（采矿工程专业论文）复杂条件下综放回采巷道支护技术研究.pdf

摘蘩 摘要 本文针对三软煤层、覆澍结构复杂和断面大的综采放顶煤沿空运输巷道支护 方蕊存在的问题，以淮南矿业集团谢桥矿1 2 0 1 ( 3 ) 工作面为工程背景，采用力 学璇论分析、落”算规数值横j 耋 、现场实测等综合研突方法，对综教医采巷道合理 支护形式与参数及矿压显现规律进行了较为深入地研究。论述了综放沿空巷道围 岩变形机理、练放沿空巷道围岩应力场特醒、综放沿空巷道围岩变形特征等，提 崮了采用赢强锚裾限制箍岩变形，保持围岩稳定，阻止复合顶扳离瑟破嚣，主动 支护围岩，采用预应力锚索加强顶板支护，将不稳定的复合顶板悬吊到顶板深部 稳定岩层中。分析了采动影响前后巷道上覆岩层运动、掘巷前后巷邀顶底板的岩 层及煤柱稳定性；由煤柱的弹塑性稳定性分析中，得如煤柱塑性区威力分布；确 定了以巷道围蠢接体为研究对象，采用舔髑索支护技术对巷道围岩进行加固的方 法，研究结果表明：所采用的支护形式和支护参数，有效地控制了复杂条件下综采 放颈煤回采巷道燮形，具有较高的实用价德。 图【6 2 】表【9 】参考文献：【4 9 】 关键词：综采放顶煤工程类比复杂条件巷道支护锚网索支护 分类号：) 3 5 3 1 窒墼垄三奎窆堡主笙茎 a b s tr a c t a sf o rt h eh e a d e n t r ys u p p o r tt e c h i c a lp r o b l e m st h a ts o f t r o c i ( o f ( b a l ， c o m p l e x - 0 v e r b u r d e ns t n l c t u r ea i i dh u g es e c t i o nf o rd f i v e nm a d w a ya l o n gg o a fo n f u 髓y * m 霉c h 越i z e ds l 量b l e v 越c a v i n gm 呈n 诬舀b 毫s 甜o nt h ee n 謇n e c f i 鸱b a 呔o u n di n 氇e 1 2 0 1 ( 3 ) w o r k i n gf a c e o f h u a i n a nm i i l i n gc o r p o r a t i o n ，w i 恤r e s e a r c hm e t l i o do f m e c h a n i c a l t h e o r e t i ca n a l y s i s ，c o m p u t e rn 啪c r i cs i m u l a t i o na n dm e a s u r i n go nm es p o t 熊do 壤e a p p f o 矗穗c s ，t 蠡e 辨p c fm a l 【e sai n d c p 氇f e s e a r c ho 珏氇em e c h a n i s mo f c o n t r 0 1 l i n gs u r r o u n d i n gs t r a t af 缸t h ef i l l l yl n e c h a i l i z e dm i n i n gf a c e ，t h i st e x tb s d e s c d b r dd e f o r m a t i o mm e c h a i l i 锄q fs u 栅n d i n gr o c ka i l dt h e o r e t i c a la n a l y s i so f s a b i l i t y 妇g o b s i 如e n 姆o f 妇l l y - m e e h a n i z e dc a v 主n gf a c e ，s 拄c s sf i c l df c a t u r co f s t l r u n d i n g c kf o fg o b 确d ee n t r yo ff u l l y * m e c h 赫i z e dc a v i n gf a c e ，d e f o n n a t i o n c h a r a c t e r 0 f r m u n i 玉i n 喜f o rg o b - s i d ee n 吣o ff u l l y m e c h 觚i z e dc a v i n gf a c c ，p u t f o r 、 ，o r da d o p t i n gh i 曲神锄g t hb o l lt or c s t r i c tt h ed e f 0 黝a l i o no f 也es u r r o u n d i n gr o c k ， k e e p 睡es 毽瑚雌d 主l l gr o c ks l e 稚y ，p 砖v c n t m 瘁e sr o o f st od e s 重r o y 勰dc o l u n t a r l y p r o t e c tt h cs u r r o u n d i l i gr o c k ，a d o p tt h ep r e t e n s i o nc a b l et os 订e n g t h e a n ds u s p e n dt h e u n s t 曲l ec o m p l e sm 6 ft