动压巷道围岩破坏机理及其控制研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 动压巷道围岩破坏机理及其控制研究 姓名许岩 申请学位级别硕士 专业桥梁与隧道工程 指导教师惠兴田 20090515 文章题目 专业 硕士生 指导教师 动压巷道围岩破坏机理及其控制研究 桥梁与隧道工程 许岩 签名 惠兴田 签名 摘要 巷道围岩应力状态与矿井开拓布置以及煤柱留设尺寸有关。巷道布置方式、围岩的 力学性质和结构特征以及次生应力状态等决定着巷道矿压显现的特征。传统的回采工作 面设计方法是在巷道布置中将相邻工作面留设1 5 ～3 0 米的保护煤柱，但这样会造成煤 炭资源的严重浪费。因此在动压条件下采用合理的煤柱尺寸和巷道支护方案，有着重要 的现实意义。 本课题以韩城矿务局象山煤矿为工程背景，采用理论分析、数值计算和现场观测论 证相结合的研究方法，从现场观测入手，分析研究了动压巷道围岩变形规律；通过分析 动压巷道围岩变形破坏机理，确定动压巷道围岩的控制原则；通过F I A C 3 D 数值模拟软 件，分析工作面回采不同时刻及不同煤柱宽度下巷道围岩在主应力分布、塑性区扩展及 位移的变化情况；在分析锚杆索控制围岩机理的基础上，根据具体巷道的实际地质条件 进行支护参数设计，并通过数值模拟，对设计巷道的支护参数进行检验；通过现场实测， 对锚网索支护进行监测反馈。 本课题结合象山煤矿1 1 5 0 2 采区实际情况，以研究成果指导生产实践，优化煤柱宽 度，采用锚网索支护，并对优化参数后的经济效益进行分析。监测结果表明受采动影 响和移动性支承压力的作用，巷道矿压显现表现出一定的周期性；煤柱宽度为7 m 时， 巷道处于应力降低区，且避开了侧向支承压力高峰区；根据自稳隐形拱理论提出的锚网 索支护方式，解决了原有的工字钢支护不足的地方，提高了煤矿的经济效益。该课题的 研究为动压作用下巷道围岩稳定性研究、煤柱优化设计与巷道支护设计提供了科学依据 和实践经验。 关键词动压；数值模拟；煤柱宽度；侧向支承压力；矿压显现 研究类型应用研究 S u b j e c t R e s e a r c ho nF a i l u r eM e c h a n i s ma n dC o n t r o lT e c h n o I o g yo f S u r r o u n d i n g R o c l ‘si nD y n a m i cP r e s s u r eR o a d w a y S p e c i a I t y B r i d g ea n d ’I 、l n n e Ie n g i n e e r i n g N a m eX uY r a n I n s t r u c t o r H u iX i n g t i a n A B S T R A C T S i g n a t ur e s i g n a t u r e 丝 纽 竺 T h es 仃e s ss t a t eo fr o a d 、Ⅳ习l yi s 世I e c t e db yt 1 1 em i n ee x p l o i td i s p o s a la r l dc o a lp i l l a r d i m e n s i o n ．R o a d w a yd i s p o s a lm 黝e r ，m e c h a I l i c a lp r o p e r t i e sa I l ds t ] m c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h e s u r r o u l l d i n gr o c k 甜l d Ⅱl eS c c o n d a r ys t r e s s s t a t ed e t e m l i n e st l l e p r e s s u r cb e h a V i o r c h a r a c t e r i s t i c ．I ti sm u s tw 嬲t et h ec o a lr e s o u r c et h a tl e R2 0 3 0 mc o a lp i l l a r ．1 h e r e f ．