小煤柱沿空巷道方案论证报告.docx

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1、综放工作面小煤柱沿空巷道矿压规律与围岩强化控制技术研究方案论证报告吕临能化有限公司庞庞塔煤矿中国矿业大学2014年7月30日目录一、项目的背景和意义沿空掘巷是煤矿井下回采巷道的一种典型形式，它包括沿采空区边 缘掘巷、与采空区之间留窄煤柱的沿空掘巷两类情况。由于沿空掘巷 可以充分借用工作面回采活动造成的特殊顶板结构来优化巷道围岩应 力环境，显著提高煤炭资源回收率，简化采掘接替工艺，在我国越来 越多的矿井生产中采用沿空掘巷。吕临能化有限公司庞庞塔煤矿主采 的5#、10#煤层赋存厚度大，煤质较软，地应力高，且开采强度大，再 叠加工作面采动压力影响，导致大量沿空巷道矿压显现剧烈，突出表 现为巷道两帮急

2、剧收敛，底板臌起，根据前期调研表明，沿空巷道实 体煤帮收敛量达到以上，两帮局部的收敛变形量可达2m多，底臌量能 够达到，致使巷道断面不能满足正常行人、生产要求，巷道需进行大 量的维护，既增加生产成本，又影响正常生产，沿空巷道围岩的控制 难题成了庞庞塔矿亟待解决的问题。针对此问题，项目主要研究小煤柱沿空巷道覆岩结构活动特征与应 力分布变化特征、受本工作面二次采动影响时顶板结构对沿空巷道围 岩变形的影响规律、小煤柱沿空巷道产生大变形的机理与关键影响因 素，并提出沿空巷道断面强化控制技术，确保巷道断面满足需要。二、国内外研究开发现状和发展趋势对于该类条件下的沿空巷道控制问题，国内外很多学者做了大量的

3、 研究工作。留窄煤柱沿空掘巷由于处于采空区边缘煤体是己卸载的松 弛区，煤体深处是能够承载的塑性区和弹性区，所以沿空掘巷是在原 先的松弛区掘进。在松弛区沿空掘巷又破坏了原来平衡状态，支承压 力的垂直应力分布向煤体深部移动，一般向煤体深部移动的距离约为 新掘巷道的宽度。由于应力的重新分布，巷道的顶帮会有明显的变形。一0留窄煤柱沿空掘巷应力分布依据煤、岩性质和窄煤柱宽度的不同，垂 直应力的高峰值也不同，既有可能使新掘的巷道处于支承压力高峰之 下，引起巷道剧烈变形维护困难，又有可能使得巷道处于应力降低区， 巷道维护简单。所以留窄煤柱沿空掘巷，若煤柱尺寸选择不当，不仅 在掘巷时围岩有明显变形，同时由于煤

4、柱破坏后处于塑性蠕变状态， 巷道掘进后，在较长的时间内围岩还有较大的持续变形。小煤柱沿空 掘巷往往处于采空区边缘己卸载破坏的松散煤体中，受到上工作面采 场侧向残余支承压力影响，不仅在掘巷时围岩变形明显，而且在掘后 稳定期间仍保持较大的变形速度，当本工作面回采时由于受到强采动 作用，会发生围岩持续大变形、锚固区域整体推移，巷道支护体系失 效，因此合理选择窄煤柱的宽度是沿空掘巷的关键一环。煤柱宽度对巷道稳定性的影响，主要有两个方面：一是影响巷道围 岩应力；二是影响巷道围岩完整性。具体可分为：沿空掘巷围岩的应 力状态、沿空掘巷的矿压显现规律和窄煤柱稳定性原理。（1）留窄煤柱沿空掘巷，巷道位置处于侧向

5、残余支承压力峰值附 近，掘巷扰动了侧向支承压力分布，因而，留窄煤柱沿空掘巷不仅在 掘进期间围岩强烈变形，而且在掘后稳定期间仍保持较大的变形速度， 引起煤柱向巷道方向强烈位移，巷道的另一侧煤体，掘巷之前为承受 高压的弹性区，掘巷之后，随着松弛区、塑性区的重新形成和支承压 力向煤体深部转移，与此同时伴随着顶板强烈下沉和底板膨起。（2）留窄煤柱沿空掘巷，因窄煤柱破碎、煤柱支承作用极小，隐 性增加了巷道跨度和悬顶距，巷道压力增大、维护困难；窄煤柱裂隙 发育、甚至破碎，在实际运用中由于采空区的水和瓦斯会对巷道的正 常掘进构成危险，而且也存在不同程度漏风现象，因此需要小煤柱保 持一定的完整性。小煤柱沿空掘

6、巷应力环境显著受到上工作面基本顶岩层破断回转 形成的大结构影响，基本顶的回转使沿空掘巷经受强烈影响，依据基 本顶侧向破断位置、破断块体活动规律以及巷道围岩的性质和窄煤柱 宽度的不同，沿空巷道承受的侧向支承压力的高峰值也不同，既有可能使新掘的巷道处于支承压力高峰之下，引起巷道剧烈变形维护困难， 又有可能使得巷道处于应力降低区，巷道维护简单。所以，需要开展 小煤柱沿空掘巷顶板覆岩活动规律与破断结构特征研究，充分借用工 作面回采活动造成的特殊顶板结构，加入人为诱导控制侧向顶板破断 位态，从而达到应力转移与卸压的目的，优化巷道围岩承载状态。(一) 、国内外研究现状综放小煤柱留巷双巷布置系统的研究与应用

