严重影响了高产高效工作面的建设。 1 1 2 研究意义 随着我国煤炭工业的发展，越来越多的煤矿进入深部开采( 6 0 0 m 左右) ，对于深井 综放面来说，由于地压大，煤层松软破碎，地温高，流变现象严重，如何保证煤炭安全 开采成为摆在采矿工作者面前的难题。 随着煤炭开采深度、强度与广度的增加，出现大量复杂困难巷道，对巷道支护技术 提出更高、更苛刻要求。深部高地应力巷道是一类典型的困难巷道。深部开采引起高地 压、高地温、高岩溶水压和强烈的开采扰动影响。深部矿井重力引起的垂直应力明显增 大，构造应力场复杂，地应力高；在高地应力作用下，开采扰动影响强烈，围岩破坏严 重。在高地应力环境下，煤岩体的变形特性发生了根本变化：由浅部的脆性向深部的塑 性转化；高地应力作用下，煤岩体变形具有较强的时间效应，表现为明显的流变或蠕变； 煤岩体的扩容现象突出，表现为大偏应力下煤岩体内部节理、裂隙、裂纹张丌，出现新 裂纹，导致煤岩体积增大，扩容膨胀；煤岩体变形的冲击性，表现为变形不是连续的、逐 渐变化的，而是突然剧烈增加。高地应力环境和煤岩体变形特征决定了深部矿井会遇到 一系列动力灾害，包括冲击矿压、煤( 岩) 与瓦斯突出、瓦斯爆炸、矿井突水、矿压显 现剧烈、巷道围岩大变形、冒顶片帮等灾害，对深部矿井的安全、高效丌采带来巨大威 胁。上述灾害主要发生在巷道，可以说，深井开采首要的、关键的技术是巷道围岩控制。 大量的生产实践表明，综放开采在采场和回采巷道的矿压显现规律及围岩控制方面 与其它开采方法明显不同。近几年，关于综放采场的煤岩稳定性及其控制的研究得到了 国内外学者的重视，并取得了大量的成果。但是在综放回采巷道，尤其是综放沿空掘巷 的矿压显现规律及其控制方面所做的工作不充分，大多沿用现有的支护理论和支护方 式。从目前的发展看，综放回采巷道的矿压理论和支护技术是制约综放开采进一步发展 的主要因素之一。 2 l 绪论 实测资料显示，综放沿空掘巷的围岩变形规律与其它回采巷道明显不同，主要原因 在于巷道周围煤岩体性质及上区段工作面回采后在巷道上方形成的煤岩结构在本工作 面回采时发生变化而引起的，而在国内外这方面的研究却很少。 采面回采率是影响综放开采发展的主要因素之一，合理减少区段煤柱，是提高采面 回采率的一种有效手段。但这取决于对综放采场煤岩变形和破坏机理、以及沿工作面倾 斜方向矿山压力显现规律认识的进一步深入。 综放面窄煤柱由于受到动压的影响，其破坏规律异常复杂，这导致煤巷锚杆支护技 术遇到极大的挑战，另外，邻近工作面的开采对已有的煤矿通风、运输巷道二次动压的 影响也使深井煤层中的煤矿通风、运输巷道反复受载，破坏严重，返修任务严重。 经过近十多年的研究与试验，我国已经形成了具有中国特色的煤巷锚杆支护成套技 术体系，包括巷道围岩地质力学测试、锚杆支护设计、锚杆支护材料、施工机具与工艺、 工程质量检测与矿压监测，以及煤巷锚杆支护技术规范。目前，煤巷锚杆支护技术已经 得到大面积推广应用，在一般条件下取得了良好的支护效果与技术经济效益，成为煤矿 巷道首选的、主要的支护形式。 然而，在深部高地应力巷道等复杂困难条件下，锚杆支护出现了一系列新的问题， 锚杆预应力过低，强度不足，抗冲击性能差，造成锚杆拉断或整体失效；锚索直径小、 强度低、延伸率低，与钻孔匹配性差，经常出现锚索被拉断或整体滑动；钢带强度和刚 度小，容易撕裂和拉断，护顶效果差。上述现象严重影响了巷道支护效果和安全程度。 同时，由于锚杆、锚索强度和刚度偏低，导致单位面积上锚杆、锚索数量多，间排距小， 支护密度大，严重影响巷道掘进速度，造成采掘接续紧张。 