综放沿空留巷围岩及充填体稳定性研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名 墨二 塑1 日期’劫化多．歹 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ， ③学校可允许学位论文被查阅或借阅④学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 保密学位论文在解密后遵守此规定 。 签名 竖丛坌鱼1．日期 导师签名 功l q - ．易．罗． 日期互二笙i ／ 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 综放沿空留巷围岩及充填体稳定性研究 摘要 随着采煤工作面开采深度的不断加大和工作面所处地质条件的复杂 化，传统的留设部分煤柱维护巷道的采煤方法不仅浪费了大量的煤炭资源， 而且使得煤炭生产效率偏低。为了提高综放集约化生产水平，目前我国很 多煤矿采用沿空留巷技术维护巷道，该技术的优点有巷道掘进率大幅降 低、煤炭回收率提高、采掘接替矛盾得到很大缓解、社会经济效益明显提 高、矿井自然灾害降低n 1 。综放沿空留巷技术不同于一般薄煤层中的沿空 留巷，其特点有煤层厚度大、煤层为直接顶等特点，这些特点使得巷道 项板和煤帮的变形会更加剧烈，综放沿空留巷技术的关键在于巷内支护和 巷旁支护，因此支护的研究对沿空留巷的稳定意义重大眨1 。 本文以潞安集团王庄矿7 1 0 1 风巷为工程背景，针对综放沿空留巷的以 上特点，通过对围岩活动规律及巷道支护荷载规律的分析研究，采用相似 模拟试验和F L A C 3 D 数值模拟方法验证了综放沿空留巷的可行性、确定了 合理的充填参数。论文主要内容及取得的成果如下 1 根据围岩老项的垮落规律和断裂特征，本文涉及到沿空留巷的“大 结构”和“小结构”，“大结构”为老项岩层断裂后旋转下沉形成的斜跨 梁稳定结构，“小结构”为在锚杆 索 的影响下，巷道基本顶在形成的 悬臂梁下形成的稳定结构，沿空留巷在“大结构”下的位置至关重要，同 时，“小结构”的稳定对整个沿空留巷的影响起到根本作用。 T 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 本文巷道支护形式为锚杆 索 支护，根据大量实践经验，该种 支护对巷道的稳定起到很好的作用，支护形式在本文三种方案中不变，本 文主要通过对巷旁充填体宽度的变化来研究沿空留巷的效果。结合理论规 律和工程实际情况，提出三种支护方案，方案一巷道采用锚杆 索 支 护，巷旁设置3 ．0 m 混凝土C 3 0 充填体。方案二巷道采用锚杆 索 支 护，巷旁设置2 ．5 m 混凝土C 3 0 充填体。方案三巷道采用锚杆 索 支 护，巷旁设置2 ．0 m 混凝土C 3 0 充填体。本文从充填体和巷道围岩的应力 应变情况对三种方案进行详细分析，得出支护方式和充填体一定的情况下 合理的充填体宽度。 3 作者利用太原理工大学采矿工艺研究所1 8 0 0 m m 1 6 0 m mX 15 0 0 m m 相似模型试验架对工程现场进行模拟，通过模型架对充填体宽度 分别为3 m 、2 ．5 m 、2 m 三种方案进行具体研究，确定最佳充填体宽度。 4 采用有限差分程序F L A C 3 D 数值模拟软件对上面三种设计方案 进行研究，模拟三种情况下的围岩变化规律及巷道顶板断裂特征，得出三 种条件下围岩的塑性图、应力图和位移图，经过F L A C 3 D 软件计算得出最 优方案为方案二，并验证其沿空留巷支护的合理性。 关键词综采放顶煤，沿空留巷，充填体，相似模拟，数值模拟 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 S T U D YO NS T A B I L I T YO FS U R R O U N D I N GR O C K A N DT H EF I L L E R Ⅳ【A SSO FM 匝C H A N ’I Z E D C A V I N GL E A V I N GR O A DA L O N GG O A F A b s t r a c t A st h ei n c r e a s i n gd e p t ho fc o a l f a c eo fa n dc o m p l e x i t yo fg e o l o g i c a l c o n d i t i o n s ，L e a v i n gi np a r tt r a d i t i o n a lp i l l a rr o a d w a y t om a i n t a i nn o to n l yw a s t e al o to fc o a lr e s o u r c e s ，b u tm a k e sc o a ll o wp r o d u c t i v i t y 。I no r d e rt oi m p r o v e t h el e v e lo fm e c h a n i z e dc a v i n gi n t e n s i v ep r o d u c t i o n ，m a n ym i n e sa r ec u r r e n t l y u s i n gg o b - s i d ee n t r yr e t a i n e dt e c h n i c a lm a i n t e n a n c eo fr o a d w a y ．T h i st e c h n i q u e h a st h ea d v a n t a g e s T u n n e l i n gr a t ei ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e d ，c o a lr e c o v e r yr a t e i m p r o v e ，m i n i n gt or e p l a c ec o n f l i c te a s e d ，s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e ds o c i a l a n d e c o n o m i cb e n e f i t s ，r e d u c et h em i n en a t u r a ld i s a s t e r s ．