【文章內(nèi)容簡介】 與支護方式、支護參數(shù)密切相關，在研究區(qū)段煤柱參數(shù)的同時，研究復雜條件下大變形區(qū)段巷道支護特征，優(yōu)化支護參數(shù)，改善支護狀況，對平煤集團八礦當前乃至今后生產(chǎn)有重要影響。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 深部工程的發(fā)展趨勢至于“深部”的概念，世界各國的采礦界一致認為，深部開采是由于礦床埋深較深，而使生產(chǎn)出現(xiàn)一些在淺部礦床開采時很少遇到的技術(shù)難題的礦山開采。而且世界上有深井開采歷史的國家一般認為，當?shù)V山開采深度超過 600m 既為深井開采。另外，世界上主要采礦國家的專家學者針對本國的地下工程引起的巖石力學問題，各自定義了其深部范圍，比如日本把深井的“臨界深度”界定為600m；英國和波蘭則將其界定為 750m；德國將埋深超過 800～1000m 的礦井成為深井，將埋深超過 1200m 的礦井稱為超深井開采；南非、加拿大等采礦業(yè)發(fā)達的國家，礦井深度達到 800～1000m 才稱為深井開采 [15]，我國深部開采的深度通常被界定為：煤礦 800～1500m，金屬礦山 1200～2022m [68]。隨著我國煤炭事業(yè)的發(fā)展，開采深度與開采強度日益增加，回采工作面機械化程度迅速提高，巷道斷面不斷加大，帶來一系列的問題，如采準巷道礦山壓力顯現(xiàn)強烈，巷道維護狀況惡化等。深井巷道礦山壓力控制是深部開采面臨的急待解決的重大技術(shù)課題之一。隨著人類對礦產(chǎn)需求量的日益增加，開采規(guī)模不斷擴大，淺部易采的礦產(chǎn)資源日趨枯竭，開采向深部發(fā)展是地下礦山的必然趨勢。據(jù)統(tǒng)計，國外煤礦礦井開采深度增長速度為 8～12m/a，平均遞增速度10m/a。煤礦開采深度最大的德國，平均采深己超過 900m，超過 1000m 的工作面占 20%，最大開采深度已達 1443m。在俄羅斯，僅頓巴斯礦區(qū)就有 30 個礦井的采深達到 1200m～1350m。波蘭的煤礦開采深度己達 1200m，日本和英國的煤礦開采深度己分別達 1125m 和 1100m，此外，比利時等國的開采深度也己達 1000m以上。20 世紀 50 年代，我國的立井深度平均不到 200m，而 90 年代平均己達600m，相當于平均每年以 l0m 的速度向深部延伸。生產(chǎn)礦井 1980 年平均深度為288m，而 1995 年平均深度達 428m，平均每年以近 10m 的速度向下延伸，東部礦井的向下延伸速度每年達 10～25m。早在“八五 ”期間，國內(nèi)新建的 65 個礦井的平均深度就己達 588m，其中深度在 1000m 以上的井筒就有 12 個。據(jù)統(tǒng)計，目前我國許多礦區(qū)的開采深度都己超過了 600m～ 800m，深度超過千米的礦井就有數(shù)十個，最大開采深度己接近 1200m，如沈陽礦務局彩屯煤礦（ 1197m） 、開灤趙各莊煤礦（1159m） 、徐州張小樓煤礦（1100m） 、北票冠山煤礦（1059m） 、開灤林西煤礦（1040m） 、北京門頭溝（1008m） 、長廣礦區(qū)（1000m） 。此外，新汶礦區(qū)的大部分礦山己轉(zhuǎn)入深部開采，平均開采深度達 900m 以上，如孫村煤礦（1055m） ，華豐煤礦（1070m） 。可以預計，隨著對煤炭需求量的不斷增加，我國將有更多的煤礦礦山進入到 l000m 以下深度開采。研究表明，隨著井深的增加，深部巖層壓力迅速增長，給深井建設和開采造成了嚴重困難，其中支架折損、支護破壞、巷道失穩(wěn)就是一個最直接的后果。較早進入深部采煤的國家，如原西德、前蘇聯(lián)等對深部開采的巷道礦壓問題進行了大量研究，前蘇聯(lián) 80 年代統(tǒng)計資料表明，由于井深增加，支架所受力增加了～2MPa 。