深井沿空掘巷时空关系及支护技术研究.pdf

论文题目 深井沿空掘巷时空关系及支护技术研究 作者姓名 专业名称 指导教师 点越 采芷王捏 盏监 论文提交日期 论文答辩日期 授予学位日期 入学时间 研究方向 职称 2 Q 曼生且 三蛆星生6 止■■■■●■■■■●■■■■■●●■_ 虬蒯L T H ED E E PW E L LG O B ．S I D EE N T R YD R I V I N G ’SS T U D Yo NT E M P o R A L ．S P A T I A LR E L A T I O N S H I PA N DI T S S U P P O R TT E C H N o L O G Y AD i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t so ft h ed e g r e eo f M 【A S T E RO FE N G I N E E R I N G S h a n d o n gU 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 b y L uW e n b i n S u p e r v i s o r P r o f e s s o rY a n gY o n g j i e C o l l e g eo fN a t u r a lR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g J u n e2 0 1 5 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。 日期汐U ．D 6 Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ， s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h e a w a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ， i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e ．T h ed o c u m e n th a sn o t b e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i ci n s t i t u t e ． S i g n a t u r e D a t e 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着浅部煤炭资源越来越少，目前煤矿开采逐渐转入深部。留小煤柱沿空 掘巷技术经过不断地发展和完善，己成为实现矿井安全高效生产的重要技术途 径。沿空掘巷必须在低应力区及项板运动稳定后开挖，因此，研究深井沿空掘 巷的时空关系及支护技术，对于煤矿安全生产及缓解采掘接续紧张问题具有重 要意义。 本文以孔庄煤矿I V l 采区7 4 3 2 综放面为工程背景，通过理论分析、计算机 数值模拟等研究方法，对窄煤柱沿空巷道上覆岩层结构、不同时期的应力分布 特征、合理护巷煤柱尺寸、掘巷合理滞后距离 时间 进行了系统研究。指出处在 采空区边缘的弧形三角块的稳定性是沿空掘巷围岩稳定性的前提，巷道应在内 应力场中掘进；引入老顶侧向破断距方程和老顶的下沉动态方程，得到沿空掘 巷老顶岩梁回转下沉达到稳定时所用时间的计算公式，确定了老项运动稳定时 间；采用F L A C 3 D 数值模拟软件对侧向煤体中应力分布区间、沿空掘巷的合理 煤柱尺寸、掘巷前煤体中的应力变化、掘巷后巷道及煤柱的应力分布进行了较 为全面的模拟计算分析，确定沿空掘巷的合理滞后距离；根据沿空掘巷窄煤柱 支护原理设计沿空巷道支护参数，通过数值模拟及工程实践验证了支护参数在 巷道掘进期间的合理性。 研究成果对合理选择深井沿空掘巷的位置和时间，缓解采区采掘接续紧张 和沿空掘巷支护设计提供指导和参考。 关键字沿空掘巷内应力场老顶岩梁滞后距离支护参数 山东科技大学硕士学位论文 摘要 A B S T R A C T A st h ec o a lr e s o u r c e si nt h es u r f a c ea n ds h a l l o wp a r tb e c o m el e s sa n dl e s s ， c u r r e n t l y ，m i n i n go ft h em a i nd o m e s t i cc o a lm i n e sh a st u r n e dt od e e ps e a m ．T h r o u g h c o n s t a n t d e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n t ／p e r f e c t i o n ，g o b - s i d ee n t r yd r i v i n gh a s b e c o m ea n i m p o r t a n tt e c h n o l o g yi nm i n es a f e t ya n de f f i c i e n tp r o d u c t i o n ．