沿空留巷跨度对围岩稳定性影响分析.pdf

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工作及其取得 研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中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 做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名日期 万方数据 论文题目沿空留巷跨度对围岩稳定性影响分析 工程领域建筑与土木工程 硕 士 生郑大勇（签名） 指导教师惠兴田（签名） 孙龙琦（签名） 摘要 随着沿空留巷留巷跨度的逐渐增加，留巷的稳定性让人担忧，有时甚至导致留巷失 败，由于对跨度对围岩稳定性的劣化作用机理不清，采取常规的加大支护强度和密度的 支护方式在实际工程中没有取得很好的效果。本文采用理论分析、数值模拟和工程实践 相结合的方法，研究了沿空留巷跨度对围岩稳定性的影响，取得了以下成果 运用能量变分理论考虑塑性区范围实体煤的支撑压力，分析了直接顶的下沉变形问 题，得出了直接顶的下沉量随跨度的变化规律；将顶板岩梁视为简支梁结构，计算得出 了顶板可能发生四种失稳方式的临界跨度；利用弹性基础梁理论分析了老顶关键块在煤 层中的断裂位置与巷道跨度的关系；建立沿空留巷叠加层板模型，运用条带法分析了顶 板岩层的受力，导出了巷旁前期支护阻力和后期支护阻力与巷道跨度的关系。 以华晋沙曲煤矿 24208 工作面沿空留巷胶带巷为背景， 采用 Midas GTS 分析了巷道 跨度从 3.5m 增加到 7m 的过程中围岩的应力、应变动态演化规律，结果显示随着跨 度的增加，顶板围岩剪切应力集中范围不断扩大，剪切应力峰值成增加的趋势，当跨度 在 5.5m 时，顶板剪切应力峰值产生一定程度的突变；煤帮和隔离墙的垂直应力峰值成 增加的趋势，当跨度达到 5.5m 时，垂直应力增加幅度明显增大，煤帮垂直应力集中程 度最大的点距离煤壁的距离成减小的趋势，但基本保持在 2-3m 的范围内；顶板水平应 力集中程度大的范围区域成增大的趋势，并向实体煤帮方向扩展；巷道上方顶板的下沉 量基本呈直线增长的趋势，且增大幅度较大，煤帮的下沉量基本呈直线增长的趋势，但 增加幅度不大。煤帮塑性区范围随巷道跨度的增加而扩大，当巷道跨度小于 5m 时，煤 帮等效塑性区半径基本保持不变，当跨度达到 5.5m 时，塑性区范围发生突变。 针对理论分析和数值模拟关于跨度对围岩的应力和变形分析，在华晋沙曲煤矿 24208 工作面沿空留巷胶带巷进行工业性试验，提出了相应的优化支护形式，通过现场 监测验证了支护参数的合理性。 关 键 词沿空留巷；留巷跨度；围岩稳定；临界跨度；优化支护 研究类型应用研究 万方数据 Subject Study on the Influence of Gob-side Entry Retaining Span on Stability of Surrounding Rock Specialty Architecturnal and Civil Engineering Name Zheng Dayong（（Signature）） Instructor Hui Xingtian（（Signature）） Sun Longqi（（Signature）） ABSTRACT With the increase of gob-side entry retaining span, the stability of retaining roadway let the person worry, sometimes even load to the failure for gob-side entry retaining, due to the degradation mechanism is not clear about span effect on the stability of surrounding rock, it has not obtained a good effect in the practical engineering adopting the supporting of increasing the support strength and density. This paper study the span for the influence on the stability of surrounding rock using theoretical analysis, numerical and engineering tests, the following results were obtained. The mechanical problem of the immediate roof convergence is analyzed by the variation approach of displacement by taking the abutment pressure of the solid coal in the plastic area into consideration, therefore, the changing rule of the immediate roof convergence varying with span is concluded; Four critical span is calculated when the roof loss of stability by regarding roof as a simply beam structure; The relationship between fracture position in upper roof in mine and the roadway span is analyzed by using elastic foundation theory; Overlay layer board model is built to calculated the stress of roof strata using the strip , deduced the relationship between the early supporting force and later supporting force and span in roadside wall. The article face to gob-side entry retaining belt roadway in Huajin Shaqu 24208 mine engineering background, the stress and strain dynamic evolution law of surrounding rock are analyzed by using Midas GTS when the roadway span increased from 3.5m to7m, the results showed that, with the increase of span, vertical shear stress concentration scope expands unceasingly, surrounding rock shear peak value into a increasing trend. When the span arrived to 5.5m, the roof peak shear stress of roadway coal and wall into a increasing trend. 