薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告.doc

薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝 土沿空留巷安全开采技术应用研究土沿空留巷安全开采技术应用研究 技术研究报告 二二 O 一一三三年年五五月月 河南神火煤电股份有限公司 西安科技大学 陕西开拓建筑科技有限公司 I 目目 录录 1 绪论1 1.1 研究背景1 1.2 研究意义4 1.3 沿空留巷国内外研究现状5 1.3.1 沿空留巷围岩活动规律研究现状5 1.3.2 沿空留巷巷旁支护研究现状6 1.3.3 沿空留巷技术应用现状7 1.3.4 沿空留巷存在的主要问题10 1.4 研究内容和技术路线10 2 柔模混凝土沿空留巷围岩活动规律与支护研究12 2.1 围岩活动规律12 2.1.1 采场顶板运动规律12 2.1.2 沿空留巷围岩活动规律12 2.1.3 沿空留巷围岩与支护刚度结构模型13 2.2 沿空留巷围岩与支护刚度匹配研究15 2.2.1 围岩与支护刚度分析15 2.2.2 顶底板刚度对系统刚度的影响16 2.2.3 系统刚度对巷旁支护变形的影响17 2.2.4 巷旁支护刚度对巷旁支护受力的影响17 2.3 动压巷道围岩变形规律及破裂范围.19 2.3.1 巷道围岩变形规律.19 2.3.2 影响巷道围岩破裂范围的因素.19 2.3.3 巷道围岩的主要破裂范围.23 2.3.4 巷道围岩变形与破裂范围的关系.24 2.3.5 巷内支护设计方法25 3 柔模混凝土巷旁支护受力分析28 3.1 柔模混凝土墙体破坏机理.28 3.2 柔模混凝土墙体的变形破坏特点.31 3.3 巷旁支护设计方法33 4 沿空留巷支护设计35 4.1 现场条件35 4.2 巷道基本支护设计38 4.2.1 围岩压力计算38 4.2.2 基本支护参数设计39 4.3 巷道永久加强支护设计40 4.4 巷道临时加强支护设计41 4.5 留巷浇墙区顶底板支护设计42 4.6 采空侧切顶挡矸支护设计42 4.7 巷旁支护设计43 4.7.1 基于“分离岩块法”的巷旁支护设计.43 II 4.7.2 基于“切顶法”的巷旁支护设计.45 4.7.3 基于数值模拟的巷旁支护设计46 5 Y 型通风与瓦斯防治研究及设计50 5.1 采区回采巷道布置系统50 5.2Y 型通风主副配风比及配风量研究.51 5.2.1 主副配风比研究52 5.2.2 主副配风量研究53 5.3 Y 型通风瓦斯防治技术53 5.3.1 Y 型通风瓦斯超限机理53 5.3.2 Y 型通风瓦斯防治技术54 5.4 工作面通风与瓦斯防治设计55 5.4.1 通风设计56 5.4.2 留巷埋管瓦斯抽放设计56 6 柔模混凝土沿空留巷施工设计.58 6.1 沿空留巷施工工艺58 6.2 沿空留巷施工设备选型配套58 6.3 施工设备布置62 6.4 沿空留巷劳动组织63 6.5 柔性模板挂设技术要求63 6.6 泵注混凝土技术要求64 6.7 一通三防技术要求65 7 量测与优化69 7.1 矿压观测设计69 7.2 矿压观测结果分析70 7.3 支护优化75 7.4 瓦斯监控76 8 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术创新性与先进性77 9 推广应用的前景及条件79 10 存在的问题及改进措施80 10.1 存在的问题80 10.2 改进建议80 11 进一步深入研究的设想82 参考文献.83 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 1 1 绪论绪论 柔模泵注混凝土沿空留巷就是紧跟工作面回采，在工作面端头支护效应消失前， 在支架或单体支柱掩护及支撑下，将可调凝调强自密实混凝土泵入一次性柔性模板内， 在采空区与顺槽之间砌筑一道密闭的柔模混凝土连续墙，弥补回采造成的巷道一帮的 缺失，与原有巷道内的支护形成一个整体，共同承担回采动压及其它的巷道压力，维 护巷道稳定，并隔绝瓦斯等有害气体，防止采空区自然发火，以便该巷用于相邻工作 面回采。 1.1 研究背景研究背景 （1）中国能源结构的需要 煤炭工业发展“十二五”规划中指出1：我国是世界第一产煤大国，煤炭产量 占世界煤炭年产量的 46%；同时煤炭又是我国的主体能源，在一次能源结构中占 70% 左右，在未来相当长时期内，煤炭作为主体能源的地位不会改变。19892011 年我国煤 炭在能源生产和消费中的比重分别见图 1.1 和 1.2。 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 0 10 20 30 40 50 60 70 80 原煤 原油 天然气 水电、核电、风电 能能源源生生产产比比重重/ /% % 年年份份 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 0 10 20 30 40 50 60 70 80 原煤 原油 天然气 水电、核电、风电 能能源源消消费费比比重重/ /% % 年年份份 图1.1中国煤炭在能源生产中的比重 图1.2中国煤炭在能源消费中的比重 中国能源中长期（2030、2050）发展战略研究中提出22030年和2050年控制能 源总需求4550亿吨和5060亿吨标准煤的建议，到那时煤炭在我国能源结构中的比例 仍占半壁江山。 