专题-综放沿空巷道矿压显现规律与支护办法概述.doc

1、专题部分综放沿空巷道矿压显现规律与支护办法概述摘要：随着煤炭行业整合的进行，煤炭生产机械的进程进一步加大，厚煤层综采放顶煤技术越发趋于完善，而沿空掘巷有利于最大限度减少“两巷”煤柱损失量, 是建设高产高效矿井的重要技术手段。本专题介绍了沿空巷道上覆岩层结构、围岩应力分布、围岩变形的一般规律。同时概述了沿空巷道目前采用的支护手段。关键词：沿空巷道；矿压显现；应力分布； 锚网支护1绪论1.1 综述的问题及背景中国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一。据不完全统计，我国煤炭探明总储量在9000亿吨以上，居世界前列，已知含煤面积55万多平方千米，煤种齐全，煤层赋存条件多种多样，煤矿开采条件复杂。据统计表明

2、，在我国一次能源生产和消费中，煤炭资源占75%，在未来的2050年中，我国一次能源生产和消费以煤为主的格局不会改变。因此，进一步发展煤炭资源的开采技术，合理开采、有效利用煤炭资源，提高煤炭资源回采率，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。在借鉴国外煤层开采技术的基础上，我国经过近20年的不断探索、试验和研究，综放开采技术得到长足的进步，大大提高了厚煤层的采出率，延长了矿井寿命，取得了良好的经济效益，综放开采已经成为我国煤矿实现高产高效的主要途径。而加强对巷道围岩的控制这成为必不可少的手段。所谓巷道围岩控制，是指控制巷道围岩应力和周边位移措施的总和，其目的是为了保证巷道的正常使用

3、，为安全生产创造必要的条件。巷道围岩控制的主要任务有：保证巷道使用期间所需的巷道断面形状和尺寸；为保证人员和机械设备的安全和正常工作创造条件；选择技术经济最为合理的保证巷道围岩稳定性的支护方法和措施。从上世纪50年代开始，世界一些主要产煤国家为了提高工作面煤炭资源回收率，降低巷道掘进率，开始进行以沿空留巷和沿空掘巷为主的试验研究。沿空留巷是在上区段工作面回采的同时构筑巷旁支护结构，受到采空区岩层剧烈活动的影响，无论是顶底板还是两帮都产生剧烈变形，巷道维护困难。沿空掘巷是在第一个工作面采空区岩层活动基本终止，回采引起的应力重新分布趋于稳定后掘进。沿空掘巷又分为留窄煤柱沿空掘巷和完全沿空掘巷两种形

4、式。完全沿空掘巷是指沿采空区边缘开掘巷道的布置形式，此时巷道上帮岩体松散破碎，极易产生上部采空区窜矸、漏风、透水、瓦斯集中等安全隐患，因此其应用范围受到很大限制。留窄煤柱沿空掘巷在巷道与采空区之间保留一定宽度的煤柱护巷，防止老空区积水、有害气体及大块岩石窜入巷道内，随着综放开采及支护技术的不断进步，留窄煤柱沿空掘巷技术应用逐渐增多。巷道围岩变形控制的主要措施包括巷道支护、巷道布置、巷道保护和巷道卸压等多种形式。巷道合理布置位置的确定与回采巷道支护、维护成本、安全生产以及煤炭资源回采率密切相关。如何兼顾巷道稳定、支护难度及成本和资源回收率，确定合理巷道掘进位置，控制围岩应力，并正确选择支护形式和

5、支护参数，提高围岩强度是保证巷道围岩稳定性的关键。但是巷道位置选择往往受到地质和开采条件的限制，因此，深入研究沿空掘巷矿压显现规律，选择合理的煤柱宽度，确定沿空掘巷的合理位置，并采用科学有效的支护方法和措施，达到控制巷道围岩稳定性、保证安全生产的目的，一直是众多学者所关注的焦点。1.2 国内外研究现状国内外学者在沿空掘巷研究方面做了大量工作，主要体现在以下几个方面：合理煤柱留设的研究。综放沿空掘巷矿压显现规律的研究。沿空掘巷围岩控制与支护技术的研究。1.2.1沿空巷道煤柱的留设研究现状英美和原苏联对护巷煤柱作了很多研究，提出了多种设计方法。这些方法从设计原理上可分为极限强度理论和渐进破坏理论两

