晋华宫矿大采高临空巷道围岩控制技术研究.pdf

分类号T D 3 2 2 U D C6 2 2 学校代码 10 14 7 密级公开 硕士学位论文 普华宦矿太采赢临窒巷道．围岩控制技术研究 融曼魏髓h ．Q 秘。S 胆量肫强骢鹞i 聃g 。R Qc ．K ．￡0 ．1 曼l l 嘲。骶￡h 娶m Q g X ．．Q _ - f ．b 魏 戮． H ￡i g h l 。N 金a - r g Q 壁垂￡Qa ．d 醚a yi nJ i n h u a g o n gT Ⅵi n e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯咖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯●■‘，■⋯⋯●l ■⋯⋯⋯⋯⋯●‘ 作者姓名孟祥斌 指导教师 申请学位 李胜教授 工学硕士 学科专业采矿工程 研究方向矿山压力与矿井动力灾害防治 辽宁工程技术大学 万方数据 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽宝王猩撞本太堂有关保留、使用 学位论文的规定，同意辽宝王程撞本太堂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，学校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、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名盔穗斌 年月 日 导师签名至么墨量三 年月 日 万方数据 致谢 论文在导师李胜教授的悉心指导和严格要求下完成的，从论文的选题直到最后成稿的 每个环节都凝聚了导师的心血和智慧。导师不但在学业上给予我大量的指导和启发，还在 工作和生活上给予我许多关怀与帮助。导师严谨的治学态度、深厚的学术造诣、朴素的生 活作风和孜孜不倦的求索精神使我深受感染，是我终生学习的楷模 在论文完成之际，谨 向导师致以最崇高的敬意和最衷心的感谢 感谢辽宁工程技术大学矿业学院和研究生院对我的培养 感谢辽宁工程技术大学地质 动力区划研究所张宏伟教授对论文提出的宝贵建议 感谢安全科学与工程学院邓存宝教授 在论文完成过程中给予的建议和热心帮助 感谢韩军副教授、陈蓥老师给予的指导和帮助 感谢李军文博士在论文完成过程中给予的大力支持 感谢同煤集团技术中心杨智文主任等领导在我攻读硕士期间给予的大力支持 感谢我的妻子王旭娟的默默奉献，你的理解、鼓励和支持让我顺利完成了学业 感谢百忙之中评审论文和参加答辩的专家和评委们 万方数据 摘要 根据晋华宫矿由坚硬顶板、坚硬煤层形成的“两硬”大采高工作面的特殊地质条件， 针对临采空区基本顶侧对护巷煤柱的侧向集中应力、上覆煤柱垂直应力、侧向顶板悬臂梁 产生的弯矩及采动应力叠加造成的临空巷道围岩严重失稳技术难题，采用理论分析、数值 计算、工程试验等相结合的研究方法，结果表明巷道顶底板及两帮变形均较剧烈，同时 顶底板变形程度大于两帮，顶底板收敛值最大达1 ．4m ，两帮最大收敛值达1 ．0m ，底鼓最 大达1 ．4m ，邻采空区煤柱片帮，片帮深度达1 ．2 ～2 ．5r n ，片帮约为4 5m ，并揭示了“两硬” 大采高工作面临空巷道覆岩孕灾机理，建立了“两硬”大采高工作面临空巷道预裂卸压控 制设计模型及悬臂梁条件下煤柱的承受载荷计算公式，计算得到煤柱实际承受的荷载。口 为5 6 ．8 l ～5 9 ．3 9M P a ，大于煤柱所能承受的抗压强度。在此基础上，构建了以对临空巷道侧 向顶板“预裂卸压”为主要技术手段“结构运动参数预控”及支护加固为辅助的技术体系， 保证了工作面的安全高效生产。 关键词临空巷道；围岩破坏；侧向顶板；预裂卸压 万方数据 A b s t r a c t A c c o r d i n gt o t h es p e c i a lg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so f ”t w oh a r d ”a n dl a r g em i n i n gh e i g h t w o r k i n gf a c ea tJ i n h u a g o n gm i n ew h i c hf o r m sf r o mt h eh a r dr o o fa n dh a r dc o a ls e a m ，f o r s o l v i n gt h et e c h n i c a lp r o b l e m so fa i r p o r tr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ks e r i o u s l yu n s t a b l ec a u s e db y l a t e r a lc