M e c h a n i z e dC a v i n gG o b h a st h i c kc o a ls e a m ，l e a v i n gal a r g es e c t i o no fr o a d w a yr o o ff o rt h ec o a la n d o t h e rc h a r a c t e r i s t i c s ，T h e s ec h a r a c t e r i s t i c sr e s u l t i nf u l l ym e c h a n i z e dc a v i n g G o br o c kd e f o r m a t i o n ，e a s i l yb r o k e nr o c k ，k e yt e c h n o l o g yo fm e c h a n i z e d c a v i n gG o bi st h ep r o t e c t i o no fl a n er o a d w a ys u p p o r t ，S Ot h er e s e a r c ho fm a j o r s i g n i f i c a n c ef o r t h es u p p o r t ．I nt h i sp a p e r ，W a n g z h u a n gM i n i n go f L u ’a nG r o u p i st h ee n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d ，F o rm e c h a n i z e dc a v i n gG o bo ft h ea b o v e c h a r a c t e r i s t i c s ，t h r o u g ht h es t u d yo fr o c kr o a d w a ya c t i v i t yp a t t e r n sa n dl o a d r e g u l a r ，U s i n gM o d e l i n ga n dn u m e r i c a ls i m i l a rm e t h o dt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t y I I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 o ff u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gG o ba n dd e t e r m i n ear e a s o n a b l ef i l l i n gp a r a m e t e r s ． T h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 A c c o r d i n gt ot h el a wo fc o l l a p s ea n df r a c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fr o o f , t h i s p a p e rp r e s e n t sG o b b i g s t r u c t u r e s a n d ”s m a l lc o n s t r u c t i o n ，L a r g e d i a g o n a ls t r u c t u r er o o fb e a ms t r u c t u r a ls t a b i l i t ya f t e rt h ef o r m a t i o no fr o c k f r a c t u r er o t a t i n gs i n k i n g ，S m a l ls t r u c t u r e ”i nt h ea n c h o r c a b l e t h ei m p a c to f t h er o a d w a yi nt h eb a s i cr o o fc a n t i l e v e rf o r m i n gas t a b l es 仃u c n l r ef o r m a t i o n ， A l o n gt h ee m p t yl a n ei nt h ec r u c i a l ”b i gs t r u c t u r e s p o s i t i o nt os t a y ，w h i l e s t a b l eo f s m a l ls t r u c t u r e ”p l a yaf u n d a m e n t a lr o l et oa f f e c tt h ew h o l eo fG o b ． A n a l y s i sG o br o c ka c t i v i t yr u l et oe s t a b l i s ht h em e c h a n i c a ls t m d h u eo ft h e m o d e la sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rs u p p o r td e s i g n ． 2 F o r m so ft h i sa r t i c l eR o a d w a yi sB o l t C a b l e s u p p o r t ，b a s e do n 。al o to f p r a c t i c a le x p e r i e n c e ，t h i sk i n do fs u p p o r tf o rs t a b i l i z i n gt h er o a d w a yp l a yag o o d r o l e ，s u p p o r t i n gt h ef o r mi ss e t t e dt oac o n s t a n t ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h ee f f e c to f G o bb yv a r y i n gt h ew i d t ho ft h e a d j a c e n tl a n ef i l l i n gi nt h i sa r t i c l e ．