覆岩运动规律研究及其在巷道支护设计中的应用

1、宋振骐宋振骐1 1、覆岩运动规律研究覆岩运动规律研究2 2、主采工作面回采巷道支护设计、主采工作面回采巷道支护设计3 3、煤矿安全高效开采决策支持系统、煤矿安全高效开采决策支持系统的简介的简介提提 纲纲1、q所谓覆岩运动规律是指在工作面推进过程中，由所谓覆岩运动规律是指在工作面推进过程中，由于煤体被采出，煤体上覆岩层由于重力的作用会于煤体被采出，煤体上覆岩层由于重力的作用会产生挠曲、裂断，导致岩层应力的转移，我们把产生挠曲、裂断，导致岩层应力的转移，我们把由采动所引起的煤层上覆岩层一系列变动规律，由采动所引起的煤层上覆岩层一系列变动规律，简称为简称为“覆岩运动规律覆岩运动规律” ” 。1.1覆

2、岩运动规律的含义覆岩运动规律的含义冒落带的高度裂隙带的高度直接顶的发展变化规律老顶各岩梁的发展变化规律支承压力发生、发展变化规律内外应力场的形成条件及其发展变化规律L0L0Luq)(LfquBL0HHL0BLL( a )( b )ETOpiTiQdtqq排QQT），（，z其中：a.支护方式不合理（没有针对顶板运动破坏特点）。控制的要求合理位态没有满足支护缩量不适应支护阻抗力不足”“cb2、主采工作面回采巷道支护设计 2.12.1回采巷道矿山压力设计的内容回采巷道矿山压力设计的内容 正确选择巷道开掘的位置和开采维护的时正确选择巷道开掘的位置和开采维护的时间。间。 针对巷道开掘维护的位置和时间要求

3、合理针对巷道开掘维护的位置和时间要求合理的确定采区巷道布置和工作面接替次序。的确定采区巷道布置和工作面接替次序。 选择正确的锚网支护参数选择正确的锚网支护参数 根据工作需要选择巷道根据工作需要选择巷道断面形状和尺寸断面形状和尺寸。 针对巷道开掘维护的位置和时间确定。巷道压针对巷道开掘维护的位置和时间确定。巷道压力的来源，推断（计算）力的来源，推断（计算）支承压力大小和分布程支承压力大小和分布程度度（分布范围、塑性区和弹性区宽度等）。（分布范围、塑性区和弹性区宽度等）。 推断顶煤破坏的范围（破坏拱顶）和内应力场推断顶煤破坏的范围（破坏拱顶）和内应力场宽度宽度 确定锚网支护方式（包括确定顶、邦、底

4、锚杆确定锚网支护方式（包括确定顶、邦、底锚杆布置和护网结构）布置和护网结构） 计算确定计算确定锚杆长度和密度锚杆长度和密度。 绘制锚网巷道支护设计图纸和支护构件用量表。绘制锚网巷道支护设计图纸和支护构件用量表。 2.2回采巷道开掘与维护的位置回采巷道开掘与维护的位置 煤矿巷道开掘和维护过程中，促使围岩运动破坏的煤矿巷道开掘和维护过程中，促使围岩运动破坏的矿山压矿山压力力的来源及其相对的来源及其相对推进的位置和时间推进的位置和时间分为以下四种类型，如下分为以下四种类型，如下图所示。图所示。 2.2.1、原始应力场中开掘和维护的巷道、原始应力场中开掘和维护的巷道 其压力（应力）的来源视原始应力场特

5、征可能有两种情况： 单一重力作用的原始应力场，来源于上覆岩层的重力。单一重力作用的原始应力场，来源于上覆岩层的重力。 存在残余构造应力的原始应力场；来源于重力和残余构造应存在残余构造应力的原始应力场；来源于重力和残余构造应力的综合作用力的综合作用 2.2.2、在采动支承压力分布范围的、在采动支承压力分布范围的“内应力场内应力场”中开掘和维护巷道（如图位置中开掘和维护巷道（如图位置2所示）。所示）。 在采动形成的在采动形成的“内应力场内应力场”范围内，煤层已遭到不同程度的范围内，煤层已遭到不同程度的破坏；原破坏；原支承压力的高峰区域支承压力的高峰区域已向煤层纵深转移、存在的已向煤层纵深转移、存在