o n c e n t r a t e ds t r e s st h a tt h eg o a fb a s i cr o o ft oe n t r yp r o t e c t i o nc o a l - p i l l a r ，o v e r l y i n gc o a l p i l l a rv e r t i c a ls t r e s s ，t h eb e n d i n gm o m e n tm a d eb yt h el a t e r a lr o o fc a n t i l e v e rb e a ma n dm i n i n g s t r e s ss u p e r p o s i t i o n ．c o m p r e h e n s i v em e t h o dh a sb e e nu s e dw i mt h ec o m b i n a t i o no ft h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n s ，e n g i n e e r i n gt e s t s ．T h er e s u l t ss h o wt h a tr o a d w a yd e f o r m a t i o no f r o o fa n df l o o ra n dt w oa r es e v e r e ，a tt h es a m et i m et h ed e f o r m a t i o no fr o o fa n df l o o ri Sm o r e t h a nt w os i d e s ．T h em a x i m u mr o o fa n df l o o rc o n v e r g e n c ev a l u ei s1 ．4m e t e r s ，t h em a x i m u mt w o s i d e sc o n v e r g e n c ev a l u ei s1 ．0m e t e r s ．T h eb i g g e s th e a v i n gf l o o ri su pt o1 ．4m e t e r s ．A d j a c e n t g o a fc o a lp i l l a ri ss i d e - b l a s t i n g ，a n dt h ed e p t hi su pt o1 ．2 ～2 ．5m e t e r s ，a n ds i d e b l a s t i n gi sa b o u t 4 5m e t e r s ．T h ep a p e rr e v e a l sa i r p o r tr o a d w a y ’So v e r l y i n gs t r a t as u b s e q u e n t l ym e c h a n i s mi nt h e “t w oh a r d ”w o r k i n gf a c ew i t hl a r g em i n i n gh e i g h t ．a n ds e tu p “t w oh a r d ”w o r k i n gf a c e 谢t 1 1 l a r g em i n i n gh e i g h tp r e - s p l i tr e l i e fc o n t r o ld e s i g nm o d e la n dc o m p u t a t i o n a lf o r m u l ao ft h ec o a l p i l l a rl o a db e a r i n gu n d e rt h ec o n d i t i o no fc a n t i l e v e rb e a m ．T h ec a l c u l a t e da c t u a lc o a lp i l l a rl o a d b e a r i n gi s5 6 ．81 ～5 6 ．81M P an a m e d 唧，w h i c hi sg r e a t e rt h a nt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fc o a l p i l l a r ．