T h e c o m b i n a t i o no ft h e o r ya n dp r a c t i c a le n g i n e e r i n gr e g u l a r i t y ，t h i sp a p e rp r o p o s e s t h r e es u p p o r tp r o g r a m s ，O p t i o no n e R o a d w a yu s i n ga n c h o r r o d s o k s u p p o r t ， s e t2 ．0 mc o n c r e t et h ef i l l e rm a s sb e s i d et h er o a d w a y ；O p t i o nt w o R o a d w a y u s i n ga n c h o rr o d s o k s u p p o r t ，s e t2 ．5 mc o n c r e t et h ef i l l e rm a s sb e s i d et h e r o a d w a y ；O p t i o nt h r e e R o a d w a yu s i n ga n c h o rr o d s o k s u p p o r t ，s e t3 ．0 m c o n c r e t et h ef i l l e rm a s sb e s i d e ．t h er o a d w a y ． 3 U s i n g 18 0 0 m m 16 0 m m 15 0 0 m ms i m i l a rm o d e lt e s tf r a m eo f I V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 M i n i n gC r a R R e s e a r c hI n s t i t u t eo fT a i y u a nU n i v e r s i t yo f e c h n o l o g yt os i m u l a t e t h ec o n s t r u c t i o ns i t e ，B yf i l l i n gt h ew i d t ho ft h em o d e la i r c r a R2 m ，2 ．5 m ，3 m t h r e es p e c i f i cs t u d i e st od e t e r m i n et h eo p t i m a lf i l l i n gb o d yw i d t h ． 4 S e l e c tF 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 eo ft h ef i n i t ed i f f e r e n c e p r o c e d u r e s ，t os t u a yc h a n g e so fr o c ko fp r o g r a m ss u p p o r ta b o v et h r e e ．G e tt h e o p t i m a ls o l u t i o nf o rO p t i o nT w o ，a n dv e r i f yi t ss u p p o r tG o br a t i o n a l i t y ． K e y w o r d s c o n s o l i d a t e dc o a lc a v i n g ，g o b s i d ee n t r yr e t a i n e d ，t h ef i l l e rm a s s ； s i m i l a rs i m u l a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 问题的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 ．1 我国研究现状⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 ．2 其他国家研究现状⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．3 存在和需要解决的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．4 研究内容及方法⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．5 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 综放沿空留巷围岩活动规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 中厚煤层沿空留巷围岩结构特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．2 中厚煤层围岩活动规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 ．1 上覆岩层的跨落形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 ．2 沿空留巷围岩结构活动基本规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．2 ．3 综放沿空留巷大结构稳定性分析模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．2 ．4 保持小结构稳定的技术关键⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3 围岩活动分期规律及空间特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．3 ．