大采高沿空掘巷底臌机理及控制研究.pdf

分类号T D 3 5 3 单位代码 安薇埕工大学 A N H U IU N I V E R S I T YO FS C I E N C EA N DT E C H N O L O G Y 1 0 3 6 1 硕士学位论文 论文题目大采高沿空掘巷底臌机理及控制研究 作者姓名 学科专业 导师姓名 涂敏教授 完成时闯 二oo 五年四月 摘要 本文围绕大采高工作面沿空掘巷底臌问题，分析了采动影响前后巷道上覆 岩层运动、掘巷前后巷道顶底板岩层稳定性；由煤柱的弹塑性稳定性分析中， 得出煤柱塑性区应力分布；在了解沿空掘巷小煤柱底臌力学机制的基础上建立 沿空掘巷底板力学模型，分析了底板应力状态，求得底板任意点应力应变及其 位移；通过分析煤柱不同宽度和强度时的位移和应力分布特征及围岩不同性质 时对底臌的影响性，在此基础上分析了加固巷道围岩不同部位对控制底臌的效 果，从力学原理上揭示锚杆围岩作用机理，从而确定了以巷道围岩整体为研究 对象对巷道围岩进行加固的方法，有效地控制了底臌。研究成果在工程实践中 得到了成功的应用和检验。 关键词大采高，沿空掘巷底臌，动压，数值模拟，底臌控制 A b s t r a c t T h ep a p e r ，e n c i r c l i n gt h ep r o b l e mo ff l o o rh e a v ei ng o b s i d ee n t r yd r i v i n go fl a r g e m i n i n gh e i g h tw o r k f a c e ，a n a l y s e st h em i g r a t i o nm e c h a n i s mo fo v e r l y i n gf o r m a t i o no f f o r e a n d a f tm i n i n g ，a n dt h es t a b i l i t yi n f l u e n c eo fr o o f - f l o o rr o c k ，g a i n st h es t r e s s d i s t r i b u t i o no fp l a s t i c a l l yd e f o r m i n ga r e af o r mt h e e l a s t o - p l a s t i cs t a b i l i t y o fc o a l p i l l a r ．O nt h eb a s eo fr e a l i z i n gt h em e c h a n i c a lp r i n c i p l eo fc o a lp i l l a r ，t h ep a p e r e s t a b l i s h e sm e c h a n i c a lm o d e lo ff l o o r ，a n a l y s e st h es t r e s ss t a t eo ff l o o r ，g a i n st h e s t r e s s - s t r a i na n dd i s p l a c e m e n to ff l o o rd i s c r e t i o n a l p o i n t ．T h e p a p e ra n a l y s e st h e d i s p l a c e m e n ta n ds t r e s sd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co fc o a lp i l l a rd i f f e r e n tw i d t ha n d i n t e n s i t yw h i c hi n f l u e n c ef l o o rh e a v e ，a n dt h ei n f l u e n c eo fs u r r o u n d i n gr o c kd i f f e r e n t c h a r a c t e r ，a n a l y s e st h ef l o o rh e a v ec o n t r o le f f e c tt h r o u g hr e i n f o r c i n gd i f f e r e n tp a r to f s u r r o u n d i n gr o c k ．