B a s e do nt h i s ，w ee s t a b l i s h e dat e c h n o l o g ys y s t e mf o ra i r p o r tr o a d w a yl a t e r a lr o o f 、析m “p r e s p l i tr e l i e f ’a st h em a i nt e c h n i c a lm e a n ，“s t r u c t u r a lm o t i o np a r a m e t e r sp r e c o n t r o l ’’a n d s u p p o r tr e i n f o r c e m e n tf o rt h ea u x i l i a r y ，w h i c he n s u r e st h es a f ea n de f f i c i e n tp r o d u c t i o no f w o r k i n gf a c e ． K e yW o r d s N e a r - g o a l - r o a d w a y ；s u r r o u n d i n gr o c kd a m a g e ；l a t e r a lr o o f ；p r e s p l i tr e l i e f I I 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A b s t r a c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I I l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1问题的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 研究的目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．3 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 ．3 ．1采场矿山压力理论的国内外现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3 ．2 支承压力的成因机理与形成过程研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 ．3 ．3应力转移 卸压法 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．4 研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．4 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 1 ．4 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 2临空巷道围岩破坏实测及煤柱稳定性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．1煤层赋存地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 ．1 矿井概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 2 ．1 ．2煤层赋存特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．1 ．3工作面位置及井上下关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 ．4 巷道布置形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．1 ．5地质构造及水文地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．2大采高临空巷道围岩破坏实测研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．1 巷顶底板和两帮移近量观测内容及观测方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．2 ．2回采巷道表面位移数据结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．3 受采动影响煤柱稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 4 2 ．3 ．1受一侧采动影响的煤柱稳定性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．3 ．2 两侧采动煤柱压力计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l8 3临空巷道侧向顶板结构及矿压显现特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 万方数据 3 ．