7、,在国内外均未见有报 导，属于一个新的研究课题。但国内外在薄及中厚煤层沿空留巷的大量 研究和现场试验成果，以及原有的煤柱护巷法经验，可以作为本课题研 究的重要参考和理论基础。1、国外研究沿空掘巷发展美国、澳大利亚等世界主要产煤国家,其采煤方法以短壁式开采为 主,但长壁开采于60年代初亦引进到了美国，并在Western和Illinois煤 田进行了多年应用，开采煤层厚度在,并取得了优于房柱式开采的成 绩。美国的煤矿一般被私人收购，他们为了追求最大的采出率，十分注 重煤柱尺寸的合理性“同时通过研究分析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”而且，锚杆和金属网相结合 的支护方

8、式也在很多地质复杂的矿得到了大量的运用和发展。沿空掘巷技术在我国的发展大体可以分为以下几个阶段：(1) 萌芽阶段：20世纪50年代，我国已有个别矿井自发地应用沿 空掘巷技术，学习前苏联的经验，曾主要采用双巷布置留煤柱护巷系 统，但由于当时的巷道支护技术落后，留煤柱护巷困难，煤巷采用炮 掘法施工，掘进速度慢,双巷布置时准备时间较长。(2) 发展阶段：70年代，我国开始试验推广跨上山沿空掘巷(或沿 空留巷)技术，跨上山沿空掘巷系统岩巷多、邻面接续难等缺点在综放 开采中却逐渐突出出来。沿空掘巷技术有所发展，并开始矿压研究，取得 了可喜的成果；(3) 完善阶段：80年代初期，提出了沿空掘巷巷道围岩变形

9、特征， 实现无岩巷多煤巷布置的前提条件，是要有先进的煤巷支护技术并能实 现煤巷机械化快速掘进，兴隆庄煤矿煤巷新型高强锚杆支护己取得成 功、煤巷综合掘进机械化施工速度已达700而月以上，均已达到国际先 进水平，完全具备了“无岩巷多煤巷布置”的技术与施工要求。；(4) 成熟阶段：90年代。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，我国的一些现代化矿井，如潞安矿务局漳村 矿及神府矿区大柳塔矿等也取得了不少成功的经验。2、国内外沿空掘巷研究现状英国是很早就采用留设煤柱来支撑顶板的采空区处理办法现在中 国运用计算煤柱宽度的理论就来源于英国的威尔逊煤柱设计公式。威 尔逊的主要贡献在于提

10、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这也是其 主要的思想另外，波兰和前苏联也是从事窄小煤柱研究的国家。苏联也是一个 产煤大国，为了节约煤炭资源，提高回收率，他们对煤柱的留设问题做了 很深入的研究。前苏联乌日洛夫矿观测了距采空区不同距离内开掘的 巷道变形，结果表明,采空区边界附近煤体的支承压力明显影响范围约 为10m，位于支承压力最大影响带(46m)内的巷道产生失稳和较大变 形。南非尔岗煤田通过对煤体边缘残余支承压力的观测,得出最大支承 压力作用在煤体边缘10m处。长期以

11、来，留煤柱护巷方式一直是我国煤矿井工开采的主要方式.我 国先后在开滦、阳泉、平顶山等矿区的三四十个工作面进行了沿倾斜 方向煤体残余支承压力的现场观测，取得了大量的观测结果。丰城矿务 局坪湖煤矿，在煤层厚度，倾角20的煤体中观测到沿倾斜方向距煤体 边缘3m范围内的煤体应力较小,应力峰值区大约位于1222m范围内, 支承压力影响的峰值位置距煤体边缘12m.同时发现，支承压力峰值随 着时间变化向煤体内部转移。淮北杨庄矿的观测结果，从煤体边缘至煤 体内部7m处为塑性区，其中0为松弛区;煤体内7m以外为弹性区，其中 711m为弹性应力升高区,11m以外逐步恢复到原始应力区.澄合矿务局 权家河煤矿观测结果

12、，沿倾斜方向煤体内支承压力的峰值位置在410m 范围.理论研究方面，国内许多学者借助弹性力学建立煤体边缘的力学平 衡方程，经过必要的简化和假设，以及利用某种强度准则(如莫尔一库仑 强度准则)确定塑性区宽度，并获得煤体边缘弹性应力区!塑性应力区应 力分布的解析表达式这些研究普遍存在忽略剪应力c xy等问题，国内有 学者对此进行了修正，推到出基于极限平衡理论的煤体边缘塑性区内应 力。y、塑性区宽度xp的关系式。考虑综放开采条件和倾角因素的影响, 谢广祥等也应用弹塑性极限平衡理论，分析得出综放面倾向煤柱支承压 力峰值位置的计算式及分布规律。刘洋在总结大量煤柱研究的基础上 研究了煤柱强度和变形规律，煤