om ed e e p l ys ta _ b i l i t ym c ks t r a t u mo ft l l em o f ；粕矗l y s e st h e 蒯g 糟t i o 珏m e c h 越 s mo fo v e 蠢y i n gf o 珊a | i o no f 萤o r e 一曩n d * 娥m i 越菇g ， 觚dl ks t a b 鼹y i n _ f l u e n c eo fr 0 0 “f 1 0 0 fr o c k ，g a i n sm es t r e s sd i s t f i b u t i o no fp l a s t i c a l l yd e f o m i n ga r c a f o r mt h ee h s t o 巾l 弱t i cs t a b 谢t yo f a lp j l l 缸w i t hw h 0 1 er o a d w a ya sab b j e c tt o f e i n f o f c es u f r o u n d i n g 咄也ep 印e rl a k ee 羝文v ec o n 呐l i 主珏gm e a 辄托c o 珏铷l f o a d w a yf o rf l l l l y 蚰e c h a n i z e dl i l i n i n gw i 也t o p c o 啦c a v 越gu n d e rc o m p l e x n d i t i o n s w i t hb o l t - m c s h 一柚c h rs u p p o r tt e c h l o g y ，t h er e s c a r c hh a sb e e ns u c c e s s f i l l l y 印p l i e di n 讲a c t i c c 。 耐g l l r e 【6 2 】 t a b l e 【9 】r e f e r e c c 【4 9 】 k e yw o 蝴s ：s u b l c v e l l o n g w a l lc a v i n gf a c ee n g i n e e 癌n ga n a l o g y c o m p l e xc o n d i t i o nr o a d w a ys u p p o f l i n g b o h m e s h - a n c h o fs 疆p p o r 重 c h i n e s eb o o bc a t a l o g ：t d 3 5 3 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文申不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，氇不包含 为获得塞微理墨盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 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 作了臻确的说睛并表承谢意。 学位论文作者签名：这整强期：塑盘年多月宦 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了勰塞徼理王太堂有保留、使用学位论 文的规定，帮：研究生在校攻渎学位襄阙论文王作的知识产权单位 属于塞擞矍三太堂。学校有权保留并向函家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽 理工大学可以将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、缩印或扫描等复稠手段保存、汇编学位论 文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：囊囊f 钆签字日期：础醐心器 导师签名：碡 姜吵良签字甚期：蜥6 月f j 白 绪论 1 。1 问腿的提出和背景 绪论 据有关资料表明拼：自1 9 7 4 年弓| 迸4 3 套综聚设备后，通过吸收、完善和改 进，中国综合机械化开深水平大幅度提高，矿井安全与装备水平明显好转。随着 对综放技术的研究，其开采技术已取得不少成就。1 ：综放开采技术以其技术、投 入少、消耗少、效率商、安全牲好的五大特点将厚煤层的储量优势转纯为经济优 势，目前已成为中国高产高效矿井建设和采煤方法升级改造的主要技术途径之一 淮南矿业集团自8 0 年代初以来，已有近2 0 年的综禽机械化开采经验。2 0 0 0 年综 合机械优开采程度已达钙。3 。2 1 年底投产豹张集矿井及正在生产豹落挢矿并 综合机械化程度已达1 0 0 。目前，为建设安全高效工作面，大多综放回采巷道采 用沿空掘巷，通过留设小煤柱护巷来进行生产，作为保证煤矿安全生产的熏大的 蓥秘性支撑技拳，煤巷支护翊题愈蠹突出。僵由于淮南矿区煤层厚度大、强发低， 嗣岩结构复杂、特别是1 3 槽煤层顶板为富含煤线的厚层状松散破碎复合顶板，埋 藏深、巷道通风断面大，跨度大，维护难度十分罕见。多年来一直坚持开展支护 改革，并有多次煤巷锚杆支护技术疲震研究的尝试，也取得一定效果，但总体支 护效果不理想，支护技术水平相对落后，2 0 0 0 年以前基本上依赖于u 型钢可缩支 架支护，满足不了矿区现代化矿井建设快速发展的客观需求。