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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
2、为巷道两帮急剧收敛，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
3、者做了大量的 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。 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
4、时由于煤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
5、处于侧向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
6、沿空掘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
7、究与应用,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
8、的支护方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
9、掘巷巷道围岩变形特征， 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
10、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
11、缘10m处。长期以来,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为弹性应力升髙区,11m以外逐步恢复到原始应力区.澄合矿务局
12、 权家河煤矿观测结果，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e 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X p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
13、了煤柱强度和变形规律,煤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,这说明应力最髙的位置并 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
14、安矿务局煤柱合理尺寸进行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
15、（1996）等采用理论分析、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
16、行了分析，指 出动压是造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