我國在這方面的研究起步較晚，與我國煤礦深井開采的現(xiàn)狀不適應，一些礦井進入深部開采后在巷道布置和開采部署上仍沿用淺部的方法和理論。在巷道支護方面，我國發(fā)展了可縮性 U 型鋼支架和錨噴類支護技術(shù)，但在 U 型鋼和連結(jié)件材質(zhì)、壁后充填技術(shù)和配套設備、錨桿材質(zhì)以及相應的配套設備方面與生產(chǎn)實際需求仍有較大的差距。3 / 87 沿空掘巷上覆巖層活動規(guī)律的研究綜述國內(nèi)外對采場上覆巖層破斷特征和活動規(guī)律開展了大量的研究 [9～11] ，提出了采場上覆巖層的關鍵層理論、基本頂及關鍵層的斷裂規(guī)律，S－R 穩(wěn)定性原理等。隨著綜采放頂煤技術(shù)的發(fā)展，文獻[12，13]對綜采放頂煤采場上覆巖層的活動規(guī)律做了進一步的研究，明確提出了綜采放頂煤采場上方存在“砌體梁” 基本結(jié)構(gòu)。針對沿空掘巷圍巖力學環(huán)境和維護特點，對巷道上覆巖層穩(wěn)定狀況、沿工作面傾斜方向上覆巖層的活動規(guī)律研究很少。文獻[14～17]通過對工作面及順槽礦壓觀測分析和相似模擬試驗研究認為：隨工作面回采推進，采空區(qū)側(cè)煤體及上覆巖層依次垮落，形成砌體梁結(jié)構(gòu)；側(cè)向煤體支承壓力峰值點與采放比有關，且隨采放比增大峰值點遠移，有利于留設窄煤柱；分析了巷道上覆巖層結(jié)構(gòu)特征，提出煤柱寬度 d 與側(cè)向支承壓力峰值點深入煤體的距離 x 有關，一般認為 d 小于 x的一半是比較合理的，此時對巷道穩(wěn)定有利。文獻[119]將基本頂沿傾斜方向形成的結(jié)構(gòu)作為沿空掘巷圍巖的大結(jié)構(gòu)，基本頂在工作面端頭形成的弧三角形塊視為巷道上方的關鍵塊，定性分析了關鍵塊在巷道不同從階段的穩(wěn)定性，認為關鍵塊在不同階段是穩(wěn)定的，為沿空掘巷創(chuàng)造了良好的外部力學環(huán)境。 沿空掘巷護巷煤柱的研究綜述在生產(chǎn)實踐中，沿空掘巷包括沿采空區(qū)邊緣掘巷、與采空區(qū)之間留窄煤柱的沿空掘巷。護巷煤柱寬度對巷道穩(wěn)定性的影響主要有兩個方面，一是煤柱寬度影響巷道圍巖應力；二是煤柱寬度影響巷道圍巖完整性。沿空掘巷從 20 世紀 50 年代開始研究和應用，取得了有益的結(jié)論 [20～24] ，主要有：①留設窄煤柱沿空掘巷，巷道位置處于側(cè)向殘余支承壓力附近，掘巷擾動了側(cè)向支承壓力分布，因而，留設窄煤柱沿空掘巷不僅在掘進期間圍巖強烈變形，而且在掘后穩(wěn)定期間仍保持較大的變形速度，比沿采空區(qū)邊緣不留設窄煤柱沿空掘巷變形劇烈。②留設窄煤柱沿空掘巷，因窄煤柱破碎、煤柱支撐作用極小，增加了巷道跨度和懸頂距，巷道壓力增大、維護困難。③窄煤柱裂隙發(fā)育，甚至破碎，不同程度存在漏風現(xiàn)象。④留窄煤柱改善巷道掘進條件，對加快掘進速度以及隔離采空區(qū)是有利的。國內(nèi)外許多學者對煤柱的寬度和穩(wěn)定性做了大量的研究工作 [25～27] ，但對煤柱的合理寬度一直沒有統(tǒng)一的認識，其結(jié)論差別較大，合理煤柱寬度從 15m 直到 2030m 不等。文獻對煤柱寬度做了詳細的評述，并提出用智能決策系統(tǒng)和人工神經(jīng)元網(wǎng)格選擇煤柱寬度的方法。以上研究是建立在薄及中厚煤層、厚煤層傾斜分層開采、埋深淺、巷道基本采用木支護或金屬架棚支護基礎之上的，但是隨著巷道埋深增加、原巖應力增大，綜采放頂煤一次采全高等大采高采煤方法的應用，沿空掘巷圍巖變形劇烈，高強度錨桿支護系統(tǒng)和預應力錨索的應用，支護對圍巖穩(wěn)定狀況的影響顯著增大，確定護巷煤柱寬度、研究其穩(wěn)定性，應考慮支護的作用，同時確定窄煤柱寬度應考慮錨桿在窄煤柱中的錨固力，過窄的煤柱難以保證錨固力而影響支護效果。 