随着开采深度的增 加，机械化程度的提高，对巷道支护的安全技术簧求曰益加大，支护问题豳趋突 出，特别燕新区综放霞采巷道支护技术多年来一纛束有突破。 谢桥矿1 2 0 l ( 3 ) z 作面为西一c 组采区东嚣零阶段，属矿首次提高上限的 回采工作面，回采方式为走f 每长壁综采放顶煤；煤层产状为1 9 2 2 0 0 。么1 2 5 i 4 5 。，平均煤厚4 8 m ，煤为黑色，块狡，油褥光泽，暗煤为主：局部发育l 2 层夹矸，夹矸为泥岩或炭质泥岩，厚o 1 o 6 m ，煤层硬度系数f 为o 3 1 3 ，煤 层直接项为泥岩及1 3 2 煤，上覆岩层结构复杂属复合顶板，直接底为泥岩，是典 型的三软煤层。1 2 0 l ( 3 ) 工作蘧运输颁槽煤层底板标高一4 1 6 一4 2 3 9 m ，顶板结 静异常复杂，软弱夹层帮层理十分发育，为复合矮掇，属于v 炎项板；媒体松散 破碎，锚固性能差，变形强烈：直接底为泥岩；巷道断面积达1 3 4 4m 2 ；平行工 作丽南边1 2 l l ( 3 ) 工作蕊顺槽，( 已回采完毕，回采时间为2 0 0 3 年l 9 月) ， 因就1 2 0 l ( 3 ) 工幸# 茬下顺稽采羽沿空掘进布鬟。从上暝獯掘送过程来看，由于 l 安徽理工大学硕士论文 支护参数不够合理，掘进期问巷道变形剧烈，顶板下沉过大，坠肚明鼹，两肩窝 处岩体剪切破坏，上顺槽局部都有锚杆、锚索被拉断现象，两帮移近量为8 0 0 9 0 0 m m ，顶底移近量6 0 0 7 0 0 m m ，离层仪被拉坏量程( 3 0o i f l i l l ) ，说明项板离层篮 酱遍超过3 0 0 跚。屠来不得不全线挑棚青目强支护顶板，全线多次卧底。铮对1 2 0 l ( 3 ) 面下顺耩是综放沿空巷道，回采期间将受侧向支承压力和工作面超前支承压 力影响，压力显现会更热鞘显，必保证工作耨难常生产，在三软煤攫1 2 0 l ( 3 ) 丽下顺槽进 予“复杂条件下综放回采巷邋支护技术研究”具有现实意义。1 2 0 l ( 3 ) 筒地层综合柱状图如图l 所示。 翻l 2 0 1 ( 3 ) 鬻埭层综合柱状国 醚9 1c o i n p 础髓s i v e 咖d g 豫曲i cc o l u m no f1 2 0 1 ( 3 ) 1 2 综放开采沿空掘罄的研究 从5 0 年代开始，国内外开展了主要包括沿空留巷鞠沿空掘巷两种方法豹无煤 柱护巷技术的试验研究1 5 、“，沿空掘巷是在第一个工作面采空区涛层活韵基本终 止，回采引起钓应力重新分意趋于稳定爝掘进，巷遵位于癍力降低医，采用较小 的煤柱和合理韵支护技术保诞巷道在掘遂及粼螽围糟变形较小；在生产实践中， 潜空擒巷包括浍采空区边缘箍骛、与采窳区之间窝帘煤柱髓沿空搦巷。舞展沿空 掘巷的研究目前主要集中在沿空掘巷圈岩的应力状番、沿空掘巷的矿压捏现规律 和窄煤柱稳定髓原理。煤穗宽度对巷道稳定谯的影响，主要有两个方面，一是影 响巷遴嚣卷寂力；二是影响巷道溺岩完熬性。 2 绪论 1 2 1综放开采沿空掘巷图岩应力分布规律 综放工作面沿空掘巷，由于煤层采放厚度大，霹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，煤体上的项板弯曲并以一定角度向 采空区倾斜，侧向支承服力向媒体内转移，在顶板弯蓝下沉、支承压力转移过程 中，边缘煤体被破坏，形成一定厚度豹破碎区，同时，在煤体边缘一定范围内形 成应力降低区，为沿空掘巷创造了有利条件，综放工作面沿空巷道应力分布如图2 所示。由于巷道掘出后在围岩内形成破碎区，此时，煤柱两侧均存在破碎区，承 载能力较小，两左边工作露采放辩，形成超蘸支承压力，在超翦支承压力的作用 下煤柱进涉压缩破碎，使顶板再一次发生断裂，巷道压力及变形量急剧增加， 因而综放工作丽沿空掘进的巷道在受到工作面超前支承压力作用前维护较容易， 受到超前采动支承压力佟胡时维护圈难，这也是综敞工挥面沿空拯巷的难点魇在， 如何控制综放沿空巷道，是矿山安全生产的关键。 图2 综教工作面沿空巷道应力分布 甄g2弧es t 托船d i s 西h t 自啡o as u r r o 糖df o 呔o fg a a yd r i v e n a l o n gg o a fi nf l l u ym e c h a n i z e dt o pc o a lc a v i n gf a c e 。2 2 综敬拜采沿空掘羲匿岩控耱滚凝 所谓巷道围岩控制，是指控制巷道围岩的矿山压力和周边位移措施的总和， 其星豹是为了保诞巷道翦正常使用。为矿井安全生产剑造必要豹条馋。巷遂懑岩 控制的主要任务有“3 ：( 1 ) 保证巷道使用期间所需的巷道形状相断面大小；( 2 ) 为 保证人员和机械设备的安全和正常工作创造条件；( 3 ) 选择技术经济最为合理的确 保巷道弱裟稳定性韵维护措麓相方法。 围岩瘦力、捆岩强度及巷道支护是决定巷道围岩稳定的三大要素“1 。如何降 3 安徽理工大学硕士论文 低围岩应力，提高围岩强度，并正确选择支护是保诞巷道稳定性的关键。巷道阐 密应力变化主要是在岩体内开掘巷道引起的戏力集中，以及回采g | 起的比原者应 力大得多的支承压力对巷道的影响；围岩变形是巷道豳岩成力集中的结果，是衡 量巷道矿压最现强烈程度的重要指标；为了防止巷邀围岩发生显著变形和垮塌， 就要对围岩支护。