T h e e x c a v a t i o no fg o b s i d ee n t r yd r i v i n gi sa f t e rt h er o o fm o v e m e n to fs u r r o u n d i n gr o c k r e a c h i n gt oi t ss t a b i l i t y , w h i l e ，t h e r ei si m p o r t a n tm e a n sf o rm i n ep r o d u c t i o na n d r e l i e v es h o r t a g ec o n t i n u em i n i n gt h r o u g hr e s e a r c h i n gd e e pg o b s i d ee n t r yd r i v i n g “s p a c e t i m e ”r e l a t i o n s h i pa n ds u p p o r tt e c h n o l o g y ． T h i st h e s i st a k e st h ef u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gf a c eo f7 4 3 2i nI V1m i n i n ga r e ao f K o n g z h u a n gc o a lm i n ea st h ee n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d ．A n dt h r o u g ht h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o na n do t h e rr e s e a r c hm e t h o d s ，t h i st h e s i sc a r r i e so u ta s y s t e m a t i c a ls t u d yo no v e r l y i n gs t r a t as t r u c t u r eo fs h a l l o wp i l l a rr o a d w a yd r i v i n g a l o n gn e x tg o a f , c h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r e s sd i s t r i b u t i o nw i t h i nd i f f e r e n tp e r i o d ， r e a s o n a b l es i z eo ft h ec h a i np i l l a r , r e a s o n a b l ed e l a yd i s t a n c e t i m e o ft h er o a d w a y a n dt h ed e s i g no fr o a d w a ys u p p o r t i n gp a r a m e t e r ．A n dt h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s t h ef o r c ec h a r a c t e r i s t i c sa n d s t a b i l i t yo ft h ec u r v e dt r i a n g u l a rb l o c kl o c a t e da tt h ee d g e o ft h em i n e d - o u ta r e ai st h ep r e m i s eo ft h es u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t yo f g o b ．s i d ee n t r y d r i v i n g ，t h u s ，t h ee x c a v a t i o ns h o u l db ei n c l u d e di nt h es t r e s sf i e l d ；b yu s i n gi n t e r v a lo f r o o fb r e a k i n ge q u a t i o no ft h em a i ne q u a t i o na n dt h es i n k i n gd y n a m i ce q u a t i o no ft h e m a i nr o o ft og e tt h et i m ec o s t i n gc a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h em a i nr o o fw h e nt h er o t a r y a n ds u b s i d e n c er e a c h i n gt oi t s s t a b i l i t y , a n dt h e nd e t e r m i n et h es t a b i l i z a t i o nt i m eo f t h em a i nr o o fm o v e m e n t ；u s i n gt h eF L A C 3 Dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r et om a k ea r e l a t i v e l yc o m p r e h e n s i v es i m u l a t i o nc a l c u l a t i o na n a l y s i so ft h es c o p eo ft h ei n t e r n a l s t r e s sf i e l d ，t h er e a s o n a b l es i z eo fc o a lp i l l a rf o rg o b s i d er o a d w a yd r i v i n g ，t h es t r e s s c h a n g e so fc o a lb e f o r er o a d w a yd r i v i n ga sw e l la st h es