【導(dǎo)讀】師從兩載，時(shí)光荏苒，歲月如梭，來不及細(xì)細(xì)感悟，心中只有絲絲不舍。與導(dǎo)師相識(shí)緣于碩士復(fù)試，從第一次在電話里聽到他循循善誘，諄諄教導(dǎo)，我感到自己真是一個(gè)幸運(yùn)的人。在20多歲的時(shí)候，能遇到一位改變我人生軌跡。的老師，是我莫大的幸運(yùn)！鄭老師給予我的精神財(cái)富中，不僅有知識(shí)，更有見識(shí)。生有涯，知無涯。對(duì)各方面知識(shí)的涉獵，讓我看到一位學(xué)者應(yīng)有的儒雅氣息。這令我羨慕，也激勵(lì)。知識(shí)之外，我不想成為一只井底之蛙。慢慢學(xué)習(xí)做人做事的禮儀和方法。見多方能識(shí)廣，少見難免多怪。，感謝課題組花錦波碩士、薛飛博士、潘東江博。士在數(shù)值模擬方面給予的幫助，我會(huì)珍惜這份同學(xué)友誼！求學(xué)近二十載，回首過往，雖有風(fēng)雨，不為之懼。源于父母堅(jiān)定的支持，源。沿空掘巷是在上區(qū)段工作面回采穩(wěn)定后，在采空區(qū)邊緣留窄煤柱掘進(jìn)巷道。根據(jù)煤層賦存條件分為：薄及中厚煤層沿空掘巷和綜放沿空掘巷。沿空掘巷具有一定的參考價(jià)值。

　　

【正文】 用在煤柱上的載荷最大，煤柱持續(xù)變形速度也最大，導(dǎo)致巷道后期維護(hù)困難。當(dāng)基本頂斷裂線位于沿空巷道外側(cè)時(shí)，煤柱變形在合理范圍內(nèi)，同時(shí)具有較強(qiáng)的支承能力，對(duì)巷道維護(hù)有利。 圍巖錨固理論 研究錨桿支護(hù)作用機(jī)理的目的是弄清錨桿與圍巖之間的相互作用關(guān)系，從而為錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。到目前為止，根據(jù)不同的圍巖條件，發(fā)展了相應(yīng)的錨桿支護(hù)理論 [29, 30]。 （ 1）懸吊理論 懸吊理論認(rèn)為：錨桿 支護(hù)的 作用是將巷道頂板較軟弱的巖層懸吊在上部穩(wěn)定的巖層上，增強(qiáng)較軟弱巖層的穩(wěn)定性。由于煤系地層為層狀沉積巖，回采巷道經(jīng)常遇到層狀巖體，錨桿的懸吊作用如圖 121（ a）所示。如果巷道淺部圍巖松軟破碎，頂板出現(xiàn)松動(dòng)破裂區(qū)，錨桿的懸吊作用是將這部分易冒落巖體錨固在深部未松動(dòng)的堅(jiān)硬巖層上，如圖 121（ b）所示。 1 緒論 7 （ a）上部有穩(wěn)定巖層 （ b）上部形成自然平衡拱 1錨桿 2松散破碎巖層 3穩(wěn)定巖層 圖 12 懸吊作用 Figure 12 Suspension mechanism of bolts 但是，懸吊理論存在以下明顯缺陷： a）錨桿受力只有當(dāng)松散巖層或不穩(wěn)定巖塊完全與穩(wěn)定巖層脫離的情況下才等于破碎巖層的重量，而這種條件在井下巷道中并不多見。 b）錨桿安設(shè)后，由于巖層變形和離層，會(huì)使錨桿受力很大，而遠(yuǎn)非破碎巖層重量。 c）當(dāng)錨桿穿過破碎巖層時(shí)，錨桿提供的徑向和切向約束會(huì)不同程度地改善破碎巖層的整體強(qiáng)度，使其具有一定程度的承載能力，而懸吊理論沒有考慮圍巖的自承能力。 d）當(dāng)圍巖松軟，巷道寬度較大時(shí)，錨桿很難錨固到上部穩(wěn)定巖層或自然平衡拱上，懸吊理論無法解釋在這種條件下錨桿支護(hù)仍然有效的現(xiàn)象。 總之，懸吊理論僅考慮了錨桿的被動(dòng)抗拉作用，沒有涉及其抗剪能力及對(duì)破碎巖層整體強(qiáng)度的改變。因此，懸吊理論計(jì)算的錨桿載荷與實(shí)際出入比較大。 （ 2）組合梁理論 1952 年德國(guó) Jacobio 等在層狀巖層中提出了組合梁理論。該理論認(rèn)為：對(duì)于端部錨固錨桿，其提供的軸向力將對(duì)巖層離層產(chǎn)生約束，并且增大了各巖層間的摩擦力，與錨桿桿體提供的抗剪力一起阻止巖層間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。對(duì)于全長(zhǎng)錨固錨桿，錨桿和錨固 劑共同作用，明顯改善錨桿受力狀況，增加了控制頂板離層和水平錯(cuò)動(dòng)的能力，支護(hù)效果優(yōu)于端部錨固錨桿。 從巖層受力角度考慮，錨桿將各個(gè)巖層夾緊形成組合梁，如圖 122 所示。 組合梁所受的最大拉應(yīng)力與疊合梁所受的最大拉應(yīng)力的比值為： 2m a x2m a x 1()cilihhn?????? （ 16） 式中， maxcσ 、 maxl? —— 組合梁和疊合梁的最大拉應(yīng)力， MPa； hi—— 各層巖梁厚度， m； n—— 巖層總數(shù)。 （ a）錨桿支護(hù)前 （ b）錨桿支護(hù)后 圖 13 組合梁作用 Figure 13 Composite beam mechanism of bolts 應(yīng)用型碩士學(xué)位論文 8 組合梁的最大彎曲應(yīng)變?yōu)椋? 2max 2WBε Et? （ 17） 式中， W— 組合梁自重， kN； B— 巷道跨度， m； t— 組合梁高度， m； E— 巖石彈性模量， MPa。 組合梁厚度越大，梁的最大應(yīng)變值越小。組合梁理論充分考慮了錨桿對(duì)離層及滑動(dòng)的約束作用，但是它存在以下明顯缺陷： a）組合梁有效組合厚度很難確定。它涉及及影響錨桿支護(hù)的眾多因素，目前還沒有一種方法比較可靠地估計(jì)有效厚度。 b）沒有考慮水平應(yīng)力對(duì)組合梁強(qiáng)度、穩(wěn)定性及錨桿載荷的作用。其實(shí)，在水平應(yīng)力較大的巷道中，水平應(yīng)力是頂板破壞、失穩(wěn)的主要原因。 c）只適用于層狀頂板，而且僅考慮了錨桿對(duì)離層及滑動(dòng)的約束作用，沒有涉及錨桿對(duì)巖體強(qiáng)度、彈性模量及應(yīng)力分布的影響。 （ 3）減跨理論 減跨理論認(rèn)為：如果把拱頂不穩(wěn)定的巖層看成是支撐在邊墻的疊合梁（板），可將錨桿視為圍巖懸吊的為支點(diǎn)，安設(shè)了錨桿就相當(dāng)于增加了支點(diǎn)而減少了支護(hù)的跨度，從 而降低支護(hù)的彎曲應(yīng)力和撓度，維持了圍巖的穩(wěn)定性，使其不易變形和破壞，如圖 123 所示。錨桿的“減跨”作用實(shí)際上來源于錨桿的懸吊作用。但是，它也未能提供用于錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)的方法和參數(shù)。 圖 14 減跨作用 Figure 14 Reduction span mechanism of bolts （ 4）壓力拱理論 于 1955 年提出安裝錨桿后使隧道圍巖中形成連續(xù)的壓縮帶，錨桿的作用是使圍巖中產(chǎn)生一定厚度的壓縮帶承受圍巖壓力。與拱形壓縮帶理論1 緒論 9 相似的還有 加固 拱理論。 加固 拱理論認(rèn)為 ： 在拱形 巷道 圍巖破裂區(qū)中安裝預(yù)應(yīng)力錨桿時(shí)，在桿體兩端形成圓錐形分布的壓應(yīng)力，如果沿 巷道 周邊布置錨桿群，只要錨桿間距足夠小，各個(gè)錨桿形成的壓應(yīng)力圓錐體相互 重疊 ，就能在巖體中形成一個(gè)均勻的壓縮帶，它 可以承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載 ，如圖 124 所示 。 加固拱內(nèi)的巖體受徑向和切向約束， 處于三向應(yīng)力狀態(tài)， 巖體承載能力得到提高 。 錨桿支護(hù)的作用是形成較大厚度和較大強(qiáng)度的加固拱，拱的厚度越大，越有利于圍巖穩(wěn)定。 加固拱理論充分考慮了錨桿支護(hù)的整體作用，在軟巖巷道中得到了較廣泛的應(yīng)用。但是這種理論同樣存在一些 明顯的缺陷： a）只是將各錨桿的支護(hù)作用簡(jiǎn)單疊加，得出支護(hù)系統(tǒng)的整體承載結(jié)構(gòu)，缺乏對(duì)錨固巖體力學(xué)特性及影響因素的深入研究。 b）加固拱厚度涉及的影響因素很多，很難較準(zhǔn)確的估計(jì)。 1錨桿 2加固拱 圖 15 加固拱作用 Figure 15 Compression arc mechanism of bolts （ 5）強(qiáng)度強(qiáng)化理論 侯朝炯 [31]等在已有的研究成果的基礎(chǔ)上，提出巷道錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論。該理論認(rèn)為： a）錨桿支護(hù)的實(shí)質(zhì)是錨桿與錨固區(qū)域的巖體相互作用組成錨固體，形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)； b）錨桿支護(hù)可提高錨固體的力學(xué)參數(shù)（ E、 C、 φ），改善錨固體的力學(xué)性能； c）巷道圍巖存在破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，錨桿錨固區(qū)的巖體則處于破碎區(qū)，相應(yīng)的錨固區(qū)巖石強(qiáng)度處于峰后強(qiáng)度或殘余強(qiáng)度，錨桿支護(hù)使巷道圍巖特別是處于峰后區(qū)圍巖強(qiáng)度得到強(qiáng)化，提高了峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度。 