万方数据 When the span arrived to 5.5m, the vertical stress generated mutations, the stress increase rate increased significantly, the distance between vertical stress concentration degree of the largest point and coal wall grow into the trend of decrease, but always stay in the range of 2-3m. The trend of area the roof horizontal stress concentration is large present a trend of increase, and extend in the direction of coal side, The subsidence of roof and coal side present a linear trend of decrease, and the increase amplitude of roof is bigger, but the increasing amplitude of coal side is smaller, area of coal side for plastic zone of roadway and expand with the increase of the span, when the roadway span is less than 5m, coal side for the equivalent radius of plastic zone basic remain unchanged, when the span arrived to 5.5m, the plastic zone range mutations. According to the theoretical analysis and numerical simulation about the span of the surrounding rock stress and deation analysis, industrial test is verified in gob-side entry retaining belt roadway in Huajin Shaqu 24208, the corresponding optimization support is putted forward, the rationality of support parameters are validated by field monitoring. Key words Gob-side entry retaining; Retaining span; Stability of surrounding rock; Four critical span;optimization support ThesisApplied research 万方数据 目 录 I 目 录 1 绪 论...............................................................................................................................................1 1.1 选题背景及研究意义........................................................................................................1 1.1.1 选题背景.................................................................................................................1 1.1.2 选题意义.................................................................................................................1 1.2 本课题国内外研究综述....................................................................................................2 1.2.1 上覆岩层活动规律的研究现状...........................................................................2 1.2.2 沿空留巷巷旁支护阻力研究现状.......................................................................2 1.2.3 沿空留巷跨度对围岩变形影响的研究现状......................................................3 1.3 本课题拟采取的研究内容和技术路线..........................................................................4 1.3.1 研究内容.................................................................................................................4 1.3.2 本课题技术路线.....................................................................................................5 1.4 本课题预期达到的目标....................................................................................................6 