6、的原始原始构造应力构造应力也已在煤层的采动和覆岩运动破坏过程中释放。也已在煤层的采动和覆岩运动破坏过程中释放。 因此，在该范围内开掘和维护巷道围岩应力大小由采动波及因此，在该范围内开掘和维护巷道围岩应力大小由采动波及的破坏岩层范围内运动着的岩层重力决定。的破坏岩层范围内运动着的岩层重力决定。 如果采动波及的破坏覆层范围的岩层运动完全停止，则在该“应力场”范围内开掘和维护的巷道围岩中的应力将非常小。 2.2.3、在采动支承压力分布范围中高应力区、在采动支承压力分布范围中高应力区（“外应力场外应力场”）中开掘和维护的巷道）中开掘和维护的巷道 在采动形成的支承压力高峰区内开掘和维护的巷道，围岩应在采

7、动形成的支承压力高峰区内开掘和维护的巷道，围岩应力力来源于采动影响范围岩层整体的重力来源于采动影响范围岩层整体的重力。 实践证明，在采动应力高峰区开掘和维护的巷道围岩应力可实践证明，在采动应力高峰区开掘和维护的巷道围岩应力可以比在原始应力场中开掘维护的巷道以比在原始应力场中开掘维护的巷道高出高出1.52.5倍倍。与此同时，。与此同时，由于采动应力高峰区的重力应力的增值，由于采动应力高峰区的重力应力的增值，原始应力场存在的构原始应力场存在的构造应力仍将保持着造应力仍将保持着。 因此，在有残余构造因此，在有残余构造应力的区域的采动支承压应力的区域的采动支承压力高峰部位开掘和维护巷力高峰部位开掘和维

8、护巷道，将同时受到道，将同时受到成倍增长成倍增长的原始重力和构造应力的的原始重力和构造应力的双重作用双重作用。 2.2.4、沿空留巷，如图、沿空留巷，如图4所示所示 随着工作面推进留设供下工作面用的回采巷道，围岩承受的随着工作面推进留设供下工作面用的回采巷道，围岩承受的压力及其破坏发展过程，包括以下两个阶段。压力及其破坏发展过程，包括以下两个阶段。 在采动支承压力作用下破坏发展阶段。在采动支承压力作用下破坏发展阶段。 该阶段巷道围岩（煤壁）承受的压力将是上覆岩层自重及采该阶段巷道围岩（煤壁）承受的压力将是上覆岩层自重及采场推进悬露的上覆岩层重力的总和。巷道围岩（煤壁）的变形场推进悬露的上覆岩层

9、重力的总和。巷道围岩（煤壁）的变形破坏将经历破坏将经历支承压力高峰向煤层深部转移的全过程支承压力高峰向煤层深部转移的全过程。 在内应力场上覆岩层运动压力作用下破坏的发展阶段在内应力场上覆岩层运动压力作用下破坏的发展阶段。 该阶段巷道围岩压力来源于采场运动的上覆岩层重力，即破该阶段巷道围岩压力来源于采场运动的上覆岩层重力，即破坏拱内岩层的重力。围岩（煤壁）的压缩破坏过程将从拱内下坏拱内岩层的重力。围岩（煤壁）的压缩破坏过程将从拱内下位岩层沉降开始，直到拱内所有岩层沉降能矸为止。位岩层沉降开始，直到拱内所有岩层沉降能矸为止。 显然，沿空留巷围岩承受的压力环境，无论是显然，沿空留巷围岩承受的压力环境

10、，无论是压力大小或压力大小或是承压的时间和过程，都是最恶劣的是承压的时间和过程，都是最恶劣的。只有在采深小，不出现。只有在采深小，不出现“内应力场内应力场”的煤层条件下才能成功。的煤层条件下才能成功。 2.3.1 “内应力场”力源的计算 在内应力场中开掘和维护的巷道围岩应力在内应力场中开掘和维护的巷道围岩应力来源于受采场采动来源于受采场采动影响明显运动的上覆岩层运动的作用力影响明显运动的上覆岩层运动的作用力。随采场推进进入明显。随采场推进进入明显运动的岩层，包括垮落的直接顶（运动的岩层，包括垮落的直接顶（MZ）和运动中保持传递力联）和运动中保持传递力联系的老顶（系的老顶（ME1，ME2MEN）