o r eh o wt o a d o p tr e 嬲o n a b l es i z eo fc o a lp i l l a r sa n dr o a d 、v a ys u p p o r tp r o g r 锄o nt h ed y l l 锄i cc o n d i t i o l l s i si m p o m u l t ． T 1 1 i st o p i c ，b a s e do ne n g i n e e r i I l gb a c k g r o u n do fX i a I l g s h a nm i n i n ga r e ％H a I l c h e n g ， m a k e su s eo ft h em e m o dw 晡c hi sb a S e d0 nt h e o r e t i c 钔锄a l y s i s 锄dS p o to b s e r v a t i o nt 0 r e s e a r c h ；A c c o r d i n gt 0 o b s e r v a t i o no nt 1 1 e1 0 c a l e ，Ⅱ1 ep a p e r 跚l y s e sa I l dr e s e a r c h e s d e f o m a t i o nl a wo fr o a d l ，a yu n d e rd y n a m i cp r e s s u r e ；T h ep 印e ru s em en 啪e r i c a ls i m u l a t i o n s o f h V a r e 肌a J y s i st l l ed i s t r i b u t i n go fm a i nS t r e s s ，m ed e V e l o p m e n tt oP l a S t i cz o n ea n dt t l e d i s p l a c e m e n to fs u r r o u n d i n gr o c ko fd i 虢r e mt i m es e g m e n ta sw e Ua sd i f I ’e r e n tc o a lp i l l a r 嘶d t h ．B a S e do na 1 1 a l y s i sf o rm e c h a I l i s mo fb o l t i n g 诵t h 诚r em e s h e sa I l dc a b l e sc o n t r o l l i n g r o c ka r o 吼dr o a d 袱t y ，a n dc l a s s i f i c a t i o no nr o c ka r o u n ds p e c i f i cm a d w a ya 1 1 dc o n t r o l l i n g p r i n c i p l e s ，g o e so nd e s i g no fs u p p o I r t i n gp a r i l m e t e r s ；T h r o u g hn 啪e r i cs i m u l a t i o n ，g o e so n c h e c ku ps u p p o r t i n gp a r 锄e t e r so fr o a d w a yd e s i g I l i n g ；U t i l i z i n go b s e r v a t i o no nt h el o c a l e ， g o e so nm o I l i t o r i n g 锄df e e d b a C ko fb o l t i n g 、 r i m 丽r en l e s h e sa n dc a b l e s ． C o m b i n e dw i t ht h es u b j e c to f1 l5 0 2c o a lm i n i n ga r e 如t m st o p i cm a k e su s eo fr e s e a r c h r e s u l t st oi n s t m c tp r o d u c t i o n ，o p t i m i z i n gt 1 1 ed i m e n s i o no fc o a lp i l l 甄a d o p tb o l t i n gs y s t e m ， 锄da I l a l y s i sm ee c o n o m i cb e n e f i t s ．