t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h ep i l l a r a n dt h er o a d w a ya f t e rd r i v i n g ，a n dt h e nd e t e r m i n et h er e a s o n a b l ed e l a yd i s t a n c eo ft h e g o b - s i d er o a d w a yd r i v i n g ；t h es u p p o r t i n gp a r a m e t e r so ft h er o a d w a yd r i v i n ga l o n g 山东科技大学硕士学位论文 摘要 g o a fi sb a s e do nt h ed e s i g np r i n c i p l e so fr o a d w a yd r i v i n ga l o n gn a r r o wc o a lp i l l a r , a n dw h i c hh a sm e tt h es u p p o r t i n gr e q u i r e m e n t sd u r i n gt h er o a d w a ye x c a v a t i o na n d r e c o v e r y ． T h er e s e a r c hr e s u l t sp r o v i d ear e f e r e n c et ot h et e n s i o n s ’s o l v i n gi nm i n i n ga r e aa s w e l la st o ’t h es u p p o r t i n gd e s i g nt h e o r y ． K e yw o r d s g o b s i d ee n t r yd r i v i n gi n t e r n a ls t r e s sf i e l dm a i nr o o fd e l a y ／l a g d i s t a n c e s u p p o r t i n gp a r a m e t e r s 坐奎型茎莶堂堡主兰竺丝茎旦墨 目录 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 12 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3 研究内容及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 I j 1 1 5 i } l I l I 质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．1 矿区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 孔庄矿7 4 3 2 工作面概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．13 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 沿空掘巷围岩结构力学模型及合理时空关系分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 3 ．1 沿空掘巷顶板结构力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 3 ．2 沿空掘巷围岩应力分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．3 沿空掘巷滞后时间的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 沿空掘巷搿时．空一关系数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 8 4 ．1 模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．2 数值模拟方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．3 合理煤柱宽度模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．4 合理掘巷滞后距离模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 沿空巷道支护方案设计及现场试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 ．1 支护方案设计与数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．2 现场支护效果观测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 0 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 致 i 时⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 山东科技大学硕士学位论文 目录 硕士期间主要成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 参考炙谳⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 山东科技大学硕士学位论文 目录 C o n t e n t s II n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1S i g n i f i c a n c eo f s t u d y ’。