錨桿支護原理及技術(shù)的研究綜述支護技術(shù)的快速發(fā)展，失去了錨桿支護理論的工作，取得了許多重要的成果，如傳統(tǒng)的懸吊理論、組合梁理念、壓縮拱理論、圍巖松動圈支護理論、最大水平應力理論等 [28]，它們解釋了特定條件下的錨桿支護機理，對錨桿支護的作用有了不同程度的認識，至今對特定條件巷道的錨桿支護設計仍然具有指導意義，近幾年國內(nèi)外開展了錨桿支護提高巷道圍巖力學性能的研究，認為：系統(tǒng)布置錨桿可以提高錨固體的極限強度、彈性模量、內(nèi)聚力、內(nèi)磨擦角等力學參數(shù)，錨桿支護可以改變圍巖應力狀態(tài)及應力應變特性，錨固效果與錨桿長度、密度及錨桿材料性質(zhì)有關，錨固效果隨巖體強度提高而減小，系統(tǒng)布置錨桿的圍巖可看作力學參數(shù)提高而均化的巖體等。王明恕 [29](1983)認為在靠近巖石壁面部分（錨桿尾部） ，錨桿阻止圍巖壁面變形，剪力指向壁面；在圍巖深處（錨頭部分） ，圍巖阻止錨桿向壁面方向移動。錨桿上的剪力指向相背的分界點，稱為中性點。該點處剪應力為零，軸向拉應力最大。由中性點想錨桿兩端剪應力逐漸增大，軸向拉應力逐漸減小。全長錨固中性點理論中的“中性點”觀點被普片接受。董方庭等 [30](1994)在對巷道圍巖狀態(tài)進行深入研究后提出了圍巖松動圈巷道支護理論。該理論發(fā)現(xiàn)圍巖松動圈的存在是巷道固有的特性，它的范圍大?。ê穸戎?L）目前可以用聲波儀或者多點位移計等手段進行測定。巷道支護的主要對象是圍巖的松動圈產(chǎn)生、發(fā)展過程中產(chǎn)生的碎脹變形力，錨桿承受拉力的來源在于松動圈的發(fā)生與發(fā)展，根據(jù)松動圈厚度值的大小，將其分為小、中、大三類。侯朝炯、勾攀峰[31] 結(jié)合煤巷埋藏深、受采動影響、地應力大、圍巖松軟破5 / 87碎的特點，通過相似材料模擬試驗和理論分析，研究錨固體峰前、峰后、殘余強度階段的力學行為，提出了錨桿支護圍巖強度強化理論。前蘇聯(lián)的煤礦科學研究院提出了一套計算錨桿支護參數(shù)的能量原理 [3233]。該理論認為，巷道開挖后引起圍巖應力重分布、位移和破裂，是一個能量釋放的過程。在有錨桿支護的情況下，巖體的彈塑性位移受到錨桿阻擋，其能量表現(xiàn)為阻擋功能，阻止圍巖應變能的繼續(xù)釋放。當圍巖釋放的能量與圍巖的阻擋功達到平衡時，圍巖與錨桿便共同處于穩(wěn)定狀態(tài)?；谏鲜鲇^點，該院推到了一些計算公式，并將其簡化為圖表形式。在該方法中，決定錨桿參數(shù)的基本因素有錨桿形式、圍巖的堅固性、巷道的跨度和埋深。蔣樹萍 [34]也從能量的角度討論過錨桿的合理布置問題。 本文研究的內(nèi)容及技術(shù)研究路線 研究內(nèi)容針對八礦深部開采技術(shù)條件及現(xiàn)有的錨桿支護技術(shù)水平，結(jié)合本論文的研究，開展以下幾個方面的研究：（1）深部開采條件下傾角對側(cè)向支承壓力的影響采用 FLAC3D數(shù)值模擬軟件，結(jié)合天安八礦地質(zhì)實際情況，尋求特定地質(zhì)條件下傾角與采場側(cè)支承壓力分布規(guī)律的關系，探討傾角對側(cè)支承壓力的分布特征的影響。以平煤天安八礦己二采區(qū)地質(zhì)條件為依據(jù)，以鄰近礦井的實際觀測資料為參照，采用類比與相似材料模擬試驗相結(jié)合的方法，研究八礦己組煤層開采時該條件下側(cè)支承壓力的分布規(guī)律，為今后多煤層采區(qū)巷道布置提供參考。（2）深部復雜開采技術(shù)條件下沿空掘巷護巷窄煤柱尺寸優(yōu)化研究采用相關儀器對煤柱破壞范圍、位移量、應力狀態(tài)進行測量；采用數(shù)值模擬方法，對不同煤巖賦存條件，不同煤柱寬度情況下，煤柱及回采巷道的穩(wěn)定性進行分析，以確定八礦深部開采條件下合理的煤柱尺寸。