M o 血t o r i n gr e s u l t ss h o wt h a t A f I ’e c t e db ym i I l i n ga 1 1 d m o b i l es u p p o r to ft h ep r e s s u I ．e ，m i l l i n gp r e s s u r ep e r f ．o m sc e r t a i nc y c l i c a l ；T h er o a d w a yl o c a t e i nl o ws 缸- e s sa r e aa I l da V o i dl a t e r a ls u p p o n i n gp r e s s u r ez o n eW h e nt h ec o a Ip i l l a rw i d mo f7 m ； T h eb o l t i n gs y s t e mw h i c ha C c o r d i n gt om et 1 1 e o r i e so fs e l f 二S t a b i l i z e dh i d d e na r c hs 0 1 V e st 1 1 e p r o b l e mt h a tI - s t e e lc 2 u l ’tp l a yag o o ds u p p o r t i n gr o l e ．I ta l s oe n h a n c e se c o n o m i ce f f i c i e n c y ． T } l i st o p i cp r o V i d e sas c i e n t i f i cb a S i sa n dp r a c t i c a le x p e r i e n c ef o rt h es t u d yo ns u l l r o u n d i n g r o c ks t a b i l i t ，u n d e rt h ed y n a r r l i cp r e s s u r e ，o p t i m a ld e s i g no fc o a lp i l l a ra n dd e s i g no fr o a d 、V a y s u p p O ns y s t e m ． K 则o r d s D y n 锄i cp r e s s u r e N 啪嘶c a ls i m u l a t i o nC o a lp i l l a rd i m e n s i o nL a t e r a l s u p p o r t i n gp r e s s u r eM i I l i n gp r e s s u r eb e h a V i o r T h e s i s A p p l i c a t i o nR e s e a r C h 压妻钳技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究T 作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文巾加以标注和致谢的地方外，论文t l J 不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使J 甘过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名评岩 日期 2 l ，9 尸．，肜 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章，‘律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适』f j 本声明。 学位论文作者签名 ‰耘 指导教师签名 力J ’7 年j 7 月2 口日 1 绪论 1 ．1 研究背景、研究目的及意义 1 绪论 我国是一个产煤大国，资源丰富，煤炭在我国国民经济发展中占有重要地位，占一 次消耗能源构成的7 0 ％以上，不仅是主要能源，同时又是主要化工原料。