由以上分析可知，急需开展深井高应力极软综放面窄煤柱破坏规律及其支护优化设 计试验与理论研究工作，本论文拟以甘肃靖远煤业集团公司魏家地为依托，采用室内试 验、现场试验、理论分析、数值模拟的综合方法对深井高应力煤柱的物理力学特性、破 坏模式、受动压影响的煤体损伤破坏本构模型、加卸载破坏规律、煤柱最优留设尺寸、 支护方案优化设计进行系统的研究，目的是对深井综放面合理留设煤柱尺寸及其支护设 计提供理论依据。开展该项研究对降低煤炭开采损失、减少巷道支护和维护成本、提高 经济效益、保证矿井安全生产等具有重要意义。作者长期在甘肃靖远煤业集团工作，根 据矿区的地质特点，长期以来甘肃靖远煤业集团将埋深超过5 5 0 m 的煤层称为深井，因 此论文中的深井具有西部省区的特征。 1 2 本课题研究的国内外发展现状 目前综放沿空掘巷的研究主要集中在如下三个方面：一是综放沿空掘巷上覆岩体破 断结构的特征及其稳定性问题；二是综放沿空掘巷窄煤柱受力变形规律及稳定性分析； 三是综放沿空掘巷围岩锚固结构的稳定性原理及技术。 3 西安科技大学博士学位论文 1 2 1 综放沿空掘巷上覆岩体结构特征及其稳定性研究现状 1 2 1 1 采场围岩控制理论与实践 沿空掘巷上覆岩层与回采工作面的上覆岩层为同一岩层，其破断特征及活动规律与 上区段工作面和本区段工作面回采时上覆岩层的断裂特征及活动规律紧密相关，但又有 其自身的特点和规律。国内外对采场上覆岩层破断特征和活动规律开展了大量的研究， 先后提出了采场上覆岩层的关键层理论、基本顶及关键层的断裂规律、s r 稳定性原理 竺【l o 1 9 】 可 。 综采放顶煤技术经过近2 0 年的应用和研究，我国专家学者对综放采场的岩层活动 及矿山压力显现特点进行了研究，取得了一定的认识。普遍认为，综放开采仍然存在周 期性的压力变化，支架载荷和矿压显现不大于分层开采，在某些条件下又表现出明显的 矿山压力显现。由于综采放顶煤工艺的显著特点是一次采出煤层厚度成倍增加，由此引 起上覆岩层运动及结构特点的变化，这就要求我们在不同的条件下探讨上覆岩层运动及 结构特点的变化。 中国矿业大学张顶立教授、钱鸣高院士认为综放工作面在( 1 1 2 ) m ( m 为煤层 采出厚度) 范围下的直接顶垮落后形成不稳定的“类拱”结构( 图1 1 a ) ，在( 1 5 2 0 ) m 范围以上若存在着较坚硬的顶板岩层，则可形成稳定的砌体梁式结构【1 1 6 j ，图1 1 b 为老 顶垮落结构。同时建立了采场上覆岩层力学模型( 图1 1 c ) 。研究认为，老顶断裂回转 形成的力矩在工作面前方造成很大的支承压力，工作面煤壁片帮可以作为老项来压的前 兆。 ( a ) 直接顶类拱结构 ( b ) 老顶垮落砌体梁结构 4 1 绪论 ( c ) 采场围岩力学模型 图1 1 综放采场直接顶、老顶垮落结构及力学模型 中国矿业大学陆明心、郝海金、吴健认为综放工作面上覆岩层存在着比分层开采层 位更高的平衡结构( 图1 2 ) ，以大变形梁的形式存在，结构的活动是一逐渐变化的过程， 在这一过程中，平衡结构与其下的顶板和顶煤相互作用1 1 6 ，1 1 7 1 。 夺形叠 图1 2 大变形梁平衡结构 吴健教授通过对通化道清矿急倾斜水平分段放顶煤工作面观测，将顶煤移动过程分 为冒落前和冒落后两个阶段，冒落后阶段又分为冒落过程、压实过程和放出过程【l l 铂。 