控制巷道围岩变形的措施，除巷遭支护外，还有巷邋布置、旗 道傈护和巷道卸压等多种，它们都是主动从减轻或避免采魂弓l 起的支承压力的危 害进行围岩控制，都属于“预防牲”捺旄，丙巷遴支护属予“治瑾性接施”。鑫 此，将巷道布置在采动影响小和岩性好的围岩内，或者采用卸压的方法，是围岩 控制豹主要措施、是确傈巷道维护良好的重要条律。但是巷道位髓的选择往往受 到地质帮开蘩条传的限制，在一般帻况下都霈要用支护柬控制巷道捆港压力。 巷道围岩控制的主要平段“】，即巷道布鬣、巷道保护、巷道卸压及巷道支护 等。降低巷j 耋围岩应力，箍褰圈砉稳定性，以及台壤选择支护是巷道溺岩控制的 基本途径。 1 。2 。3 综赦拜采沿空糕豢支拱技术发爱阶段 我国综放沿空掘巷的主要支护技术发展大致经历了两个重要的发展过程，一 是随着沿空掘巷技术在厚煤层矿井的全黼推广，由水支护、u 形棚等支护到推广 工字钢梯形棚支护技术阶段；二是随着综采敞顶煤技术的试验成功和全酒应鹾推 广以及大功率商效综采设备豹弓i 迸由z 字钢梯形棚支护逐步囱锚杼类支护，尤其 锚梁网支护过渡阶段。在综放开采早期巷道支护中，工字钢梯形棚支护形式具有 以下优点。3 ：鲍类支护静支护强度明显高于术支护，能够满足跨度较大的综采j 粳 槽的支扩要裳，袋巷甥闯适于鞠压畿无漾柱护巷的围岩交形要求；支絮制作、架 设简单，无丝扣紧圈件，回撤修复比较容易，可以多次复用；尽管初期投资较高但 使矮期间不糟再傲太大酌章 充性投入；工佟两匪采期澜，超蘸支承歪力会弓i 越j 睽 槽围岩曲捌觳活动，对予不可能预翟大沉缩爨的分髅采煤法而言，采用剐性棚支 护尽管梁腿损坏率相对较高，但由于采动期间巷道变形量可以得到控制，有利于 采霞端头管避；刚性金属棚子较好致解决了分层秀采浴室掘巷的维护霸经受采动 影响等问题。 但是随麓潭煤层综采放顶煤技术的试验成功寝余面推广应用以及中厚煤层大 功率综采设备的引用，留窄煤柱沿空搦巷，巷道位置处于侧向残余支承压力蜂值 附近，掘巷挠动了侧向支承疆力分布，因而，留窄煤柱沿空掘巷不仅柱掘进期间 4 绪论 围者强烈变形，而且在掘后稳定期间仍保持较大的变形速度，比沿采空区边缘不 整煤柱沿空掘巷变形剧烈，留窄煤柱沿空掘巷，因窄煤柱破碎、煤柱支承作用极 小，增加了巷遴跨度和惫项距，巷道压力壤大、维护溺难，窄煤柱裂酸发育、甚 至破碎，不同稔度存在漏风现象，留窄煤柱改善巷遵掘进条件，对加快掘进速度 以及隔离采空区是有利的。 沿空掘巷豳岩在基本顶岩罄豹作嗣下；产生了严黧的塑性交形和破坏，龙冀 是综放工作面，罄本顶弧形三角块旋转下沉量大，巷邀变形、破坏更加严重，围 岩强度降低更多，尤其受到工作面采动影响后，基本顶岩层活动更加强烈，巷道 维护更加困难。虽然刚健金属棚支护以其围有的优势在孛厚煤层大功率及厚煤层 综放沿空掘巷的支护中发挥了巨大的作用，经受了考验，取得了巨大的成功，然 而谯新的情况下刚性金属棚予也暴露了莱熄缺陷和不足，在一定程度上制约着生 产的发展。主要表现在以下几点0 3 ：矿区采用工字钢棚支护时，巷邋宽度较小， 无法满足综采工艺的要求；由于综采放顶煤及大功率综采的普遍应用，使工作面 的推进速度进一步加快、工作面上下顺槽的替棚、回撇外运任务庞大而艰巨，一 定程度上制约了采面的工时利用，。不利于工作殛快速推进；综采工作面沿空掘巷 采用工字钢棚支护，不稠予颓槽掘进中的防灭火；综放工作面潘空撼巷沿空侧的 防火堵漏喷浆层，对防灭火嫩有利，但是增加了棚腿回撤的难度，导致部分棚腿 的丢失；架设金属棚的劳动强度大，金属棚的安金可靠性差，支护成本比较高。 在_ 攀煤层综放工作露沿窳掘蒜密采用镶梁网支护能够有效迪改蒋巷遵粒支护 状况，与架棚支护相比，成撩期间及工作面回采过程中巷道的围岩变形量均有所 减少：此外，沿空掘巷采用锚梁网支护还降低了巷道支护成本，大麓减少了掘进 王作期闻以及王作覆遥来期间金漏棚子的支设、回撤、运输量及工人的劳动强度， 简化了回采工作面端头的支护形式，加快了工作面推进速度，消除了沿空掘巷顺 槽内的自然发火隐患等，为综放工作面实现高产高效创造了十分有利的条件，因 此，在厚煤层综披开采的沿空掘巷中推广应用镶梁网支护具有十分筮大的意义。 1 3 煤层巷道锚杆支护技术 0 1 3 。1 溉城 锚杆支护技术始于国外，早在2 0 世纪4 0 年代，美嗣、前苏联就在井下巷道 硬瑗了锚抒支护，由于镶轻支护与传统弱橱式支护相比具有改善强辫受力状态、 5 安徽理工大学硕士论文 变被动支护为主动支护、减少巷道维修量t ：简化工作瑟超前支护、提高掘进速度、 消除安全隐患、减低支护成本、减少工人的劳动强度、减少了辅助运输量和有利 于生产维织的技术优越性；遗前锚栝支护技术最为活跃的国家是澳大稠亚，锚柽 支护技术已经形成了比较毙整的体系，锚杆支护在煤矿巷道的支护中几乎站 1 0 0 ”3 。我国从1 9 5 6 年起纠：始在煤矿岩巷中使用锚杆支护，至今已有5 0 年的历 史，由于煤层巷道围岩松软，采魂影晌交形大，麴上技术手段跟不上，因露发展 缓慢。直到“九五”期间，原煤炭部将“锚杆支护”列为煤炭工业科技发展的熏 点项目，经过教学、科研和生产单位的联合攻关，煤巷锚杆支护技术有了较大的 提高，取得了大批辩磷成果，并在两淮地区、狳髑等备大矿区得到捺广，扔步形 成了适合我国煤矿条件的煤棼锚杆支护成套装备和技术。