11、。）。 该范围内岩层运动作用于内应力场煤层上的压力，可以根该范围内岩层运动作用于内应力场煤层上的压力，可以根据据老顶下位岩梁（板）运动老顶下位岩梁（板）运动实现可能出现的以下两种情况：实现可能出现的以下两种情况： 第一种情况第一种情况：岩梁端部剪切失稳，即图咬合点：岩梁端部剪切失稳，即图咬合点o失去挤压绞失去挤压绞接能力。接能力。 第二种情况第二种情况：破坏拱内上覆岩层运动的全过程中，下位岩梁：破坏拱内上覆岩层运动的全过程中，下位岩梁在端部，即图在端部，即图中中o点，始终保持传递力的联系。点，始终保持传递力的联系。 2.3 在在“内应力场内应力场”中开掘与维护巷道的计算模中开掘与维护巷道的计算

12、模型型第一种：岩梁端部剪切失稳，即图中咬合点第一种：岩梁端部剪切失稳，即图中咬合点0失去挤压绞接能力。失去挤压绞接能力。此情况下内应力场受压煤层（此情况下内应力场受压煤层（SO）上的压力）上的压力PS及煤层中的垂直应及煤层中的垂直应力力S可以根据老顶岩梁的重力平衡方程求得。可以根据老顶岩梁的重力平衡方程求得。 2AiSS0sSS-SC-B2A21dsP02AiS SPS-SC-B2A2S1maxASmaxSSSCBSP0Z200SLmh-22SLB1minmaxKmhSZ 研究表明，在该种条件下，作用在内应力研究表明，在该种条件下，作用在内应力场煤层上的场煤层上的支承压力支承压力是上覆岩层沉降

13、量（是上覆岩层沉降量（Smax ）的函数。因此在确定内应力场范围（的函数。因此在确定内应力场范围（So）的同）的同时，搞清上覆岩层运动发展的规律，以此为基时，搞清上覆岩层运动发展的规律，以此为基础正确选择巷道开掘的位置和时间，尽可能的础正确选择巷道开掘的位置和时间，尽可能的实现在实现在稳定的内应力场中开掘和维护巷道稳定的内应力场中开掘和维护巷道,是控是控制内应力场巷道矿压显现的关键。制内应力场巷道矿压显现的关键。 第二种情况：破坏拱内上覆岩层运动的全过程中，下位岩梁在第二种情况：破坏拱内上覆岩层运动的全过程中，下位岩梁在端部，即图中端部，即图中0 0点，始终保持传递力的联系。点，始终保持传递力

14、的联系。 根据此情况下老顶下位岩梁运动过程中的力学结构，内应根据此情况下老顶下位岩梁运动过程中的力学结构，内应力场煤层上承受的压力应按岩梁运动，对咬含点力场煤层上承受的压力应按岩梁运动，对咬含点0 0的力矩平衡的力矩平衡方程导出。方程导出。 BAdsP0S0sS0A A直接顶运动给煤层直接顶运动给煤层的压力；的压力；B B老顶下位岩梁运动老顶下位岩梁运动给煤层的压力。给煤层的压力。 2.3.2 可能的方案可能的方案内内应应力力场场巷巷道道开开掘掘维维护护方方案案超前回采工作超前回采工作面推进开掘和面推进开掘和维护巷道维护巷道给定变形控制方案给定变形控制方案限定变形控制方案限定变形控制方案在稳定

15、的内应力场中开掘和维护巷道在稳定的内应力场中开掘和维护巷道在非稳定的内应力场中开掘和维护巷道在非稳定的内应力场中开掘和维护巷道限定变形控制方案限定变形控制方案给定变形控制方案给定变形控制方案滞留回采工作滞留回采工作面推进开掘和面推进开掘和维护巷道维护巷道 2.3超前回采工作面推进开掘和维护的回采巷道超前回采工作面推进开掘和维护的回采巷道 在超前回采工作面推进开掘和维护的回采巷道，将经历回在超前回采工作面推进开掘和维护的回采巷道，将经历回采工作面推进内应力场形成和发展的全过程，该条件下巷道侧采工作面推进内应力场形成和发展的全过程，该条件下巷道侧帮煤柱上承受的帮煤柱上承受的垂直压力垂直压力为：为：