13、柱破坏过程以及合理的煤柱宽度留设方 法。李庆忠对综放面小煤柱护巷进行了分析，研究了综放条件下的窄煤 柱的变形破坏机理。张顶立(1998)应用数值模拟方法对不同煤柱宽度下 巷道变形和煤柱中的分布进行了分析，得出了巷道变形规律及煤柱中应 力分布规律。王同旭(1996)在其博士论文中建立了巷道等效不稳定系数 的概念，并对煤柱宽度的影响进行了分析不同煤拄宽度下支承压力及 巷道不稳定系数的分布的峰值位置并不重合，这说明应力最高的位置并 不一定就是一侧采空巷道稳定性最差的位置两者偏离方向和大小与 残余强度(围压大小)、顶底板岩性及煤层厚度等因家有关。尚海涛(1997) 在实验室对潞安矿务局煤柱合理尺寸进行

14、相似材料模拟试验研究，进而 分析煤柱尺寸对开采的影响的影响。另外，还有许多院校和科研单位也 做了相当多的研究工作都不同程度的推动着这些技术的完善和发展。3、沿空采动巷道破坏机制研究我国学者自1950年代即开始研究采动巷道的破坏变形机制，成果 显著，尤其是1980年以来，采动巷道围岩控制理论和技术不断取得重 要进展。陆士良、侯朝炯、孙恒虎等通过力学模型和现场实测得出了 与采空区相邻煤体内应力分布及影响范围，陆士良(1980)、丁焜（1984）、吴健（1986）通过大量井下观测和实验，总结了沿空留巷全 过程的巷道围岩移动规律。陆士良（1982）、孙恒虎（1988）、漆泰岳 （1996）等采用理论分

15、析、数值模拟、现场实测的方法，分析了沿空 留巷基本顶断裂规律及其对留巷围岩稳定性影响，充分研究了沿空留 巷的破坏原理并形成了巷道围岩稳定控制技术。靖洪文（1996）等通过现场实测，探讨了受采动影响的深井底板岩 巷围岩松动圈的变化规律，提出了动压巷道采动影响系数，为动压巷 道松动圈的范围确定提供了依据。卫军（2002）等应用损伤理论，分 析了给定变形下沿空掘巷实体煤帮的支承压力分布，研究表明煤层和 直接顶厚度较大时，支承压力相对较高，巷道维护较困难，底臌容易 发生；反之，巷道维护相对较好，不易产生底臌。林登阁（2002）采 用数值模拟和物理模拟对鲍店煤矿北翼跨采软岩巷道进行了分析，指 出动压是造

16、成跨采软岩巷道破坏的主要原因，岩性差、裂隙发育是引 起巷道采动期间剧烈变形的内因。高明中（2005）等采用数值模拟，对动压软岩巷道支护参数进行正 交优化，并对试验结果进行回归分析，求得回归关系式，提出合理匹 配锚杆、锚索等支护参数是联合支护的关键。田建生（2010）等采用 力学弹塑性理论，建立了围岩强度，采动应力和支护阻力的耦合方程， 得到动压巷道围岩弹塑性区分布内应力和位移分布的解析解，揭示深 井动压巷道围岩“应力-位移”的变化规律，为动压巷道支护提供了理论 依据。惠功领（2010）等通过物理模拟，对不同支护形式下的围岩变 形破坏与失稳全过程进行了研究，指出巷道周边位移主要是由深部煤 体碎胀

17、所引起，主动支护更适用于围岩变形量较大的动压沿空巷道。国外对采动巷道也开展了相关的研究。W. J. Gale和R. L. Blackwood（1987）采用一种边界积分的方法分析了矩形巷道的三维应 力，其目的是确定工作面回采方向和原岩应力方向夹角的应力分布特 性，同时考虑了围岩在此应力特性下的失稳情况。研究表明，在横向 应力起主导作用时，围岩的破坏受巷道掘进方向、几何尺寸的影响巨 大。E. Unal （2001）等对受动压影响作用下回采巷道的矿压显现进行了 全方位监测，研究表明，围岩变形与受载区域、时间、上下方工作面 的位置、支护类型和方式、以及动态和静态支护载荷有关，建立了由 指数函数表示的

18、围岩变形数学模型，为动压巷道变形的预测提供了依 据。J. Torano（2002）等通过采动巷道矿压观测数据分析，得出岩体的 非连续性对巷道最终表面收敛的影响巨大，结合观测结果，采用两种 有限元模型分析对比研究了破碎岩体高应力条件下的支护和围岩相互 作用关系，为采动巷道支护提供了参考。国内外其他学者也在动压巷 道破坏机制及巷道围岩控制方面作了许多卓有成效的工作，这些研究 丰富和发展了采动巷道围岩控制理论和方法，对沿空巷道围岩稳定性 控制具有极大的借鉴意义。由于处于采空区边缘松弛区的沿空巷道围岩支护结构很难承受本 工作面采动期间剧烈破坏作用，难以实现自稳，应采取采动影响段的 超前辅助加强措施。由