1 临空巷道特点及压力来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 9 3 ．1 ．1回采巷道特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．1 ．2回采巷道围岩压力 应力 来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．2临空巷道侧向顶板结构模型及矿压显现规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 3 ．2 ．1回采巷道侧向顶板结构状态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 3 ．2 ．2 侧向支承压力动态变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．2 ．3侧向顶板结构对护巷煤柱稳定性的力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．3临空巷道侧向顶板预裂卸压结构模型及矿压显现规律⋯⋯⋯⋯．．2 6 3 ．3 ．1回采巷道侧向顶板预裂卸压后结构状态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．3 ．2预裂卸压后侧向支承压力动态变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．3 ．3预裂后侧向顶板结构力学模型及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．4预裂前后顶板结构对侧向集中应力影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4临空巷道底鼓机理研究及两帮支护技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．1临空巷道底鼓机理及防治⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．1 ．1大采高临空巷道底鼓特点及底鼓机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．1 ．2大采高临空巷道底鼓影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．1 ．3大采高临空巷道底鼓防治方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．2临空巷道两帮支护技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．2 ．1大采高临空巷道两帮鼓出原因及影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．2 ．2大采高临空巷道支护理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．2 ．3大采高临空巷道两帮控制途径及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 5临空巷道预裂卸压及支护加固控制技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．1预裂卸压深孔爆破机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．2预裂卸压控制技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 5 ．2 ．1煤柱两侧悬板长度计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．2 ．2预裂卸压方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．2 ．3爆破参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 I V 万方数据 5 ．2 ．4 预裂卸压爆破数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 7 5 ．3 巷道支护加固技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 0 5 ．3 ．1 原有支护技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 5 ．3 ．2 支护加固优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 0 5 ．