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 C u r r e n ts t u d ya t h o m ea n d a b r o a d - - _ - ‘2 1 ．3C o n t e n t a n d m e t h o d o f s t u d y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2G e n e r a lS i t u a t i o no f E n g i n e e r i n g G e o l o g y 。1 0 2 ．1G e n e r a ls i t u a t i o n o f m i n e a r e a ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 G e o l o f i c a ls i t u a t i o n o f 7 4 3 2 w o r k i n g f a c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯’1 3 2 ．3S u m m a r yo f t h i sc h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3R o c kM e c h a n i c sm o d e la n dr a t i o n a ls p a c e - t i m er e l a t i o n s h i pa n a l y s i so f g o b - s i d ee n t r yd r i v i n g ’‘1 5 3 ．1R o o f s t r u c t u r eM e c h a n i c a lm o d e lo f g o b - s i d ee n t r yd r i v i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯‘1 5 3 ．2 S t r e s s d i s t r i b u t i o nr u l eo f g o b - s i d ee n t r y d r i v i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．3T h ed e t e r m i n a f i o no fd e l a yt i m eo f g o b - s i d ee n t r yd r i v i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．4S u m m a r yo f t h i sc h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 7 4N u m e r i c a ls i m u l a t i o no f g o b - s i d ee n t r yd r i v i n gw i t h i nt h e s p a c e - t i m e ’’ r e l a t i o n s h i p ’2 8 4 ．1M o d e lc o n s t r u s t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．2 P r o j e c t d e s i g n o f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．3R e a s o n a b l ew i d t ho f c o a lp i l l a rs i m u l a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯’3 0 4 ．4R e a s o n a b l ed e l a yd i s t a n c es i m u l a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．5S u m m a r yo f t h i sc h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯‘4 7 5G o b - S i d eR o a d w a yS u p p o r tD e s i g na n dF i e l dT e s t ’4 9 5 ．1S u p p o r ts c h e m e d e s i g na n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯‘4 9 5 ．2S i t es u p p o r te f f e c t o b s e r v a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．3S u m m a r yo f t h i sc h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 6C o n c l u s i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 6 ．1M a i n c o n c l u s i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．- ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 山东科技大学硕士学位论文目录 6 ．2P r o s p e c t s ⋯⋯- _ ⋯⋯- ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯‘⋯⋯⋯⋯⋯⋯- ⋯⋯‘6 l T h a n k s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 2 R e s e a r c hr e s u l t sd u r i n gt h es t u d yf o ram a s t e r ’s 。。6 3 R e f e f e n c e s 6 4 山东科技大学硕士学位论文 绪论 随着国民经济持续快速发展，国家对能源的需求日益迫切。由于煤炭在我国 能源结构中的重要地位，致使对煤炭资源的开发速度和力度大大加快。然而随着 对煤炭的持续超强开采，浅、中部的煤炭资源越来越少，于是不可避免转向深部 煤层的开采。据统计，目前我国煤矿开采深度以每年8 ～1 2 m 的速度增加，可以 预计在未来2 0 年我国很多煤矿将进入到1 0 0 0 ～1 5 0 0 m 的深度【l 】。 由于矿山开采深度的增加，受复杂的工程地质条件、高应力、岩体破碎、遇 水膨胀等不利因素的影响，深部煤、岩体力学性质的各向异性更加普遍。在深井 条件下，如果仍采用原有的留设煤柱护巷方法就会导致煤柱宽度越来越大，不仅 影响煤炭回采率，而且较宽的区段煤柱形成应力集中，使巷道维护更加困难，诱 发冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害的可能性增大脚】。 沿空掘巷留设小煤柱的护巷方式能够将巷道与采空区隔离，防止采空区的矸 石，积水、有害气体等串入巷道而危及安全生产，此外留窄小煤柱技术对提高煤 炭回采率和经济效益作用明显，因此我国煤矿大多采用留小煤柱的沿空掘巷方 式。由于工作面两侧煤体上支承压力分布是发展变化的，巷道开掘的位置和时间 决定了其受支承压力作用和顶板活动影响的程度和过程。所以正确选择巷道开掘 的位置和时间是从根本上改善巷道维护的措施，是巷道矿压控制设计的首要任 务。因此如何确定合理小煤柱的留设尺寸和沿空掘巷的滞后时间，解决矿井采掘 接续紧张，控制巷道围岩变形和实现煤矿的安全高产己成为今后一段时间深井沿 空掘巷技术的主要研究发展方向。 孔庄煤矿I V l 采区所采7 煤赋存于．7 8 5 m 至．1 0 5 0 m 水平 地面标高约 3 2 m ， 属于典型的深部开采。煤层倾角平均达2 1 0 ，煤层厚度平均4 ．6 5 m ，综放开采工 艺的开采强度高。由于开采深度大，矿山的岩体力学性质和地应力特征与浅部相 比发生了很多根本性的变化。围岩压力大引起巷道位移量显著增加、维护异常困 难、返修量剧增等一系列问题，严重影响矿井的安全高效生产。由于孔庄矿地质 构造复杂、万吨掘进率高，加之企业资金紧张，从而引起I V l 采区采掘接替紧张。 山东科技大学坝士学位论文绪论 因此，本文针对孔庄煤矿深部采区所面临的问题，通过研究I V l 采区上覆岩 层运动及其支承压力分布规律，根据矿压理论建立合适的力学结构模型，结合数 值模拟理论分析深部高应力条件下侧向煤体中不同深处的应力分布特征，研究沿 空掘巷与回采的“时．空”关系，综合确定小煤柱的留设尺寸和相邻区段沿空掘 巷的合理时间间隔；在确定沿空掘巷合理小煤柱尺寸和掘巷时间的基础上，提出 巷道合理支护方式及支护参数，以满足深井沿空掘巷工程使用。本课题的研究以 及本论文的成果，对孔庄矿及类似深部矿井解决接续紧张、提高煤炭采出率，实 现安全高效的生产具有重要指导意义。 1 ．2 国内外研究现状 深部采区沿空掘巷相关的研究包括深部采区侧向应力分布规律研究、深部 采区沿空掘巷合理区段煤柱宽度确定方法、深部采区覆岩运动规律与控制研究、 深部采区沿空巷道围岩失稳机理探析、深部采区沿空巷道围岩稳定性控制技术研 究、深部采区沿空巷道冲击地压发生的机理和防治措施等。多年来，国内外学者 对沿空掘巷相关技术的方方面面进行了不同程度的研究，取得了一系列宝贵的成 果和经验1 5 - 1 7 1 。 在国外，美国6 0 年代初才引进长壁式开采，为了追求最大的采出率，十分 注重煤柱尺寸的合理性，指出了煤柱的强度受煤柱尺寸、内部结构、围压以及动 态载荷的控制。 与美国不同的是，澳大利亚主要运用的是在条带开采中留设煤柱，其主要研 究了采宽和煤柱之间的比例关系和煤柱的宽度问题。 英国也是很早就采用留设煤柱来支承项板采空区处理方法的国家。在中国普 遍运用的计算煤柱宽度的理论之一就来源于英国的A ．H 威尔逊煤柱设计公式【2 】， 该方法提出了煤柱两区约束理论 渐进破坏理论 ，给出了三向应力状态下煤体的 极限强度简化计算公式，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。 另外，波兰和前苏联也是从事窄小煤柱研究的国家。前苏联学者通过研究发 现，在传统的2 0 ～3 0 m 的煤柱尺寸上减小煤柱尺寸，不仅同样能支承顶板，防止 采空区的水和瓦斯窜入巷道，还能提高回收率，减少巷道维修等【3 】。 沿空掘巷技术在我国的发展可以分为以下几个阶段[ 4 1 1 萌芽阶段，2 0 世 ’ 山东科技大学硕士学位论文 绪论 纪5 0 年代我国个别矿井自发应用沿空掘巷技术； 2 发展阶段，2 0 世纪7 0 年代 沿空掘巷技术有所发展，开始进行矿压研究，并取得了可喜的成果； 3 完善阶 段，2 0 世纪8 0 年代初期提出了沿空掘巷巷道围岩变形特征； 4 成熟阶段，2 0 世纪9 0 年代以来，随着锚杆支护的大面积应用推广，极大促进了沿空掘巷技术 的发展。 1 ．2 ．