2 沿空留巷围岩活动规律...............................................................................................................7 2.1 沿空留巷顶板分期活动规律...........................................................................................7 2.2 沿空留巷围岩结构力学模型...........................................................................................7 2.3 沿空巷道侧向顶板稳定性分析.......................................................................................9 2.4 本章小结.............................................................................................................................9 3 沿空留巷跨度对围岩的受力及变形影响分析.......................................................................11 3.1 跨度对顶板下沉变形的影响.........................................................................................11 3.1.1 支架-围岩相互作用关系.....................................................................................11 3.1.2 顶板下沉变形的力学分析..................................................................................11 3.1.3 实例分析...............................................................................................................15 3.1.4 跨度对沿空留巷顶板的失稳形式分析.............................................................16 3.2 跨度对老顶关键块断裂位置的影响............................................................................20 3.2.1 老顶断裂位置理论分析......................................................................................20 3.2.2 跨度对老顶断裂位置的实例分析.....................................................................23 3.3 跨度对沿空留巷巷旁支护阻力的影响分析................................................................24 3.3.1 沿空留巷叠加连续层板模型.............................................................................24 3.3.2 沿空留巷支护阻力计算模型及支护阻力求解................................................25 3.3.3 跨度沿空留巷巷旁支护阻力影响的实例分析................................................29 3.4 本章小结...........................................................................................................................31 4 沿空留巷跨度对围岩应力和变形影响的数值模拟分析......................................................32 万方数据 目 录 II 4.1 数值模拟的必要性和可行性分析.................................................................................32 4.2 模型的建立及模拟方案................................................................................................. 32 4.2.1 模型的建立...........................................................................................................32 4.2.2 数值计算方案.......................................................................................................34 4.3 数值模拟计算结果分析................................................................................................. 