例如，潞蜜常村煤矿采 用新型的小孔径树脂注浆联含锚固预应力锚索和高强度锚杆组合支护系统，成功 地支护加霜了多条大断面、围装松软破碎、受地质构造和小煤柱影响的邂难巷道； 兖州矿区采用高强度锚秆与锚索成功地支护了综采放礤煤沿空掘巷支护难题，进 一步扩大了锚杆支护技术的使用范围。目前在大型矿井中锚杆支护占到5 0 以上， 近年来我国加大对软岩巷道、三软煤巷镪杆支护的研究，已成功地将锚梁网、锚 网索等应壤到软寄巷道中，并取得了一定的经济效益。发展煤巷锚扦支护是我国 继推行综采后的第二次重大支护技术革命”1 。 ，3 ，2 煤器游道链秤支护臻论瓣” 煤巷锚杆支护理论主要裔：悬吊理论、组合梁理论、加固拱( 压缩拱) 理论、 最大水平应力理论、弱岩强度强优理论和圈岩松动蘸支护理论。这垫理论都是以 一定的假说为蒸础，各自从不同的角度、不同的条侔阐述锚杆支护的作用机理， 力学模型简单。计算方法简明易懂，适用于不同的围崧条件，得到了国内外的承 认和应用。其中，近每来提出了围岩强度强纯理论，比较好地揭示了镶杆支护的 实质，扩大了锚杼支护技术的应用范慝，特剐是为煤巷和软岩巷道的锚杆支护提 供了理论指导。 1 悬吊理论 悬吊理论认为：锚秆支护作用就是将巷遴顶板软弱岩藩悬旨荏上帮稳定岩层 上，以增强软弱岩层的稳定一陡。对回采巷道经常遇到的层状岩体，当巷道开挖后， 直接项因弯曲、变形与老顶分离，如果锚杆及时将直接顶挤压并悬吊在老顶上， 就毙减少和限铷麓 接顼豹下沉和离瑶，戳达到及时支护的嚣豹。 占 绪论 巷道浅部围岩松软破碎，或者巷道开挖后应力重新分布，顶板出现松动破裂 区，这时锚杆的悬吊作用就是将这部分易冒落岩体悬吊在深部稳定的岩层上。 2 组合梁理论 组合梁理论充分考虑了锚杆对岩层离层与滑动的约束作用，适用于层状岩层。 该理论认为，锚杆提供的轴向力将对岩层离层产生约束，并且增大了各岩层间的 摩擦力，与锚杆杆体提供的抗剪力一同阻止岩层间产生的相对滑动。 3 加固拱理论 加固拱理论认为，即使在软弱、松散、破碎的岩层中安装锚杆，也可以形成 一个承载结构。只要锚杆间距足够小，就能在岩体中产生一个均匀压缩带，它可 以承受破坏区上部破碎岩石的载荷。加固拱理论充分考虑了锚杆支护的整体作用， 在软岩巷道中得到较为广泛的应用。 。 以上几种锚杆支护理论认为：锚杆在岩体中形成有利于瞳岩稳定的结构，由 结构承载围岩压力，目前这些理论仍然广泛地应用于我国煤矿巷道的锚杆支护设 计中，对人们认识和理解锚杆支护具有重要的意义。但是，锚杆的锚固强度、结 构承载能力及围岩压力三者的关系，以及对被加固体本身力学行为的分析探讨， 理论计算与实际还有一定的的差距。 4 最大水平应力理论 最大水平应力理论由澳大利甄学者盖尔提出，该理论认为：矿井岩层的水平 应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，最大水平应力一般为最小 水平应力的1 5 2 5 倍。巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响，在最大水平 应力作用下，顶底板岩层易发生剪切破坏，出现错动而膨胀造成围岩变形，锚杆 的作用即是约束其沿轴向岩层和垂直于轴向的岩层剪切错动。 5 围岩强度强化理论 围岩强度强化理论认为：巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域的岩体相 互作用而形成锚固体，形成统一的承载结构。巷道锚杆支护可以提高锚固体的 力学参数( e 、c 、中) ，改善被锚固区域岩体的力学性能。巷道围岩存在破碎 区、塑性区、弹性区，锚杆锚固区域内岩体的峰值强度或峰后强度、残余强度都 得到强化；巷道锚杆支护可以改变围岩的应力状态、增加围压，从而提高围岩 的承载力、改善巷道的支护状况：巷道围岩锚固体强度提高以后，可减少周围 破碎区、塑性区的范围和巷道的表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从 而有利于保持围岩的稳定。 6 围岩松动圈支护理论 7 安徽理工大学硕士论文 该理论是由董方庭教授提出，认为赣道开挖后围嚣松动圈形成过程中地碎胀 ( 剪涨) 力是支护的最大蕊载；足是襁体巷暹，英困岩松动潮都接迓予零，就对巷 道围岩的弹塑性变形虽然存在，但不需要支护；松动躺越大，收敛变形越大，支 护就越困难，因此支护目的在予防止围崧松动圈发展过程中所产生的有害变形。 理论共有三部分组成：围岩松动援支护、围爨松动潮分类方法和滏岩松动圈锚喷 支护技术。 1 4 研究的内容和技术路线 结合淮南矿业集团谢桥煤妒1 2 0 l ( 3 ) 综放蘑的具体地质条件和岩体力学性质 以及1 3 1 煤朦的赋存特点，根据现有的开采技术条件，采用现场实测的方法，结 合计算枫数值摸拟和理论分析来描述帮掌握综放沿空掘巷巷道全断面加固控制方 法，论文研究的技术路线如图3 所示。 图3 论文研究思路圈 f i 9 3a p p o a c h t o 辨a f c h0 f a n i c 熬个研究工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 在l | 殳集分析大量资料豹蒸磷主，运用f l a c 数值模拟对1 2 0 l ( 3 ) 综敖掰 运输巷道表面位移、深部僚移等变形规律和巷道应力分布规律进行理论分析； ( 2 ) 采用理论分析、工程类魄和数值模拟方法砖1 2 0 l ( 3 ) 综放沿空巷道煤柱 整设及其支护形式和支护参数进行合理的分辑磷究。 