，o p e n so u tt h es u r r o u n d i n gr o c kd i s t o r t i o ne s s e n c eo fg o b - s i d ee n t r y d r i v i n gf r o mm e c h a n i c a lp r i n c i p l e ．W i t hw h o l er o a d w a ya s ao b j e c tt or e i n f o r c e s u r r o u n d i n gr o c k ，t h ep a p e rt a k ee f f e c t i v ec o n t r o l l i n gm e a s u r ec o n t r o lf l o o rh e a v e ．T h e r e s e a r c hh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di np r a c t i c e ． K e yw o r d s L a r g em i n i n gh e i g h t ，F l o o rh e a v eo f g o b s i d ee n t r yd r i v i n g ，D y n a m i c p r e s s u r e ，N u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，F l o o rh e a v ec o n t r o l y7 7 6 7 1 3 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，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得蠹徽堡王太堂 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 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名{ 套马虐签字日期矿西年垆月罐日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安徽垄王太堂 有保留、使用学 位论文的规定，有权保留并向国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。本人授权塞徼垄工太堂 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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论 文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名秀乃嘉 签字日期御』，年斗月彳日 导师签名7 磊各限 鳓f 年中∥日 大采高沿空掘巷底臌机理及控制研究 1 绪论 1 ．1 问题的提出及研究意义 我国是一个煤炭生产大国，在一次能源消费结构中煤炭一直是第一主要能 源 占7 0 ％以上 ，据研究表明到2 0 3 0 年，煤炭在我国能源消费结构中仍占7 0 ％ 左右。我国厚煤层储量丰富，厚煤层开采煤量占总产量的4 0 ％～5 0 ％，因而厚煤 层的开采技术经济状况对我国煤炭行业的生产和经济状况有举足轻重的影响。 然而，对于很多矿井厚煤层来说，随着首采块段开采的结束，考虑跳采及 瓦斯管理的布置方式不可避免地导致了孤岛工作面和沿不稳定采空区掘巷的生 产局面的形成。 从5 0 年代开始，国内外开展了主要包括沿空留巷和沿空掘巷两种方法的无 煤柱护巷技术的试验研究【l 弓】沿空留巷是在上区段工作面回采的同时构筑，受 到采空区岩层剧烈活动的影响，无论是顶底板，还是两帮都剧烈变形，巷道维 护困难；而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，巷道位于应力降低区，采用较小的煤柱和合理 的支护技术保证巷道在掘进及掘后围岩变形较小，因此沿空掘巷的应力环境和 维护条件均优于沿空留巷。然而，无论采用那种方法都无法避免一种现象一一 底臌。底臌是煤矿巷道中经常发生的动力现象，底臌后巷道断面缩小，阻碍运 输、通风和人员行走，因底臌而造成巷道报废的现象时有发生，严重影响生产 和威胁安全。 