1 顶板岩层分期规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 2 ．3 ．2 采空侧围岩活动的空间特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．4 冒落带高度及顶板断裂位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 2 ．4 ．1 ．冒落带高度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．4 ．2 基本顶断裂位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．4 ．3 老顶断裂位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 沿空留巷围岩控制技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 沿空留巷巷内支护形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．2 充填体和围岩相互作用机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．2 ．1 充填体支护参数计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2 ．2 巷旁支护体可缩量确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 综放沿空留巷围岩稳定性相似材料模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．1 相似模型原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 4 ．2 地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．3 模型材料与配比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．4 相似模拟试验与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 4 ．4 ．1 实验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 l 4 ．4 ．2 试验加载和测试系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 ．4 ．3 测点布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．4 ．4 相似模型的制作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．4 ．5 试验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．4 ．5 方案对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．5 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 5 综放沿空留巷三维数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 5 ．1F L A C 3 D 软件介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 5 ．1 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 5 ．1 ．2F L A C 3 D 的优缺点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 ．1 ．3F L A C 3 D 在采矿工程中研究的关键⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 5 ．2 三维数值计算模型⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 5 ．2 ．1 主要岩土力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 5 ．2 ．2 上覆岩层荷载⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．2 ．3 模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 5 ．3 模型计算与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯．一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 5 ．3 ．1 塑性区计算结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．3 ．2 位移计算结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 5 ．3 ．3 应力计算结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 l 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 6 ．2 建议及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 攻读硕士学位期间主要成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．1 问题的提出 1 绪论 煤炭是我国非常重要的基础原料和能源，在我国的经济发展中具有长远的战略意 义，可以预见，在未来数十年内，煤炭在整个能源结构中依然会是最重要的基础能源。 