3 ) 对巷道表面位移、深部位移和应力分布实测，验证1 2 0 1 ( 3 ) 综放沿空巷道支 护技术合理性。 8 综放沿空掘赣凰岩变始瓤理及稳定性理论分析 2 综放沿空掘巷圈岩变驻机理及稳定性理论分析 综放沿空掘巷不同于一般的薄煤层绒中厚煤层工作面，最突出的特点是采高 大、囊接顶与浆齑抛，l 、。出于开采厚度大两号| 起豹土覆顶扳岩层大范围的剧烈活 动，将不可避免地对综放游空掘巷产生蕙大影响，由于煤层厚度一般在3 m 以上， 其力学特性为松软和破碎，故给巷道支护和矿压控制造成了较大困难“”。 综放沿空掘巷留窄煤棱的翻采巷道沿煤层顶扳搦进，底板为煤体及直接底， 巷道溺岩应力分布和围岩变形规律与其它回采巷道不尽相同。沿空巷道在工作蕊 开采影响蘸，圈者已受到土阶段开采的在倾斜方向支承压力作用盼影响，这类巷 邀在采空区侧的煤体中掘进，煤体在采空区侧向支承压力的作用下变形、破碎， 承载能力降低，在工作磊圈采时，沿空攒巷主覆岩体结构的稳定状态将被打破， 造成巷遂压力加大，变形瓣烈。r 。 练放采出厚度太，根廉波及岩层的范围犬，t 上工作面回采过程中，采空区中 部硬缀岩层活动表蜒为旋转下沉帮平移下【沉。采空褒侧的整接顶，在瞻重应力作 用下，从下援上分层垮落。随老矮岩梁盼变形，老顶上覆岩层的重量逐渐转移到 煤体深部，使煤体深部出现应力集中，煤体边缘及采空区处于卸压状态，之厨， 随老预老梁的旋转，老项在侧i 趣煤钵深郝断裂，老损岩梁在妻接颈和冒落碎矸的 支撑下，形成侧向砌体梁结构：随采空医逐渐压实，形成的砌体梁结构逐渐趋于 稳定。该阶段顶板活动以旋转下沉为主，变形速度快，变形量大。但研究显示： 淞窆掘巷掘进及稳定阶段疆岩移近量小；两猩本工作猫圜采期闻变形剧烈。这表 明，综放沿空掘替的稳定性与项板岩层中一层或几层坚硬岩层断裂后结构的稳定 健密切相关。 2 综敖沿空搠巷溷炭皮力蛹特薤 沿空巷道在本工作面湃采影响前，嗣岩融受到上阶段开采的在倾斜方向支承 鹾力作用豹影响，在阶段煤柱中靠采窆嚣侧骞应力集中现象，巷道顶底板帮煤柱 侧围装处于低激力状态，巷道实体煤边缘毒较高的缴力集中。在工作鼷超蘸支承 压力剧烈影响区，由于受煤体边缘支承压力澈重叠加的影响，使煤体内最大主应 力迅速上升。在靠近王作面处，出于王馋西煤壁蔫方煤体破坏，豢道的嚣岩威力 普遍较低，褥煤柱和采空送边缘部位应力稍大。沿密巷道顶板、底板煤岩中应力 湾 安徽理工大学硕士论文 最突出的特点是，顶底板中的水平应力明羰大于垂直应力，特别是底板岩层中的 水平应力在工作丽前方很远处就保持着较高的应力值，随着距工作丽距离的缩小 缓慢舞高，在工作西蘸方菜处达到峰穰，弼越峰值区豹范围较广，、竣空巷遂底板 岩层中大范围的高水平应力分布是导致巷道持续底鼓的熏要原因。因此沿空巷道 应力基本特征是：巷道两帮围岩的垂直应力大于水平应力，巷道顶底板煤岩中的 水平应力毫予垂巍应力。困魏，巷道两帮承平变形是蠢纛真压力霹罔速成的侧蠢 膨胀，而巷道顶底板的垂直变形则是岩层中的水平应力程垂直方向造成的挤压变 形。 根据关键层理论和综放丽袋空测上覆岩层活动规僖可知1 1 4 1 3 3 3 棚，t 区段工作 西推过后，关键顶扳在下区段煤体内断裂形成侧向砌体梁结构，即所谓“大结构”， 与此同时，侧向祭中应力向下区段深部煤体转移，大结构下部煤岩处于应力降低 区，沿空巷道都“意麓在此应力降低区内，下送段回采对，在超蓠支承滕力区，在 巷道实体煤帮，越前支承压力与侧向支承压力叠加，如鹜，4 所示。实体煤帮顶板 上豹支承压力远远高于窄煤楗帮，并且随麓煤柱尺寸的减小，实体煤帮的支承压 力逐渐增大，窄煤柱帮的支承压力逐渐降低。 翻4 沿空掘巷力学模型 f i 9 4m e c h 粕i c a l m o d e lo f 血c r o a d w a y d r i v i n ga l o n g n c x t 9 0 b 2 。 。 综救滑交瓣巷工作霹辩走翱支承箍办峰瞌位置聪论计算 煤层自开切隈后，覆岩破坏高度髓工作瑟推进在不颧增加，如图5 所示 综放沿空掘巷围岩变形机理及稳定性理论分析 图5 覆岩破坏发展示意圈图6 极限平衡区受力分析 f i g5 f a l i u r ea n dd e v e l o p m 曲ls t a i eo fo v e f l y i n gs t a t a f i 9 6a n a l y s l so fl l m l te q u l l i b n u ma r e a 随着采场的推进，采场后方覆岩高度冒落、离层、弯曲变形，断裂和下沉运 动由下向上传递，岩层破坏在覆岩内部一定高度内会形成自然平衡拱，当工作面 推进到一定距离后，破坏高度达到该条件下最大值。以后尽管开采面积继续扩大， 但是破坏高度不再增加，些外覆岩破坏一般滞后于回采，而冒落块的压实又滞后 于冒落过程。当工作面自切眼处推进一定距离后，采空区的冒落岩层得以压实， 刚度逐渐增加，调整了冒矸的承载能力，一定条件下可能会形成拱的结构。因此， 拱的作用点分别为采空区后方的矸石和工作面前方煤壁，由于开采影响，工作面 煤壁被破坏，失去了支撑能力，所以，作用点向工作面前方煤体转移，从而形成 超前支承压力。