19、此形成了小煤柱矿压显现规律为依据的巷道组 合锚杆支护、巷内辅助加强支架的沿空掘巷围岩整体支护原理。小煤 柱沿空巷道变形破坏机理以及合理控制技术是制约矿井安全高产高效 的关键一环。（二）、现有研究基础庞庞塔煤矿前期已经展开了大断面切巷的部分研究工作，并取得了 良好效果，积累了很多的现场经验。庞庞塔煤矿课题组人员均为目前 巷道掘进和采煤生产中管理和生产骨干，已主持或参加了许多项科研 项目，人员业务素质高，组织能力强，能够胜任本科体研究开发工作。中国矿业大学缪协兴教授团队，主要从事现代力学理论及其在采矿 工程中的应用研究，在力学与采矿工程相结合的交叉学科领域取得了 突出的研究成果，开创了采动岩体力学

20、与工程和软岩力学与工程两个 新的研究方向。依托煤炭资源与安全开采国家重点实验室与深部岩体 力学国家重点实验室，拥有各种型号的试验机，相似模拟试验台，以 及 FLAC2D、FLAC3D、UDEC2D、3DEC、PFC 等先进的岩土工程数 值模拟计算软件，专业人员齐全，技术实力雄厚。该团队针对深部采 矿工程中软岩流变大变形和遇水膨胀等力学行为，采用有限变形力学 理论，系统研究了软岩的基本力学特性，给出了软岩流变大变形本构 方程，建立了膨胀岩体的湿度应力场理论，编写了分析软岩流变大变 形的有限元计算程序，初步形成了软岩力学的基本框架。团队成功开 发出了超长综放工作面高产高效生产技术、深部开采冲击矿压

21、防治技 术和综放面大断面沿空留巷技术，产生了显著的社会和经济效益。该 团队负责人缪协兴教授，长期从事岩石力学理论及其在采矿工程中的 应用研究工作，是国家杰出青年基金获得者，“973计划”项目首席科学 家（2项），全国优秀博士后，享受国务院特殊津贴专家，江苏省有突 出贡献的中青年专家，江苏省“333工程”中青年首席科学家（第一层次） 等；研究成果先后获国家科技进步二等奖2项、国家技术发明二等奖1 项（均排名第一）；授权国际国内发明专利21项，编写相关行业标准 11项，出版专著5部，在包括Science等国际权威期刊上发表学术 论文210余篇，被SCI、EI收录180余篇，这都为为该项目研究奠定

22、了基础。该项目成员长期从事煤巷支护研究，具有完成该项研究任务的人力 资源条件，有大量成熟经验和技术可以借鉴，该项研究的人力、物力 条件都已具备。（三）、项目总体目标、研究内容、技术关键和创新点，技术指标 1、项目总体目标围绕高地压条件下沿空巷道围岩的控制难题，开展小煤柱沿空巷道 覆岩结构活动特征与应力分布变化特征研究，高应力转移让压技术与 帮部大变形控制技术研究，巷道断面强化控制技术研究，实现矿井安 全持续高效生产，优化并确定合理煤柱尺寸及留设位置，确保煤柱留 得住，提出巷道断面强化控制方案，满足设备布置、通风、运输、行 人的要求，保证巷道断面满足使用需要。提高了安全开采水平，并为 有效控制高

23、地压与强动采动条件下的小煤柱沿空巷到围岩控制提供重 要的理论基础，具有普遍的理论价值和广泛的实践指导意义。2、研究内容本项目主要开展如下几个方面研究：1）5#、10#煤综放工作面沿空巷道的工程地质力学特征评估与分析;2）小煤柱沿空巷道覆岩结构活动特征与应力分布变化特征研究： 分析5#、10#煤综放工作面上覆岩层结构的破断与活动特征以及由此带 来的采场应力分布与时空演化特征，建立沿空掘巷顶板破断与稳定模 型，深入研究工作面基本顶侧向破断位置，破断块体大小、破断块体 活动规律以及关键块体回转角，分析由此带来的沿空巷道围岩持续大 变形的机理以及变形破坏特征；根据顶板岩层活动特征与应力分布规 律优化并

24、确定沿空巷道煤柱合理位置与煤柱宽度；3）综放工作面小煤柱沿空巷道矿压显现规律研究：现场实测并深 入研究综放工作面小煤柱巷道的超前采动影响范围、顶底板相对移近 量、两帮收敛量等矿压显现规律，用于指导5#、10#煤综放工作面小煤 柱沿空巷道围岩强化控制；4）小煤柱合理尺寸优化：研究合理煤柱尺寸、位置留设，既要巷 道处于应力降低区，又要保证足够宽度确保煤柱完整性隔绝采空区， 煤柱留得住；并考虑沿空侧出现煤体压疏松，采空区瓦斯泄露情况的 处置方法；5）小煤柱沿空巷道产生大变形的机理与关键影响因素研究：根据 5#、10#煤综放工作面沿空巷道具体赋存条件、变形特征，研究确定小 煤柱沿空巷道产生大变形的机理