据预测，到 2 l 世纪中叶以前，煤炭仍是我国的主要能源之一，煤炭作为我国的主要能源，在国民经 济建设中具有重要的战略地位【I J 。 综采放顶煤在世界范围内作为一种新的采煤方法，己经有3 0 多年的历史。近年来， 这种方法以其掘进率低，效率高，适应性强及易于实现高产等明显的优势，在我国得到 了迅速发展和广泛应用。但是，综放开采仍存在许多问题，如工作面采出率、采区采出 率偏低，煤炭损失比较严重掣。2 ’。 随着煤炭回采工作面不断地向前推进，煤炭大量采出，打破了采区原岩应力静态的 平衡状态。巷道在掘进过程中，多数处于原始应力场中的静压状态，一旦受到周围的采 动影响，在各种集中压力作用下，改变了原岩应力场中的静压状态，应力值突然增大， 导致巷道围岩应力的再次或多次重新分布。巷道原有静压状态下稳定平衡被打破，围岩 发生显著变形位移和压力增大，需要经过应力重新分布达到新的平衡，巷道围岩才能重 新稳定下来。如果巷道处于不稳定岩体中，就会给巷道围岩控制、支护及维护带来非常 大的困难【3 ’4 l 。因此，了解煤层底板应力的重新分布规律，掌握采动破坏特征，研究综放 开采采准巷道护巷煤柱稳定性和护巷煤柱宽度确定方法，使煤柱的留设有利于巷道的维 护，以尽量减少煤炭的损失，对提高综放开采的采区回采率非常重要。 另一方面，综放工作面上、下两巷的支护形式和维护状况也直接关系到综放工作面 的产量、效率、采出率的提高和安全状况的改善。在动压作用下巷道变形状况是矿压控 制的重点，在上区段采面动压下的轨道巷矿压控制更是重中之重。巷道受采动影响后， 围岩的强度和稳定性将进一步降低。如果巷道的支护不能适应采动影响带来的应力变化 的情况，或者没能及时采取相应的加固补救措施，则巷道会受到不同程度的破坏，或断 面变形，或围岩松动失稳，影响巷道的正常安全使用。通过多次现场调研发现，由于象 山煤矿的地质条件比较复杂，其采用的工字钢棚支护方式已经不能满足巷道的变形。巷 道经常发生片帮，冒顶等现象。巷道维护费用高，工人劳动强度大，支护效果差。因此， 必须摸索和采用一种新的支护方式来加强巷道的支护，以保证整个生产过程的安全1 5 ’6 J 。 正是在这样的条件下，作者以陕西省韩城市象山煤矿为研究背景，以理论联系实际， 理论研究结果在实践中得到检验验证，获得验证的理论又用于指导实践的总体思想原 则，采用现场调研，室内数值模拟，巷道围岩变形监测等综合手段，对北一采区1 1 5 0 2 西安科技大学硕士学位论丈 综放工作面采矿巷道的变形机理、支护效果进行了数值模拟研究，提出了较为合理的煤 柱尺寸及巷道支护参数。对于从理论上进一步研究巷道围岩变形机理，指导象山煤矿生 产实际具有十分重要的意义，同时对于类似工程也有着重要的借鉴作用。 1 ．2 国内外窄煤柱护巷研究动态和发展趋势 1 ．2 ．1 国外研究情况 美国、澳大利亚、英国、前苏联是世界主要产煤国家，这些国家大多不采用综放， 也不采用沿空掘巷，而是采用区段宽煤柱护巷【7 】o 上世纪初期，美国的采煤方法以房柱式开采为主。长壁式开采法直到上世纪6 0 年代 才被引进到了美国。美国的煤矿一般被为私人所有，为了追求最大的采出率，他们十分 注重煤柱尺寸的合理性。通过研究分析，他们得到了煤柱的强度受煤柱尺寸、内部结构、 围压以及动态载荷控制的结论。与此同时，锚杆和金属网联合支护的方式也在很多地质 情况复杂的矿得到了应用和发展№J 。 澳大利亚也是主要的产煤国家，为防止地表下沉和破坏地表生态环境，他们在一些 矿采用留设煤柱的方法来支撑顶板。与美国不同，他们主要采用的方法是在条带开采中 留设煤柱，这就更需要研究采宽和煤柱留设比之间的关系1 9 J 。 另外，波兰和前苏联也是从事窄小煤柱研究的国家。我国的很多采煤技术都来源于 前苏联。为了节约煤炭资源，提高采出率，他们对煤柱的留设问题做了非常深入细致的 研究【l o J 。通过研究科学家发现，在传统的2 0 ～3 0 m 的煤柱尺寸上减小煤柱尺寸，不仅同 样能支撑顶板，而且还能防止采空区的水和瓦斯窜入巷道，提高回收率，减少巷道维修 等。 欧美发达国家正是通过这些技术的推广和应用，提高了煤炭资源的回收率，保证了 生产系统的安全性。同时新技术的应用也使美国和澳大利亚成为世界上先进的煤炭资源 生产国家，为两国的经济发展做出了巨大的贡献I l 。 1 ．2 ．2 国内研究情况 中国运用计算煤柱宽度的理论来源于英国的A ．H ．威尔逊 A ．H ．W i l s o n 煤柱设计公 式。