由于超前支承压力的作用，在一定范围内煤体处于破坏状态，随 着向煤体深部发展，煤体的抗压强度逐渐增加，起到某一距离r 处岩块又处于弹 性状态，在工作面前方x o 范围内的煤体就处于极限平衡状态。因此对回采工作面 前方可按图6 的关系建立极限平衡方程。 矗o ；+ d 吸) 一慨一2 吼- ，d ；t o 式中f 一一层面间摩擦系数： m 一一采高。 根据极限平衡区的条件有： q ；琏+ 竽竽q 上一s l n 式中妒一一煤体内摩擦角； k 一一煤体的抗拉强度。 所以 如j1 + s i n 妒 d 吒1 一s 脚 将式( 2 3 ) 代入平衡方程式( 2 1 ) 中，可以解得 l l ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 安徽理工大学硕士论文 l 。吩：竺竽f 兰凳1 + c ( 2 4 ) 掰l l s i n 妒； ， 式中x 一塑性区内任一点距煤壁距离。 边界条件：z q 吼一o j | 舞以 c 一趣妫( 2 - 5 ) 式中：n 0 为煤帮的残余支承能力。 所以可求得塑性睡内支承压力的表达式 丝f 堡哑1 哪一酽”i h 脚j( 2 6 ) 在放项煤工作瑟，鹣为煤壁主方的瑗煤的支撑能力，出予存在氓，忽蝰煤体 的抗拉强度，结合公式( 2 2 ) 可得： ，王+ s l 珏舻 o 。邻铆了j = ( 2 7 ) 1 一s l 蚴 、 功嘴妒一一煤体自撑力。 所以放顶煤工作瑟蘸方塑性嚣内豹支承压力分布为： 2 ，z 扯崩8 9 1 q 琊卿兰罴e ”i 蛳 ( 2 培) 。 l s l n 、 在支承压力峰值处，a ，- 嚣彬，代入式( 2 - 7 ) 可得工作面支承压力峰值点距煤 壁的距离x 0 为； v 案高k 粼 犯一9 ) 式中卜一层面润的摩擦系数： m 煤层厚度； 咖煤体蠹簿擦角； y 岩层平均体积力； 秆蠼深； k 鹿力集中系数； 。0 一剪切应力； 从式( 2 9 ) 也可以看出，虽然自然对数中的乘戳；笺耋，使之减小了，但由于 煤厚m 的成倍增大和兰舞加强，使x 。值增大，这是放顶煤工作面前方支承压 1 2 综放沿空掘糟嗣岩变形机理及稳定性理论分析 力向煤体更深处转移的原因。 固时也表明，煤层愈厚，支琢压力分布范围愈大，峰毯点距煤壁愈远。 对于1 2 0 1 ( 3 ) 面煤，各参数取值为： f _ o 3 ，m = 4 8 m ，中= 2 8 0 ，y = 2 5 k n m 3 ，h = 4 2 0 + 2 5 = 4 4 5 m ，k = 2 4 ， 1o = 2 6 0 0 k n m 。 赦： 4 8 扭+ s i n 2 8 。j 。2 4 2 5 4 4 5 i s i n 2 酽j 而2 菊高词m 丽丽忑剜捌以s 锄 根据大量研究表畴，支承压力带总长度有以下的经验公式： l = _ 1 l j ；1 1 1 5 。4 4 = 6 切( 2 1 0 ) 2 。1 2综放滏空撵巷漆攮瓣支承应力峰接位墨攀沦计算 研究表明。2 、“3 7 删，沿空巷道应力基本特征是：巷道两帮围岩的垂直应力大 手水平廒力，巷遂顶底板煤岩中的水平应力离子垂直应力。因此，巷道两帮水平 变形是由垂直压力律用造成的侧向膨胀，而巷道顶底板的熏直变形则是岩层中的 水平应力在垂直方向造成的挤压变形。 沿圈采工作面倾斜方向支承压力峰值区内的商应力是造成布置在该处的巷道 产生变形破坏的主要缀因。沿豳采工作面颊瓣方向支承噩力峰值区肉的离应力是 造成布鼹在该处的巷道产生变形破坏的主要原因，侧向支承压力的分布区域如图 7 所示。 足孵 采空区 圈7 采空区一侧煤屡的弹塑牲变形区及垂直应力的分布 i 一应力降低区：一应力升高避：一原岩应力区 f i 垂7e c o l o g i c 蛆o f e l 勰瓯位l 缄i cd e f o 椭a 虹o nz o n ea n dv e f i c a ls 打e s sa l o n gg o a f 安徽理工大学鞭士论文 为了正确选择沿倾斜布置的合理位置，就应该预先了解峰值区离煤体边缘的 距离。为了正确选择沿倾斜襁攫的合理位置，就应该预先了解峰值区离煤体边缘 豹踱离( l ) ，避免把巷道布置在嘉痖力区。凝据诺桥矿的溉溺数据进行回归分橱， 沿倾斜支承压力峰值离煤体边缘的距离l 可按如下经验公式估算： l = 1 7 2 0 1 5 一o - 4 7 5 厶一o 1 啦一o 1 9 9 饼+ 1 - 5 9 埘+ 1 - 7 1 0 4 m ( 2 一1 1 ) 式中f 0 煤层坚固性系数； r c 顶板港石单向抗聪强度： 秘煤层倾角，( o ) ； m - 煤层采高，m ： h 开采深度，m 。 对于1 2 0 l ( 3 ) 煤，f o = 1 3 ，r c = 3 0 m p a ，窃- 1 4 6 ，5 仁4 8 m ，h = 4 4 5 m 。 根据以上参数研以计算褥： lt1 7 2 1 5 一o 4 7 5 ，o o 1 觎。一o 1 9 9 c # + 1 5 9 3 彳+ 1 7 l o 。= 1 4 6 6 ，” 2 。2 综赦漤交灏巷匿岩变形特援 综放沿空巷逆破坏大多是全面型的。但实际上，由于综放沿空巷道的围岩结 构、应力条件以及瞬嚣形状等差异，：其围麓玻嚣形态是多种多样的。