底臌现象是巷道围岩稳定性课题中的特殊问题，长期以来在地下工程围岩 稳定性理论和实践的探索研究中，不论是二十年代古典的压力拱理论、四十年 代的塌落拱理论，还是六十年代以后考虑围岩节理、裂隙及流变性质的支护一一 围岩共同作用理论等，主要是研究如何有效地支护巷道的顶板和两帮使其不破 坏和不发生大的位移以及垮落，而对底板是否稳定未给予足够重视。而近年来 随着煤炭资源的井工开采深度越来越大，软岩巷道的大变形、大地压、难支护 的工程问题日趋严重，底臌是软岩巷道矿压显现的主要特征。在对底板不支护 的情况下，巷道顶底板移进量中约有2 ／3 ～3 ／4 是由底臌造成的{ 6 J 。 大量的现场实测和实验室试验发现，掘巷后围岩的弹性变形、扩容、塑性 变形所引起的底臌量比较小 一般小于2 0 0 r a m ，而巷道底板的大量臌起主要 是由于岩体破坏后处于残余强度阶段的碎胀变形所引起；而当巷道底臌量小于 2 0 0 m m 时不需要采取专门的防治措施【6 】，因为在这种量级范围内的底臌对井下 运输和通风的影响不大。但当底臌量较大时就会妨碍生产，而且由于底板是巷 道的基础，剧烈的底臌会导致整个巷道的失稳。 大采高沿空掘巷底臌机理及控制研究 在所有煤矿巷道中，回采巷道的围岩条件，应力状况最为复杂，加上较软 弱的底板岩层及工作面超前支承压力的影响，底臌现象十分普遍，几乎所有回 采巷道均存在不同程度的底臌。人们采取了各种控制底臌的措施，并取得了一 定的成效，但对回采巷道底臌的力学原理仍缺乏全面的认识和深入的研究，因 而难以从根本上解决回采巷道底臌的控制问题。 大采高工作面沿空掘巷，由于开采尺寸大、产量大、瓦斯多及设备大型化， 所需风量大、巷道断面大等特点，因而在认识底臌机理的基础上能否有效地控 制底臌，使巷道断面满足生产要求，对于实现矿井高产高效有羞现实的意义。 因此对窄煤柱沿空掘巷围岩变形的研究首先应该考虑工作面超前支承压力和侧 向固定支承压力的动态叠加对围岩变形的影响，其次考虑巷道较大范围内围岩 性质对围岩变形的影响，第三对在动态支承压力作用下底板岩层的运动规律应 进行深入的研究，只有这样才能从本质上揭示沿空掘巷围岩变形机理，进而采 取行之有效的控制措施。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 底臌的原因 巷道由于掘进或受回采影响引起其围岩的应力状态发生变化以及在维护过 程中围岩性质的变化，使顶底板和两帮岩体变形并向巷道内移动，底板向上隆 起的现象称为底臌l ⋯。 近年来随着矿井开采深度不断加大，底臌现象已成为软岩巷道与弱结构巷 道围岩变形和破坏的主要特征与形式之一。针对底臌的机理与防治对策，国内 外开展了广泛的研究，发表了许多论著。其研究工作从岩层的性质着手，借助 于多种手段，研究了软弱岩层的矿物成分及微结构特征，初步论述了软弱岩层 的物理性质与强度和变形的关系分析了软弱岩层遇水软化、崩解、臌胀的机 理以及水理性质对软弱岩层力学参数的影响；在力学性质方面，研究了软弱岩 层受力后表现出来的弹塑性、扩容性及流变性等力学特性。1 9 9 0 年A ．A f r o u z 在 一篇总结性文章中指出，引起巷道底臌的因素有2 1 个【6 】，但一般认为主要有三 种原因①底板为松软岩层，②巷道围岩中存在较高的岩层应力，⑨水理作用【7 J 。 1 ．2 ．2 底臌机理的研究 底臌机理的研究，前苏联及德国研究成果较多。前苏联的n ．M 秦巴列维奇、 B ．A ．月b lTKHn 等【8 】认为，底臌现象是由于底板岩体松软，其力学本质为在 两帮岩柱的压模作用下挤压底板软弱岩体臌出，即“压模效益”，并应用极限平 衡理论计算底臌岩层作用在巷道支架上的压力；M ．n ．兹包尔什奇克等认为‘引， 2 大采高沿空掘巷底臌机理及控制研究 巷道底板岩层突然臌起是由于底板中塑性层对下部岩层移动的阻力以及底板岩 层暴露的面积与周长的比例急剧变化时岩层储存的弹性能释放的结果造成；r ． r 1 ．利特维斯基【9 】在研究准备巷道底臌机理过程中，提出了一个判别岩层破坏的 局部性破坏准则。该准则将巷道周边的压力图与岩层强度图进行比较，以此确 定巷道周边的稳定地段、极限地段及不稳定地段；1 4 ．J 1 ．切尔尼亚克l lo J 利用数理 统计法对大量实测数据进行了分析，得出了预测巷道底臌的经验公式。 前西德著名学者0 ．J a l o b i [ 6 ] 、M ．