25、与关键影响因素随时间和空间的发 展；6）强采动条件下巷道全断面主动强化控制技术：对锚网主动支护 条件下巷道顶板、两帮、底板协调承载研究，深入研究强采动时锚网 支护围岩承载性能、载荷传递特征，提出以桁架为依托的帮部大变形 控制技术，窄煤柱侧的完整性和抗回转剪切能力得到明显提高，有力 维护巷道围岩结构的整体稳定性，确保巷道顶板安全；研究强采动条 件下小煤柱与实体帮部大变形的强化控制技术和措施，确保巷道断面满足需要，保障工作面顺利生产；7）确定小煤柱沿空巷道的二次补强控制具体支护参数、施工工艺 及实施技术；3、技术方案项目采用理论分析、现场原位试验、三维立体数值模拟研究等方法 开展综合系统研究。（1

26、）理论研究主要利用岩石力学、弹塑性力学、结构力学、矿山压力与岩层控制 理论等的一些论点,对论文的相关内容进行研究。从如下影响因素分析 入手，包括围岩力学性质、巷道地质条件、巷道断面参数及矿压显现 规律等，确定最重要的影响因素，建立力学模型，分析小煤柱条件下 沿空巷道围岩稳定性条件和规律。（2）现场原位实验主要采用多点位移计、钻孔窥视仪、钻孔应力计等仪器设备，监测 巷道围岩的位移、顶板离层及应力变化情况。（3）数值模拟数值模拟分析研究主要选择大型三维数值计算程序FLAC3D开展 小煤柱沿空巷道的围岩应力场、位移场演化过程及分布规律。技术路线：姚桥矿工程地质资料收集整理、项目方案论证一姚桥矿 地质

27、力学评估与分析一小煤柱沿空巷道的理论分析、模拟试验研究 典型条件下工程试验施工参数的确定与施工一矿压监测与反馈分析 总结项目研究成果，撰写研究报告一项目结题。三、小煤柱沿空巷道覆岩结构活动与应力分布特征研究本章基于综放采场矿压理论，对综放工作面采空区前方顶煤及顶板 运动规律、侧向压力影响规律等进行分析研究，为综放面小煤柱留巷 设计提供依据。（一）、综放工作面顶板运动规律1、工作面上覆岩层结构的活动特征、工作面覆岩结构特征综放开采时，直接与支架作用的是裂隙较为发育且整体稳定性较差 的顶煤，在支承压力作用下支架上方的顶煤逐渐破碎和垮落。由于老顶 断裂回转初期支承点为前方煤壁，因而老顶来压首先表现为

28、煤壁片帮， 随回转量增大出现支架增阻，但松散顶煤的传力效果较差，通常支架增 阻不明显。随顶煤的回收，采空区空间成倍增加，只有更高的顶板跨落才能维系 整个采场岩体的平衡。原直接顶岩层跨落后不能充满采空区域，一定厚 度的原老顶下位岩层跨落来弥补采空区充填的不足，这一层位的岩体将 成为上位直接顶,或呈嵌固悬臂梁结构，或呈“半拱”式结构与前方岩体 相作用，而在更高层位上的原裂隙带岩体，才能形成铰接的砌体梁结构。 下位直接顶破坏程度较高且呈不规则跨落，上位直接顶的破坏程度较低 且块度较大,可形成“半拱”式结构，其后拱脚作用在跨落的研石上，拱顶 为支架或煤壁上方的岩体。随着工作面的推进，采空区上方坚硬岩层

29、在裂缝带内将断裂成排列 整齐的岩块，岩块间将受水平推力作用而形成铰接关系。岩层移动曲 线的形态经实测呈开始为下凹、而后随工作面的推进逐渐恢复水平状 态的过程，由此决定了断裂岩块间铰接点的位置。若曲线下凹，则铰 接点位置在岩块断裂面的偏下部；反之，则在偏上部。如果在回采空 间以及邻近的采空区上方出现明显的离层区，说明该区内断裂的岩块 可以形成悬露结构。破断的顶板岩块会像砌体一样排列，形成砌体梁 结构，如图3-1所示。M al_ ：-51 r言瓦Ve 八小膈mAmW)图3-1综放采场覆岩“砌体梁”结构、直接顶垮落特征回采工作面从开切眼开始向前推进，顶煤放出后，直接顶由于自承 作用悬露，当悬露面积增

30、大到一定程度，达到其极限跨距时初次垮落， 这是直接顶在工作面推进方向上的垮落规律。在其厚度方向上，下位 直接顶垮落后，破碎的岩体若足以填充下部空间，则上位直接顶不会 继续垮落，而随着老顶弯曲下沉逐渐压实破碎散体岩块；若不足以填 充下部空间，则上位直接顶会在悬露面积达到一定程度后在重力和支 撑压力双重作用下垮落，直至填充满空余空间。受采动影响，直接顶的 运动变形始于煤壁前方。综放工作面顶煤一般情况下不能完全放出，若取回收率为n，则形 成充满采空区所需直接顶厚度为：(3-1)(3-2)Kp为岩S h + M =K 以 h + ( - n 引S h = mLK /Cc - 1)- J p p式中，S