4 底板钻孔卸压⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 1 5 ．5 应用效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 5 ．5 ．1电磁辐射法监测效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．5 ．2 矿压观测效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 5 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 6 结{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 9 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 3 学位论文数据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 V 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．1问题的提出 作为我国最为丰富的能源资源，煤炭能源在能源结构中占有非常大的比例，截止2 0 1 0 年底，约1 ．5 万亿吨的全国煤炭地质储量占化石资源总储量的9 7 ．9 ％，我国煤炭生产量和 消费量居世界之首，约占世界煤炭总消耗量的4 3 ％左右。煤炭是中国的主体能源，2 0 1 3 年 我国煤炭能源在一次性消费能源中比重达到6 5 ．7 ％，2 0 1 3 年全国煤炭产量完成3 7 亿吨左 右。煤炭产量的稳产高产和煤矿安全生产对我国的经济增长具有相当大的影响。 最近这些年以来，采动影响范围随着采高的不断增加和矿井机械化程度的不断提高越 来越大，支护难度不断提升，尤其是晋华宫矿开采“两硬” 坚硬顶板，坚硬煤层 大采 高时，由于煤层顶板坚硬，埋藏深度浅，上覆压力小，工作面回采不易冒落，容易形成大 面积悬顶 初次来压1 2 4m ，周期来压5 6m ，使煤体与煤柱承受较高的集中应力，同时 在煤层与顶底板中，积存了大量的弹性变形能，当基本顶断裂时会瞬间产生动载冲击，其 与临采空区动压、上覆煤柱压力等共同作用，导致临空巷道煤柱片帮及顶底板剧烈变形， 最终导致围岩失稳，严重时将诱发冲击地压等灾害事故，对大采高工作面的安全高效生产 具有非常重要的影响。 1 ．2 研究的目的及意义 在煤炭开采的过程中，为了保护巷道和管理采场顶板，众多学者提出了沿空留巷及掘 巷等技术手段，但由于地质赋存条件及开采接续等相关因素的影响未能全面推广应用。目 前我国大部分煤矿主要的护巷方式仍旧是留设煤柱，所以巷道的维护状况和工作面的安全 管理与正常生产受煤柱稳定性相当大程度上的影响。晋华宫矿目前所采用的护巷方式亦为 留设煤柱，同时由于特殊的“两硬”开采条件，需要研究采动对煤柱稳定性的影响，论文 以晋华宫矿8 2 1 0 工作面为主要研究对象，分析临空巷道围岩稳定性控制。 因此，全面系统地研究临空巷道侧向顶板结构与围岩控制，成为了“两硬”大采高综 采工作面生产过程中迫切需要得到解决的关键科学问题，该研究除了能够对矿山压力理论 和岩层控制理论有一定的丰富和扩展，还能提供部分科学依据给相似的煤层煤矿的设计、 开采及顶板管理工作，在煤矿开采中有相当重要的科学意义，应用前景广泛。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ．3国内外研究现状 1 ．3 ．1采场矿山压力理论的国内外现状 1 国外研究进展 采场矿压假说的萌芽阶段是随着开采实践而不断发展的采场矿压理论，开始学者基于 生产实践中出现的一些现象通过较简单的力学原理解释提出了一系列矿山压力假说。 前苏联B ．里特捷尔教授应用变分法等数学计算方法找出了拱的函数表达式，得出抛物 线形的拱的界面，由此提出了拱理论。M ．M ．普罗托季亚科诺夫认为开采后的煤层的上覆岩 层将逐步自然冒落成拱形而提出了普氏平衡拱理论【l 5 J 。 德国人W ．H a c k 和G ．G i l l i t z e 提出了压力拱假说，“压力拱”是因为煤层开采后自然 平衡的上覆岩层垮落层而形成的。随后该假说由前苏联学者E 许普鲁特进行了补充和完善， 认为上覆岩层的重量因拱结构的保护传递至在煤壁前方采动煤体的拱前脚和位于采空区 后方已压实的矸石上的拱后脚，工作面支架承受有限的上覆岩层的范围内的拱内控顶上方 的岩石重量，因此较大的支撑压力是在工作面煤壁以及采空区矸石上。 德国人施托克 K ．S t o k e 提出了悬臂梁假说，煤层开采后上覆岩层垮落，将煤层上覆顶 板岩层看成一种连续介质即可将其简化为一端固定在煤壁前方的悬臂梁，如果由几层岩层 组合形成的顶板，即可视为组合悬臂梁№ 1 ⋯。