O d e n g o t t [ 1 1 ] 则认为底臌主要是由于底板岩层 在水平挤压力作用下的挠曲、褶皱过程，并在实验室内进行了大量的相似材料 模拟试验研究了巷道底臌的全过程认为巷道岩层的破坏顺序为首先是两帮 岩层由于垂直应力被压裂，之后是巷道底板由于水平应力的作用向巷道内臌出， 其中较先破坏的是直接底板岩层。N ．布什曼则得出底板岩层最大破坏深度与巷 道宽度成比例的结论。 A ．H ．W i l s o n [ 1 2 , 1 3 ] 认为回采巷道底臌的主要原因是底板岩层被剪切破坏后形 成的塑性区的岩石变形与位移，塑性区的大小与原岩应力、岩石的力学特性、 巷道形状和尺寸、支护阻力和破碎岩石的膨胀有关。 D ．J ．R o c h w a y [ ”】通过对巷道底臌现象的调查认为巷道底臌主要取决于底板 表面以下至少6 m 厚的岩层的性质。 美国的K ．H a r a m y 【l5 J 把底板岩层看作两帮固支的岩梁进行分析，讨论了底板 岩层的应力状态及稳定性。 康红普建立了求解底板岩层破坏范围的动态模型，提出了估算软岩巷道底 臌量的公式[ 1 6 - i s ] 底板岩层挠曲引起的底臌量占总底臌量的6 7 ％，底板岩层弹 塑性位移和扩容位移底臌分别是总底臌量的t 1 ．8 ％和1 1 ．2 ％。认为底臌的原因在 于失稳底板岩层向巷道内压曲、偏应力作用下的扩容、岩石自身的遇水膨胀。 姜耀东经过大量的现场观测和实验室研究认为【l ⋯，由于巷道所处的地质条 件、底板围岩性质和应力状态的差异，底臌可分为挤压流动型、挠衄褶皱型， 遇水膨胀型和剪切错动型四类，巷道底臌属于岩体破坏后的力学行为问题和在 地质历史上已经破坏的岩体巷道开挖后再变形和再破坏的规律问题。 贺永年、何压男通过对茂名矿区软岩巷道变形的实测和研究认为【2 0 】，由于 两帮岩柱传递顶板压力，使两帮围岩在挤压底板的同时一起下沉，底板在严重 挤压变形的情况下发生断裂，从而产生底臌。 候朝炯、马念杰【2 l 铘】通过对回采巷道底板的受力变形分析，认为回采巷道底 板位移分为两个阶段第一阶段巷道开掘后，巷道底板浅部岩层缓慢向上运动， 2 m 以下的岩层位移基本为0 ，即底板岩层主要发生向上的移动；第二阶段巷道 受到采动回采影响时，通过煤帮作用到巷道底板上的应力迅速增加，致使底板 表面附近浅部围岩发生严重塑性破坏，出现强烈底臌而较深部围岩出现不同 程度的下沉，离工作面越近下沉越显著。 大采高沿空掘巷底臌机理及控制研究 潘一山等借助有限单元法和相似模拟实验研究了巷道底臌的时间效应及软 岩遇水膨胀引起的底臌f 2 4 1 ；模拟结果能较好地反映这些因素对底臌的影响。 N o r r i s h 、日本的褚须腾俊男、我国学者曲永新、于双忠、何满潮等对软岩 的膨胀性作了大量实验和理论研究，并分析了软岩的膨胀力学机制1 2 5 - 3 0 ] 。 K ．H a r a m y 将底板看成两端固支的岩梁进行理论分析，得到巷道底板挠曲量 ”5 J ；依据板壳理论建立了底板的压曲微分方程；并使用非线形大变形连续体力 学理论来计算底臌量1 1 7 , 2 8 , 2 9 ] 。 综上所述，到目前为止，国内外在底臌机理研究方面取得的成果归纳起来 有①巷道开掘后围岩应力变化造成巷道底板岩层卸压产生弹塑性变形并向巷 道内臌起；②巷道两帮在垂直应力作用下挤压底板并下沉，使底板受水平应力 作用出现拉应变从而导致底臌；③底板岩层的流变导致底臌量随时间延长而增 加；④水对底板的作用，底板中某些粘土矿物遇水后体积膨胀，导致围岩强度 降低、结构松散，易崩解、破碎。 1 ．2 ．3 底臌防治的研究 国内外目前出现的防治措施有多种形式，主要从加固底板岩体，降低底板 围岩或整个巷道围岩中的应力、以及建立有效的防排水措施着手。包括底板锚 杆、底板注浆、封闭式支架、混凝土反拱等支护加固法切缝、打钻孔、松动 爆破、开掘卸压巷等卸压法巷旁充填法及各种联合方法；侯朝炯等人提出了 加固巷道软弱围岩帮角 主要是底角 控制底臌的方法p 4 l ，进行了数值模拟与相 似材料模拟研究，并得到了现场工程实践的验证。详述如下 1 加固法[ 8 , 3 3 - 4 6 】。这是控制底臌最常用的一种方法，主要有底板注浆、底 板锚杆、封闭式支架、砌碹及混凝土反拱等。①底板锚杆底板锚杆主要作用 是把浅部不稳定岩层与下面稳定岩层联结起来形成组合岩梁，抑制下部岩层因 扩容引起的裂隙张开及新裂隙的产生，从而限制下部岩层向上臌起。