d）煤巷錨桿支護(hù)可以改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，增加圍壓，從而提高圍巖的承載能力。 e）巷道圍 巖錨固體強(qiáng)度提高以后，可減少巷道圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)的范圍和巷道的表面位移，控制圍巖的破碎區(qū)、塑性區(qū)的發(fā)展，從而有利于保持巷道圍應(yīng)用型碩士學(xué)位論文 10 巖的穩(wěn)定。 為描述錨桿對(duì)巖體的強(qiáng)化作用，引入了強(qiáng)化系數(shù)，及錨固體的強(qiáng)度與未錨固巖體的強(qiáng)度的比值。錨固體極限強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)jK： 1j cσK σ? （ 18） 式中： 1σ —— 錨固體的極限抗壓強(qiáng)度， MPa。 cσ —— 未錨巖體的極限抗壓強(qiáng)度， MPa。 錨固體殘余強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù) cK ： *1*c cσK σ? （ 19） 式中： *1σ —— 錨固體的殘余抗壓強(qiáng)度， MPa。 *cσ —— 未錨巖體的殘余抗壓強(qiáng)度， MPa。 存在的問題（ Main Problems） 以上研究大都針對(duì)淺部或中深部礦井沿空掘巷進(jìn)行，礦井深入深部開采后，尤其是千米深井開采后受到“三高一擾動(dòng)”的影響 [32, 33]，煤巖體處于高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓的環(huán)境中，而且要經(jīng)受多次強(qiáng)烈的采動(dòng)影響，巷道圍巖應(yīng)力及變形特征均表現(xiàn)出與淺部不同的規(guī)律，圍巖由脆性向塑性過渡，巷道表現(xiàn)出非線性大變形的特點(diǎn)，加大了巷道支護(hù)難度 [34]。 以往研究沿空掘巷大多是在水平薄及中厚煤層條件下，對(duì)于大傾角厚煤層情況下沿空掘巷上覆圍巖結(jié)構(gòu)、煤體極限平衡區(qū)寬度、窄煤柱受力特點(diǎn)研究較少。對(duì)于每一種具體采礦條件，需要根據(jù)具體情況具體分析，普遍性的理論和公式還需做出一定的補(bǔ)充，使得分析結(jié)果與實(shí)踐情況更為吻合。 研究?jī)?nèi)容（ Research Content） 本文綜合采用理論分析、數(shù)值模擬、工程實(shí)踐等方法，以孔莊礦 7435 工作面 材料道為工程實(shí)例，對(duì)大傾角厚煤層條件下沿空掘巷圍巖控制技術(shù)進(jìn)行研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容 如下： （ 1）通過理論分析，揭示大傾角厚煤層回采巷道上覆巖層結(jié)構(gòu)及煤體極限平衡寬度，為探討沿空掘巷合理煤柱寬度及支護(hù)方式提供理論參考； （ 2）對(duì)窄煤柱進(jìn)行幾何形狀、受力和變形分析，對(duì)比不同煤柱寬度時(shí)，窄煤柱幫部水平位移、整體水平位移和應(yīng)力分布特點(diǎn)，得出窄煤柱合理寬度； （ 3）根據(jù)深井支護(hù)及窄煤柱支護(hù)的原則，結(jié)合材料道圍巖條件，提出巷道錨桿索噴支護(hù)方案及具體參數(shù)； 1 緒論 11 （ 4）在試驗(yàn)段進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)反饋，分析支護(hù)效果，對(duì)支護(hù)中出現(xiàn)的不足之處，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。 研究路線（ Research Routine） 針對(duì)以上研究?jī)?nèi)容，本文綜合采用理論分析、數(shù)值模擬、和工程實(shí)踐等研究方法，通過理論分析，揭示大傾角厚煤層回采巷道上覆巖層結(jié)構(gòu)及其礦壓顯現(xiàn)特征；利用常規(guī)理論計(jì)算、數(shù)值模擬和工程類比相結(jié)合的方法確定 7435 工作面 材料道合理煤柱寬度；結(jié)合錨固理論和具體圍巖條件，提出沿空巷道支護(hù)方案及具體參數(shù)；進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，驗(yàn)證支護(hù)方案的效果并進(jìn)行反饋調(diào)整，為孔莊礦類似條件下巷道支護(hù)提供參考。