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 2 煤炭比石油、天然气更具有资源优势，可以主要立足于国内；煤炭作为能源的投 资强度低，周期较短，效率较高，是最为易得的大规模一次能源。由此可知，煤炭工 业是关系国家经济命脉和能源安全的重要基础产业。 （2）煤矿安全生产的需要 我国煤炭资源总量 5.57 万亿 t，其中埋深在 1000 米以下的为 2.95 万亿 t，占煤炭 资源总量的 53%，而深部开采又是我国煤矿安全事故的重灾区。 我国煤矿地质条件复杂，瓦斯含量高，水害严重，开采难度大。我国现有生产矿 井只有 1/3 符合安全先进矿井生产条件；1/3 的煤矿有可能经过重组和技术改造，形成 安全高效生产能力；其余有 1/3 矿井实际达不到安全生产条件，基本没有改造成安全高 效矿井的条件。 经过几十年的不懈努力，我国煤矿每年发生灾害的次数及因灾死亡人数都在不断 下降，但每年发生的矿井灾害仍然不断。2012 年我国煤炭总产量 36.5 亿吨，百万吨死 亡率仍高达 0.3743，是美国的 10 倍，安全生产形势严峻。中国煤矿历年百万吨死亡率 统计见图 1.3。 2000200220042006200820102012 0 1 2 3 4 5 6 7 死死亡亡率率/ /人人/ /百百万万吨吨 年年份份 图 1.3 中国煤矿历年百万吨死亡率 （3）煤炭完全开采的需要 美国、澳大利亚、德国和加拿大等发达国家，煤炭资源回收率能达到80%左右， 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 3 他们每采1吨煤只消耗1.21.3吨资源。平均而言，我国的煤炭资源回收率只有30%，不 到国际先进水平的一半。据2007中国能源发展报告蓝皮书数据4，我国在 19802000年的20年间，煤炭资源就浪费了280亿吨，这20年间浪费的煤炭资源可以保 证我国20012018年间全国的煤炭供应。因此，中国煤炭资源因开采不充分造成的不合 理损失量比重很大，绝对量很高。 我国煤炭人均可采储量少，仅为世界平均水平的2/3；开发规模大，储采比不足世 界平均水平的1/3；资源回采率低，部分大矿采肥丢瘦、小矿乱采滥挖，资源破坏浪费 严重；消费量大，年消费量约占世界总消费量的48%。资源开发和利用方式难以支撑 经济社会长远发展。 针对煤炭资源低回收率问题，在多年科学研究及工程实践的基础上，西安科技大 学王晓利教授5于2012年正式提出了“中国煤炭柔模支护完全开采”的理念和配套技术。 柔模支护完全开采的本质就是以柔模支护技术为手段，把地下有限的煤炭资源全部开 采出来，更好地造福子孙后代。 “中国煤炭柔模支护完全开采”的技术体系见图1.4。本 课题属“中国煤炭柔模支护完全开采技术”的1个子课题。 煤炭开采 巷道支护采煤 柔模混凝土条 带锚碹支护 柔模混凝土连 续锚碹支护 柔模混凝土无 煤柱开采 三下一上柔模 充填开采 废弃老井复采 柔模混凝土 沿空留巷 柔模混凝土 沿空掘巷 综采充填巷采充填 柔模支护完全开采 图1.4中国煤炭柔模支护完全开采技术体系 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 4 以上三个方面问题严重制约着我国煤炭工业的进一步发展，只有通过技术攻关， 突破制约才能获得发展空间。 （4）薛湖煤矿科学开采的需要 薛湖煤矿属于典型的煤与瓦斯突出矿井，该井田地质构造复杂、开采条件差、难 度大、煤层软、透气性差、瓦斯含量高，煤层顶板条件差异大，煤与瓦斯突出、煤尘 爆炸危险性大。突出煤层中巷道掘进困难，平均月进尺80120m，矿井采掘接续紧张； 高瓦斯工作面回采时，上隅角瓦斯超限频繁，矿井安全生产难以保证；大煤柱护巷， 煤炭资源回收率低，矿井可采储量损失严重。 上述问题制约着薛湖煤矿的科学发展，只有采用沿空留巷无煤柱开采技术，才能 从本质上解决生产中遇到的难题，实现煤炭资源的科学开采。 1.2 研究意研究意义义 柔模混凝土沿空留巷的技术、经济和社会效益如下： （1）少掘巷道，降低巷道掘进率，缓解矿井采掘矛盾。 （2）取消护巷煤柱，提高煤炭资源回收率，延长矿井服务年限。 （3）改善矿井安全生产条件。沿空留巷Y型通风方式解决了U型通风工作面上隅 角瓦斯积聚超限难题，实现了工作面回风流瓦斯浓度降至1%以下，为杜绝煤矿瓦斯爆 炸事故创造了前提条件6；留巷作为专用排水巷或在留巷内建设水仓7，将采空区的积 水有序疏排到留巷内，可预防工作面透水事故；由于沿空留巷无煤柱开采大量减少了 采空区遗煤，故在很大程度上消除了矿井自然发火的根源和几率8。 （4）改善矿井生产技术条件，变跳采为连续开采，有利于生产的集中化9。 （5）实现无煤柱开采，没有煤柱影响区的应力集中，煤与瓦斯突出危险威胁消除， 被保护层巷道维护容易10。煤柱护巷和无煤柱护巷保护层开采卸压范围见图1.5和1.6。 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 5 （6）Y型通风条件下采煤工作面可以降温35，有效解决深井开采的热害问题。 