A ．H ．威尔逊的主要贡献在于提出了煤柱两区约束理论 或称渐进破坏理论 ，给出 了三向应力状态下煤体的极限强度简化计算式，并通过实验确定了煤柱屈服区宽度，在 此基础上推导出煤柱承载能力的计算公式【l2 1 。 在区段煤柱的研究上，中国矿业大学的侯朝炯研究了回采时综放沿空巷道与上覆岩 体大、小结构之间的关系，得出了沿空巷道的掘进对围岩大结构没有太多影响，而围岩 小结构的稳定性取决于合理确定沿空侧护巷窄煤柱的宽度和锚杆支护对围岩强度的强 2 1 绪论 化程度。如果能够保持窄煤柱的稳定性和锚杆锚固的可靠性，应使煤柱的宽度尽可能小 些；而锚固强度取决于锚杆的支护预紧力和支护强度的大小以及对C ，C ，Q ，Q 木提高 的程度【1 3 J 。 安徽理工大学的常聚才研究了不同宽度煤柱巷道应力场特征。他发现不同煤柱宽度 时，煤柱内和巷帮实体煤内应力大小随煤柱宽度的不同而变化。随煤柱宽度的增加，煤 柱内垂直应力峰值在逐渐增大，而巷帮实体煤内的垂直应力峰值则逐渐减小。这说明随 煤柱宽度的增加，煤柱承载能力逐渐提高，而巷帮实体煤内的应力有逐渐向煤柱转移的 趋势。当煤柱宽度达到一定值时 如1 5 m ，煤柱内和巷帮实体煤内的应力峰值大体相等， 这时煤柱和巷帮实体煤都同时承受着较大的应力峰值；而煤柱宽度进一步增大后 如 2 0 m ，煤柱内的应力峰值大大超过巷帮实体煤内的应力峰值，煤柱起主要承载作用【l4 1 。 鸡西矿业集团新城煤矿的张敦山认为窄煤柱巷道采用锚杆支护时，为使窄煤柱与锚 杆之间具有有效的相互作用，同时护巷煤柱具有尽可能高的支撑能力，保证巷道围岩的 整体稳定，护巷煤柱宽度在3 ～5 m 较为合适。深部开采的窄煤柱回采巷道，只要煤柱尺 寸及锚杆支护参数科学合理，是完全可以保证巷道围岩的稳定和生产的安全，而且可大 大改善工作环境，减少煤炭资源的损失，取得明显的技术及经济效益【l5 1 。 西安科技大学的奚家米神华宁夏煤业集团公司石炭井二矿发现 1 根据风巷监测 结果分析，结合数值模拟，同时考虑煤炭回采率和石炭井二矿生产实际，建议石炭井二 矿合理煤柱宽度为1 0 ～1 2 m 。 2 现场实测结果与数值模拟计算结果基本吻合，数值模 拟软件因具有模拟不同地质条件、不同煤柱宽度甚至不同支护强度下煤柱的受力、变形 等状况，在煤柱宽度设计中具有很强的优越性【l 6 。。 湖南科技大学朱川曲根据围岩稳定性的影响因素主要有围岩强度、煤层强度、巷道 埋藏深度、围岩节理裂隙发育程度、采动影响、顶煤厚度、煤柱宽度、巷道断面等影响 因素的隶属函数，建立综放沿空掘巷围岩稳定性分类模型，作为综放沿空掘巷的支护方 式、支护参数的合理选择及施工和管理科学依据【l 7 。。 窄煤柱护巷能否保证巷道围岩的稳定，关键在于窄煤柱尺寸的大小和巷道的支护形 式能否使巷道围岩形成具有一定承载能力的支护整体。在实践运用窄煤柱护巷时，若煤 柱尺寸选择不当，就会造成适得其反的效果。在现场以往对小煤柱的合理尺寸选择，通 常采用工程类比法与矿压观测相结合，并通过大量地实践摸索，才能最终确定最佳煤柱 宽度。 1 ．3 国内外巷道支护研究动态和发展趋势 1 ．3 ．1 国外研究情况 十九世纪以来，人们开始逐渐认识锚杆并应用到采矿工业中。特别是美、澳等国由 3 西安科技大学硕士学位论丈 于煤层埋藏条件较好，加之锚杆支护技术不断发展和日益成熟，因而锚杆支护在这些国 家使用很快普及，今天在煤矿巷道的支护比重中几乎达到了1 0 0 ％。西欧、中欧一些主 要产煤国家，过去巷道中主要采用金属支架支护，随着巷道维护日益困难和支护成本的 增加，各国均在积极发展锚杆支护【l 引。 锚杆支护技术发展较快的是英国。1 9 8 7 年以前，英国煤矿巷道支护9 0 ％以上采用金 属支架，而且主要是矿工钢拱形刚性支架。由于回采工作面单产低、效率低、巷道支护 成本高，因而亏损严重。为了摆脱煤炭行业的这种困境，在巷道支护方面，积极发展锚 杆支护1 1 9 】。但由于种种原因，没有取得突破性的进展。直到1 9 8 7 年，英国从澳大利亚引 进了成套的锚杆支护技术，一举扭转了过去的被动局面，煤巷锚杆支护技术得到迅猛发 展，在5 年间巷道支护中所占的比重已达到8 0 ％以上。通过发展煤巷锚杆支护，矿井产 煤成本和巷道支护费用显著降低，巷道掘进速度得到了大提高，支护质量和安全条件得 到了很大改善i 2 ⋯。 德国是U 型钢支架使用最早、技术上最为成熟的国家。