②底板注 浆底板注浆主要用来加固底板破碎岩层，增加破碎岩石之间的粘聚力，在底 板中形成一个强度比破碎岩层大的反拱，阻止下部岩层向上臌起。③封闭式支 架通过封闭式支架的底梁给底板岩层施加的反力提高支架的整体支护阻力， 改变底板岩层附近的应力状况，在一定程度上抑制了底臌。④混凝土反拱适 宜于永久性巷道。 2 卸压法【5 2 ’”】。通过切缝等方法使原来连续的岩体处于不连续状态，使 底板岩体处于应力降低区，从而减小底臌。①切缝包括底板切缝和两帮切缝， 使应力向围岩深部转移，使底板处于应力降低区。②打孔包括底板打孔和两 帮打孔，其卸压机理与切缝相似。③松动爆破包括巷道底板和两帮松动爆破， 使原处于高应力区的底板岩层卸压，将应力转移到深部围岩。④开掘卸压巷 4 大采高沿空掘巷底臌机理及控制研究 在回采巷道中开掘卸压巷可取得一定的控制底臌效果。 3 巷旁充填法【4 4 郫】。把巷道两帮一定范围内的煤采出，填入材料，要求 充填材料的抗压强度不能超过顶底板岩层，且具有一定的支护阻力和一定的让 压性能，使巷帮应力向深部转移，达到控制底臌的目的。巷旁充填法控制底臌 的原理与卸压煤柱相似。 4 联合法i 4 4 4 6 】。依具体条件，综合使用以上技术。 1 ．2 ．4 沿空掘巷护巷煤柱的研究 在生产实践中，沿空掘巷包括沿采空区边缘掘巷、与采空区之间留窄煤柱 的沿空掘巷。煤柱宽度对巷道稳定性的影响，主要有两个方面，一是影响巷道 围岩应力；二是影响巷道围岩完整性。具体可分为沿空掘巷围岩的应力状态、 沿空掘巷的矿压显现规律和窄煤柱稳定性原理。国内外在沿空掘巷煤柱研究方 面做了大量工作，取得了大量成果。 沿空掘巷从5 0 年代开始研究和应用，取得了有益的结论[ 5 。”J ，主要有① 留窄煤柱沿空掘巷，巷道位置处于侧向残余支承压力峰值附近，掘巷挠动了侧 向支承压力分布，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，比沿采空区边缘不留煤柱沿空掘巷 变形剧烈，②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 巷道跨度和悬顶距，巷道压力增大、维护困难，③窄煤柱裂隙发育、甚至破碎， 不同程度存在漏风现象，④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。 沿空掘巷围岩在基本顶岩层的作用下，产生了严重的塑性变形和破坏，尤 其是大采高工作面，基本顶弧形三角块旋转下沉量大，巷道变形、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。 1 ．2 ．5 锚杆支护原理及技术的研究 近几年国内外开展了锚杆支护提高巷道围岩力学性能的研究垆“”J ，认为 系统布置锚杆可以提高锚固体的强度极限、弹性模量、内聚力、内摩擦角等力 学参数；锚杆支护可以改变围岩应力状态及应力应变特性；锚固效果与锚杆长 度、密度及锚杆材料性质有关，锚固效果随岩体强度提高而减小；系统布置锚 杆的围岩可看作力学参数提高而均化的岩体等。 何朝炯、勾攀峰结合煤巷埋藏深、受采动影响、地应力大、围岩松软破碎 的特点，通过相似材料模拟试验和理论分析，研究锚固体峰前、峰后、残余强 度阶段的力学行为，提出了锚杆支护围岩强度强化理论【6 2 ，”l ，认为锚杆与围 大采高沿空掘巷底臌机理及控制研究 岩相互作用，形成锚杆一一围岩共同承载结构，改善锚固体力学性能，提高锚 固体峰值强度和残余强度，特别是残余强度的提高，有效提高了围岩自承能力， 控制了围岩塑性区、破碎区发展，促使巷道围岩由不稳定状态向稳定状态转变。 沿空掘巷在采空区侧向支承压力作用下，围岩存在破碎区、塑性区和弹性 区，锚固区域的岩体可能完全处于破碎区内或者处于破碎区、塑性区，相应锚 固区域的岩体强度为峰后或残余强度。在工作面采动支承压力作用下，围岩破 碎区、塑性区进一步发展，锚固体力学状态发生剧烈变化，深部围岩与锚固体 相互作用，促使锚固体向巷道内移动，巷道产生大变形，维护困难。因此，只 有将处于残余阶段、峰后阶段的锚固体稳定机制、锚固体与外部围岩形成的“支 护一围岩”相互作用原理结合起来研究，才能揭示沿空掘巷围岩稳定性原理。 1 ．3 存在的问题 国内外许多专家学者对煤矿巷道底臌机理和控制技术作了大量的研究工 作，取得了重要的理论研究成果，提出了众多的底臌控制实用技术。但这些成 果针对一般的软岩巷道的居多，而专门用于回采巷道的较少。