6、种。根据极限强度理论进行的设计方法称为“刚性”煤柱设计；按渐进破坏理论提出的计算方法则称为“屈服”煤柱设计。(1)煤柱强度理论研究关于煤柱强度的计算，世界各主要采煤国家均进行了大量的实验室和原位试验，在实验研究和实例调查的基础上，结合理论分析，提出了多种煤柱强度计算理论和公式，主要包括：Gaddy等人首次把实验室确定的煤岩试块强度应用于煤柱强度计算，提出了Hollad-Gaddy公式。Obert-Dwvall/Wang根据硬岩弹性力学理论提出了适用于煤柱高宽比为18的Obert-Dwvall/Wang公式。核区强度不等理论。格罗布拉尔把煤柱核区强度与实际应力联系在一起，从而确定核区内不同位置的

7、强度，提出了用于长条煤柱的破坏包络面计算公式，但因其常数复杂，降低了实用性。大板裂隙理论。白矛基于弹性断裂力学提出了大板裂隙理论，将采空区沿走向剖面视为边界受均布载荷作用的无限大板中一个很扁的椭圆形孔口，利用弹性断裂理论，推导出孔口端部煤柱任意一点的应力计算公式。极限平衡理论。侯朝炯、吴立新等人基于Allamif理论发展和完善了极限平衡理论，该理论研究得到了规则煤柱的顶面和中性面所受垂直应力的分布状态。此外，李德海，李东升，宋长胜以弹塑性力学为基础，建立了条带设计弹性理论的复变函数模型，使用弹性理论的复变函数方法计算了条带开采时采空区周围的应力分布，进而推导出在特定的地质条件下，条带开采时所需

8、留设的煤柱宽度的理论公式；并以弹塑性力学为基础，结合应力平衡微分方程和库仑准则求出了保留条带煤柱的应力极限平衡区宽度及其理论公式，对极限平衡理论进行了修正。近年来国内外学者在应用有限元进行煤柱受力与屈服行为分析方面，也做了不少尝试，包括：考虑材料硬化建立了弹塑性模型；应用塑性增量理论采用了概化的Von Mises屈服准则；建立了考虑煤层界面效应的本构模型；采用理想弹塑性模型提出了Coulomb-Mohr流动函数；考虑煤岩组成的复杂性和材料特性的变异性采用了基于“单元材料弹性、单元变化随即”的唐氏模型及其RFPA软件等。(2)煤柱荷载理论研究正确估算煤柱所承受的载荷，是煤柱设计的关键步骤之一，计

9、算煤柱所承受的载荷主要有以下几种理论。有效区域理论该理论假定各煤柱支撑着它上部及与其相邻煤柱平分的采空区上部覆岩的重量。当采出条带宽度较小时，基本顶一般不冒落，采空区直接顶冒落的矸石不接顶，采出条带上方岩层重量全部转移到所留煤柱上，留设煤柱上的载荷P为：当采出条带宽度较大、采空区冒落矸石直接接顶时，可利用King提出的方法计算采空区矸石承载能力，这样留设煤柱上的载荷P为：式中，P-为煤柱平均载荷； a-为留设煤柱宽度； b-为采出条带宽度； -为覆岩的平均重度； H-为开采深度。压力拱理论由于采空区上方压力拱(形状为椭圆形)的形成，上覆岩层的负载只有很少一部分作用到直接顶上，其它部分的覆岩重量

10、会向采面两侧的煤体(拱脚)转移。拱有内宽和外宽，当采宽大于拱的内宽时，则出现一个拱脚在边侧实体煤上，另一个拱脚在采空区上，此时压力拱不稳定，有可能崩溃并伴随大量的覆岩沉陷。A.H.Wilson的两区约束理论该理论认为采空区顶板岩石冒落并压缩密实后，煤柱承担的载荷与采空区内各点顶、底板闭合量有关，煤柱内各点的垂直应力与距煤壁的距离成正比，当该距离达到0.3H时采空区内各点的垂直应力恢复至原始载荷H，但A.H.Wilson经验公式存在因简化而带来的问题。 (3)煤柱稳定性分析谢和平教授等提出了煤柱的破坏失稳是典型的非线性过程；崔希民、缪协兴应用从属面积法分析原理，得出倾斜煤层条带煤柱应力表达式，认