采空区内的热量通过沿空巷道直接进入专用回风巷；机电设备和机械等产生的热量， 通过进风流带入沿空巷道进入到专用回风巷；两巷进风，工作面人员全部位于进风流， 作业环境改善。 （7）留巷埋管瓦斯抽放代替了钻孔卸压抽放和顶底板的高、低抽放岩巷11，少打 钻和少掘岩巷效益显著。 （8）留巷埋管抽放的高浓度卸压瓦斯可以直接在地面用来燃烧、发电等，降低空 气中的有害气体浓度，实现了节能减排。 1 3 3 4 图1.5煤柱护巷保护层卸压范围 图1.6无煤柱护巷保护层卸压范围 1.3 沿空留巷国内外研究沿空留巷国内外研究现现状状 1.3.1 沿空留巷沿空留巷围围岩活岩活动规动规律研究律研究现现状状 中国矿业大学陆士良12在实测基础上，提出了沿空留巷顶板下沉量主要取决于 “裂隙带岩层取得平衡前的强烈沉降”的观点，这一论断揭示了沿空留巷大变形的本 质，给出了沿空留巷力学模型的边界条件。 煤炭科学研究总院朱德仁13提出了长壁工作面端头顶板可能形成“三角形悬板” 的观点。建立的采场顶板结构力学模型为研究沿空留巷矿压规律提供了研究思路。 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 6 安徽理工大学何廷峻14根据MARCUS板的简化计算法，把“三角形悬板”看成由 若干伪倾斜条梁组成的板，利用该模型预测了“三角形悬板”在沿空留巷中破断的位 置和时间。该研究成果为定量确定滞后工作面临时加强支护的范围和时间提供了依据。 中国矿业大学漆泰岳15应用弹性基础梁理论和数值模拟方法证明，沿空留巷的老 顶断裂不会发生在靠巷道煤帮侧的边沿的上方，而是在煤层内的上方，老顶断裂深度 随围岩级类的提高而加大；煤层和直接顶的刚度对护巷带的稳定性影响较大，刚度越 大护巷带切顶效果越好。 中国矿业大学阚甲广16根据直接顶厚度和采高的比值，将工程实践中接触到的几 种典型顶板条件分为厚层直接顶、薄层直接顶和无直接顶 3 种类型。并采用理论分析、 三维数值模拟计算、物理模拟实验和工业性试验相结合的方法，系统研究了三种典型 顶板条件下的巷旁充填体支护阻力、顶板垮落规律与变形特征和围岩应力演化规律， 提出沿空留巷“三位一体”围岩强化控制技术。 1.3.2 沿空留巷巷旁支沿空留巷巷旁支护护研究研究现现状状 英国人 Whittaker17将采场矿压研究的 Wilson 模型加以发展，利用岩体结构静力关 系导出了分离岩块力学模型。 苏联人胡托尔诺依18将采场矿压悬梁模型引入到沿空留巷的研究中，得到了计算 巷旁支护切断直接顶的工作阻力计算式。 英国人 Smart19提出了较有影响的顶板岩梁倾斜理论，该理论首次提出了巷旁支护 可以控制老顶的位态。其基本思想是通过巷旁支护限制巷道煤体一侧到采空区边缘之 间的顶板下沉量，指出顶板倾斜角和转动支点位置是巷旁支护设计的两个重要参数。 中国矿业大学吴健20借鉴采场支架与围岩相互作用的研究成果，提出了沿空留巷 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 7 支护系统最终承受的是冒落带岩块的静压以及巷道变形大小由裂隙带活动和稳定过程 决定的观点。据此，讨论了沿空留巷的力学模型、巷旁支护载荷的计算及支架可缩量 的设计。 中国矿业大学孙恒虎21根据煤层顶板特征和弹塑性力学的有关理论，将长壁工作 面沿空留巷的煤层顶板简化成了层间结合力忽略不计的矩形“叠加层板” ，认为沿空留 巷支护载荷只与短支承边界的载荷有关。采用条带载荷法和塑性极限分析法来确定沿 空留巷巷旁支护阻力，同时还提出了巷旁支护体的后期阻力的计算方法。 中国矿业大学周华强22通过相似材料模拟试验，明确指出巷旁支护能够控制老顶 沉降。进一步指出巷旁支护控制顶板下沉是通过其对顶板足够的支撑作用，改变顶板 弯矩分布，实现巷旁支护侧切落下位顶板；由于顶板岩层分层或分组垮落，沿空留巷 巷旁支护必需的切顶阻力根据最难切落的那层岩层（岩层组）切顶需要来确定。 1.3.3 沿空留巷技沿空留巷技术应术应用用现现状状 （1）国外沿空留巷技术应用现状 世界上一些主要产煤国家都对沿空留巷进行了大量研究，做工作得较多的是前苏 联、德国、英国和波兰等国家23。 前苏联在现场对许多专门为沿空留巷设计的支架进行了试验，并结合理论分析和 实验室研究进行了各种实测工作。据报导，至 1993 年，俄罗斯无煤柱开采产量占煤炭 总产量的 80%，不同矿区变动在 60%90%之间，在各种无煤柱护巷方式中，应用最 广的是沿空留巷，占 65%。 德国巷旁支护采用石膏、飞灰加硅酸盐水泥、矸石加胶结料等作为充填材料，巷 内采用重型U型钢支架支护，成功地在该国1/22/3的煤矿进行了沿空留巷，但是德国 的这种沿空留巷技术使得吨煤成本高达1000元，在我国不具有推广价值。 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 8 英国在1979年试验成功了高水材料巷旁充填，随后有了迅速的发展，高水材料充 填己占全英巷旁充填的90%左右。我国在上个世纪80年代引进该技术并在开滦、焦作 等矿区试验推广。 波兰在前进式或后退式采煤时都用单巷准备，沿空留巷应用于走向开采或倾斜开 采根据条件而定。一般沿空留巷巷内支护采用金属可缩性支架，巷旁支护使用充填带、 矸石带或混凝土墩柱等。 （2）国内沿空留巷技术应用现状 20世纪50年代我国首先在一些薄煤层开采中用矸石带代替煤柱作为巷旁支护用， 如淄博、鸡西、本溪、双鸭山、枣庄、峰峰等矿区薄煤层中都有应用。但由于矸石的 可缩量大，不能与巷内支架相匹配，使得巷内支架变形严重，维护工作量大，并没有 形成完整和系统的无煤柱开采技术体系24。 20 世纪 60、70 年代在中厚煤层应用密集支柱、木垛、砌块等作为巷旁支护取得一 定成效25，但这些方法存在劳动强度大，施工速度慢，采空区漏风等缺点，作为单一 的巷旁支护形式已经被淘汰，应用较多的是与其他巷旁支护技术联合支护，实现沿空 留巷。 20世纪80年代，我国煤矿大力推行综合机械化采煤，随着采高的不断增大、工作 面推进加快、巷道顶底移近量增大，我国煤矿工作者在引进、吸收国外的巷旁充填技 术的同时，发展了ZKD高水巷旁充填技术26。90年代末，我国在潞安矿务局常村煤矿 的综放工作面进行了沿空留巷工业性试验研究27，巷内采用锚梁网索联合支护，巷旁 采用高水材料充填加空间锚栓加固技术，成功地进行了综放大断面沿空留巷试验。但 高水充填材料固有的性能缺陷导致其应用范围受到了很大的限制。 进入 21 世纪以后，煤炭行业一路走俏，促使一些单位重新将目光转向了沿空留巷 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 9 技术，钢模板混凝土沿空留巷技术应用而生，但是这种方法一般存在接顶不密实、适 应顶板条件差、墙体宽度大和留巷成本高等问题。 （3）柔模混凝土沿空留巷技术应用现状 2002 年，西安科技大学王晓利教授28开发出柔性模板，利用其透水不透浆的特性 快速提高混凝土的早期强度，利用其柔性自成形的特点简化支模工艺。 2004 年，西安科技大学王晓利教授科研团队29,30又相继开发出柔模专用外加剂和 自密实混凝土。 2006 年，西安科技大学王晓利教授5在实验室进行了大量科学试验，并开发出柔 模混凝土沿空留巷的专用施工装备柔模混凝土制备输送机组，为柔模混凝土支护 技术的工业应用奠定了基础。 2007 年，西安科技大学王晓利教授率先将柔模混凝土技术应用于神华宁煤集团红 柳煤矿大断面缓坡副斜井的井筒永久支护工程中，取得了成功。 2008 年，柔模混凝土巷道支护技术31经过宁夏回族自治区科技厅组织的科技成果 鉴定，鉴定委员会一致认为柔模混凝土巷道支护技术在改革创新方面属国际领先水平。 2008 年，西安科技大学王晓利教授又将柔模混凝土支护技术应用于冀中能源峰峰 集团羊渠河煤矿的野青煤沿空留巷，并取得成功。 2010 年，柔模混凝土薄煤层沿空留巷支护技术32经过河北省科技厅组织的科技成 果鉴定，鉴定委员会一致认为柔模混凝土技术在薄煤层沿空留巷方面属国际领先水平。 2010 年，西安科技大学王晓利教授又将柔模混凝土支护技术应用于冀中能源峰峰 集团九龙煤矿中厚煤层沿空留巷，并取得成功。 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 10 2011 年，柔模混凝土中厚煤层沿空留巷支护技术33经过中国煤炭工业协会组织的 科技成果鉴定，鉴定委员会一致认为柔模混凝土技术在中厚煤层沿空留巷方面属国际 领先水平。 截止目前，柔模混凝土支护技术已经在神华集团神东公司、神华宁煤集团、神华 乌海能源公司、冀中能源峰峰集团、冀中能源邯郸矿业集团、陕煤集团、山西潞安矿 业集团、河南神火集团、贵州六枝工矿集团、山西金晖煤焦化工集团和山西宏源煤业 集团等单位的 30 多个煤矿的薄煤层、中厚煤层和厚煤层沿空留巷工程中进行了成功应 用。除此以外，柔模支护技术还在陕西中能煤田有限公司榆阳煤矿的充填开采和山西 潞安矿业集团常村煤矿的沿空掘巷无煤柱开采中进行了应用，进一步充实了柔模支护 完全开采技术的内涵。 1.3.4 沿空留巷存在的主要沿空留巷存在的主要问题问题 以往的沿空留巷围岩规律多是建立在浅部薄和中厚煤层的基础上，对深部厚煤层 开采条件下的围岩活动规律研究较少；未见围岩与支护刚度匹配关系的系统研究；对 深部厚煤层开采条件下的留巷支护和施工工艺研究较少；对 Y 型通风和留巷埋管瓦斯 抽放技术研究深度不够。 1.4 研究内容和技研究内容和技术术路路线线 沿空留巷应同时满足围岩控制和保持井下良好的工作环境两个方面的要求。从围 岩控制角度来讲，留巷应该不会出现冒顶或大变形事故，满足正常的通风、运输等要 求。从保持井下良好的工作环境来说，应使留巷与采空区之间有良好的密闭性能，使 漏风和遗煤的自燃降到最低。因此，针对沿空留巷中遇到的这两大课题，结合目前沿 空留巷研究中存在的问题，特完成了“薛湖煤矿深井厚煤层泵注混凝土沿空留巷安全 开采技术应用应用研究” 。 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 11 研究方法：采用理论研究与现场实践相结合的方法。 研究内容与技术路线：见图 1.7。 