31、 h为直接顶厚度，m；M为煤层厚度，m；石碎胀系数。、老顶破断特征随工作面推进，受支撑压力影响，老顶岩层达到极限强度时，将形 成断裂。断裂首先发生在开切眼和工作面中部位置，随后在上下平巷 附近产生裂纹，待四周裂缝贯通形成“O”形后，岩层中部出现裂缝，最 后形成“X”形破坏。此后不断重复上述过程，其发展过程如图3-2、3-3 所示。图3-2老顶竖“O-X”型破断图3-3老顶横“O-X”型破断（二）、工作面上覆岩层矿压显现规律煤层开采过程破坏了原岩应力场的平衡状态，引起应力重新分布。 煤层开采以后，采空区上部岩层重量将向采空区周围新的支承点转移， 从而在采空区四周形成支承压力带。如图3-4所示。工

32、作面前方形成超 前支承压力，它随工作面推进而向前移动；工作面沿倾斜和仰斜方向 及开切眼一侧煤体上形成的支承压力，在工作面采过一段时间后，不 再发生明显变化，成为固定支承压力或残余支承压力；采空区稳定后， 冒落砰石被压实，上部未冒落岩层在不同程度上重新得到支撑，因此，在距离工作面一定距离的采空区内，也可能出现较小的支承压力，成 为采空区支承压力。1工作面前方超前支承压力；2、3工作面倾斜方向残余支承压 力；4工作面后方采空区支承压力图3-4采空区应力重新分布概貌1、工作面推进方向支承压力分布规律、老顶的初次来压老顶岩层初次破断后，老顶破断岩块回转下沉引起工作面顶板急剧 下沉、支架受力普遍加大、煤

33、壁片帮等。老顶的初次来压步距与老顶 初次断裂步距相当、老顶周期来压老顶初次来压后，随着回采工作面的推进，老顶岩层将发生周期性 破断，老顶破断岩块形成的“砌体梁结构的稳定性将随之发生周期性 变化。周期来压的主要表现形式是：顶板下沉速度急剧增加，顶板的下沉 量变大；支柱载荷普遍增加；有时还可能引起煤壁片帮、顶板台阶下 沉、支柱折损，甚至工作面冒顶事故。老顶的作用力都是通过直接顶而作用于支架上，同样，支架的支撑 力也是通过直接顶而对老顶进行控制。因此，保证直接顶的完整性对 老顶的控制有十分重要的意义。但是，在老顶来压期间。由于煤壁前 方强大的支承压力，使得直接顶在煤壁前方形成剪切破断而形成预生 裂隙

34、和直接顶的破碎，不利于直接顶的管理。此外，来压大小与直接顶在采空区冒落砰石充满采空区的程度直接 相关。采空区冒落愈严实，老顶对工作面影响愈小；反之，则越大。、回采工作面前后支承压力分布a一应力增高区;b应力降低区;c，一原岩应力区;c一应力稳定区图3-5工作面前后方的应力分布工作面前方按照应力值高低可分为三个区域：原岩应力区，应力降 低区和应力增高区。原岩应力区即还未受到采动，仍处于原岩应力范 围。应力降低区位于工作面前方附近，煤体是塑性软化状态，应力降 低区的出现的必须条件是煤体出现塑性破坏。应力增高区的煤体则是 处于弹性状态，煤体本身仍然能够承载应力，煤体的变形量和位移也 相对比较小，支承

35、压力峰值就在此区域。工作面后方按照应力高低可分为两个区域：应力降低区和应力稳定 区。应力降低区为煤壁至砰石接顶点，由于上覆岩层的结构大部分是 半拱式结构，因此煤壁一端几乎承受着工作面空间上方悬露岩层的大 部分重量，煤壁后方老顶悬空。应力稳定区的出现主要原因是老顶弯 曲下沉压实采空区冒落砰石，产生压缩变形，应力由零逐步增加至约 为原岩应力。工作面回采引起的超前支承压力的作用，工作面前方一定范围内的 煤体处于弹性破坏状态，随着工作面的推进，破坏向煤体深部进一步 的转移，当到达一定距离时煤体将由弹性状态进入塑性破坏状态，如 图3-6所示。A减压区；B增压区；C稳压区；D极限平衡区；E一弹性区图3-6

36、支承压力的分区根据极限平衡理论，得到工作面支承压力峰值点距煤壁的距离X0（3-3）式中，K应力集中系数；pl支架对煤帮的阻力；m煤层开采 厚度，m； h采深，m； C煤体的粘聚力，MPa；中煤体的内摩擦 角，； f煤层与顶底板接触面的摩擦因数；6一三轴应力系数，k 1 + sin 甲g =1 一 sin 甲。应力集中系数K可根据下面经验公式进行计算：K=+X10-3H+式中，h工作面开采深度，m； m工作面的采高， m； L采空区沿倾斜条带宽度，m； a煤层倾角，； D顶板岩石的 弹性模量与煤层弹性模量之比。对于姚桥煤矿7267工作面，沿走向各参数的取值为Y=x104 N/m3,m=,h=78

37、0m,D=,C=,p1=,K=，中=15，f=， a=9，则匕 1 + sin 甲 1 + sin15g 1 一 sin甲 1 - sin154.1x =02 x 1.698 x 0.268=1.698f ln2.09 x1.698780 x 2.1 x 104 + 0.8 x 106 x cot1*。 x b.51 x 106 + 0.8 x 106 x cot15，=8.27m即工作面超前支承压力峰值点距煤壁的距离为。2、工作面沿倾斜方向支承压力分布规律煤层开采沿倾斜方向支承压力带形成后，随着远离工作面和时间的 延续，会逐渐趋向缓和与均匀化，最终形成稳定的残余支承压力。煤 体和围岩的强度对