11、为剪应力对煤柱强度和稳定性有影响；高玮通过极限平衡法分析了煤层倾角对煤柱稳定性的影响等。此外，非线性科学理论在矿业工程领域得到了越来越广泛的应用，如神经网络理论已经应用于岩体力学参数的预测、地表沉陷及其建筑物损害程度的预测等方面；突变理论是用来研究不连续现象的一门新兴非线性学科，在采矿工程等学科也得到广泛的应用。我院侯朝炯教授提出用沿空掘巷围岩大、小结构的稳定性原理指导综放沿空掘巷的实践，作为综放沿空掘巷锚杆支护成功的应用理论依据。湖南科技大学朱川曲根据围岩稳定性影响因素的隶属函数，建立了综放沿空掘巷围岩稳定性分类模型，为综放沿空掘巷支护方式、支护参数的合理选择及施工和管理提供了依据。西安科技

12、大学张嘉凡、石平五根据郭家湾煤矿的实际情况，采用有限元仿真试验模拟方法，对煤柱群及顶板稳定性进行弹塑性分析，提出了弹性核的消失是煤柱丧失稳定性的标志，并指出合理的煤柱留设对采场的围岩变形控制起决定性作用，不适当地多留煤柱，既降低了采出率，而且支撑着更大范围的上覆岩层悬而不垮，增加了大面积垮落灾变的可能性。1.2.2沿空掘巷矿压显现规律研究现状国内外学者对沿空掘巷矿压显现规律的研究，主要表现在：研究了采空区侧向支撑压力分布规律，指出留窄煤柱沿空掘巷巷道位置处于侧向支承压力峰值附近，因而，留窄煤柱沿空掘巷不仅在掘进期间围岩强烈变形，而且在掘后稳定期间仍保持较大的变形速度；综放工作面沿空掘巷，由于煤

13、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，煤柱承载作用较小，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；留窄煤柱改善巷道掘进条件，对加快掘进速度以及隔离采空区是有利的。1.2.3沿空掘巷围岩控制与支护技术研究现状(1)国外围岩控制理论研究现状 19世纪后期到20世纪初，可以认为是矿压假说的萌芽阶段，这一时期开始利用比较简单的力学原理解释实际中出现的一些矿压现象，并提出了一些初步的矿压假说，具有代

14、表性的是认为巷道上方能形成自然平衡拱的所谓“压力拱假说”。此外，对巷道围岩变形机理和支架所受的岩石压力大小，也开始进行了初步的理论研究。20世纪30年代开始，人们将弹性力学和塑性力学引入地下工程的岩石力学分析中，解决了许多地下工程中的问题，其中R.Fenner和H.Kastner等人关于巷道围岩弹塑性应力分布和围岩与支架的相互作用的理论是最为典型的代表之一。20世纪60年代，刚性试验机的应用，揭示了岩石变形破坏的特性和弹塑性断裂破坏理论。特别是奥地利工程师在总结前人经验的基础上，提出了一种新的隧道设计施工方法，即新奥地利隧道施工方法，简称新奥法，是目前地下工程的主要设计施工方法之一。新奥法的核

15、心是利用围岩的自承作用来支撑巷道，使围岩本身也成为支护结构的一部分而与支护共同成为支承环。在此期间，日本人山地宏和樱井春辅又提出了围岩支护的应变控制理论。他们认为，巷道围岩的应变随支护结构的增加而减少，而许用应变则随着支护结构的增加而增大，因此，通过加强支护结构可较容易地将围岩的应变控制在许用应变范围内。20世纪70年代，M.D.Salamou等人又提出了能量支护理论。他们认为支护与围岩互相作用，共同变形，在共同变形过程中围岩释放一部分能量，而支护则吸收一部分能量，但总的能量没有变化，因而，主张利用支护结构来使其自动调解围岩释放的能量和支护体吸收的能量，使其相互调解平衡作用。(2)国内围岩控制理论研究现状 国内学者在围岩控制方面的研究形成了以下几种具有代表性的围岩控制理论：于学馥等人提出的“轴变理论”和“开挖系统控制理论”，认为巷道坍落可以用弹塑性理论进行分析，围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限引起的，坍落是改变巷道轴比，导致应力重新分布，其特点是最大主应力下降，最小主应力上升，并向无拉力和均匀分布发展，直到自稳平衡，应力均匀分布的轴比是巷道最稳定的轴比，其形状为椭圆形。而开挖系统控