随着开采工作的进行，悬臂梁随着工作面推 进变长继而超过承受极限即开始有规律地折断和冒落，形成了工作面周期性来压现象。 苏联学者T ．H ．库茨涅佐夫提出铰接岩块理论，认为工作面支架在煤层开采后由共同运 动的已经冒落n 层岩层和尚未冒落且为铰接状态的m 层以上的岩层的共同运动作用产生了 压力显现现象【1 1 1 3 J 。规则垮落带与不规则垮落带是冒落岩层的两大组成部分，并分别具有 相应的计算公式。规则垮落带上方属于裂隙带的岩层内的岩块随着工作面的推进和顶板的 下沉过程中由互相咬合转化为互相牵制而形成的三铰拱式铰接岩块平衡结构。 波兰学者萨武斯托维奇和M ．鲍莱茨基提出了工作面覆岩均布载荷的弹性基础梁理论。 煤壁前方是长壁垮落法开采条件下顶板下沉开始部分，最大下沉值则在煤壁后方采空区的 某处，采动的影响范围以及每笔前方最大支撑压力受很多方面的影响，包括顶底板岩层的 力学性质，采后顶板岩层的垮落与充填程度，以及煤层的厚度与赋存状态等。支承压力在 工作面推进的方向上呈现为“三区”分布，其中煤体工作区为煤壁前方的最大压力带，支 架工作区则是煤壁附近压力下降到与工作面支架阻力相适应的区域，而采空区压实区则为 煤壁后方采空区压力逐渐增大趋近于原岩应力的部分。M ．鲍莱茨基利用弹性基础梁弯曲理 论推导出了煤层上方和采空区上方顶板岩层的下沉方程和垂直应力方程【1 4 l6 1 。 2 一 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 国内研究进展 山东科技大学宋振骐院士的“传递岩梁”理论和中国矿业大学钱鸣高院士的“砌体梁” 理论是我国学者在岩层控制领域内取得的诸多国际领先成果中最具有代表性的矿压理论， 两者系统研究了岩层的运动方式，在指导我国煤矿顶板控制工作中起到了非常重大的作 用。 山东科技大学宋振骐院士等人建立并完善了矿压界称之为“传递岩梁”的理论，该实 用矿压理论系统以岩层运动为中心，并由预测预报、控制设计和控制效果判断三部分组成， 该理论系统是通过了大量的现场观测而确定的。 中国矿业大学钱鸣高院士等人提出了“砌体梁假说“ ，该假说基于总结铰接岩块理论 和预成裂隙梁理论、研究断裂岩块间力学关系等。该假说以基本顶运动和巷道来压预报之 间的关系为主要构建内容，认为基本顶随着工作面的推进达到极限跨距断裂后下沉变形， 破碎的岩块相互挤压并因此产生较强的水平推力令岩块之间摩擦咬合形成似梁实拱的砌 体梁或者裂隙体梁三铰拱式的平衡结构。钱鸣高院士在此基础上又提出了采场围岩大小结 构理论并建立了砌体梁关键块体的“S ．R ”稳定理论得出顶板下沉量和支架载荷之间的关 系为双曲线关系【1 7 2 6 1 。 山东科技大学姜福兴教授以“砌体梁”和“传递岩梁”理论与“岩层质量的量变引起 基本顶结构形式质变”的观点为基础提出了三种基本顶的基本结构，包括相当于“砌体梁” 结构的“拱梁”结构、相当于“传递岩梁“ 结构的“梁式”结构和由较软岩层组成的基 本顶的类拱结构三种【27 1 。同时进一步总结提出支架围岩在不同的顶板结构形式中的关系， 并以现场实测、实验室试验和数值计算等方法探索了采动覆岩空间结构和应力场的动态关 系，构建了空间立体力学模型，技术支持对巷道围岩应力、工作面底板应力的评判。 贾喜荣教授、钱鸣高院士、朱德仁教授、刘双跃教授等基于板结构研究了基本顶的稳 定性，其中，贾喜荣教授通过研究顶板岩层的下沉和断裂过程构建了多种支承条件下的薄 板力学模型并创立了采场薄板矿压理论。 陈忠辉教授、谢和平院士等按照工作面顶板在长臂工作面垮落的时空特征建立了薄板 组力学模型，将工作面顶板划分为若干个相互铰接的薄板并以数值方法与弹性力学薄板理 论分析研究了薄板的垮落条件和不同支承条件下薄板的应力和挠度。 史元伟研究员基于弹性薄板及其边界条件解析了工作面两侧已采、四周未采等情况， 从而得出了厚度与边长和应力关系，并且通过M A R X U S 解析修正解得出工作面长度与四边 固支板的断裂步距的关系【2 8 3 1 】。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ．3 ．2 支承压力的成因机理与形成过程研究现状 支承压力的形成与分布规律改变的根本原因是采场上覆岩层的破断运动，即支承压力 是指采场顶板及其上覆岩层等作用于采场支撑煤柱上的载荷分布。 长期以来，人们通过对工作面前方煤体应力场的研究，取得了一系列的研究成果。在 回采工作面，为了解释煤层开采时在采场周围引起的应力场，提出了许多矿压理论，主要 有H a a c k 和S p r u t h t i 提出的拱理论、O ．J a c o b i 提出的塑性移动盆理论、L a b a s s e 建立的预成 裂隙理论、K e g e l 建立的板理论、P o t t s 和W a k k e r 建立的自然平衡拱 压力拱 理论等。 这些理论都从各自的角度阐述了回采工作面前方的“三带”分布情况。 