而回采巷道是一 类特殊的软岩巷道，产生底臌的原因既有与一般软岩巷道相同的影响因素，也 有其特有的原因，如围岩条件复杂、受采动影响强烈等。因此回采巷道的底臌 机理与一般软岩巷道既有联系又有区别，而最大的区别又在于巷道的力学环境。 1 对于大部分回采巷道，底臌主要是在工作面回采过程中受动压影响发 生的；回采巷道的底臌与工作面超前支承压力及侧向支承压力有关，而超前支 承压力和侧向支承压力是通过顶板、两帮传递到底板的因此，在工作面回采 前后应正确认识巷道上覆岩层运动规律。 2 未把沿空掘巷作为一个整体结构来研究，在整体力学环境下分析其围 岩的应力分布和破坏特点，以确定沿空掘巷合理位置及支护方法。 3 窄煤柱的稳定性直接关系到沿空掘巷的稳定，而对于窄煤柱的宽度和 强度与巷道围岩应力的大小与围岩完整性的关系研究较少。 4 对于回采巷道人们的注意力主要在两帮和顶板稳定性控制上，而底臌 控制方法均围绕底板单独进行，尚未深入研究加固巷道其它部位控制底臌技术。 1 ．4 研究内容及方法 1 ．4 ．1 研究内容 本文主要针对受动压影响巷道底臌的研究，分析采动影响前后围岩的活动 规律及煤柱不同宽度和强度对底臌的影响性，建立巷道底臌的力学和数值模型， 在此基础上确定以巷道整体为对象对围岩进行加固的方法，从而有效控制底臌。 1 采动影响前沿空掘巷围岩变形分析； 6 大采高沿空掘巷底臌机理及控制研究 2 动压作用下沿空掘巷底臌变形分析i 3 沿空掘巷底臌变形的数值模拟分析； 4 沿空掘巷底臌变形的控制技术。 1 ．4 ，2 主要研究方法 1 理论研究运用岩石力学、弹塑性力学、矿山压力理论，建立力学模 型，对支承压力分布、巷道围岩受力变形进行研究。 2 数值模拟研究回采巷道在支承压力作用下围岩应力分布、底板运动 规律、围岩性质对底臌的影响，及加固巷道不同部位对底臌的控制效果。 3 现场试验将理论研究成果应用于工程实践，通过现场实践，对回采 巷道底臌进行控制，同时验证和完善理论研究成果。 1 ．5 研究技术路线 研究技术路线为 I 现场调查提出问题II 查阅、收集资料 i l l I 『 数值模拟 f | 理论分析 ff 现场测试 I 。 l 。 Ill f 采动影响前沿空f 动压作用下沿空 I沿空掘巷底臌 1 掘巷底臌变形规律I掘巷底臌变形规律 l 变形及控制 l J I ll l 大采高沿空掘巷底臌 机理及控制研究结论 大采高沿空掘巷底臌机理及控制研究 2 采动影响前沿空掘巷围岩变形分析 大采高留窄煤柱的回采巷道沿煤层顶板掘进，底板为煤体及直接底，巷道围 岩应力分布和围岩变形规律与其它回采巷道不尽相同。这类巷道在采空区侧的煤 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 本工作面回采时，沿空掘巷上覆岩体结构的稳定状态将被打破，造成巷道压力加 大，变形剧烈。 大采高一次采全高采出厚度大，相应波及岩层的范围大，上工作面回采过程 中，采空区中部顶板岩层活动表现为旋转下沉和平移下沉。采空区侧的直接顶， 在自重应力作用下，从下往上分层垮落。随老顶岩梁的变形，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，之后，随老顶岩梁的旋转，老顶在侧向煤体深部断裂，老顶岩梁在直接顶 和冒落碎矸的支撑下，形成侧向砌体梁结构。随采空区逐渐压实，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。 但研究显示沿空掘巷掘进及稳定阶段围岩移近量小，而在本工作面回采期间变 形剧烈。这表明，大采高沿空掘巷的稳定性与顶板岩层中一层或几层坚硬岩层断 裂后结构的稳定性密切相关。因此研究和识别由于这类顶板的断裂而形成的上覆 岩层“砌体梁”结构的稳定性对认识巷道在服务期内压力的变化、确定沿空掘巷 的合理位置、优化沿空掘巷支护参数是十分必要的。 2 ．1 沿空掘巷上覆岩层结构模型 在研究大采高沿空掘巷上覆岩层“砌体梁”结构稳定性时，应用关键层理论 的基本原理和方法无疑是适用的。但是，沿空掘巷上覆岩层结构与采场的情况又 不尽相同，因此须针对沿空掘巷的具体条件和特殊情况加以解决。