煤炭科学总院北京开采所闰少宏、贾光胜针对放顶煤开采上覆岩块运动特点引入了有限 变形力学理论【l j ，提出了上位岩层结构面稳定性的定量判别式，并根据结构面极限挤 压角的概念及挤压角与层面弯矩的关系分析了放顶煤开采上覆岩层平衡结构向高位转 移的原因；兖州矿业集团赵经彻、陶廷云应用内外应力场理论对分层开采、网下综放、 全厚综放三种不同开采条件下的冒落岩层厚度、导水裂隙高度、地表沉陷特征及支承压 力大小及分布特点进行了分析和探讨并建立了相应的计算模型【1 2 0 1 ；张顶立基于“砌体 梁”和“半拱”结构结合而构成的综放工作面覆岩结构的基本形式，指出覆岩结构的特殊 性及顶煤的松软破碎是造成综放顶煤工作面矿压显现复杂化的主要原因【1 2 l 】；太原理工 大学贾喜荣基于“弹性板与铰接板结构”力学模型把中厚煤层开采中采场矿压计算的分 析方法推广到放顶煤工作面顶板来压计算中，提出了完全承载层、过渡层和非承载层的 基本判断【1 2 2 j ；山东科技大学杨淑华、姜福兴在现场观测和动力学分析的基础上，研究 了综放支架载荷有时比分层开采大有时小的力学机理，给出了综放采场的两种典型顶板 结构以及它们静力和动力学特征【1 2 3 】；姜福兴认为放顶煤采场的结构由顶煤、直接顶和 老顶组成( 图1 3 ) 。根据文献 1 2 4 】，放顶煤采场的需控岩层，主要指直接顶和顶煤，由 于顶煤的存在，老顶的运动效应将被弱化，变为次要的控制对象。不能永久地向煤壁前 5 西安科技大学博士学位论文 方和采空区矸石传递力是直接顶的重要特征，在放顶煤采场，由于顶煤从垮落到放完是 一个动态过程。在此过程中直接顶的厚度是变化的，也即老顶的厚度和位态是变化的， 其变化主要由顶煤的放出率控制。 图1 3 综放采场结构 1 2 1 2 沿空掘巷上覆岩体破断结构研究 针对沿空掘巷围岩力学环境和维护特点，对巷道上覆岩层稳定状况、沿工作面倾斜 方向上覆岩层的活动规律研究较少。通过对工作面及顺槽矿压观测分析和相似模拟实验 开展研究认为，随工作面回采推进，采空区侧煤体及上覆岩层依次垮落，形成砌体梁结 构；侧向煤体支承压力峰值点与采放比有关，且随采放比增大峰值点远移，有利于留设 窄煤柱；分析了巷道上覆岩层结构特征，提出煤柱宽度d 与侧向压力峰值点深入煤体的 距离x 有关，一般认为d 小于x 是比较合理的，此时对巷道的稳定性有利。基本顶沿倾 斜方向形成的结构作为沿空掘巷围岩的大结构，基本顶在工作面端头形成的弧三角形块 视为巷道上方的关键块【1 0 0 】，定性分析了关键块在巷道不同阶段的稳定性，认为关键块 在不同阶段是稳定的，为沿空掘巷创造了良好的外部力学环境。 李学华【9 8 】等人提出了综放沿空掘巷围岩大小结构的观点，探讨了该类巷道围岩变形 的基本规律，分析了巷道的围岩应力特点及其影响围岩变形的力学机制；建立了上覆岩 体大结构的力学分析模型，研究了大结构的稳定性。 柏建彪【l o o 】等人围绕综放沿空掘巷围岩稳定性问题，建立了综放沿空掘巷基本顶三 角块结构力学模型，计算分析三角块结构在巷道不同阶段的稳定系数，认为该结构的稳 定是综放沿空掘巷稳定的前提。 王卫军【9 6 】等人在分析综放沿空掘道顶煤力学环境的基础上，运用能量变分理论求解 顶煤混合边界条件问题，并简要探讨了支护阻力、顶煤厚度、顶煤力学特性、巷道宽度 和顶煤下沉量的关系。对选择综放沿空掘巷顶煤的支护参数有一定的指导意义。 综上可知，目前综采面的矿山压力规律研究已经取得很多成果，矿山压力是煤巷破 坏的主要因素，因此，开展矿山压力研究实践价值重大。