【文章內(nèi)容簡介】 與支護(hù)方式、支護(hù)參數(shù)密切相關(guān)，在研究區(qū)段煤柱參數(shù)的同時，研究復(fù)雜條件下大變形區(qū)段巷道支護(hù)特征，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，改善支護(hù)狀況，對平煤集團(tuán)八礦當(dāng)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(rèn)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(rèn)為，當(dāng)?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(xué)者針對本國的地下工程引起的巖石力學(xué)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(dá)的國家，礦井深度達(dá)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(zhǔn)巷道礦山壓力顯現(xiàn)強烈，巷道維護(hù)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(dá) 1443m。在俄羅斯，僅頓巴斯礦區(qū)就有 30 個礦井的采深達(dá)到 1200m～1350m。波蘭的煤礦開采深度己達(dá) 1200m，日本和英國的煤礦開采深度己分別達(dá) 1125m 和 1100m，此外，比利時等國的開采深度也己達(dá) 1000m以上。20 世紀(jì) 50 年代，我國的立井深度平均不到 200m，而 90 年代平均己達(dá)600m，相當(dāng)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(dá) 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(dá) 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(dá) 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(wù)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(dá) 900m 以上，如孫村煤礦（1055m） ，華豐煤礦（1070m） ?？梢灶A(yù)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(jìn)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(shè)和開采造成了嚴(yán)重困難，其中支架折損、支護(hù)破壞、巷道失穩(wěn)就是一個最直接的后果。較早進(jìn)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(jìn)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(yīng)，一些礦井進(jìn)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(hù)方面，我國發(fā)展了可縮性 U 型鋼支架和錨噴類支護(hù)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(shè)備、錨桿材質(zhì)以及相應(yīng)的配套設(shè)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(guān)鍵層理論、基本頂及關(guān)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(xiàn)[12，13]對綜采放頂煤采場上覆巖層的活動規(guī)律做了進(jìn)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(xué)環(huán)境和維護(hù)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(xiàn)[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(rèn)為：隨工作面回采推進(jìn)，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(guān)，且隨采放比增大峰值點遠(yuǎn)移，有利于留設(shè)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(guān)，一般認(rèn)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(xiàn)[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(guān)鍵塊，定性分析了關(guān)鍵塊在巷道不同從階段的穩(wěn)定性，認(rèn)為關(guān)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(xué)環(huán)境。 沿空掘巷護(hù)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(hù)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(yīng)力；二是煤柱寬度影響巷道圍巖完整性。沿空掘巷從 20 世紀(jì) 50 年代開始研究和應(yīng)用，取得了有益的結(jié)論 [20～24] ，主要有：①留設(shè)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(shè)窄煤柱沿空掘巷不僅在掘進(jìn)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(shè)窄煤柱沿空掘巷變形劇烈。②留設(shè)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(hù)困難。③窄煤柱裂隙發(fā)育，甚至破碎，不同程度存在漏風(fēng)現(xiàn)象。④留窄煤柱改善巷道掘進(jìn)條件，對加快掘進(jìn)速度以及隔離采空區(qū)是有利的。國內(nèi)外許多學(xué)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(rèn)識，其結(jié)論差別較大，合理煤柱寬度從 15m 直到 2030m 不等。文獻(xiàn)對煤柱寬度做了詳細(xì)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(hù)或金屬架棚支護(hù)基礎(chǔ)之上的，但是隨著巷道埋深增加、原巖應(yīng)力增大，綜采放頂煤一次采全高等大采高采煤方法的應(yīng)用，沿空掘巷圍巖變形劇烈，高強度錨桿支護(hù)系統(tǒng)和預(yù)應(yīng)力錨索的應(yīng)用，支護(hù)對圍巖穩(wěn)定狀況的影響顯著增大，確定護(hù)巷煤柱寬度、研究其穩(wěn)定性，應(yīng)考慮支護(hù)的作用，同時確定窄煤柱寬度應(yīng)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(hù)效果。 錨桿支護(hù)原理及技術(shù)的研究綜述支護(hù)技術(shù)的快速發(fā)展，失去了錨桿支護(hù)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(hù)理論、最大水平應(yīng)力理論等 [28]，它們解釋了特定條件下的錨桿支護(hù)機理，對錨桿支護(hù)的作用有了不同程度的認(rèn)識，至今對特定條件巷道的錨桿支護(hù)設(shè)計仍然具有指導(dǎo)意義，近幾年國內(nèi)外開展了錨桿支護(hù)提高巷道圍巖力學(xué)性能的研究，認(rèn)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(xué)參數(shù)，錨桿支護(hù)可以改變圍巖應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力應(yīng)變特性，錨固效果與錨桿長度、密度及錨桿材料性質(zhì)有關(guān)，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(xué)參數(shù)提高而均化的巖體等。王明恕 [29](1983)認(rèn)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(yīng)力為零，軸向拉應(yīng)力最大。由中性點想錨桿兩端剪應(yīng)力逐漸增大，軸向拉應(yīng)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(jìn)行深入研究后提出了圍巖松動圈巷道支護(hù)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(jìn)行測定。巷道支護(hù)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(yīng)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(xué)行為，提出了錨桿支護(hù)圍巖強度強化理論。前蘇聯(lián)的煤礦科學(xué)研究院提出了一套計算錨桿支護(hù)參數(shù)的能量原理 [3233]。該理論認(rèn)為，巷道開挖后引起圍巖應(yīng)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(hù)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(yīng)變能的繼續(xù)釋放。當(dāng)圍巖釋放的能量與圍巖的阻擋功達(dá)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(hù)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(guān)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(fù)雜開采技術(shù)條件下沿空掘巷護(hù)巷窄煤柱尺寸優(yōu)化研究采用相關(guān)儀器對煤柱破壞范圍、位移量、應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)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(jìn)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(hù)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(hù)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(fù)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(shè)計、支護(hù)方式及參數(shù)，以及巷道施工工藝等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)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(shè)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(hù)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(hù)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，評價和分析煤柱尺寸、巷道支護(hù)方式及參數(shù)的適宜性，并修改和優(yōu)化設(shè)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(chǔ)上，對深部回采巷道斷面、煤柱尺寸、巷道支護(hù)方式及參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，然后進(jìn)行工業(yè)性實驗，并對巷道的支護(hù)質(zhì)量進(jìn)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(jìn)行改進(jìn)；最后對沿空掘巷技術(shù)防治采空區(qū)水和瓦斯進(jìn)行探討。技術(shù)路線如下圖所示：現(xiàn)場實測調(diào)研及基礎(chǔ)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(jìn)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(tuán)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(fù)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(shè)缺乏依據(jù)，巷道變形破壞嚴(yán)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(guān)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(dá)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(xué)行為，特別適用于分析漸進(jìn)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(hù)、襯砌、錨索、巖栓、摩擦樁、板樁、界面單元等，可以模擬復(fù)雜的巖土工程或力學(xué)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(zhǔn)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(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的求解所花費的時間，幾乎與線性本