本文擬采用的技術(shù)路線如圖 151 所示。 圖 16 技術(shù)路線 Figure 16 Technology roadmap 研究對(duì)象研究?jī)?nèi)容研究方法擬解決的科學(xué)問題預(yù)期成果大傾角厚煤層沿空掘巷道上覆巖層結(jié)構(gòu)不同寬度小煤柱應(yīng)力分布、變形和塑性區(qū)分布沿空掘巷圍巖控制技術(shù)工業(yè)性試驗(yàn)理論分析數(shù)值模擬礦壓觀測(cè)孔莊礦 7435 綜放面材料道留小煤柱沿空掘巷技術(shù)大傾角厚煤層沿空掘巷道上覆巖層破斷規(guī)律及力學(xué)特征數(shù)值模擬確定合理小煤柱寬度提出巷道支護(hù)優(yōu)化方案得出沿空掘巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、提出改進(jìn)建議確定孔莊礦 7435 綜放面材料道沿空掘巷合理小煤柱寬度及巷道支護(hù)方案錨固理論工程類比應(yīng)用型碩士學(xué)位論文 12 2 7435 材料道沿空掘巷上覆圍巖結(jié)構(gòu)及受力分析 2 Analysis of Structure and Mechanical state of Roof in 7435 GobSide Driving Entry 7345 工作面采礦技術(shù)條件（ Mining Technological Condition of 7435 Face） 7435 工作面概況 7435 綜放工作面位于礦井 IV1 采區(qū)西翼深部，其北為 1020m 等高線，南到7433 工作面采空區(qū)，西到 IV1 人行下山，東到 Fc11 斷層。工作面對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高＋ ，工作面標(biāo)高為 ~，工作面走向長(zhǎng) 1952m，設(shè)計(jì)工作面凈長(zhǎng) 213m（平距），工作面煤層厚度 ~，平均厚度 ，工作面煤層傾角在 18176。 ~25176。，平均傾角 21176。，工作面斜面積 445356m2，工作面 7煤工業(yè)儲(chǔ)量 萬 t，設(shè)計(jì)動(dòng)用儲(chǔ)量 萬 t，回采煤量為 235 萬 t（放頂煤工作面回 采率為 85%）。 采用綜采放頂煤采煤方法，采高 ，頂煤高 ，采放比約為 1:1。 圖 21 7435 綜采放頂煤工作面 Figure 21 Fully mechanized 7435 face with top caving 7435 材料道頂板特征 孔莊礦 7435 材料道 直接頂 ： 砂質(zhì)泥巖，厚度 ～ ，平均厚度 ，灰黑色，薄層狀，含砂不均，有較多的植物化石 ，現(xiàn)場(chǎng)拍攝頂板如圖 212 所示；粉砂巖，厚度 ～ ，平均厚 。 基本 頂 ： 中粒砂巖 ，厚度 ～ ，平均厚 ，呈 灰白色，主要成分為石英、長(zhǎng)石，鈣質(zhì)膠結(jié)，致密，細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu)，近水平層理 。 2 7435 材料道沿空掘巷上覆圍巖結(jié)構(gòu)及受力分析 13 (a) (b) 圖 22 泥巖和砂巖交互型頂板 Figure 22 The sandstone and mudstone developed alternatively in roof 由于 7435 材料道為沿頂掘進(jìn)，巷道上方無頂煤。頂板巖層經(jīng)地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后，與水平方向平均角度為 21176。，如圖 213 所示。 圖 23 7435 材料道沿空掘巷圍巖條件 Figure 23 Surrounding rock condition of gobside entry driving in 7435 tailgate 由圖 21 212 可知， 7435 工作面為大傾角厚煤層綜放開采，本論文圍繞這種采礦條件下材料道留窄煤柱沿空掘巷技術(shù)展開。 沿空掘巷弧形三角塊結(jié)構(gòu)（ Arc Triangular Plate on GobSide Driving Entry） 砌體梁理論及大傾角厚煤層礦壓特點(diǎn) “砌體梁”結(jié)構(gòu)根據(jù)采動(dòng)巖體的移動(dòng)特征來提出的 [35, 36]： 1）上覆巖層中的堅(jiān)硬巖層是巖體的骨架結(jié)構(gòu)，可以將上覆巖層分成若干組，每一組的底層為堅(jiān)硬巖層，它承擔(dān)自身的重力以及上覆軟弱巖層的載荷。