研究深井软煤巷道的破坏规律 必须考虑到动压的影响，在动压作用下煤巷实际上是破坏后的再破坏( 扰动) ，采用现 有的本构关系准确反应深井煤柱的实际受力状态，目前，还没有适用于深井软煤破坏的 本构关系，这导致有限元等数值模拟的结果与实际有一定的差距。 6 1 绪论 1 2 2 沿空掘巷窄煤柱稳定性研究现状 长期以来，留煤柱护巷方式一直是我国煤矿井工开采的主要方式。我国先后在开滦、 阳泉、平顶山等矿区的三、四十个工作面进行了沿倾斜方向煤体残余支承压力的现场观 测，取得了大量的观测结果。丰城矿务局坪湖煤矿，在煤层厚度2 4 m 、倾角2 0 0 的煤体 中观测到沿倾斜方向距煤体边缘3 m 范围内的煤体应力较小，应力峰值区大约位于 1 2 2 2 m 范围内，支承压力影响的峰值位置距煤体边缘1 2 m 。同时发现，支承压力峰值 随着时间变化向煤体内部转移。淮北杨庄矿的观测结果，从煤体边缘至煤体内部7 m 处 为塑性区，其中0 3 5 m 为松弛区；煤体内7 m 以外为弹性区，其中7 l l m 为弹性应力升 高区，1 l m 以外逐步恢复到原始应力区。澄合矿务局权家河煤矿观测结果，沿倾斜方向 煤体内支承压力的峰值位置在4 1 0 m 范围。 从国内外研究发展趋势总体来看，留设煤柱护巷的方式受各种条件限制，主要有两 种趋势，一种为宽煤柱方式，目的是为了避开压力峰值，减少对巷道的破坏；另一种为 窄煤柱或无煤柱留巷方式，两者在不同条件下都有比较广泛的应用，研究与发展水平也 各具特色。 与中厚煤层和厚煤层分层开采一样，综放工作面采放以后，在其相邻的煤体( 柱) 上 和一定范围的冒落区内将形成增压区、减压区、免压区【1 1 3 1 。当右边工作面采放后，由 于煤层采放厚度大，冒落矸石和剩余浮煤难以充满采空区，老顶下沉并在采空区边缘发 生断裂，煤体上的顶板弯曲并以一定角度向采空区倾斜，侧向支承压力向煤体内转移。 在顶板弯曲下沉、支承压力转移过程中，边缘煤体被破坏，形成一定厚度的破碎区，同 时，在煤体边缘一定范围( 一般o 7m ) 内形成应力降低区，为沿空掘巷创造了有利条件。 国内外采用多种手段从不同角度研究应力分布和变形与破坏状态是分析煤柱稳定 性的重要依据。国内外在这方面做过许多现场观测、试验研究和理论研究。 前苏联乌日洛夫矿观测了距采空区不同距离内开掘的巷道变形。结果表明，采空区 边界附近煤体的支承压力明显影响范围约为1 0 m ，位于支承压力最大影响带( 4 6 m ) 内的巷道产生失稳和较大变形。南非尔岗煤田通过对煤体边缘残余支承压力的观测，得 出最大支承压力作用在煤体边缘1 0 m 处。 我国早在上个世纪7 0 年代，为配合推广无煤柱护巷技术，先后在开滦、阳泉、平 顶山等矿区的三、四十个工作面进行了沿倾斜方向煤体残余支承压力的现场观测，取得 了大量的观测结果。 1 9 8 5 年，西安科技大学吴绍倩教授在对采场及沿空煤柱矿压规律进行了深入研究， 并结果实际矿井观测结果，系统地提出了无煤柱开采技术，并将该技术在实际矿井进行 了应用和推广。 通过现场观测结果，对于煤体边缘的力学状态可以分为：卸载松散区、塑性强化区、 7 西安科技大学博士学位论丈 弹性变形区、原始应力区。 在具体的采矿与地质条件下，有些因素影响采空区边缘煤体应力分布和力学特征。 文献1 3 6 1 根据国内1 5 个矿区2 4 个矿井2 7 个工作面的观测统计分析，得出主要影响因 素有，煤体硬度、直接顶岩性、煤层倾角、煤层采高及开采深度，并得出卸载带宽度上。、 塑性带宽度。和影响带宽度三。的计算公式。 上世纪7 0 8 0 年代，国内许多院校和研究院所利用相似材料模型，进行了有关煤体 边缘应力分布的实验研究。