16、2AinSPSSCDAPoZZZSrmA20sdedrmDniiiiiinASSSEedCmax0max11 SPSTPp巷道变形对照图 2.3.1 框架支护框架支护 超前回采工作面推进预先开掘维护的回采巷道，在采用超前回采工作面推进预先开掘维护的回采巷道，在采用矩矩型断面框架型断面框架支护条件下，按支护条件下，按“限定变形限定变形”工作方案设计，框架工作方案设计，框架立柱必须的纵向和侧向阻抗力分别为：立柱必须的纵向和侧向阻抗力分别为： spSPPnR21SPSTPnR2其中：其中：n n框架支护密度（即每米巷道支护的框架数）。框架支护密度（即每米巷道支护的框架数）。为保证立柱不会被为保证立柱

17、不会被“压死压死”破坏，立柱的最小缩量破坏，立柱的最小缩量1mindSShToTT1 2.3.2 锚网支护锚网支护 超前掘进维护的巷道采用锚网支护时，不可能采超前掘进维护的巷道采用锚网支护时，不可能采用用 “限定变形限定变形”控制设计方案控制设计方案。这是因为对于巷道。这是因为对于巷道两帮煤柱来说，无论采用何种锚杆固结强化，两帮煤柱来说，无论采用何种锚杆固结强化，其垂其垂直方向支撑能力仍然是决定于煤体自身的强度直方向支撑能力仍然是决定于煤体自身的强度。无。无法抗拒内应力场大范围运动岩层压力。其大幅度的法抗拒内应力场大范围运动岩层压力。其大幅度的压缩变形将不可能避免。压缩变形将不可能避免。 （1

18、） 锚网巷道的开掘高度与宽度锚网巷道的开掘高度与宽度 超前掘进和维护的巷道，采用锚网支护时，巷道煤柱的最大超前掘进和维护的巷道，采用锚网支护时，巷道煤柱的最大纵向变形量横向变形量分别为纵向变形量横向变形量分别为CBSdShniAh110maxhb 为保证该巷道回撤前必需的最小工作断面，以为保证该巷道回撤前必需的最小工作断面，以矩形断面巷道为例，相应的初始掘进断面尺寸矩形断面巷道为例，相应的初始掘进断面尺寸分别为：分别为： 式中，式中，hT及及h分别为巷道掘进高度和最小允许工分别为巷道掘进高度和最小允许工作高度。作高度。BT及及B分别为巷道掘宽度和最小允许分别为巷道掘宽度和最小允许工作宽度。工作

19、宽度。hThhbTBB (2) 帮锚锚固的宽度 巷道锚固支护的宽度及其支撑能力必须保证在整个巷道变形巷道锚固支护的宽度及其支撑能力必须保证在整个巷道变形过程中不出现因片帮面造成的顶煤（顶板）垮塌事故。过程中不出现因片帮面造成的顶煤（顶板）垮塌事故。 实现上述要求的充分条件是由实现上述要求的充分条件是由锚杆长度（锚杆长度（LT）及密度（）及密度（n）所决定的所决定的锚固体支撑能力（锚固体支撑能力（RT）。必需还以对抗承压煤柱的侧。必需还以对抗承压煤柱的侧压力（压力（PST）。）。 STbTbTSPTPlPllPfFnR 必须明确指出，按上述计算实现巷道压缩变形量的必须明确指出，按上述计算实现巷道

20、压缩变形量的控制，是从控制，是从假设锚杆与所锚固的岩体周边不发生剪切假设锚杆与所锚固的岩体周边不发生剪切破坏破坏，以及锚杆固结范围（，以及锚杆固结范围（F）岩体本身在采场支承）岩体本身在采场支承压力和老顶运动作用下，不发生破坏为前题。压力和老顶运动作用下，不发生破坏为前题。 超前工作面推进掘进和维护的锚固巷道煤柱，不可超前工作面推进掘进和维护的锚固巷道煤柱，不可能在回采工作面推进过程中保持完整。因此能在回采工作面推进过程中保持完整。因此“限定变限定变形形”的目标实际上是实现不了的。的目标实际上是实现不了的。 也就是说为了不出现偏帮冒顶事故，两帮锚固的宽也就是说为了不出现偏帮冒顶事故，两帮锚固的