1 沿空掘巷合理煤柱尺寸研究现状 沿空掘巷由于在采空侧存在应力状态较低的峰后煤体，使支护载荷较小，是 深井开采中常用的布置方式，而煤柱的合理尺寸是沿空掘巷的关键。若煤柱尺寸 选择不合理，不仅在掘巷时巷道变形明显，巷道掘进后较长时间内围岩会因为煤 柱破坏后处于塑性蠕变状态而发生较大的持续变形，同时还会影响煤炭回采率和 经济效益，因此，合理煤柱尺寸的确定是开展沿空掘巷研究内容的核心问题之一。 煤柱宽度对留小煤柱沿空掘巷巷道稳定性的影响主要有两个方面一是影响 巷道围岩应力分布；二是影响沿空巷道围岩完整性。国内外在沿空掘巷煤柱留设 研究方面取得的有益结论主要有【1 8 _ 2 0 】 1 留小煤柱沿空掘巷，巷道处于相邻工作面侧向压力残余支承压力范围内， 掘巷扰动了侧向支承压力分布，因而不仅在掘进期间沿空巷道围岩变形剧烈，而 在掘后稳定期间仍保持较大的变形速度，比完全沿空掘巷变形剧烈； 2 留小煤柱沿空掘巷，因小煤柱破碎、煤柱支撑作用较小，增加了巷道跨 度和悬顶距，巷道压力增大、维护困难； 3 小煤柱裂隙发育、甚至破碎，存在不同程度漏风现象； 4 留小煤柱沿空掘巷较完全沿空掘巷条件优越，对加快掘进速度以及隔离 采空区是有利的。 另外国内外学者在沿空掘巷煤柱尺寸留设方面也做了大量的研究工作，提出 了多种设计方法【2 9 1 。 柏建彪等通过数值计算分析，研究了综放沿空掘巷围岩变形及窄煤柱的稳定 性与煤柱宽度、煤层力学性质及锚杆支护强度之间的关系，确定了不同煤层条件 下相应的窄煤柱合理宽度【2 1 1 。 魏胜利通过对比项板下沉、两帮变形，确定煤柱合理宽度[ 2 2 - 2 4 ] 。 谢广祥等运用F L A C 3 D 分析了煤柱宽度对综放回采巷道围岩变形的影响，指 坐銮型垫奎兰堡主兰垡丝奎丝堡 出相同宽度煤柱的巷道围岩在回采与掘进期间破坏有很大差异，极窄小煤柱完全 破坏，中等煤柱压应力较高，较大宽度煤柱内存在弹性区，但造成的煤炭损失大； 巷帮实煤体的破坏主要以剪切破坏为主，而煤柱的破坏则主要是剪切、拉伸复合 破坏。合理的护巷煤柱宽度应大于保证煤柱不被压垮、不发生裂隙向采空区漏风、 诱发自燃的最小煤柱尺寸，同时最大煤柱宽度应避免煤柱承受较高应力而失去稳 定性【2 5 1 。 屠世浩等根据浅埋薄基岩煤层顶板几乎沿采空区边缘垂直断裂，地表下沉速 度快，采空区迅速压实等特点，运用理论分析、数值模拟和现场实测等研究方法， 结合温家梁矿分析了浅埋煤层护巷煤柱的合理尺寸。在此基础上提出了在保证工 作面顺序接替条件下的煤柱护巷与沿空掘巷相结合的回采巷道布置方案[ 2 6 - 2 7 】。 秦永洋等通过分析了不同煤柱的应力分布，从而确定深井沿空掘巷的合理煤 柱宽度【2 8 1 。 目前国内多数情况下沿空掘巷煤柱的留设尺寸在2 ．0 ～5 ．O m 之间【3 0 】，而国外 一些专家和学者以及我国西部一些矿区认为煤柱宽度应该更大，通常在1 5 ～3 0 m ， 基本上不采用小煤柱护巷【3 l 】。小煤柱的合理尺寸与煤柱本身的物理力学性质、埋 深、顶底板岩性、项板管理方法、煤层倾角及采空区的范围等因素有关，且各因 素间关系复杂。 到目前为止，虽然有许多煤柱尺寸的设计方法，但是这些方法都不能全面和 准确地反映所有因素对煤柱尺寸的影响。因此沿空掘巷煤柱尺寸的确定，不能单 纯以理论计算来确定，必须通过现场实测和总结大量现场资料来解决，并辅以数 值模拟等方法加以验证，最终还需要通过矿压动态监测判断实践效果1 4 7 】。 1 ．2 ．2 沿空掘巷合理时空关系的理论依据 沿空侧最佳送巷时间应在侧向顶板运动结束或者基本结束，一般应在基本顶 触矸后送巷，基本顶岩梁触矸是在内应力场中送巷受力和维护状况比沿空留巷优 越的先决条件；若掘巷时基本项岩梁尚未触矸，即掘巷滞后回采工作面距离过短， 则在内应力场中送巷的受力和变形程度即与沿空留巷时无异。可见，送巷时间由 基本顶运动的发展过程决定。 在研究支承压力分布及其显现随上覆岩层运动而变化的规律基础上，通过实 测确定具体采场的支承压力分布特征，特别是低应力区的范围和稳定时间，从而 4 山东科技大学硕士学位论文绪论 确定巷道开掘的合理位置和时间，使其避开应力区的高应力作用期，最大限度的 减轻支承压力集中区的影响。而煤体处于弹性状态或塑性状态条件下，支承压力 分布和岩层运动的发展规律不同，其巷道开掘的合理位置和时间也是不同的【3 2 】。 1 煤体边缘处于弹性变形状态条件下的沿空掘巷 煤体边缘处于弹性变形状态条件下工作面两侧煤体上的支承压力分布如图 1 ．1 所示。 在煤体边缘处于弹性变形状态条件下有三种情况可能送巷位置沿空送巷 位置1 、小煤柱送巷 位置2 、大煤柱送巷 位置3 。由于位置2 处于叠加支承 压力区内，位置3 煤柱损失大且给下部煤层开采带来不利影响，因此，此种情况 下，位置1 为最佳位置，且应在老顶触矸后沿空掘巷。 ，白／、＼／／ 二二么豁／i ／7 ， ／、 ／． 、 ／ ，吒y 二二一一一7 7 n ／＼ ／1 ＼ 止区段呆 32 l 一上区段工作面后方镧自媒体 支承压力分布 Ⅱ一下区段工作面推进时叠加支 承压力分布 高峰在媒体遭缘 Ⅲ一下区段工作面箍进酵叠加支承 压力分布 高峰进入媒体内部 空区 图1 ．1 煤体边缘处于弹性变形状态 F i g ．1 ．1T h ee d g eo f c o a li nas t a t eo f e l a s t i cd e f o r m a t i o n 2 煤体边缘进入塑性破坏状态条件下的沿空掘巷 图1 ．2 所示有内应力场条件下四种可能的送巷位置在内应力场中的沿空送 巷 位置1 和小煤柱送巷 位置2 ，在外应力场的大煤柱护巷 位置3 以及原始应 力区的大煤柱送巷方案 位置4 。 由于位置3 在支承压力峰值区作用下掘巷后即产生较大的围岩变形，巷道难 以维护，位置4 煤柱损失大，因此送巷位置1 和位置2 是合理的，也应在老顶触 矸后送巷。老顶岩梁触矸是在内应力场中送巷受力和维护状况比沿空留巷优越的 先决条件。 若掘巷时老项岩梁尚未触矸，即掘巷滞后回采工作面