自1 9 3 2 年发明U 型钢支架以 来，U 型钢支架发展迅速。支护比重很快达到9 0 ％以上。从井底车场一直到回采工作面 两道均使用U 型钢可缩性支架。但是8 0 年代以来，随着矿井开采深度日益增加。矿井机 械化开采程度提高而引起巷道断面的不断扩大。使得巷道围岩变形量增加，维护日益困 难。面临这种困境，德国采用不断增加金属支架的型钢重量、逐步减小棚距的做法、这 不仅使巷道支护费用增高、而且施工、运输更加困难和复杂。即使如此，巷道维护困难 的状况仍然难以改观，于是寻求成本较低、运输和施工简单方便、控制围济变形效果较 好的锚杆支护变得尤为重要。到8 0 年代初期，锚杆支护经在鲁尔矿区试验成功后获得推 广。现已应用到千米的深井巷道中，并且取得了许多有益的经验1 2 。 法国煤巷锚杆支护的发展也很迅速，到1 9 8 6 年其比重已占到5 0 ％。在采区巷道支护 中同时发展金属支架、锚杆支护、混凝土支架的俄罗斯，锚杆支护的发展也引入瞩引2 2 1 。 他们研制了多种类型的锚杆，在全国第一大矿区一库兹巴斯矿区巷道支护中大量应用。 锚杆支护技术作为一种地下工程围岩的维护方法已经得到了无可非议的广泛认同。 1 8 7 2 年英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡；1 9 1 2 年德国谢列兹矿最先在井 下巷道采用锚固技术；1 9 1 1 年，美国A b e r s c h l e s i n 和肼e d e n s 煤矿首先使用岩石锚杆支护 巷道顶板；1 9 1 8 年美国西利西安矿的开采首次采用了锚索支护。以后锚固技术的应用范 围开始扩大。1 9 3 4 年阿尔及利亚的C h e u r f 瓠大坝的加高工程首次采用了1 0 0 0 0 k N 级预应 力锚杆为抗倾覆锚固，这是世界上第一例采用预应力锚杆加固坝体，并获得成功的工程 实例【2 3 】。 1 ．3 ．2 国内研究情况 5 0 ～6 0 年代，以钢丝绳水泥砂浆锚杆为代表，锚杆没有托板 盘 ，锚杆相互间缺 4 1 绪论 乏联系，在这种情况下，锚杆只起悬吊作用，被动承载而不与围岩共同作用。当时由于 盲目扩大这类锚杆的应用范围，致使部分井巷冒顶失修，实际上阻碍了锚杆支护的发展。 5 0 年代后期，当时京西矿务局、河北龙烟铁矿和湖南湘潭锰矿等使用了锲缝式锚杆支护 矿山巷道【2 4 1 。 进入6 0 年代，除了矿山巷道之外，我国开始在铁道隧道、边坡工程、水库大坝和地 下工程等大量采用锚固技术。1 9 6 4 年安徽梅山水库首次采用了3 0 ～4 7 m 的预应力锚索加 固坝基，提高坝基抗滑稳定性。7 0 年代开始在深基坑支挡工程中采用了土层锚杆，先后 有北京国际信托大厦、王府井宾馆、京城大厦、上海太平洋饭店、上海展览中心和沈阳 中山大厦等基坑工程采用了土层锚杆维护【2 5 。。 在煤矿，1 9 6 0 年以后锚杆支护开始进入采区，但由于煤层巷道围岩松软，受采动影 响后围岩变形量很大，对支护技术要求很高，加之锚杆支护理论、设计方法、锚杆材料、 施工机具、监测手段等还不够完善，因而发展缓慢。1 9 9 5 年国有重点煤矿当年新掘巷道 中锚杆支护所占比重为2 8 ．1 9 ％，其中岩巷中占5 7 ．2 ％、半煤岩巷中占3 0 ．0 7 ％，煤巷中占 1 5 ．1 5 ％。从上述数字可以看出，锚喷支护已经成为岩巷支护的主要形式，煤巷、半煤岩 巷中所比重还很低，而且主要使用在条件比较简单的I 、I I 、I I I 类回采巷道，条件比较 复杂的Ⅳ、V 类回采巷道还处于试验、总结经验阶段或者采用锚杆与其他支护的联合支 护形式，因此，在煤巷、半煤岩巷中发展销杆支护还有很大潜力。煤巷与岩巷不同之处 在于煤巷围岩比较松软，在采动影响下巷道围岩变形十分剧烈2 6 1 。 7 0 ～8 0 年代，国家“七五”和“八五”科技攻关将锚杆支护定为软岩巷道支护的主攻方 向之一，使锚杆支护技术有了新的发展，进入了以钢带网和锚梁网为代表的组合锚杆支 护阶段【2 ‘7 1 。尽管这一阶段开发了多种结构形式的锚杆，如各结构形式的可拉伸锚杆等， 但仍以水泥药卷钢筋锚杆为主。这一阶段虽然也提出了锚杆应施加预紧力问题，然而规 定的数值偏低，施工中缺乏保证，因而围岩和锚杆体系仍不能共同协调承担载荷，固岩 和锚杆易被“各个击破”，限制了锚杆支护的进一步扩大应用【2 引。 