34 4.3.1 沿空留巷期间不同跨度工作面后方围岩剪切应力分布规律.......................34 4.3.2 沿空留巷期间不同跨度工作面后方围岩垂直应力分布规律.......................36 4.3.3 沿空留巷期间不同跨度工作面后方围岩水平应力分布规律.......................39 4.3.4 沿空留巷期间不同跨度工作面后方顶板煤帮变形分布规律.......................41 4.3.5 沿空留巷期间不同跨度工作面后方围岩塑性区分布规律...........................44 4.4 本章小结...........................................................................................................................45 5 工业性试验..................................................................................................................................47 5.124208 工作面沿空留巷胶带巷工程地质条件..............................................................47 5.224208 工作面沿空留巷胶带巷支护设计......................................................................48 5.2.1 支护设计思路.......................................................................................................48 5.2.2 支护设计参数.......................................................................................................48 5.324208 工作面沿空留巷隔离墙施工工艺......................................................................52 5.3.1 运输顺槽超前滞后加固......................................................................................52 5.3.2 沿空留巷隔离墙施工工艺..................................................................................52 5.4 沿空留巷现场监测..........................................................................................................52 5.4.1 巷道表面移近量监测..........................................................................................53 5.4.2 顶板离层监测.......................................................................................................54 5.4.3 隔离墙结构荷载监测..........................................................................................55 5.5 本章小结...........................................................................................................................56 6 结论与展望..................................................................................................................................57 6.1 主要结论...........................................................................................................................57 6.2 论文不足及展望..............................................................................................................58 致 谢................................................................................................................................................59 参考文献......................................................................................................................................... 60 万方数据 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 回采工作面沿空留巷布置与传统的留设煤柱相比有以下明显优势实现无煤柱开 采，减少留煤柱造成的煤炭资源的浪费；使工作面少掘进一条巷道，有效缓解煤炭开采 掘进接续矛盾；回采工作面实现 Y 型通风系统，有利于解决瓦斯问题；消除煤柱护巷时 煤柱下方应力集中对下部煤层开采的不利影响，使沿空留巷巷道长期处于应力卸载区， 防控由煤柱引起的顶板事故[1]。但是沿空留巷巷道由于其所处的特殊的结构环境，沿空 留巷巷道与普通回采巷道不同，其巷道两侧分别是煤帮和充填体，虽然从空间的角度看 是处于应力得到重新分布的应力降低区，但在时间的角度看，它却难免要经历支承应力 重新分布的剧烈作用影响，同时，巷道也受到一些叠加应力影响，比如掘进和两次强烈 采动所产生的应力叠加，矿压显现十分剧烈、围岩破坏范围广、变形量大且不均匀、维 护困难。近年来，由于煤矿开采强度的增大和机械化水平的提高，煤炭开采设备逐渐趋 向于大型化，且应用日益普遍，大型设备的应用对巷道尺寸提出了更高的要求，使巷道 的宽度逐渐增加。随着留巷跨度的增加，顶板的悬露面积增大，巷道围岩失稳破坏形式 多、应力集中系数大，导致顶板发生强烈沉降、巷道变形和破坏范围显著增加，给煤炭 的安全生产带来了一定的隐患，同时给巷道的支护带来很多后续的问题，巨大的维修费 用严重影响了煤炭的经济效益。留巷跨度增加使隔离墙承受荷载增加、顶板产生过大变 形、煤帮发生挤压破坏严重使围岩稳定性降低，有时甚至可能会造成留巷失败。由于对 沿空留巷不同跨度围岩失稳机理研究不清，人们通常在“悬吊”以及“组合梁拱”等传 统支护理论的引导下， 在工程实践中通过加大支护的强度和密度的来控制大跨度巷道的 变形并没有取得很好的效果[2-5]。 