国内影响较大的矿压理论主要有钱鸣高院士提出的砌体梁理论和宋振骐院士提出的 传递岩梁理论，二者是目前矿山压力理论及其控制研究领域中具有代表性，是使采场矿压 研究从假说和模型逐步进入定量化研究的奠基人。砌体梁理论详细分析了老顶结构平衡条 件，提出了判断结构变形失稳和滑动失稳的准则，该理论的前提条件之一是顶板中存在坚 硬岩层或关键层，老顶结构有多个岩块铰接而成。由此得出相应的支架载荷、顶板下沉量 与来压步距等计算公式，从理论上分析了老顶的超前断裂与来压时间和项板下沉速度及支 承压力的扰动关系，使得准确预测预报老顶的来压成为可能。传递梁理论是以岩层运动为 中心，将正常推进阶段的坚硬老顶视为两岩块铰接而成，创立了一套坚硬项板来压预报的 方法，并提出了一套顶板控制设计理论。 钱鸣高院士等人将切向应力分为减压区、增压区和稳压区，其中的增压区即为支承 压力影响区，其边界条件为高于原岩应力5 ％处。第二类方法为将采场前方煤体分为极限平 衡区和弹性区。采后下位岩层形成“煤壁．工作面支架．冒落矸石”支撑体系，而上覆岩层 形成“煤壁．冒落矸石”支撑体系，且上覆岩层的结构主要为半拱式，煤壁所支撑上覆悬露 岩层重量占大部分，而采空区冒落矸石承受重量较小，所以煤壁前方压力远大于YH [ 3 2 , 3 3 】。 浦海等人引入关键层的理论研究表明关键层破断是支承压力峰值从最大值到明显下 降的转折点，且支承压力随老顶的周期来压也呈现明显的周期性【3 4 1 。 高明中等人通过对淮南潘一矿的相似模拟试验分析，采场前方支承压力随工作面推进 出现动态变化现象，支承压力发展变化的过程包括形成、发展、稳定等三部分。支承压力 的动态变化的原因是随时间空间的发展和变化采场后方覆岩的破坏和运动造成的【3 5 】。 宋振骐等人在采场矿压理论的基础上，将支承压力的形成与发展过程划分为五个阶 段 1 从采场推进开始到煤壁支撑能力改变之前，这个阶段，支承压力峰值出现在煤 壁处，呈单调下降态； 4 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 自煤壁支撑能力开始改变至老项岩梁端部断裂前。支承压力在煤体完全破坏的 塑性区时压力上升而在弹性区压力下降，因此峰值处于弹塑性区的交界处； 3 白老顶低位岩梁端部断裂到岩梁中部接触矸石阶段，该阶段内外应力场初步形 成； 4 自岩梁中部接触矸石经过高位岩梁断裂触矸直至推进度达工作面长度至，该阶 段内外应力场范围不断增多，最后达到最大； 5 自推进长度直至停采线结束，该阶段支承压力稳定周期性循环【3 6 1 。 1 ．3 ．3 应力转移 卸压法 国内外研究现状 围岩稳定性控制方法中，卸压法是其中一种主要方法，特别对底鼓较强烈的巷道具有 非常明显的效果。两帮切缝、底板切缝、钻孔、松动爆破、卸压巷道及卸压煤柱等方法是 国内外使用的主要的卸压法。 1 切缝卸压 巷道顶底板切缝和两帮切缝，使应力向围岩深部转移，卸压效果主要取决于切缝宽度、 深度及形状、切缝与开巷时间间隔等； 2 钻孔卸压 两帮打孔和底板打孔是钻孔卸压的主要方法，其卸压机理与切缝类似，都是使应力向 围岩深部转移； 3 松动爆破 通过松动爆破在巷道底板或两帮的煤体或者岩层内人为产生裂隙，卸载围岩的高应 力，使深部围岩承受更大的应力； 4 卸压巷道 开启卸压巷道，在受动压巷道底板岩巷附近对被保护巷道进行卸压。这种控制巷道的 卸压法在实践中证实具有有很强的应用价值； 5 卸压煤柱 煤体在工作面一侧的巷道没有卸压煤柱时因为会受到集中应力的作用而严重地向巷 道内移进，并且因压力过大而使底板产生底鼓。 此时卸压煤柱能够传递压力而并不承受压力，因此当卸压煤柱破碎后即可将作用在其 上面的应力转移到煤体上，从而使巷道变形量减少。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ．4 研究内容与技术路线 1 ．4 ．1 研究内容 论文以大同煤矿集团有限责任公司晋华宫煤矿侏罗纪1 2 4 煤层8 2 1 0 工作面5 2 1 0 巷道 为主要研究对象，具体研究内容如下 1 临空巷道侧向顶板结构分析及矿压显现特征 针对晋华宫煤矿1 2 ”煤层通过现场实测、煤层赋存条件、理论研究等方法，以采矿理 论、材料力学、数值计算和现场实测研究为基础分析临空巷道侧向顶板矿压显现特点和覆 岩运动规律，为安全开采建立了“两硬”大采高综采临空巷道灾害控制模型，提供了可靠 的理论基础。 2 临空巷道矿压实测及煤柱稳定性研究 通过现场实测研究，提出“两硬”大采高综采临空巷道的特有矿压显现规律；针对护 巷煤柱宽度及稳定性进行了较为详细的研究，为大采高临空巷道围岩控制技术提供了理论 与实践依据。 3 临空巷道两帮支护技术研究 针对大采高回采巷道两帮变形特点的研究和具体情况，通过理论分析研究了回采巷道 帮中锚杆的支护机理及影响支护效果的具体因素，给出“两硬”大采高回采巷道两帮支护 的措施。 