澳大利亚先进锚固技术与理论在我国的实地演示，以及由煤科院北京开采所、建井 所、上海分院和中国矿业大学与邢台矿务局联合对原煤炭部“九五”重大科技攻关项目 邢台矿务局煤巷锚杆支护成套技术研究的攻关，在设计方法、锚杆材质、监测仪器、 单体锚杆钻机、快速安装、部分复杂困难条件的煤巷锚杆支护技术等6 个方面共1 5 个研 究子项目中，取得了一批代表国内领先水平的研究成果，使我国煤巷锚杆支护技术水平 上了一个新台阶，步入了一个新的发展阶段1 2 圳。 5 西安科技大学硕士学位论文 1 ．4 本课题主要研究主要内容及研究思路 1 ．4 ．1 主要研究内容 根据本课题国内外的研究现状以及所提出的问题，本文采用现场实测、相似模拟和 数值计算相结合的方法，主要研究以下内容 1 通过深入了解巷道开挖和支护的施工过程及各个监测环节，对综放开采矿压 观测资料的进行认真的整理，分析动压巷道的矿压显现规律以及综放面顶板运动规律， 总结动压巷道围岩破坏基本特征和规律； 2 利用数值模拟和力学基础理论，研究动压巷道破坏的机理； 3 通过理论分析和数值模拟，研究综放开采动压巷道围岩应力及变形破坏特征 与煤柱宽度之间的关系，确定合理的保护煤柱宽度。 4 现场试验研究，根据理论分析和数值模拟的研究结果，提出合理的支护对策， 进行现场工业性试验，观测综放面动压巷道的变形破坏规律，检验动压巷道支护设计方 案的合理性。 1 ．4 ．2 主要研究思路 1 资料整理通过现场试验，认真收集工程资料以及国内外相关文献； 2 理论分析运用弹塑性力学、岩体力学理论，结合工程实践，采用理论推导、 数理统计等方法，对综放开采回采巷道的顶板运动规律及矿压显现特点分析、研究。 3 数值模拟对地质资料进行深入分析，了解围岩和支护结构的特性，在F L A C 3 D 提供的本构型中选取合适的模型，必要时对F L A C 3 D 进行二次开发，加入具有特定性质 的本构模型。通过数值模拟分析，进一步研究不同宽度区段煤柱、采动压力对巷道稳定 性的影响，确定最为合理的支护方式及其参数； 4 现场监测通过现场工业试验，论证本课题研究方法的科学性及适用性。 1 ．4 ．3 研究方法及技术路线 本课题拟从巷道围岩结构分析入手建立工作面顶板及巷道围岩的结构力学模型，采 用力学知识及数值模拟的方法研究其运动在时、空间上的相互关系，并通过实验及现场 观测结果进行验证。 6 2 动压巷道围岩受力特征及破坏机理 2 动压巷道围岩受力特征及破坏机理 准确认识动压巷道的矿压显现规律及其稳定性特征是有效进行巷道围岩控制的前 提。巷道布置方式、围岩的力学性质和结构特征以及次生应力状态等决定着巷道矿压显 现的特征，是决定巷道围岩稳定性的三大重要因素，也是巷道围岩稳定性研究的三大主 要内容【3 0 1 。围岩结构特征决定着动压巷道的矿压显现特征，而围岩的赋存特征即几何、 力学特征决定着围岩的结构特征。本课题依据现有较成熟的相关岩石力学理论成果以及 巷道围岩结构力学模型讨论动压巷道围岩中的应力、变形及破坏等矿压显现的力学机 制，分析动压巷道围岩稳定状态的变化规律，为探讨合理的动压巷道围岩控制途径及方 法创造条件。 2 ．1 动压巷道围岩受力特征 2 ．1 ．1 区段煤柱巷道布置方式 巷道在整个服务期内要受到掘进、回采及时间等因素的影响，且不同阶段两帮煤体 所处的几何及力学状态也不尽相同。根据巷道的布置位置及方式的不同，其在服务期限 内所受的采动应力也就不同【3 l J 。按照巷道与采空区的相对位置关系，下面将回采巷道分 为三类 1 位于未经采动的煤体内，即巷道两侧均为煤体，称为“煤体～煤体”巷道，如 薄、中厚煤层和厚煤层上分层的区段运输巷一般都属于这类巷道。“煤体～煤体”巷道长 期处于原岩应力场内，只在临近回采工作面时处于应力增高区内，支承压力峰值通常位 于距煤壁2 ～5 倍采厚处，其应力增高系数通常为2 ．5 ～3 ，由于巷道随工作面回采而报 废，巷道在应力增高区内的维护时间一般仅2 0 ～3 0 天，所以巷道维护较容易。 2 上区段已采完且采动影响稳定后掘进的下区段回风巷，即巷道一侧为煤体， 另一侧为已稳定的采空区，称为“煤体～煤柱 采动稳定 ”巷道。这种布置的回风巷不 受上区段的回采影响，但在采掘安排上需采取相邻区段间隔回采等措施。长期处于侧向 支承压力引起的应力增高区内，它的应力增高系数与护巷煤柱宽度有关，在煤柱宽度为 2 0 m 左右的条件下，一般为1 ．