1.1.2 选题意义 在上述背景下，有必要加强对沿空留巷跨度对围岩稳定性的影响进行研究，对跨度 增加对围岩稳定性的劣化作用进行分析，了解不同跨度情况下沿空留巷巷道的顶板岩层 活动规律、围岩的受力变形规律及巷旁支护阻力的受力特征。本文研究成果能对确定合 理支护形式提供了理论参考依据，优化支护方案，据此形成具有针对性的沿空留巷围岩 强化控制技术，控制巷道的有害变形，促进煤矿的安全、高效生产。同时对确定经济合 理的巷道跨度具有一定的指导意义。 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 1.2 本课题国内外研究综述 1.2.1 上覆岩层活动规律的研究现状 沿空留巷巷道围岩结构与上覆顶板的活动具有重大关系，尤其是在不同跨度情况下 顶板的活动规律不同， 对巷道顶板活动规律不清是导致巷道失稳的主要因素之一。 因此， 研究上覆岩层活动规律是研究沿空留巷围岩稳定性关键内容之一。 何廷峻[6]分析了沿空巷道上方老顶三角形悬板结构对巷道的影响，并通过简化的板 力学模型对悬顶破断结构进行研究，通过分析研究结果在工程实践中对三角形悬板在岩 层中的断裂位置和断裂时间成功进行了预测，对确定沿空留巷工作面后加固范围和时间 具有一定的理论意义。 李化敏[7]将沿空留巷顶板岩层运动划分为三个时期，并分析了各个时期上方顶板的 变形运动特征，根据顶板在各个时期的活动特点明确了巷旁支护体在各个时期的作用， 指出巷旁支护体在前期应发挥“顶”后期发挥“让”的作用，以便适应顶板的运动充分 发挥围岩的自承能力。 孙恒虎[8]通过现场实测及立体模型研究将工作面后方沿空留巷的顶板活动划分为三 个时期和两种形式， 并指出各个时期顶板活动的特征， 将岩层应力分布的特征解释为 “集 硬效应”，为沿空留巷后期支护参数研究提供了重要依据。 宋振骐提出的“传递岩梁”学说[9]将巷道顶板同期运动的岩层组看做是能传递力的 岩梁。压力大小取决于支架控制的岩梁位态，顶板给支架的作用力来自直接顶给定载荷 和老顶岩梁给定变形两种方式。同时指出对采场压力起明显作用的覆岩范围是有限的， 老顶破断后采场围岩分布着具有明显周期性变化的内外应力区。 1.2.2 沿空留巷巷旁支护阻力研究现状 巷旁支护体能在沿空留巷的前期一定程度限定巷道顶板的变形，使直接顶与老顶岩 层保持紧贴状态从而防止顶板岩层的离层，在后期承载上方直接顶的载荷。一定强度的 巷旁支护体能在留巷前期切断采空区侧的顶板，形成沿空留巷大结构，使巷道处于应力 降低区，维持巷道围岩的稳定。而巷道跨度是影响巷旁支护阻力的主要因素之一，因此 有必要对不同跨度巷旁支护阻力进行研究，国内外学者在这方面做了大量研究。 英国学者 Whittaker[10-13]等人从采场矿压的力学模型中得到启发， 建立了将岩体分离 出来建立静力平衡方程的分离岩块力学模型（Detached Block Theory）；苏联学者 B.胡 托尔诺依将沿空留巷巷道上方顶板看成悬臂梁结构，通过计算得到了巷旁支护切断直接 顶的工作阻力[14]。这些理论都认为直接顶上的老顶经过巷旁支护体切顶后经过运动能 形成一自稳平衡结构，直接顶随着老顶的回转下沉在煤壁断裂后能形成一个孤立的个 万方数据 1 绪 论 3 体，而巷旁支护阻力能通过计算孤立岩块的重量得到，它们都忽视了巷内和巷旁支护阻 力对围岩稳定性和自承能力的影响[15-20]。 英国学者 Smart 提出的顶板倾斜力学模型 （Roof Beam Tilt Theory） [21-22]认为巷旁支护的作用应是限制煤壁一侧到充填体内侧这个范围的 直接顶下沉量，认为支护阻力的设计计算应考虑顶板的旋转角度和旋转支点两个参数。 何廷峻[23]运用 wilson 铰接岩块理论结合开采条件建立了巷旁支护的力学模型， 分析 了沿空巷道围岩运动规律与支架围岩的关系，提出了支架对直接顶取“给定荷载”工作 状态，支架对老顶岩梁取“给定变形”工作状态，并对巷旁支护阻力进行计算，得到了 巷旁支护围岩变形量的计算公式，与实测结果吻合。 吴健[24]讨论了“支架-围岩”关系，计算得到了在中等稳定顶板以上支架系统可“让 压”情况下巷旁支护载荷的计算公式，并分析了影响巷旁支护带载荷的各种因素，估算 得到了沿空留巷顶底板移近量及巷旁支护带实际可缩量。 周华强[25]通过模拟试验，分析了充填体刚度与顶板沉降的关系，充填体作用对顶板 破断的影响，煤体刚度对巷旁充填体增阻速度的影响，并初步确定了巷旁充填体需要切 落顶板的高度。 柏建彪[26]提出了膏体材料巷旁充填新技术，对沿空留巷顶板破断规律进行了分析， 并给出了巷旁支护体各种参数的确定方法。 马立强[27]根据不同地质条件，将巷内充填体的支护阻力计算分为有无关键层考虑， 关键层以下岩层所传递的压力及关键层所传递的压力。同时提出采用锚杆支护将顶板岩 层锚固起来，可有效减少由充填体支护阻力来平衡围岩压力的观点。 1.2.3 沿空留巷跨度对围岩变形影响的研究现状 万世文[28]基于压力拱理论分析了大跨度复合顶板矩形巷道失稳机理， 认为矩形巷道 复合层状顶板为薄层状岩体，在水平应力和岩层的自重作用下，顶板岩层将会产生离层 和挠曲。当挠曲变形达到一定程度，层状顶板岩梁将会发生失稳破坏，这种破坏是自下 而上渐进发展的。 通过分析得出了挠曲失稳破坏的临界力与巷道断面形状及高跨比有关 的结论。 韩昌良[29]认为跨度是影响沿空留巷围岩变形的重要原因之一， 跨度增加顶底板的挠 曲增大，应力分别向充填体和煤帮转移导致煤帮变形进一步增加。并用连续介质力学分 析软件 FLAC 建立平面应变模型分析了同一开采条件下不同留巷跨度对顶板应力及围 岩变形的影响，得出工作面回采后顶板应力随跨度增加而减小，最终下沉量随跨度增加 而增加的结论。 张山松[30]通过数值模拟研究了巷道跨度从 3m 增加到 5m 时对深部沿空留巷围岩稳 定性的影响，结果表明巷道跨度对巷道底鼓影响较大，在能够满足生产要求的前提下适 当的减小巷道跨度能减小煤帮和充填体的移近量从而充分发挥围岩的自承能力，特别是 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 针对底板较软时减小跨度，留巷效果更明显。 董春亮[31]采用灰色关联度理论和正交数值模拟方法分析了巷道断面、采高、工作面 埋深等因素对沿空留巷巷道顶底板移近量、两帮移近量的影响程度，得出了巷道断面面 积和工作面埋深对沿空留巷围岩变形量具有较大影响的结论。 惠兴田[32]通过连续岩梁假说近似推导了自稳隐形拱的曲线方程， 得出了该曲线与巷 道顶部宽度、垂直原岩应力、顶板隐形拱内最差岩石抗压强度的关系，由公式可知随着 巷道跨度增加，隐形拱曲线向上发展，易冒落岩体范围增大。 孙龙[33]以赵庄矿实际地质条件为依据，建立 FLAC3D 数值模型，分别研究巷道断 面大小对巷道底鼓的影响，得出了不同断面大小软岩巷道顶底板中点处的变形量，通过 分析可以看出巷道跨度变化对软岩巷道顶底板的变形量的影响较跨高变化更敏感。 王卫军[34]根据砌体梁理论考虑老顶以给定变形的方式作用于下方直接顶， 通过建立 简化的力学