4 临空巷道底鼓治理研究 在大采高回采巷道底鼓变形特点的基础上研究回采巷道底鼓机理及影响因素，提出 “两硬”大采高回采巷道底鼓防治措施。 5 临空巷道围岩控制技术研究 通过对晋华宫煤矿1 2 4 煤层赋存及开采状况的研究，参照理论研究成果同时加强支护 和底板钻孔卸压，主动控制巷道侧向顶板及覆岩运动参数控制在煤柱可承受范围之内，并 在现场以实测进行验证，以实现煤矿的安全开采。 1 ．4 ．2 技术路线 论文的技术路线为基于传递岩梁和砌体梁理论，通过煤岩体力学参数及地应力测试、 现场实测及数值模拟研究，建立“两硬”大采高采场临空巷道围岩灾害控制模型及煤柱 稳定性模型，分析“两硬”大采高采场临空巷道侧向顶板运动规律及其深化机理，构建“两 硬”大采高临空巷道围岩灾害预防与控制体系，论文研究技术路线如图1 ．1 所示。 6 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图1 ．1 技术路线 F i g ．1 ．1 T e c h n i c a lr o u t e 一7 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 临空巷道围岩破坏实测及煤柱稳定性研究 2 ．1 煤层赋存地质特征 2 ．1 ．1 矿井概述 晋华宫煤矿于1 9 5 6 年1 0 月建设投产，是隶属于大同煤矿集团的大型矿井之一，目前核 定生产能力为4 1 5 万吨／年。此矿井位于大同煤田东北边缘，并有十里河贯穿于其矿区中部。 整个井田南北长1 1 ．4k m ，东西长0 ．5 ～7 ．5k m ，面积约为4 1k m 2 。 2 ．1 ．2 煤层赋存特征 矿区内的主要含煤地层是中侏罗统云岗组与下侏罗统大同组，云岗组含一层煤 1 “煤 层 ；大同组含2 5 层煤，其中1 6 层可采。 _ t ■■■■■| 固 卫 舞＼ L _ u L 儿 丑 0 2 蔫／ ■粤■ ●●I ■| ■■t ‘t 一 ，■■●帕_ ■■目■■l ●■●■d ●●a ∞墨j ■■- ■●t ，■■自■I ，■- ■t ，目■■■●_ ●■■ ●■I ■■■■■■l - 自一．．■●一■i ■E t ，H 日帐■●‘自j 啊日日幢 ●■●l ，h ●d - ●●t ■■■■，d ■■■皓j 目目| ■靠 ■ ●■■，自■■■k ，■■■●■I 口3 ■l ’’It _ ●d q 晦 ，●■峙t ■■■■●H ■ ■■■衲 图2 ．1 综合柱状图 F i g ．2 ．1S y n t h e s i sc o l u m nm a p 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 晋华宫8 2 1 0 I 作面的主采煤层是1 2 煤，是侏罗系中统大同组，其煤层结构简单，赋 存稳定，只有一至二层夹石在西中部发育，单层夹石的最大厚度为0 ．6r n ，煤层总体为单斜 构造，两边厚中间薄，直接顶较薄，中部发育煤层变薄区2 1 0m ，煤层厚度1 ．4 ～3 ．0m ，平 均煤厚2 ．2m 。东部煤层较厚，为3 ．0 “．9m ，平均煤层厚度5 ．6m ，西部煤层变薄区为3 ．0 ～7 ．3 m ，平均厚度5 ．8m ，如图2 ．1 综合柱状图所示。煤层倾角为1 ～1 0 0 ，平均倾角为6 0 。 8 2 1 0 I 作面位于晋华宫矿1 2 煤层4 0 2 盘区8 7 0 水平。该工作面采用沿顶掘进方式的双 巷布置；工作面顺槽走向设计长度为17 4 0m ，可采走向长度为17 0 0m ，工作面倾斜设计 长度为1 6 3 ．7m ，采高为1 ．4 ～7 ．3m ，平均为5 ．5m ，停采位置距盘区回风巷4 0m ，盘区的巷 道煤柱宽均为2 0m 。 2 ．1 ．3 工作面位置及井上下关系 表2 ．1 工作面位置及井上下关系 垒 兰 垒 皇Q 竺坐 翌gP 竺 i i 竺翌塑垒 垒呈型呈 堡 箜i 旦翌 垒i 巳 皇坐里呈翌 垒呈竖P 呈 竺垒 Q 坚皇 水平名称8 7 0 水平采区名称4 0 2 盘区 地面标高／m 地面相对位置 回采对地面设施的影响 井下位置及与四邻关系 走向长度／m 11 5 5 ．1 ／12 4 3 ．1 工作面标高／m 8 1 4 ／9 1 6 校尉屯村焦炭厂南部，晋华宫火药库北部 对五九公路和晋矿服务公司兴旺庄煤矿工业广场 东至8 7 0 大巷，南邻8 2 1 2 工作面采空区，西至盘区辅助皮带巷，北部为 主体 17 0 0 倾斜长度／m 1 6 3 ．7 面积／m 2 2 8 22 0 0 2 ．1 ．4 巷道布置形式 南山井的1 2 “层4 0 2 盘区8 2 1 0 I 作面为倾向长壁后退式综合机械化采煤法，双巷布置见 顶掘进，沿1 2 “层煤层倾向布置；沿1 2 “层煤层走向布置工作面切眼，见顶掘进；头尾两巷 和工作面切眼均为矩形断面。 2 2 1 0 巷 头巷 为机轨合一巷，主要用途为铺设皮带、停放电气列车兼进风，断面规 格是宽5 ．0m 高3 ．5