5 ～1 ．8 。巷道临近回采工作面时，由于回采引起的支承压 力与侧向支承压力叠加在工作面前方5 0 ～1 0 0 m 处，应力增高系数显著增长，在工作面 附近通常要高达4 ～5 ，巷道维护一般都较困难。 3 下区段的回风巷与上区段的运输巷同时掘出，或者在上区段回采过程中，掘 进下区段回风巷，即巷道一侧为煤体，另一侧正在回采，称“煤体～煤柱 正采动 ”巷道。 这种布置方式的回风巷要受相邻区段的采动影响。上区段正在回采而为下区段准备的回 7 西安科技大学硕士学位论文 风巷的围岩应力分布，在上区段工作面前方类似工作面运输巷的围岩分布情况，在工作 面后方约2 0 m 处，应力增高系数达到最大，其值取决于煤柱宽度，一般为2 ．5 ～3 ，在工 作面后方约1 0 0 m 以外，应力增高系数逐渐下降到1 ．5 ～1 ．8 ，由于巷道经受二次采动影 响，长期处于支承压力增高区内，较难维护。影响巷道围岩破坏范围的因素主要有围岩 的物理力学性质、埋深、巷道的服务时间及受采动影响的程度，其中采动应力影响的表 达是非常困难也是至关重要的，一般可用采动应力影响集中系数来反映采动应力影响的 程度。 2 ．1 ．2 次生应力分布 开采时会引起应力的重新分布。由于开采活动对原岩应力场产生扰动，由此产生的 应力状态成为次生应力状态【3 引。 开采活动的类型不同，对地应力场产生的扰动规模和程度也不同。开采活动的次生 应力可能远远大于或远远小于原岩应力，由此产生盈利的集中或释放。就煤矿开采而言， 开采活动主要为巷道掘进和工作面回采。 1 巷道掘进引起的次生应力 巷道开挖后改变了围岩的原岩应力状态，引起应力的重新分布。由于巷道开挖后引 起应力的重新分布，垂直应力向两帮转移，形成垂直应力在两帮集中的现象；水平应力 向顶、底板转移，形成水平应力在项、底板集中的现象。因此，垂直应力的影响显现于 两帮煤体，而水平应力的影响则主要显现于顶、底板岩层。 2 工作面回采引起的次生应力 工作面回采后，引起顶板垮落及上覆岩层的移动，围岩的应力状态重新分布，围岩 的力学性质如岩石的强度、层面的力学特性等与未受采动前相比发生了根本性的变化， 这是引起巷道变形破坏的根本原因之一。巷道围岩力学过程的发生、发展与巷道围岩次 生应力状态变化密切相关。 随着长臂工作面推进而形成采空区，长臂工作面周围开始出现垂直应力集中。由于 上覆岩层的重量由采空区和周围的实体煤承担，因此在实体煤的边缘存在一个过渡区。 在这个过渡区内，上覆岩层还没有下沉到完全由采空区承担其重量的程度。这一过渡区 的上覆岩层荷载便由实体煤的边缘部分承担，从而给这部分煤体增加额外的荷载，这部 分荷载成为垂直集中荷载 或垂直支承压力 。 长臂工作面的垂直应力的大小在沿工作面长度方向的不同位置有所差异。对于超临 界宽度以上的工作面，其中部的垂直应力不受工作面两侧区段煤柱的影响，工作面前方 的支承压力在工作面长度中部达到最大值，并且由原岩垂直应力和采空区的悬顶所引起 的附加荷载组成；对于亚临界宽度以下的工作面，工作面中部的垂直支承压力低于最大 值，因为工作面的垂直应力重新分布还会受到临近工作面采空区残余支承压力的影响。 8 2 动压巷道围岩受力特征及破坏机理 根据长臂工作面的推进方向与最大主应力方向的关系，水平应力可能会在长臂工作面两 端产生应力集中，并会朝向采空区方向产生水平应力释放。 2 ．1 ．3 巷道围岩结构特性 中国矿业大学的侯朝炯教授认为，大结构是指巷道较大范围的围岩结构，包括项煤、 直接顶、老顶和作用在老顶上的载荷岩层；小结构是指巷道周围锚杆组合支护以及锚杆 与围岩组成的锚固体。在采动影响下，大结构范围内岩层的变形移动，包括老顶关键块 的回转下沉，必然影响到小结构的稳定性，在大结构从稳定到围岩应力和变形的调整变 化过程中，必须采取一定的措施来保持小结构稳定【3 3 J 。 a 动压巷道 煤柱上区段采空区 b 图2 ．1 动压巷道与上覆岩层的关系图 动压巷道是在上一区段开采以后，上区段综放工作面采空区冒落矸石还未完全稳定 的条件下进行开掘的。动压巷道掘进期间上覆岩层结构平面及剖面如图2 ．1 所示。可以 看出，当上区段回采时，随着工作面的不断往前推进，在其侧向与下工作面连接处，老 顶发生破断，形成弧三角形板B ，岩块B 的一端回转后在采空区触矸，另一端在下区段 的煤壁里面断裂。岩块B 虽有一定的回转下沉，但它与岩块C 、岩体A 互相咬合，形