21、宽度（锚杆长度）仍然度（锚杆长度）仍然必须适应内应力场必须适应内应力场进入稳定前的进入稳定前的全部变形要求。全部变形要求。 （2） 巷道顶板锚固 “内应力场内应力场”范围超前掘进和维护的回采巷道，采用范围超前掘进和维护的回采巷道，采用锚固支护时，顶板锚固的厚度（锚杆长度），锚杆密锚固支护时，顶板锚固的厚度（锚杆长度），锚杆密度及锚固方式必须度及锚固方式必须保证经锚固的顶板不致在自重，和保证经锚固的顶板不致在自重，和上覆已移动岩层重力作用下失稳塌垮上覆已移动岩层重力作用下失稳塌垮。 锚固的要求分类锚固的要求分类 锚固顶板两端剪应力不超限（即防止顶板两端剪切塌垮） 锚固顶板沉降的挠度不超限（即防止

22、顶板中部沉降失稳冒落）锚固的形态分类 锚梁 锚拱锚 索 2.4在稳定的内应力场开掘和维护巷道在稳定的内应力场开掘和维护巷道 巷道围岩应力和变形特征巷道围岩应力和变形特征 为：为： 围岩承受的压力很小围岩承受的压力很小，只有老塘冒落的直接顶（包括已冒，只有老塘冒落的直接顶（包括已冒落的煤层和岩层）的重力。原悬露岩层（无论是处于运动状态落的煤层和岩层）的重力。原悬露岩层（无论是处于运动状态或处于相对静止状态）的压力已完全实现了向老塘（矸石）和或处于相对静止状态）的压力已完全实现了向老塘（矸石）和外应力场的转移。外应力场的转移。 围岩（特别是煤层）的破坏，包括压碎的程度和裂隙程度，围岩（特别是煤层）

23、的破坏，包括压碎的程度和裂隙程度，已发展到最大限度且已进入稳定的状态。已发展到最大限度且已进入稳定的状态。 针对上述特征的支护设计，无论采用框架支护或是锚网支护针对上述特征的支护设计，无论采用框架支护或是锚网支护都无需考虑适应围岩变形的要求，以及二次支护的必要性。都无需考虑适应围岩变形的要求，以及二次支护的必要性。 在稳定的内应力场开掘维护巷道，当煤层再生裂隙十分发育，在稳定的内应力场开掘维护巷道，当煤层再生裂隙十分发育，破碎块度很小的情况下，无论是采用框架支护或锚网支护，都破碎块度很小的情况下，无论是采用框架支护或锚网支护，都应当采用应当采用注浆固结煤体提高围岩自身承载能力注浆固结煤体提高围

24、岩自身承载能力，保证支护构件，保证支护构件能从充分发挥作用的措施，防止出现片帮塌顶事故。能从充分发挥作用的措施，防止出现片帮塌顶事故。 在原始的应力场中开掘和维护巷道，在原始的应力场中开掘和维护巷道，围岩应力可能来源于单围岩应力可能来源于单一的重力，也可能有构造残余应力的参数一的重力，也可能有构造残余应力的参数。 对于单一的重力应力场，巷道顶板控制设计的关键内容，首对于单一的重力应力场，巷道顶板控制设计的关键内容，首先是正确的确定先是正确的确定两帮破坏的深度两帮破坏的深度及相应的及相应的顶板岩层破坏范围顶板岩层破坏范围，从而奠定支护设计的基础。从而奠定支护设计的基础。 2.4巷道矿山压力控制和

25、支护设计原则巷道矿山压力控制和支护设计原则 在内应力场开掘和维护巷道控制矿山压力显现（包括在内应力场开掘和维护巷道控制矿山压力显现（包括围岩变形量的控围岩变形量的控制制、支护阻抗力支护阻抗力、变形量的控制变形量的控制）的关键包括以下三个方面）的关键包括以下三个方面 ：（1）合理选择巷道开掘的位置。）合理选择巷道开掘的位置。 在已确定出在已确定出内应力场范围内应力场范围也就是已进入破坏的煤带宽度也就是已进入破坏的煤带宽度（So）的基础上，）的基础上，尽可能的把巷道开掘直接的内应力场深部尽可能的把巷道开掘直接的内应力场深部边界，也就是内外应力场分界线处边界，也就是内外应力场分界线处。 也就是说，如