38、支承压力分布曲线有很大影响，煤层顶底板为比较 坚硬的岩石时，随着工作面推进，倾斜方向支承压力峰值逐渐降低， 峰值位置不明显移动。煤层顶底板为比较软的泥质页岩或比较破碎的 砂质页岩时，随工作面推进，倾斜方向支承压力分布曲线逐渐向煤体 深处转移，峰值逐渐降低，影响范围扩大。3、沿空巷道大变形的机理研究沿空掘巷在掘进影响阶段及掘后稳定阶段变形较小，受工作面采动 影响后，巷道围岩活动剧烈，加上围岩松软破碎，造成工作面回采时 巷道变形量很大。基本顶的稳定状况及位态直接影响沿空掘巷围岩稳 定状况，因而，基本顶破断后形成的结构构成了沿空掘巷的上部边界。 通过建立沿空掘巷基本顶三角块结构的力学模型，对三角块结

39、构稳定 性进行力学分析，揭示基本顶三角块结构稳定性原理及其对沿空掘巷 的影响，从理论上研究分析综放沿空掘巷外部围岩的稳定条件。、综放沿空掘巷的基本特点综放沿空掘巷是一种特殊类型的回采巷道，采用锚杆支护时，巷道 一般沿煤层底板布置在上工作面采空侧变形后处于稳定的煤体中，留 16m的小煤柱护巷。因此，了解综放沿空掘巷的工程地质条件和生产 技术条件是研究该条件下巷道矿压显现及进行巷道围岩控制的基础。 、巷道围岩性质（1）巷道在煤体中留小煤柱沿煤体底板掘出，巷道的两帮及顶板 均为煤体，其围岩力学性质很差。随着综放工作面回采的进行，采场 上覆岩层垮落，引起采场支承压力向周围煤体转移，由于该应力集中 程度

40、多高于煤体强度，故靠近采空区的煤体多处于塑性破坏状态。在 此意义上说，综放沿空掘巷围岩为软弱破碎围岩，巷道支护尤其困难。（2）煤层顶板中直接顶岩层通常由碳质页岩、泥质页岩等强度较 低的岩层组成，厚度不大，煤层采出后，直接顶岩层一般随煤层的采 出而及时垮落。而老顶岩层，由厚度较大、强度较高的砂岩、石灰岩 等组成，并不随直接顶的垮落而及时垮落，而可能发生规则的垮落， 岩块互相铰接，或者只发生一些弯曲下沉，将会对综放沿空掘巷在掘 进和经受回采时的变形破坏发生较大的影响。（3）煤层底板中一般紧靠煤层的岩层多由碳质页岩、泥质页岩或 砂质页岩等组成，强度通常较低，这层岩层的厚度及岩性对巷道的稳 定性及巷道

41、的底鼓影响很大。较深部的底板通常强度较高，对巷道的 围岩变形一般不会产生本质性的影响。巷道围岩力学环境综放沿空掘巷的围岩力学环境与其它类型的回采巷道相比,一般具 有以下四个显著的特点：（1）巷道处于应力降低区巷道因沿上工作面采空侧煤体的底板掘进，采空侧煤体在较大范围 内己变形或者局部破坏，造成煤体应力卸载，当采用沿空掘巷时，巷 道处于应力降低区内，这种力学环境对沿空掘巷的稳定是有利的。（2）掘巷期内围岩应力集中程度小巷道本身在应力降低区内掘进，且巷道顶部及两帮的煤体裂隙发育 程度较高，已基本呈塑性状态，故掘巷过程所引起的围岩应力的再分 布对其影响并不是很明显。综放沿空掘巷引起的应力集中程度不大

42、， 对巷道稳定性影响较小，这是综放沿空掘巷围岩应力场的主要特点之一。（3）回采期间应力集中程度很大综放沿空掘巷在掘巷影响及稳定期内，巷道围岩应力较小，巷道变 形并不严重。但在本工作面回采时，采场上覆岩体结构发生变化，应 力重新分布并向周围的煤岩体转移，巷道上覆煤岩体的应力产生叠加， 导致巷道围岩结构的外部载荷急剧加大，巷道围岩变形量很大，一般 地，工作面受采动影响时巷道的围岩变形量是巷道掘进期间的56倍 甚至更大。因此，这类巷道在采动影响时的变形量是很难控制的，而 采用锚杆支护对维持其稳定则具备更有利的条件。（4）巷道围岩松散破碎受到上一区段工作面采动影响，窄煤柱巷道附近围岩总体上处于塑 性破