深井厚煤层柔模混凝土沿空留巷技术应用研究 主 要 研 究 内 容 围岩与支护刚度匹配研究 深井厚煤层沿空留巷支护设计与研究 沿空留巷施工设计与研究 Y型通风与瓦斯防治技术研究 矿压观测设计与结果分析研究 调研 、收集资料 理论分析 现场实测 主 要 研 究 方 法 深井厚煤层柔模混凝土沿空留巷设计 深井厚煤层柔模混凝土沿空留巷施工 深井厚煤层柔模混凝土沿空留巷优化 图 1.7 研究内容与技术路线 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 12 2 柔模混凝土沿空留巷围岩活动规律与支护研究柔模混凝土沿空留巷围岩活动规律与支护研究 2.1 围围岩活岩活动规动规律律 2.1.1 采采场顶场顶板运板运动规动规律律 沿空留巷位于采空区边缘，留巷顶板的变形、破坏必然受到采空区上覆岩层移动 总规律的制约，即自下而上形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，并且移动延续时间也 包括开始移动、活跃移动和移动衰退等三个阶段。采空区三带三区分布特征见图 2.1。 A-煤壁支撑影响区；B-离层区；C-重新压实区；I、II 和 III 分别代表垮落带、裂隙带和弯曲下沉带 图 2.1 采空区三区三带示意 由于回采工作面超前支承压力的作用，留巷顶板在煤壁前方已变形、破坏。当回 采工作面通过巷道中的某一断面时，由于巷道一侧失去煤帮的支撑，留巷上覆岩层剧 烈运动，使该处顶板急剧下沉，并向采空区方向倾斜。当垮落直接顶充满采空区后， 限制了老顶位态，裂隙带岩层被支撑，留巷顶板变形开始缓和。当采空区矸石被压实 后，留巷围岩变形趋于稳定。 2.1.2 沿空留巷沿空留巷围围岩活岩活动规动规律律 留巷顶板活动规律必然要和采场覆岩破断规律相结合，采空区侧向顶板运动规律 决定着沿空留巷围岩的活动规律。工作面回采一定距离后，采空区老顶沿断裂线形成 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 13 “O-X”型破断36。由于老顶的抗拉强度、载荷层厚度、老顶本身厚度和垫层（直接 顶和煤层）等因素的影响，老顶一般在煤体内断裂。柔模混凝土沿空留巷老顶破断形 式见图 2.2 所示。理论和实测留巷矿压表明37，老顶对巷旁支护作用力最大的位置为 图 2.3 中虚线位置处的截面，取该截面单位宽度建立柔模混凝土沿空留巷围岩结构模型。 工作面宽度 老顶断裂块C 关键块B 老顶断裂块C 巷旁充填体 煤帮 岩体A 采空区 岩块B 岩块C 巷 旁 支 护 图 2.2 沿空留巷老顶 O-X 破断 图 2.3 沿空留巷围岩结构模型 由图 2.2 和图 2.3 可以看出，随着工作面的不断推进，在其侧向与下区段连接处， 老顶发生破断，形成三角形悬板 B，岩块 B 的一端回转后在采空区触矸，另一端在煤 帮内断裂。岩块 B 虽有一定的回转下沉，但它与岩块 C、岩体 A 互相咬合，形成铰接 结构，该结构是留巷围岩稳定的主要影响条件。 2.1.3 沿空留巷沿空留巷围围岩与支岩与支护刚护刚度度结结构模型构模型 在沿空留巷围岩结构模型的基础上，将直接顶、巷旁支护和底板简化为具有不同 刚度的弹性体，建立如图 2.4 所示的沿空留巷围岩刚度结构模型。 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 14 岩体A B C hM k0 h b L 煤帮Kp Kf Kr 直接顶 采空区 SL 图 2.4 沿空留巷支围系统刚度结构模型 工作面老顶断裂后，沿空留巷三角形悬板 B 可能形成的回转角度，反映了沿空 留巷顶板围岩活动的剧烈程度，其影响因素有：直接顶刚度，巷旁支护刚度， “关键块” 的长度 L，直接顶厚度及其残余碎胀系数和采高 M，不考虑巷旁支护的作用， h 0 k 则 （2.1） L khM1 sin 0 b 代表留巷宽度，bp代表巷旁支护宽度，l 代表沿空留巷的控顶距（留巷宽度+巷 旁支护宽度） ，则三角形悬板 B 回转对沿空留巷形成的变形量为： （2.2） 1 )( sin 0 khM L bb lS p L 此处主要讨论“直接顶-巷旁支护-底板”支围系统各部分刚度对三角形悬板 B 回 转下沉形成的采动压力和巷旁支护变形量的影响。 令直接顶刚度为，巷旁支护刚度为，底板刚度为，而支围系统的总刚度 r K p K f K 为，相应的变形量为、及。K r S p S f S L S 因此可得： （2.3） fprL SSSS （2.4） frp KKKK 1111 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 15 pffrpr fpr KKKKKK KKK K （2.5） 支围系统的支撑力为： ffpprr p pffrpr fpr LR SKSKSKKhM L bb KKKKKK KKK SKP 1 )( 0 （2.6） 变形量的分配为： （2.7） L r r S K K S （2.8） L P P S K K S （2.9） L f f S K K S 2.2 沿空留巷沿空留巷围围岩与支岩与支护刚护刚度匹配研究度匹配研究 2.2.1 围围岩与支岩与支护刚护刚度分析度分析 （1）直接顶刚度分析 与采场不同，沿空留巷顶板一般都进行锚网索梁主动支护，而且顶板主要在掘进 初期和服务期内有一定下沉，如果巷旁支护及时、支护强度充足的话，沿空留巷顶板 完整性较好。因此，沿空留巷直接顶刚度应大于采场直接顶刚度。 