根据现场观 测和实验室试验缩果，可把综放沿空巷道破坏大致划分为三种类型： 1 ) 顶帮破坏型 主要发生在麓道顶或帮部，岩体中存程软弱结构或松软教体结构的条j 牛下， 结构馘对块状者体的失稳方式和规模起控制作用，围岩的失稳表现为被结构面切 割成的块体的坠落或逐次发生的，巷道的最终形状也受结构面组合蚀的控制。层 状绩构岩体豹结构西主要是层面，、癌予层斓连接力弱，沿层面常有层间错动现象。 层状岩体变形会等致离层和弯趣折断，失稳方式是崩溃破坏，当顶扳为裂隙发育、 强度低的岩体，经常发生冒顶，出现空顶现象。 2 ) 底臌破坏型 如果顶扳帮两帮煤体完熬性较好，强度较大，商底扳蹩强度低的松碎或薄层 结构岩层，或是膨胀性软岩，那么巷道围辫破坏主要表现为底板的大鼹臌起，底 臌是软岩巷道中非常普遍的矿压现象，按机理和破坏形态珂分为挤压流动性底臌、 挠鞠摺皱性底激、邂承膨胀健穗臌纛剪切链渤性底臌。 1 4 综放沿空掘巷同岩变形机理及稳定性理论分析 3 1 整体破坏型 当综放沿空巷：；莛围岩岩性楣差不大，尤其是三软煤层巷道对，巷遥匿鼷受压， 周边松动圈很大，围岩晨整体破坏状态，顶板下沉和两帮收敛较大，底臌麓相对 也大。整体破坏是三软综放沿空巷道最重要的破坏形式。 沿空巷遂重岩变形是围岩内应力释放和受工作覆采动影响综合作用的结果， 同对也有因环境因素变化使煤岩物理力学性质改变而产生的效应。距离工作面前 方较远处，沿空巷道围崭变形主要来自煤柱水平变形、项板下沉和岩层中的水平 应力在垂直方向造成的挤压变形；上阶段采空区的沉降对沿空茶道围岩变形也有 一定的影b 雇。在工传面蓠方超蔫剧烈影响范围，沿空巷遵预板下沉量匡增。糍时， 沿空巷道煤柱的水平变形也有明显的增加。可见，在至作面采动影晌范围内，上 顺槽上覆岩体的运动参与到巷道围岩变形中。由此底板岩层中的大范围、高水平 应力在底板岩层中的分农，是底鼓量加剧的主要力学根源。 菲采动时沿空掘巷旗道围岩破裂范围的力学计算按下列模型推导，根据弹塑 性理论，两向等压下，网形巷道围岩嬲性区内的威力分布如图8 所示，塑性区内 应力为： 心 蔫 曲、电| 嶙町 心衩。3 厂 翻8 嘲辫应力分布和分嚣 卜一松动区( 圈) ：2 辍性区：3 0 单性区( 应力升离) ：卜弹性区( 原岩) f 逗8 d i s 谯b u t i o 珏粕dz o n es 暇m l m d i n gr o c k m a s ss t f c s sf i e l d q 。牺+ c o 。c f g 铷) ( 景) “二：。c ：! g 妒。 。，：， a 。把+ c o 。啦妒。) 1 兰熹等 寺) 1 4 “”岛啦铂 1 一s m 妒ol ，0j 式中 盯，a 。一一嗣岩任意点的径向应力、切向应力，m p a 。 c 。，蜘一一嚣体豹独结力与蠹摩擦角，m p a ，( 0 ) ； e 一一支护抗力，k n ； 安徽理工大学硕士论文 ，一一巷道围岩任意点的极坐标值，m ： r n 一一井巷等效半径，m 。 ! 在塑性区内，通常认为剪切应力造成岩石破坏，直到围岩j 囊力小于或等于岩 体的强度s ，精，破琢才会停止。以第三强度理论为猴则，以s ，代入a 。则可以求得： 兰逝 ，；，o f 菩墨雩堕笺罂塑r “ ( 2 1 3 ) ”l 置+ c o 啦妒ol + s i n 妒ej 、 同时，根据应力协调条件：塑性区与弹性区分界面上应力相等地，并满足 q + - 2 弓，( 其中p o 原岩应力，m p a ) ，解出对应的塑性区半径r 为： l m r 一强【( 1 一s 纽驴s ) ；糅】2 8 “ ( 2 _ ，4 ) 由式( 2 1 3 ) 和( 2 。1 4 ) 可知：原岩应力越大，岩体强度愈低，剃围岩破碎区和 塑性区半径愈大。当p i _ o 对破碎诞和塑性区分别取最大僮。 ： 对于1 2 0 l ( 3 ) 面： c 。- 2 o m 只，吼一2 8 0 ，一2 + 8 0 蝌，& ，脚l 融+ c 0 - 8 锄纪。 求得r 一3 2 3 l ，l ，霖= 4 6 s l ，l 所以破碎区和塑性区宽度分别为：o 4 3 m 、1 8 5 m 。 2 。3 综赦沿空掘巷餍底板变彩楗理及稳定性分析 钱鸣离院士等总结了多第来的研究成果，针对综放开采的实际情况，提出上 覆岩层活动的“关键层”理论【1 2 ”以9 1 ，该理论认为在采场上覆岩层中存在许多坚 硬岩层，对岩体活动全都或局部起决定作用的岩层称为关键层。关键层舆有几何 特性、岩性特性和破断特征外，且有承载特性，即关键层破断前以扳( 或简化为 梁) 的结构形式作为全部或局部岩层的承载主体，破断后若满足岩块结构的s r 稳定，则形成的“砌体粱”结构继续成为承载主体。关键层的破断将导致全部或 局部上部岩层的同步断裂，引起较大范围岩层移动。 回采影响时期，由予受工作瓶侧和沿空侧支承压力叠加作用，砌体梁结构将 发生滑落失稳或转动失稳，窄煤柱将失去砌体梁结构的傈护；窄煤柱遭破坏，对 老颚岩层的回转下沉所弓l 起的巷道变形无能为力，老顶将迸一步倾商回转、下沉。 距煤壁较近时，老顶在走向方向也霞转、下沉，老疆靛活动较为复杂，巷道矿压 显现剧烈。这种沿空掘棼上覆岩层“磁体粱”结构豹稳定状况发生了变化，造成 巷遂露岩应力急剥上舞。沿空掘巷在受到本区段工作_ 錾翻采影确时，巷道与上覆 岩体结构豹平殛、割瑟关系如图9 所示。 综放沿空掘巷围岩变形机理及稳定性理论分析 ( a ) 平面图 沿! ! ! 箩本工作面 (