近八年，随着越来越多矿井的建成投产，产能过剩问题将会对整个煤炭行业产生巨大的 影响，因此面对过去我国煤矿粗放低效地开采情况，近些年来国内外学者提出许多提高 采煤生产率的采矿技术及手段，其中沿空留巷技术的推广是在煤炭领域内的一项重大改 革，该技术的应用提高了煤炭回收率、降低了巷道掘进率、减少了因为留设部分煤柱而 引起的矿井灾害、缓解了采掘接替矛盾和提高了社会经济效益。 正是因为沿空留巷技术具有如此众多的优点，我国学者目前在沿空留巷的围岩运动 规律和支护技术方面做了大量的基础性研究，也进行了很多方面的探索实践，积累了大 量成功宝贵的经验。但是，大部分学者在中薄煤层中沿空留巷技术研究较多，但在厚煤 层综采放顶煤中探索较少。 综放沿空留巷不同于薄煤层中的沿空留巷的特点有煤层厚度大、煤层为直接顶等 特点，这些特点使得巷道顶板和煤帮的变形会更加剧烈。 经过大量的研究表明，综放沿空留巷的成功与否取决于以下三方面条件 1 深入 研究厚煤层的岩层控制理论； 2 准确掌握巷道围岩的矿压显现规律； 3 合理的进行沿 空留巷巷内巷旁的支护。本文将对潞安集团王庄矿7 1 0 1 工作面风巷为工程背景进行深 入分析研究，所得出的研究成果可以为其他地质条件相似的厚煤层综放沿空留巷提供宝 贵的理论和实践经验。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 我国研究现状 我国煤炭领域在沿空留巷技术上的发展从时间上大致可以分为三个时间段 1 2 0 世 纪5 0 年代到7 0 年代，我国一些学者对沿空留巷技术进行了少量的初始理论研究，对沿 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 空留巷巷道周围的岩层运动进行了探索性的分析研究，巷旁支护方式主要以密集木及矸 石垛作为充填支护材料，应用范围主要在薄煤层。 2 2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代，对矿压 支护理论有了较多研究，得出巷旁充填体除了需要有相当的支护阻力，还需要有适量的 伸缩性，这段时期混凝土块和金属支柱应用到了充填体材料中。 3 2 0 世纪8 0 年代始， 我国利用国外进口的先进材料 如高水材料 在某些矿井进行了一些成功的试验，并在 沿空留巷理论上有所突破，进行了很多围岩运动规律和矿压机理相结合的研究‘3 棚。 至今，许多关于沿空留巷技术的试验与研究取得了成功，我国在中厚及薄煤层情况 下的沿空留巷技术应用效果较好，但在条件困难的厚及特厚煤层中还有待更进一步提 高，我国在沿空留巷技术上主要研究成果有 张少华等对潞安集团常村矿S 2 ．6 综采工作面具体地质条件进行了相似模拟研究， 巷内采用锚杆 索 支护、巷旁采用强度较高的材料当作充填体，这样有利于巷道顶板 的稳定，并提出巷旁充填体的宽度和充填体强度的下限f 刀。 张东升等结合沿空留巷技术与具体地质条件分析了围岩运动规律和应力变化分布 的基本特点，利用数值模拟技术选出最佳留巷方案，并分析了煤层及岩层物理力学性质 对应力分布的影响，最终得到最大应力回归方程‘8 ‘1 ”。 张百胜等采用F L A C 3 D 数值模拟软件验证分析了顾桥矿巷内锚杆支护的可行性， 并研究了充填体宽度对留巷效果的影响‘1 们。 李化敏等总结了沿空留巷顶板运动的3 个阶段，包括初期运动、过渡期运动和后期 运动，并阐述了运动前期以旋转为主，过渡期以快速下沉和旋转为主，运动后期以平稳 下沉为主的特点n “ 。 华心祝、吴健等深入分析了如何提高顶板岩层自我的承载能力，详细解释了锚杆和 锚索加强支护的作用机理，建议采取巷旁锚索这种主动的支护方式n 6 。1 蚰。 康立军等利用数值模拟软件和相似模拟试验对顶煤破坏特征进行研究，顶煤垂直应 力程“峰形”，峰值为距离煤壁为6 m 的位置，顶煤裂隙方向与水平方向呈7 0 0 ，当裂 隙长度和数量达到一定值时，开始发生剪切破坏，液压支架的主要工作方式为“限定荷 载’’‘2 ∞。 于政喜、李迎富等的研究综合了巷道围岩力学分析、相似模拟、U D E C 数值模拟、 分岔理论、混沌理论，最终得出不同时间阶段巷道围岩、沿空留巷巷内支护和巷旁支护 之间的关系，说明了综放沿空留巷围岩破坏规律‘2 M 如。 2 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 吴存良等提出“柔刚结合，先让后抗”的支护原则，对充填体中掺入粉煤灰以提高 充填体整体的抗压强度。说明顶板垮落形式，并研究了充填体支护荷载规律眨如。 综放沿空留巷是否成功取决于巷旁支护和巷内支护的实际效果，表1 - 1 总结了不同 地质条件下巷内支护的方式 表1 - 1 不同地质条件下巷内支护表 T a b l e1 1 R o a d w a ys u p p o r t i n gt a b l eu n d e rd i f f e r e n tg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s 巷道断面尺寸 工作面名称地质条件巷内支护 宽x 高 ／m 2 平顶山一矿2 1 0 5 2 倾角7 。，煤质松软，顶板中等 u 型刚、工字钢 稳定，底板为煤层，松软，分 7 ．9 x 7 ．9 工作面和可缩性支架 层开采 阳泉二矿6 1 0 0 0顶板中等稳定，底板较硬，煤工字钢和金属摩 工作面质较硬 3 ．5 ～4 ．2 x 1 ．8 ～2 ．3 擦支柱 徐州张集矿 煤层倾角为2 2 0 0 ，直接项为 工字钢支架，锚 1 2 7 m 粉砂岩，老顶为1 1 ．4 4 m 6 ．8 x 6 ．8 4 2 0 4 工作面杆支护 中砂岩 枣庄井亭矿 煤层倾角1 4 。，顶板较硬，厚 2 ．5 x 2 ．4单体液压支柱支护 6 4 0 2 工作面6 ．5 m 西坡煤矿的 煤岩总厚度2 ．3 m - - 一3 ．7 4 m ，高性能预应力锚杆支 平均厚3 ．2 9 m ，倾角4 0 ～5 0 5 ．5 x 3 ．5 护、0 1 4 m m 钢筋托架 1 8 2 0 5 工作面 顶板较硬 护帮、顶。 采高2 ．1 2 m ，平均煤厚 1 ．8 6 m ，倾角1 1 。，直接顶 达竹煤电厚煤层厚度d l 。0 t i m ，直接顶岩性支护方式选用锚杆 索、 综采工作面 为泥岩，老顶岩性为粉砂岩， 2 ．1 x 2 ．8 金属网 。 直接底为灰黑色泥质粉砂 岩。 煤层厚度2 ．5 ～3 ．6 1 m ，平均 顾桥矿1 1 1 5 工作 厚度2 ．9 4 m ，倾角3 ～1 0 。