单轴载荷作用下沿空留巷直接顶的刚度为： （2.10） h bbE hs lsE s lE s l s Q K p z r rz r z r r R r )( 由上式可知，沿空留巷直接顶的刚度与其整体强度和控顶距（巷道宽度和巷旁支 护宽度之和）之积成正比，与直接顶厚度厚度成反比。沿空留巷直接顶围岩完整性好、 强度高，如果巷道的主动支护及时有效，控顶距大，厚度小的话，则其刚度可能大于 巷旁支护刚度；反之，如果直接顶松软、破碎，控顶距小，厚度大的话，则其刚度可 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 16 能小于巷旁支护刚度。 （2）巷旁支护刚度分析 柔模混凝土巷旁支护刚度为： （2.11） p pc p h bE K 混凝土的弹性模量38： （2.12） kcu c f E , 5 / 7 . 342 . 2 10 由上式可知，柔模混凝土沿空留巷巷旁支护刚度与柔模混凝土的强度和巷旁支护 宽度之积成正比，与巷旁支护高度成反比。对于一个确定的采煤工作面，巷旁支护高 度为一定值，所以在满足巷旁支护设计强度和稳定性的前提下，调整刚度的办法主要 是通过调整柔模混凝土墙体的强度和宽度来实现。 （3）底板刚度分析 与采场底板不同，沿空留巷底板揭露时间长，裂隙发育，加之长期通风、排水和 流变等因素作用，围岩性能进一步劣化。在现场发现，一般底板向下 0.6m 范围内，围 岩松软、破碎，几乎没有承载力。此时可认为底板服从局部弹性地基梁的温克尔假设 条件，对于直接底较薄，老底为坚硬岩石的情况，地基系数可按下列近似公式计算 f k 39： （2.13） H E k s f 式中：H 为直接底的厚度；Es为直接底的压缩模量。 直接底压缩模量与变形模量之间的关系为40： （2.14） 1 2 1 2 E Es 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 17 由此式（2.13）和（2.14）可见，提高底板刚度的措施为：提高底板的强度或者降 低直接底的厚度。 2.2.2 顶顶底底板板刚刚度度对对系系统刚统刚度的影响度的影响 令，则沿空留巷支围系统刚度为： pr mKK pf nKK （2.15） p K mnnm mn K 由于柔模混凝土巷旁支护强度高（单轴抗压强度 2050MPa） ，刚度大（峰值应变 为 210-3） ，因此当 n=4 时，可认为底板刚度较大，为实底；当 n=0.25 时，认为底板 刚度较小，为软底。分别取 n=4，n=0.25 和 n=m 三种情况，进行顶底板刚度对系统刚 度影响分析，见图 2.5。 硬底 012345 0.5 1 软底 m n=4 n=0.25 n=m 图 2.5 顶底板刚度对系统刚度影响关系曲线 由式 2.15 可知，沿空留巷巷旁支护所受三角形悬板 B 回转下沉形成的挤压变形压 力为： （2.16） LpR SK mnnm mn P 由图 2.5 可知： （1）只有在硬顶硬底时，巷旁支护刚度才接近于支围系统刚度，此时才可以将直 接顶按照“刚性体”处理，巷旁支护的性能得到发挥； （2）在硬顶软底或软顶硬底时，巷旁支护承载的挤压变形压力为硬顶硬底时的 K/Kp 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 18 1/3；在软顶软底时，巷旁支护承载的挤压变形压力为硬顶硬底时的 1/6。 2.2.3 系系统刚统刚度度对对巷旁支巷旁支护变护变形的影响形的影响 由图 2.7 可知，在硬顶硬底时，Sp0.67SL；在硬顶软底或软顶硬底时， Sp0.19SL；在软顶软底时 Sp0.11SL。巷旁支护的变形量既与三角形悬板 B 回转形成 的变形量有关，更主要取决于“直接顶-巷旁支护-底板”支围系统刚度。在以往的沿空 留巷实践中，不考虑底板压缩量，且将直接顶简化为刚性体，设计巷旁支护可缩量为 老顶给定变形量是造成木垛、矸石带和高水材料等沿空留巷巷旁支护失效的根本原因。 2.2.4 巷旁支巷旁支护刚护刚度度对对巷旁支巷旁支护护受力的影响受力的影响 从矸石带、高水材料到柔模混凝土沿空留巷巷旁支护，支护刚度不断增加，因此 也在调节着顶底板刚度与巷旁支护刚度的对应关系。设 Kp和 Kp分别为两种不同巷旁 支护材料的刚度，且 Kp=kKp，随之形成的巷旁支护载荷为 PR，则 （2.17） k nmkmn nmmn P P R R )( 令，则N mn nm （2.18） kN kN P P R R 1 1 为此，仍按顶底板的三种情况，则随着 k 的变化，的变化如图 2.6 所示： R R P P 硬顶硬底 012345 1 2 软顶软底 硬顶软底或软顶硬底 k 图 2.6 巷旁支护刚度对巷旁支护受力的影响 由图 2.6 可知： R R P P 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 19 （1）在各种地质条件下，巷旁支护刚度变化对巷旁支护受力影响都为非线性关系。 随着巷旁支护刚度的提高，巷旁支护受力均将增大，即巷旁支护受力符合“硬支多载” 规律41。 （2）在软顶软底条件下，巷旁支护刚度增加一倍，巷旁支护承载的挤压变形压力 约增加 1.06 倍；在硬顶软底或软顶硬底条件下，巷旁支护刚度增加一倍，巷旁支护承 载的挤压变形压力约增加 1.2 倍；在硬顶硬底条件下，巷旁支护刚度增加一倍，巷旁支 护承载的挤压变形压力约增加 1.5 倍。 （3）巷旁浇筑沿空留巷具有一定的适用范围，软顶软底条件，系统刚度不匹配， 一般不适合巷旁浇筑沿空留巷；硬顶软底或软顶硬底条件，对底板或顶板采取补强措 施后，可以采用巷旁浇筑沿空留巷；硬顶硬底条件下，巷旁支护受力大，要求巷旁支 护刚度也大，巷旁支护费用也高，这时可以辅助采用预裂爆破或高压注水等措施切顶 卸压措施，人为降低顶板刚度。 2.3 动压动压巷道巷道围围岩岩变变形形规规律及破裂范律及破裂范围围 采动影响下的巷道围岩应力重新分布，出现一定的应力集中，导致巷道围岩发生 不同程度的变形。巷道围岩变形主要是由处于破裂松动状态的破裂区围岩的破裂膨胀 引起的。巷道围岩状态参数变化是围岩应力和围岩强度共同作用的结果，是二者的综 合反映。 2.3.1 巷道巷道围围岩岩变变形形规规律律 当巷道围岩处于弹、塑性状态时，支护问题比较简单。然而，当巷道围岩处于破 裂松动状态(残余强度状态)时，由于这部分围岩已失去自承能力，围岩稳定性差，巷道 变形量大，因此支护将变得困难。巷道围岩破裂范围越大，围岩稳定性越差，支护也 越困难。 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 20 巷道围岩变形引起围岩变形，表示巷道变形量的主要参数包括顶板下沉量、底板 鼓起量、巷帮移近量、深部围岩移近量以及巷道剩余断面积等。由于开采深度、围岩 力学性质和结构以及支护等巷道边界条件不同，巷道围岩变形量和变形速度有很大差 别。 巷道从开掘到报废，经历采动造成的围岩应力重新分布过程，围岩变形会持续增 长和变化。一般来说，巷道围岩变形要经历五个阶段，即巷道掘进影响阶段、掘进影 响稳定阶段、采动影响阶段、采动影响稳定阶段和二次采动影响阶段。其中，在采动 影响阶段，在回采引起的超前移动支承压力作用下，巷道围岩应力重新分布，塑性区 显著增大，围岩变形急剧增长。同时巷道围岩破裂区半径也急剧增大，即所谓的围岩 松动圈扩大。 巷道围岩破裂区增大，围岩有效承载范围减小，巷道自身稳定性降低，对巷道支 护的要求就较高，相应的巷道支护难度就增大。 2.3.2 影响巷道影响巷道围围岩破裂范岩破裂范围围的因素的因素 巷道围岩破裂范围即破裂区厚度，在地下开采中，影响巷道稳定性的因素很多， 其中影响巷道围岩破裂区厚度的因素有： 岩石应力，包括开采深度和采动影响等；H 岩石力学性质，主要有岩体单向抗压极限强度、残余强度和应变软化程度(系数) c c ；支护方面的因素，包括支护阻力和巷道掘进半径。k i p 0 r 1) 开采深度的影响 巷道所处应力场是影响巷道围岩破裂范围的主要因素之一。矿井巷道开掘在原岩 应力场中时，经计算就得到破裂区厚度随开采深度变化的规律分析如下： b LH (1) 随开采深度增大，围岩破裂区厚度开始时呈非线性增大，速度较快，以后逐渐 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 21 变缓，呈近似线性关系增大； (2) 开采深度（原岩应力）对围岩破裂区厚度的影响程度与岩石力学性质关系密切 岩体强度越大，影响越小，反之，则影响越大。 必须指出的是，岩体强度不仅仅是指岩体的极限强度，而且还包括它的残余强度 和应变软化程度。不难理解，在一定的应力（开采深度）条件下，围岩处于弹性状态 还是塑性状态，决定于其极限强度大小；而围岩处于塑性状态还是破裂（松动）状态， 则不仅取决于它的极限强度，而且取决于它的残余强度和应变软化程度，特别是残余 强度。分析表明，与岩体极限强度相比，残余强度对巷道围岩破裂区厚度的影响更为 突出。 计算结果表明，开采深度每增加 100m，破裂区厚度的增量并不是一个常量， b L 而是与岩体强度等因素有关。岩体强度越小，越大，反之，则越小。因此，对 b L b L 于强度较低的岩石，当开采达到一定深度以后，常常出现新开采水平的巷道维护突然 变得困难的现象。而对于强度较高的岩石，即使达到较大的开采深度，巷道维护也不 困难。 2) 极限强度的影响 在开采深度、岩体残余强度和应变软化程度等条件一定时，巷道围岩破裂区厚度 随岩体单向抗压极限强度增大而减小。 3) 残余强度的影响 当岩体单向抗压残余强度小于其极限强度的 510即 c c 0.050.10 时，巷道围岩破裂区厚度随残余强度的减小急剧增大；而当残余强 cc 度大于极限强度的 20即0.20 时，围岩破裂区厚度的减小不明显。岩 c c cc 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 22 石力学性质的实验室试验表明，岩石(体)的残余强度一般远小于其极限强度，因此，加 固围岩，提高其残余强度应作为深井巷道矿压控制的一个重要内容。 4) 应变软化程度的影响 应变软化系数是描述岩石破裂(应力超过强度极限)后强度随应变增大衰减幅度大小 的参数。应变软化系数越大，说明岩石的应变软化程度越大。时，应变软化程k0k 度最小，为理想弹塑性材料；时，应变软化程度最大，为理想弹脆性材料。通常，k 岩石可以视为理想弹性塑性应变软化材料，即 0。k 当其它条件一定时，岩石的应变软化程度越大即越大巷道围岩破裂区厚度越k 大，反之，则越小。 