概括起来，沿 空掘巷与采场上覆岩层结构的不同之处有 1 回采工作面是不断往前推进的，“砌体梁”结构的运动只是在回采工作面 前后一定范围内；而沿空掘巷所在位置的关键顶板在上区段回采时就要受到上覆 岩层运动的影响，掘巷和巷道整个服务期间，又要受到本工作面上覆岩层运动的 影响； 2 上区段回采时沿空掘巷所在位置的上覆岩层处于固支边与自由边相交 处，因而其上覆关键层断裂成弧三角板畔】，这与采场是有区别的； 3 对沿空掘巷稳定性影响最大的主要是直接顶上面的老顶，因此，应研究 老顶断裂、运动、稳定对沿空掘巷的影响。 相邻工作面煤层采出后，上覆岩体的垮落特征、垮落后的赋存状态在一定程 大采高沿空掘巷底臌机理及控制研究 度上取决于老顶岩层的断裂特征及其垮落后的赋存状态。上区段工作面的回采造 成大采高沿空掘巷上覆岩层的断裂如图2 ．1 所示。 a 剖面图 b 平囱图 图2 , 1 沿空掘巷上覆岩体大结构模型 由图2 ．1 可知 1 上区段工作面煤层采出时，在工作面支架推过后，上覆岩层在支承压力 和自重的作用下首先离层、垮落。 2 工作面支架推过后，随着上区段煤层的采出和靠近采空侧岩体的垮落， 直接顶岩层随之发生不规则或规则的垮落下沉，最终与其上位老顶岩层发生离层。 3 侧向方向的直接顶垮落后，老顶岩层在煤体内断裂，并发生回转或弯曲 下沉，直至在采空侧形成如图2 ．1 a 中所示的岩块A 、岩块B 、岩块C 组成的铰 接结构。该结构的稳定性与采空区充满程度及老顶岩层的断裂参数密切相关。 4 在老顶岩层垮落过程中，其上覆岩层随之发生垮落或下沉。 相应地，上覆岩体垮落稳定后，大采高沿空掘巷在如图2 ．1 a 中在所示的位 置掘进。该巷道与上覆岩体结构的平面关系如图2 ．1 b 所示，其中沿空掘巷位于 关键块B 的下方。对比图2 ．1 a 、b 可见，岩体C 为本区段工作面上方的老顶岩层， 块B 为上区段工作面采空侧的弧三角板，块A 为上区段工作面采场中的断裂块。 9 大采高沿空掘巷底臌机理及控制研究 由此可见，块B 对于大采高沿空掘巷上覆岩体结构的稳定是很重要的，下面将进 一步对该块的结构参数进行研究。 2 ．2 掘进对顶板岩层稳定性的影响 从围岩力学性质和应力环境来分析，大采高沿空掘巷是一类特殊的回采巷道。 由于上区段工作面回采，采空区上覆岩层垮落，基本顶初次来压形成“O x ”破 断，周期来压即基本顶周期破断后的岩块沿工作面走向方向形成砌体梁结构，在 工作面端头破断形成弧形三角块1 7 0 】。弧形三角块断裂在煤壁内部、旋转下沉，它 的运动状态及稳定性直接影响下方煤体的应力和变形，沿空掘巷在其下方，一般 在采空区上覆岩层基本稳定后掘进，巷道掘进一般不影响三角块结构的稳定而 当受到下区段工作面回采超前支承压力作用时，弧形三角块结构的稳定性及运动 状态必将发生较大的改变，并通过直接顶作用于沿空掘巷，因此弧形三角块结构 的稳定性及运动状态对沿空掘巷的稳定性有重要影响。现场实践也表明沿空掘 巷在掘进影响阶段及掘后稳定阶段变形较小，受工作面采动影响之后，巷道围岩 活动剧烈，加上围岩松软破碎，造成工作面回采时巷道变形量很大。基本顶的稳 定状况及位态直接影响沿空掘巷围岩稳定状况，因而，基本顶破断后形成的结构 构成了沿空掘巷的上部边界。 2 ．2 ．1 关键块B 的力学模型 沿空掘巷- - 便, J 为未开采的实体煤、另一侧为上区段采空区，上区段工作面基 本顶在实体煤侧为固支边，基本顶在煤体侧的断裂线深入煤壁内，破断形成关键 块B 后，以煤体之上的断裂线为轴，向下旋转，见图2 ．2 。基本顶之上的软弱岩 层可视为作用于其上的载荷，受到工作面采动影响之前，关键块B 上部的软弱岩 层与其上部硬岩层离层、失去力的传递。关键块B 与实体煤侧的岩体c 、采空区 侧的块体A 形成铰接结构。留窄煤柱沿空掘巷，工作面回采影响阶段，在超前支 承压力和侧向支承压力叠加作用下，c 岩块下方的煤体、直接顶压缩下沉，A 岩 块下方的矸石压缩下沉，B 岩块发生旋转下沉，其稳定性及位态发生改变。 2 ．2 ．2 关键块B 的结构参数 关键块结构的参数主要有3 个基本顶沿工作面推进方向断裂长度厶、沿侧 向断裂跨度三。关键块B 的基本尺寸通过基本顶在周期来压时的断裂模式和周期 来压步距确定，计算模型如图2 ．2 所示。 1 厶的确定 关键块B 沿工作面推进方向的长度厶即为基本顶周期来压步距，其值可以通 1 0 大采高沿空掘巷底臌机理及控制研究 过现场观测或理论计算获得，厶可用式 2 ．1 计算啊5 1 厶 压 眨，， 式中厅基本顶厚度，m ； R ．基本顶的抗拉强度，M P a ； g 甚本顶单位面积承受的载荷，M N ／m 2 。 图2 ．