26、果不考虑回收率，在内应力场开掘巷道，还也就是说，如果不考虑回收率，在内应力场开掘巷道，还是留煤柱宽度大一些好，以便把护巷煤柱上承受的压力及相是留煤柱宽度大一些好，以便把护巷煤柱上承受的压力及相应的变形量减少到最低限度。应的变形量减少到最低限度。 当然，如果在内应力场完全进入完全稳定后开掘巷道，只当然，如果在内应力场完全进入完全稳定后开掘巷道，只要在内应力场中，要在内应力场中，所留巷道煤柱的宽度只要保证不出现老塘所留巷道煤柱的宽度只要保证不出现老塘漏风等情况漏风等情况，小一点也不是问题。，小一点也不是问题。 （2）正确确定巷道开掘的时间）正确确定巷道开掘的时间 保证在回采工作面推进到保证在回采工

27、作面推进到一定距离和时间后一定距离和时间后再开始内应力再开始内应力场中掘巷，场中掘巷，并始终并始终把滞后的距离和时间保持在能实现在稳定的把滞后的距离和时间保持在能实现在稳定的内应力场开掘和维护巷道的目标，内应力场开掘和维护巷道的目标，是控制巷道变形破坏的关键，是控制巷道变形破坏的关键，是重中之重是重中之重。 （3）根据选定的巷道开掘维护时间及可能经历的根据选定的巷道开掘维护时间及可能经历的“内内应力场应力场”受力变形发展过程正确的（针对性的）进行受力变形发展过程正确的（针对性的）进行支护设计。支护设计。 3、煤矿安全高效开采决策支持系统的研制、煤矿安全高效开采决策支持系统的研制 为了把覆岩运动

28、规律能够更好的与现场的为了把覆岩运动规律能够更好的与现场的工程工程实践有效的结合实践有效的结合，特研制煤矿安全系统。该系，特研制煤矿安全系统。该系统主要分为四个功能模块，分别是：统主要分为四个功能模块，分别是： 采前地理地质可视化子系统采前地理地质可视化子系统 采动信息可视化子系统采动信息可视化子系统 矿压实测数据分析子系统矿压实测数据分析子系统 开采决策支持子系统开采决策支持子系统3.1 3.1 采前信息可视化采前信息可视化 3.1.1 3.1.1 所需数据煤层地板等煤层地板等高线图高线图 钻孔柱状图钻孔柱状图3.2 3.2 采动信息可视化采动信息可视化 3.2.1 3.2.1 所需数据（1

29、 1）、工作面基本信息）、工作面基本信息 （2 2）、钻孔内岩层基本参数）、钻孔内岩层基本参数 3.2.2 3.2.2 提供主要模拟结果模拟动画显示模拟动画显示覆岩运动规律覆岩运动规律支承压力分布范围支承压力分布范围 实测与实践实测与实践是煤矿安全高是煤矿安全高效开采的关键环节效开采的关键环节3.3、矿压实测数据分析子系统、矿压实测数据分析子系统国家国家“十一五十一五”科技支撑计划专题科技支撑计划专题 项目编号项目编号 2006BAK0307系统的主要工作流程系统的主要工作流程现场实测数据数据对比分析工作面矿压观测数据巷道矿压观测数据微地震观测数据钻孔电视观测数据反馈反馈开始数据地质钻孔柱状图

30、工作面基本信息煤层底板等高线地表地貌等高线数据处理采前地理地质信息系统决策支持实测所需主要仪器实测所需主要仪器 矿用液压支架测力仪矿用液压支架测力仪矿用顶板离层仪矿用顶板离层仪顶板动态仪顶板动态仪 采区组合矿压观测方案采区组合矿压观测方案 所谓矿压组合观测所谓矿压组合观测，是指利用现代信息技，是指利用现代信息技术，对采区内不同时间、地点的矿山压力显术，对采区内不同时间、地点的矿山压力显现进行全方位的连续观测，通过对数据的组现进行全方位的连续观测，通过对数据的组合分析、相互印证得到该采场矿山压力发展合分析、相互印证得到该采场矿山压力发展变化规律，为解决采区安全开采打下坚实的变化规律，为解决采区安全开采打下坚实的基础（见下图）。基础（见下图）。矿压组合观测方案模式图数据库数