(3) 平煤八礦深部沿空掘巷斷面、支護方式及參數(shù)，以及施工工藝優(yōu)化研究平煤八礦淺部錨網(wǎng)支護得到了大面積的推廣，并取得了良好的成效，也積累的豐富的經(jīng)驗，但在深部復雜的開采技術(shù)條件下，不能照搬照抄，必須結(jié)合深部實際的開采情況，從巷道斷面設計、支護方式及參數(shù)，以及巷道施工工藝等方面進行優(yōu)化設計研究。(4) 沿空掘巷瓦斯及水的防治措施從巷道布置、瓦斯抽采設計等幾個方面入手，解決臨近采空區(qū)瓦斯及水的涌入。(5) 沿空掘巷支護質(zhì)量監(jiān)測在回采巷道內(nèi)布置測點，觀測巷道頂?shù)装逑鄬ψ冃?、兩幫相對移近量等參?shù)，對巷道的支護質(zhì)量進行監(jiān)測，評價和分析煤柱尺寸、巷道支護方式及參數(shù)的適宜性，并修改和優(yōu)化設計方案。 研究方法及技術(shù)路線本文研究采用現(xiàn)場測試與分析、數(shù)值模擬實驗、實驗室試驗，以及理論分析等多種手段相結(jié)合的方法開展研究工作。首先采用數(shù)值模擬實驗研究傾角對側(cè)向支承壓力的影響，然后采用相似模擬實驗，研究八礦特定條件下側(cè)向支承壓力的分布規(guī)律，再次基礎上，對深部回采巷道斷面、煤柱尺寸、巷道支護方式及參數(shù)進行優(yōu)化設計，然后進行工業(yè)性實驗，并對巷道的支護質(zhì)量進行監(jiān)測，根據(jù)巷道的變形及破壞情況，對前面的研究結(jié)果進行改進；最后對沿空掘巷技術(shù)防治采空區(qū)水和瓦斯進行探討。技術(shù)路線如下圖所示：現(xiàn)場實測調(diào)研及基礎資料分析數(shù)值計算 物理模擬 理論分析措施方案的制定現(xiàn)場試驗改進和完善形成技術(shù)成果圖 11 論文研究技術(shù)路線 Technology route of study7 / 872 不同傾角條件下支承壓力分布規(guī)律的數(shù)值模擬研究 概述隨著采深的增加，平煤天安集團八礦工作面逐漸靠近李口向斜軸部，煤層傾角變大。不同傾角煤層側(cè)支承壓力分布的基本規(guī)律與近水平煤層相同，但傾斜狀態(tài)下巖層受力十分復雜，側(cè)支承壓力分布有其獨特的特點。由于缺乏傾角對側(cè)支承壓力分布規(guī)律影響的理論，工作面區(qū)段煤柱留設缺乏依據(jù)，巷道變形破壞嚴重。因而本章結(jié)合天安八礦實際情況，尋求特定地質(zhì)條件下傾角與采場側(cè)支承壓力分布規(guī)律的關系，探討傾角對側(cè)支承壓力的分布特征的影響。 FLAC3D 軟件簡介FLAC3D(Three Dimensional Fast LaGrange Analysis of Continua)是美國 Itasca Consulting Group lnc 開發(fā)的三維快速拉格朗日分析程序，該程序能較好地模擬地質(zhì)材料在達到強度極限或屈服極限時發(fā)生的破壞或塑性流動的力學行為，特別適用于分析漸進破壞和失穩(wěn)以及模擬大變形。它包含 10 種材料本構(gòu)模型，有靜力、動力、蠕變、滲流、溫度五種計算模式，各種模式間可以互相藕合，可以模擬多種結(jié)構(gòu)形式，如巖體、土體或其他材料實體，梁、錨元、樁、殼以及人工結(jié)構(gòu)如支護、襯砌、錨索、巖栓、摩擦樁、板樁、界面單元等，可以模擬復雜的巖土工程或力學問題。FLAC3D有以下幾個優(yōu)點： 1 對模擬塑性破壞和塑性流動采用的是“混合離散法”。這種方法比有限元法中通常采用的“離散集成法”更為準確、合理。 2 即使模擬的系統(tǒng)是靜態(tài)的，仍采用了動態(tài)運動方程，這使得FLAC 3D在模擬物理上的不穩(wěn)定過程不存在數(shù)值上的障礙。 3 采用了一個“顯式解”方案。因此，顯式解方案對非線性的應力應變關系的求解所花費的時間，幾乎與線性本