43、坏状态，巷道围岩变形量大，支护困难。、巷道的维护特点从综放沿空掘巷的维护特点及生产条件来看，它具有以下维护特点:1）服务年限短与其它回采巷道类似，综放沿空掘巷的服务年限较短，一般在2年 之内，当本区段工作面回采完毕后即报废，故对其支护要求并不高。2）巷道断面综放沿空掘巷采用合理的断面形状，一方面可以保持巷道的完整， 这对巷道的稳定性是极为有利的；另一方面，也可以改善回采工作面 端头的维护、提高断面利用率。因此，综放沿空掘巷大多选用矩形或 梯形断面。相应地，巷道锚杆支护结构及支护原理也不同于其它类型 的回采巷道。3）巷道维护要求综放沿空掘巷的维护从工程的角度来说，对巷道的要求并不高，巷 道围岩可

44、在不发生破坏失稳和巷道断面满足正常生产要求的前提下， 允许有较大的变形量。4）巷道的维护原理及技术与一般的地下岩体工程不同，综放沿空掘巷围岩在上覆岩层运动和 采动影响下发生变形破坏，所以其支护原理与支护技术都是围绕下述 两个方面展开的；一是上覆岩层运动过程、规律和采动影响引起围岩 应力和变形的变化规律；二是锚杆支护形成围岩锚固结构的机理、锚 固结构特点、锚固结构承载性能、锚固结构变形破坏特征，以及在此 过程中锚杆的作用等。、覆岩结构与沿空掘巷围岩稳定的关系煤层顶板岩层中，由于成岩矿物成分及成岩环境等因素不同，岩层 厚度和力学性质存在较大差别。其中一些较坚硬并具有一定厚度的岩 层起着主要的控制作

45、用，它们破断后形成的结构直接影响着采场及周 围巷硐的矿压显现和岩层活动，这些对岩体活动全部或局部起控制作 用的岩层称为关键层。关键层判别的主要依据是其变形和破坏特征， 即关键层破断时，其上覆全部岩层或局部岩层的下沉变形是互相协调 一致的；前者称为岩层活动的关键层，后者为亚关键层。关键层理论 是分析研究沿空巷道上覆岩层稳定性的理论基础，与采场相比沿空巷 道顶板岩层结构具备以下特征：(1) 在巷道整个服务时期，随着采面不断向前推进，上覆岩层结构 运动形式有所不同，通过巷道顶板对沿空巷道围岩稳定的影响方式和 程度差异悬殊。同时，掘进巷道再次扰动上覆岩层结构引起应力重新 分布，形成更复杂的叠加支承压力

46、。(2 )沿空巷道沿相邻区段采空区边缘布置，顶板岩层处于采空区上 覆岩层结构固支边与铰结边之间，其顶板岩层断裂成弧形三角板。(3) 沿空巷道跨度较小，工作面老顶岩层结构对巷道围岩稳定性影 响最显著，老顶一般可视为亚关键层。沿空巷道条件下，老顶一般可视 为亚关键层(4) 回采工作面关键层结构只经历1次破断运动稳定；而沿空 掘巷上覆关键层结构在上区段工作面回采时就经历1次破断一运动一 稳定，工作面回采，经历第2次破断运动，并且第2次破断运动 对沿空掘巷稳定性影响更加剧烈。(5) 回采工作面关键层结构分析主要考虑结构块之间的作用力、冒 落研石的支撑力及上覆软弱岩层和关键层的自重，考虑结构自身平衡;

47、而沿空掘巷的关键层结构还要受到下方煤体(窄煤柱)的支撑。、采空区上覆岩层结构与沿空掘巷的关系上区段工作面回采后，采空区上覆岩层垮落，基本顶初次来压形成 “O-X”破断，周期来压即基本顶周期破断后的岩块沿工作面走向方向形 成砌体梁结构，在工作面端头破断形成弧形三角块。如图3-7所示。图3-7沿空掘巷与上覆岩层结构关系示意图老顶岩层在直接顶岩层垮落后，一般在煤体内断裂、回转或弯曲下 沉，在采空区内形成岩层承载结构。沿工作面倾向，岩块A、岩块B、 岩块C组成铰接结构，该结构稳定性取决于采空区的充填程度和老顶 岩层的断裂参数。采空区上覆岩层移动稳定后，沿空巷道位居岩块B 的下方。岩块A为本区段工作面老

48、顶岩层，岩块B为上区段工作面采 空区靠近煤体一侧的弧三角板，岩块C为上区段工作面采空区垮落砰 石上的断裂岩块。岩块B对巷道上覆岩层结构的稳定起重要作用，对 弧三角块结构稳定性进行力学分析，揭示老顶三角块结构稳定状态与 沿空巷道稳定状态的关系，对合理确定沿空巷道位置及支护参数具有 重要意义。如图3-8所示。岩体A图3-8沿空掘巷上覆岩体结构（1）上区段工作面煤层采出时，工作面端头一般有两架支架不放 煤，加上原来的巷道宽度，计有7m左右的顶煤不放出，故在工作面支 架推过后，这部分煤层因破坏严重而在支承压力和自重的作用下首先 垮落。垮落后的赋存状态如图3-8中的I部分。（2）工作面支架推过后，随着上区段煤层的采出和靠近采空侧未 放煤段煤体的垮落，直接顶岩层随之发生不规则或规则的垮落下沉， 最终与其上位的老顶岩层发生离层。在这个过程中，由于上区段工作 面中部和靠近采空侧煤层的采出程度不同，直