2 沿空掘巷关键块B 结构平面图 2 三的确定 关键块B 沿侧向断裂跨度L 是指随基本顶断裂后在采场侧向形成的悬跨度。 根据板的屈服线分析法，认为L 与工作面长度s 和基本顶的周期来压步距三1 相 关，则￡的长度可用式 2 ．2 计算№印 妒堕i v ．V 瓜Ls i 3 i 五s 2 ．3 掘巷后上覆岩层稳定性分析 2 ．2 上覆岩体结构在巷道掘进前是稳定的，掘巷后，这种稳定状态是否能够继续 保持，这对大采高沿空掘巷掘进期间的稳定性是非常重要的。 由图2 ．1 a 、b 中沿空掘巷与基于老顶岩层的上覆岩体的平剖面关系可见，巷 道在上覆岩层下方的煤体中掘进，巷道上方赋存的直接顶厚度较大；同时，巷道 的掘进位置又处于支承压力相对较小的低应力区。因此，巷道掘进对其上覆煤岩 层的扰动并不会影响到此结构的稳定，此时，关键块B 的变形及受力特点不变， 上覆岩层结构仍将保持原有的稳定状态，巷道外部力学环境没有大的变化。 沿空掘巷在掘进影响期间，围岩的变形主要由掘巷时围岩应力的重新分布造 大采高沿空掘巷底臌机理及控制研究 成。虽然巷道在上区段侧向支承应力降低区内掘进，但由于巷道围岩主要由已发 生了一定程度变形破坏的煤体所组成，故对围岩应力的反映很敏感，即使较小的 应力集中，也可能导致巷道围岩较大的变形；当巷道掘进稳定后，围岩的变形主 要由软弱破碎围岩的蠕变而引起。因此，只要及时采取一定的支护措旋，就不会 对巷道上覆岩体结构的稳定构成危害，可以有效地控制巷道在掘进期间的围岩变 形量，并能减小巷道在掘后稳定期间因围岩蠕变产生的变形。 2 ．4 掘进对底板岩层稳定性的影响 岩石在不同应力状态下存贮不同的应变能，当应变状态改变时，应变能也必 然随之改变。围岩降压试验表明，主动减少围压时，最大主应力也被动减少，此 时侧向变形是膨胀变形，它与侧向作用力方囱相反，所以释放能量，岩石在释放 能量过程中破碎。降围压试验较真实地反应了地下工程开挖对岩体的影响，只要 原岩最大压应力大于围岩的单轴抗压强度，岩石在开挖降压过程中必然产生破碎。 在回采巷道掘进过程中，若水平地应力大于垂直地应力，则巷道的开挖对底 板岩石来说是降了围压，当水平地应力超过底板岩石的单轴抗压强度时，巷道底 板在开挖过程中遭到破坏反之底板稳定。当垂直地应力超过水平地应力，巷道 的开挖减少了最大主应力。此时，若水平地应力小于岩石单轴抗压强度，巷道底 板则是稳定的，底板的变形属于应变回弹。 从能量的角度分析，底板岩层处于三向应力状态时，允许储存较大的应变能。 巷道开挖以后，在巷道周围形成应力集中区，在应力集中区形成能量集聚。当围 岩最小主应力降低，允许储存的能量也随之降低。如果集聚的能量大于该点的极 限储存能，多余的能量将自动向深部转移，转移能量区域的围岩产生塑性变形或 破裂；当围岩最大主应力降低时，集聚的能量小于该点的极限储存能，这时岩体 则稳定。 因此巷道开掘以后，底板岩层的破坏是否与岩体本身的力学特性及应力状态 有关，一部分巷道开掘以后底板便立即遭到破坏，部分产生弹性变形，这与计算 机数值模拟分析是一致的。 2 ．5 巷帮压缩下沉与底板臌起之间的关系 顶板下沉和巷帮压缩下沉，引起巷道两帮围岩向巷内移动，两帮煤体将部分 嵌入底板，因而加剧巷道底臌的发生。在巷道两帮煤体向巷内移动的同时，形成 新的水平应力，也称为二次水平应力，二次水平应力主要是由于采动作用引起的， 由于二次水平应力的作用，使底板受拉应力作用的岩层加剧产生较大的结构效应， 。奎墨亘塑窒塑鲞堕壁塑里墨塑堕 堑塞 从而使巷道底板产生较大的压曲效应。 底板岩体中的破裂面形态是巷道底臌产生的主要因素，决定了巷道底臌发生 时所呈现的形式和底臌量的大小。底板岩层的破裂面为沿岩体原生结构面形成的 破裂面，主要是由于采动超前和侧向支承压力叠加作用使底板岩石破坏而产生的 新生破裂面。不同的底板岩体结构和应力状态将产生不同形态的破裂面，层状的 底板岩层，破裂面可沿层面发育，薄层状岩体可能发生折断，形成挠曲褶皱性底 臌由于底板岩层既有水平层理又有大量的垂直节理，因而破裂面既可沿层面发 育，又可沿垂直节理发育，从而导致底板岩体呈现破碎状态；加之巷道底板由于 水的浸入，这样就加速各种破裂面的形成和发展，一般回采巷道底臌是这两种形 式的组合。 2 ．6 本章小结 1 大采高留窄煤柱的沿空掘巷沿煤层顶板掘进，底板为煤体及直接底，巷 道围岩应力分布和围岩变形规律与其它回采巷道不同。沿空掘巷所在位置的关键 顶板在上区段回采时已受到上覆岩层运动的影响，掘巷和巷道整个服务期间，又 要受到本工作面上覆岩层运