5) 支护的影响 支护（这里指以被动受力为特征的巷道支架，不包括对围岩具有加固作用的支护 方式，如锚杆支护、锚喷支护、锚注支护等）在巷道围岩破裂中的作用是一个相当复 杂的问题，这里主要从理论上讨论文护阻力（支护反力）对巷道破裂范围的影响。 i p 从理论上讲和与的理论曲线可以看出，提高支护阻力可以减小巷道围岩破裂范围。 b L i p 支护阻力对破裂区厚度的影响很大，这种影响在支护阻力较小（同时岩石残余强度 i p 也较小）时尤为突出。 根据 IWFarmer 的研究，岩石的单向抗压残余强度通常很低，有的接近于零甚 至等于零，而岩体的单向抗压残余强度将更低。从理论上讲，若文护对巷道围岩破裂 （的发展）不起作用，即通常认为，则根据破裂区厚度公式，在趋于零或等0 i p c 于零时，围岩破裂区厚度将趋于无穷大。显然，这不符合实际情况。 毫无疑问，支架不可能改变围岩的状态，即支架不可能控制围岩破裂的发生。因 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 23 为： (1) 现有的支护(架)还没有控制巷道围岩使之不破裂的能力； (2) 支护不及时，不可能在围岩破裂前实施文护措施； (3) 支架架设时与围岩不能密切接触，只有在围岩产生较大变形并作用于支架时支 护才能反作用于巷道围岩，而此时围岩已经破裂。 然而，由于深部开采的巷道围岩破裂范围较大，而破裂区的形成要经历较长的时 间过程，在此过程中支架将由于围岩变形而产生较大的支护阻力(支护反力)，从而必然 对深并巷道围岩破裂区的最终形成产生影响。因此，支护在深井巷道围岩破裂中的作 用是，它不能阻止围岩破裂的发生，但能对围岩破裂区的形成产生影响，从而在一定 程度上减小围岩破裂范围。围岩破裂范围的减小必然使得巷道收敛变形减小。 6) 开采的影响 设原岩应力为，开采引起的应力集中系数为，将取代破裂区半径公式HKHK 中的，即可绘出破裂区厚度与应力集中系数的关系曲线。如图 2.7 所示。 0 p 图 2.7 应力集中系数对破裂区厚度的影响 从图可见，开采对巷道围岩破裂范围的影响是显著的。当其它条件一定时，开采 相当于使巷道的埋深(开采深度)成倍增加，因而使围岩破裂范围明显增大。 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 24 除了上述因素以外，巷道掘进断面大小对巷道围岩破裂范围也有直接影响。从破 裂区半径公式和破裂区厚度公式可见，围岩破裂区厚度与巷道掘进半径成正比。 0 r 2.3.3 巷道巷道围围岩的主要破裂范岩的主要破裂范围围 根据各向等压力学模型，运用弹塑性理论，对一无限长的圆形巷道围岩的破裂区、 塑性区和弹性区进行轴对称平面应变计算。有： 平衡微分方程 （2.19）0)( 1 r r rdr d 几何方程 ， （2.20） dr du r r u 变形协调方程 （2.21）0)( 1 r rdr d 式中： -围岩径向位移，指向巷道中心为正；u -分别为围岩径向应力和切向应力； ， r -分别为围岩径向应变和切向应变； ， r -距圆形巷道中心的距离。r 从而计算出巷道弹性区的切向应力和径向应力，塑性区和破裂区的围岩应力及应 变。考虑到围岩残余强度和应变软化强度对围岩应力分布的影响，在计算塑性区时， 区别围岩处于破裂状态和塑性状态的两种情况加以讨论，经过变换计算得出： 塑性区半径公式，即 Kstner 公式 （2.22） sin2 sin1 0 0 cot )sin1)(cot( Cp Cp rR i p 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 25 破裂区半径公式，即 Airey 公式 （2.23） 1 1 0 0 ) 1( 111 2 p k pci p c pp b kp kkk p rR 由以上分析计算可知，巷道围岩随着开采深度增大或受动压影响，切向应力峰值 位置向巷道围岩深部转移，而巷道周边岩体的承载能力逐渐降低。同时，开采深度增 加或受动压影响，巷道围岩应力增大，导致巷道围岩破裂范围增大，从而使得巷道围 岩稳定性大大降低。 2.3.4 巷道巷道围围岩岩变变形与破裂范形与破裂范围围的关系的关系 将破裂状态下巷道围岩塑性区和破裂区半径公式代入巷道周边位移公式得， （2.24） 1 2 0111 2 1 0 2 1 12 1 m m r L nnm n C E rp u n b 式中-计算参数，。 1 C)2(1 11 pkmC c 可见，巷道变形量（）与围岩破裂区厚度的次方成正比，而与围岩塑性区u2 b L 1 n 大小无关。因塑性区半径与破裂区半径之比为与岩体强度和巷道所处应力有关的常数 。因此，围岩破裂区厚度越大，巷道变形量越大，其变化规律如图 2.8 所示。 1 1 1 m C 薛湖煤矿深井厚煤层柔模泵注混凝土沿空留巷安全开采技术应用研究技术研究报告 26 Mpa c 49. 0 Mpa c 98. 0 30 1k mr2 0 mmu/ mLb/ 图 2.8 巷道变形与围岩破裂范围的关系 围岩破裂范围对巷道变形的影响程度与岩体弹性模量值有关，即在弹性模量较小 时比较显著。巷道变形量与弹性模量成反比。因此，即使在围岩破裂范围相同，除了 弹性模量以外的其它条件也都相同的情况下，软岩巷道将产生较大变形。 如前所述，巷