， 左旋螺纹钢等强预拉力 平均5 。，直接顶为复合顶板，5 ．0 x 3 ．4 锚杆、M 5 型钢带、钢塑 面网或1 0 铁丝金属网联 个别地段老项砂岩直接覆盖 在煤层之上。 合支护 1 ．2 ．2 其他国家研究现状 国外沿空留巷技术的应用主要集中在欧美地区[ 2 4 - 2 7 | o 英国煤矿多采用前进式开采，2 0 世纪7 0 年代末，英国国家煤炭局开始研究水泥 粉煤灰 悬浮料，但最终因其强度低而弃用；随后研究充填体材料由无水碳酸钙、硅酸 水泥、矾土水泥等原料混合而成，这种充填体材料很快得到了大面积推广。 3U 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 德国的采煤业比较成熟，该国沿空留巷技术应用广泛。早在西德时期，风力充填应 用于沿空留巷巷旁支护，充填体材料有 1 以石膏为主要充填材料的巷旁充填体； 2 粉煤灰 F l ya s h 、水泥 C e m e n t 材料作为充填体； 3 矸石粘结体。 前苏联在沿空留巷技术也经过了多年的发展，该国学者经过多年实践探索，大力推 广混凝土材料，然而在顶板条件不好的情况下支护效果非常不理想。 波兰煤矿在巷内主要利用可缩液压支架，巷旁充填体材料有矸石混凝土，高水材料 世 口o 1 ．3 存在和需要解决的问题 1 我国沿空留巷技术已经发展了几十年，对于在薄煤层中沿空留巷的理论和实践 相对完善成熟，但是在中厚煤层中，与之相关的围岩运动规律、围岩稳定性控制原理等 许多问题有待进一步研究。 2 过去没有把沿空留巷看成一个整体进行系统性研究，二次开采时往往是留巷与 掘巷单独进行支护设计，巷内巷旁支护不相配合，从而常常达不到预期留巷效果。 3 在沿空留巷巷内支护方面，过去往往采用一些被动支护形式，即使加大支护强 度，增加支护密度也不能起到很好的效果，未来对主动支护的研究将成为研究趋势。 1 ．4 研究内容及方法 本论文首先将潞安集团王庄矿7 1 0 1 工作面风巷的上部岩层断裂破坏后的平衡结构 从形态上分为“大结构”和“小结构”，然后对巷道围岩及顶板活动规律进行深入研究， 得到一系列理论研究成果，本文将这些理论研究结果作为基础，通过大比例尺相似模拟 试验和F L A C 3 D 数值模拟试验对7 1 0 1 工作面所涉及到的综合放顶煤沿空留巷的巷内支 护、巷旁支护的相关参数进行了深入分析，本文涉及到的主要内容如下 1 本文涉及沿空留巷巷旁充填体的材料的演变历史、巷内支护形式的变化、顶板 破坏和应力特征中等大量具有参考价值和实际意义的相关结论和规律。 2 综放沿空留巷不同于薄煤层中的沿空留巷的特点有煤层厚度大、煤层为直接 顶等特点，这些特点使得巷道顶板和煤帮的变形会更加剧烈。因此不易维持巷道旁的围 岩和煤帮的稳定。所以对综放沿空留巷巷道的维护研究具有很大的意义，本文以岩层关 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 键层理论为切入点，依据综放沿空留巷工作面顶板垮落及顶板破坏的特点，以巷道上方 关键层为中心，建立综放沿空留巷围岩的关键块结构 即“大结构“ 和“小结构“ 进行 分析岩层顶板的活动规律、合理的巷内支护和巷旁充填体参数。 3 试验采用太原理工大学采矿工艺研究所相似模拟试验架，试验架的尺寸长度为 1 8 0 0 m m ，高度为1 5 0 0 m m ，宽度为1 6 0 m m ，本文利用相似模拟理论和实际矿井情况， 确定合理的相似比和相似模拟材料，设计三个实验方案，其中巷内支护均采用锚杆 索 方式支护，充填体选用C 3 0 混凝土材料，工作面端头留设6 m 不放顶煤，具体方案中的 变量如下方案一充填体宽度为3 ．0 m ；方案- - 充填体宽度为2 ．5 m ；方案三充填 体宽度为2 m ，最终通过对围岩变形及裂隙发育情况的研究，选出最佳方案。 4 以潞安集团王庄矿7 1 0 1 工作面风巷为工程背景，根据沿空留巷巷旁充填体宽度 的不同，选取有限差分程序F L A C 3 D 数值模拟软件对三种设计方案进行研究，模拟三 种情况下的围岩变化规律及巷道断裂特征，得出三种条件下围岩的塑性图、应力图和位 移图，得出充填体参数的变化对留巷效果的影响，并验证其沿空留巷支护的合理性。 1 ．5 技术路线 一现场调研、查阅文献L 一 { 沿空留巷相似模拟研究1 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．．．．。I．．．。．。。．．．．．．．．．．．．．．。．．．一 f 沿空留巷数值模拟研究I ．．．．．．。．．．．．．。．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．．．．．．．I．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一 总结评价 图1 - 1 技术路线 F i g u r e1 - 1T e c h n o l o g yR o a d m a p 5 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 综放沿空留巷围岩活动规律 我国学者经过多年的理论研究、工程实践及探索，对于在薄煤层和中厚煤层中沿空 留巷技术已经有了很多认识啪嘲3 ，主要有 1 沿空留巷工作面回采时煤层顶板沿着老顶岩层某处旋转、断裂和剧烈沉降，最 终顶板垮落、填满采空区，老顶形成斜跨梁结构，巷道直接顶形成悬臂梁或者斜跨梁结 构，这时整个围岩变形最终得到平衡。 2 沿空留巷巷旁设置的充填体无法阻止上覆岩层因工作面来压引起的强烈沉降， ● 但是高阻力的充填体使上覆岩层不易产生较大离层现象，亦可使切顶高度加大，减少老 顶对巷道直接顶的应力破坏，使煤帮上方部分集中应力尽快转移到采空区侧，围岩与支 护体快速达到新的平衡，有利于巷道的维护。 3 我国煤矿工作面开采普遍采用后退式回采，沿空留巷若采用前进式采煤方法， 顶板下沉量比后退式回采要大很多。 4 充填体宽度不能改变顶板运动状态，但随着充填体宽度的增加，充填体的抗压 强度增大，能快速完成对老顶切顶作用，巷道顶板下沉量、实体煤帮鼓出量都呈下降趋 势。 5 一般，顶板的下沉量和距工作面长度的关系呈峰波形，在工作面后方一个来压 步距左右位置处沿空巷道的顶板下沉速度最为强烈，在工作面后方O m - 一4 0 m 的范围内顶 板剧烈下沉，6 0 m ～7 0 m 以后，顶板下沉渐稳。 6