西安科技大学通过相似材料模拟实验，验证了采深采高、倾 角和直接顶等力学参数对沿倾斜支承压力的影响，并得出最大应力集中系数k 的关系式 【1 9 】。重庆大学采用立体相似模拟，得出煤体边缘支承压力的近似关系，认为支承压力峰 值距煤体边缘3 5 m ，峰值压力集中系数约为1 5 ，支承压力影响范围为2 5 m 左右【l h j 。 理论研究方面，国内许多学者借助弹性力学建立煤体边缘的力学平衡方程，经过必 要的简化和假设，以及利用某种强度准则( 如莫尔一库仑强度准则) 确定塑性区宽度， 并获得煤体边缘弹性应力区、塑性应力区应力分布的解析表达式。这些研究普遍存在忽 略剪应力f 。，等问题，国内有学者对此进行了修正，推到出基于极限平衡理论的煤体边 缘塑性区内应力仃一塑性区觅度x 。的关系式【1 3 7 1 3 引。考虑综放开采条件和倾角因素的影 响，谢广祥等也应用弹塑性极限平衡理论，分析得出综放面倾向煤柱支承压力峰值位置 的计算式及分布规律【1 拶j 。 刘洋在总结大量煤柱研究的基础上研究了煤柱强度和变形规律，煤柱破坏过程以及 合理的煤柱宽度留设方法【1 4 0 1 。李庆忠对综放面小煤柱护巷进行了分析，研究了综放条 件下的窄煤柱的变形破坏机理1 1 4 。 1 2 3 综放沿空掘巷围岩控制机理及支护技术研究 1 2 3 1 锚杆支护原理及技术研究 综放工作面上、下两巷的支护形式和维护状况直接关系到综放工作面产量、效率、 效益、采出率的提高和安全状况的改善。我国过去两巷长期使用金属支架，由于金属支 架属于被动支护，支护阻力一般偏低，造成巷道维护困难，安全状况恶化，特别是回采 工作面上、下端头和超前支护复杂，严重影响了回采工作面的推进速度，影响了综放生 产能力的发挥。近期，我国高强度、超高强度树脂锚固锚杆支护系统和小孔径锚索的试 验成功，开创了综放实体煤巷道支护技术的新局面。 国内高地应力巷道一般采用二次支护理论，即巷道支护分两次进行，一次支护在保 持巷道稳定的前提下，允许围岩有一定的变形以释放压力；隔一定的时间后实施二次支 护，保持巷道的长期稳定。但是，这种理论目前已遇到了极大的挑战，在深部动压影响 区、构造应力带、软岩破碎带等地点，采用二次支护后仍出现变形破坏等问题，甚至需 8 1 绪论 要三次、四次支护，巷道周而复始地发生破坏，围岩变形长期得不到有效控制。有关考 虑深部巷道围岩变形的流变性、扩容性和冲击性，分析深部巷道锚杆支护的作用，提出 的高预应力、强力锚杆支护理论得到普遍应用【3 3 枷】，其要点为： ( 1 ) 深部巷道围岩变形主要包括两部分：一是结构面离层、滑动、裂隙张开及新裂纹 产生等扩容变形，属于不连续变形：二是岩石的弹性变形、峰值强度之前的塑性变形、 锚固区整体变形，属于连续变形。由于结构面强度一般比较低，因此掘巷以后，不连续 变形先于连续变形。合理的深部巷道支护形式是大幅度提高支护系统初期支护刚度与强 度，有效控制围岩不连续变形，保持围岩的完整性，同时支护系统应具有足够的延伸率， 允许深部巷道围岩有较大的连续变形，使高应力得以释放。 ( 2 ) 锚杆支护主要作用在于控制锚固区围岩的离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等 扩容变形与破坏，使围岩处于受压状态，抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏的出现， 最大限度地保持锚固区围岩的完整性，减小锚固区围岩强度的降低，使围岩成为承载的 主体。在锚固区内形成刚度